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永恒之旅:浅谈人类宇宙观与时空观之发展

永恒之旅:浅谈人类宇宙观与时空观之发展

作者: @李雨珊 (我女朋友)

原回答:zhihu.com/question/2647


对未知的好奇,对真理的渴望,促我们踏上这永恒的追逐之旅。我们,在路上。——题记

盘古之蛋

Long long ago...

日出月落,斗转星移。就这样不知过了多久,一切都按照预定的模式不断地运作着,似乎从未曾有过任何改变。

亦或许这一切实在太过单调而寂寞,后来,天地间出现了生命。再后来,一种自称人类的生物在大地上挺起胸膛。从此,人来人往,生生不息。

江畔何人初见月?”在某一个平凡的瞬间,偶然不经意的一瞥,眼眸中洒落下璀璨的星光,不论那是谁,都开启了人类发展历程中的新篇章。那还是在人类的孩童时代,世间的一切都显得那么神秘而伟大。“长河渐落晓星沉”,看天际那湾浅浅的星河,那是牛郎织女相望的银河,亦是希腊神话里赫拉的乳汁,芬兰神话里候鸟的小径。后来,我们才慢慢懂得,原来那就是我们的星系,浩瀚宇宙之洋中我们唯一的港湾。它如此庞大,却又如此渺小,令人景仰,而又惹人爱怜。

上下四方曰宇古往今来曰宙。”那时,我们仰望星空,有那么多的美丽的梦。

有人说:“天圆地方天动地静。”这便是最古老的盖天说:天在上,覆盖如巨伞;地在下,延伸若棋盘。这是人类对天地最直观的认识,简单朴素而又富有诗意。

有人说:“天地本是一只巨大的鸡蛋盘古从蛋中惊醒巨斧一挥便创造了万物。”盘古开天辟地的传说后来便成了张衡的“浑天说”的雏形:天之于地犹如蛋壳之于蛋黄,日月星辰布于天球之上,天球之外还有别的世界,宇宙之大,无穷无尽。

还有人说:“天空无限高远才显苍色一切都漂浮在无边无际的虚空之中。”这便成为了“宣夜说”,虽不很主流,却也更具有浪漫主义情怀,更加接近于老庄之道。空间无边无际,时间无始无终,日月星辰独立运动,各不相扰。从某种意义上来讲,这竟也更加接近于我们现代的宇宙观了。

与此同时,在地球的另一端,不一样的民族有着不一样的梦境。

无数灿烂的星座引出无数迷人的希腊神话泰勒斯专注的仰望与深沉的哲思,毕达哥拉斯学派宇宙中心火焰的遐想、柏拉图关于五种正多面体与当时已知六大行星之间距离的美妙对应的迷思,无不引人入胜。美丽的星空,永远是人类不竭的思想源泉。

自然,我们观察的中心始终是我们自己,在那时所有的宇宙图景中,处于中心的,总是我们地球、我们人类。大自然令人敬畏的方面以神灵的模样出现,让我们得以稍稍平静面临未知的惶恐不安。

或许,我们真的只是生活在一个小小的果壳之中,却仍自诩为无限空间之王。就像盘古躺在他的巨蛋之中,彼时,天地仍一片混沌,真正开天辟地的时刻,还远远没有到来。

无限与永恒之梦

后来,我们才渐渐懂得,这一切并不是为我们而存在。见识了更广阔的世界,才能发现自己的渺小,望向远方的时候,我们终于不再狂妄。

首先发出真理的声音的是哥白尼。虽然在今天看来,他的日心说并不准确,但这并不影响其成为一个划时代的学说。经过不懈的努力,旧思想终于低下了头,我们终于承认,我们不再是宇宙的中心,甚至,我们所处的位置不具有任何特殊性。这也成为了以后所有宇宙学说的基石——宇宙学原理

为何宇宙从各个方向上看都是如此相像?我们真的不是处在这一切的中心吗?我们的渺小,在广阔的宇宙之中如此令人绝望。目力所及之处,仍然充满了未知的迷雾。

然而,在这片土地上,仰望星空的人永远不会绝迹,我们仍在极目远眺,远方的梦想,也仍在熠熠生辉。开普勒行星三大定律打破了天体匀速圆周运动的完美设想,伽利略望远镜揭开了遥远星体的神秘面纱。接下来,便是牛顿万有引力定律的横空出世,至此,自然中的一切现于光明。

不仅我们不再重要,甚至宇宙也不再完美。在牛顿的眼里,上帝提供了第一推动力之后就撒手不管,宇宙中的一切按照既定规律运作,像一个精确的钟表。牛顿的宇宙是绝对的,它仍然是静态的永恒不变的,然而它从此不再神秘,而是变得可以被理解

空间上无边无际,平滑延伸,时间上无始无终,均匀流逝,时间与空间互相独立,不受任何其它物质影响,这便是我们借以容身的宇宙大舞台。宇宙为何是这样的?有人说,如果它不是这样的,就不可能有我们这些愚蠢的人类在这里发问,这就是人择原理,我们用来安慰自己失落的虚荣心的一套新说辞,这是一个古老的说法,但是直到今天仍然被用来解释那些不能解释的巧合。

问题总是层出不穷,那是我们继续探寻的不竭动力。为何天空不是在所有方向都是亮的?要知道,如果恒星自始至终存在,而且无限大的宇宙有无限多的恒星,那么它们将充满整个天空,而且它们的发出的光迟早会到达我们眼中。这就是所谓的奥伯斯佯谬。似乎,宇宙不是无限的,或者不是永恒的,两者必居其一。抑或许,两者兼而有之?在我们眼中,宇宙已不再完美神秘,难道这无限与永恒之梦,也将被打破?

其实,牛顿早已面对过这样的诘问:“如果恒星互相吸引的话为什么它们不会很快地落到一个点上呢?”而他对此的回答只是:“因为无限的宇宙没有一个中心点而且无限颗恒星彼此之间的引力可以互相抵消。”于是,我们就这样与一个动态的新宇宙图景擦肩而过。

真理,还在等待一个更加智慧的头脑。

宇宙常数之争

时间晃晃悠悠地来到了1905年,瑞士专利局的那扇小窗前,我们得以窥一眼爱因斯坦的宇宙。

这是一个有限而无界的宇宙。如果你沿一个方向一直走下去,你迟早能回到原来的位置,就像在地球表面上一直运动一样,你总能在绕地球一圈后回到原点。宇宙中的每一点都可以被认为是中心,但又不具有任何特殊性,这同样可以与地球的二维表面类比。至此,我们明白了为什么在我们看来宇宙各个方向都是大致相似的。这并不是因为我们处于什么特殊的位置,在所有的位置上,我们都能看到同样的现象。

在这里,时间与空间都不再是绝对的而是相对而言的它们也不再是事件发生的背景而是与物质有着密不可分的联系。引力被描述为时空的弯曲,物质的存在影响了四维时空的形状,物体在四维时空中试图沿直线运动,由于空间形状的改变,其轨迹却成了我们眼中的圆周。光速是不变的,同时,没有什么速度能超越光速,因为有质量的物质如果到达光速就意味着需要无穷大的能量,而那是不可能的。

相对论的提出彻底改变了我们始终习以为常的固有时空观,它的意义太为深远,直到现在,人类仍然没有做好完全接受它的准备,这也许是因为相对论效应在我们的日常生活中实在太小太小,小到我们完全注意不到它的存在,更别提去理解它。但是,如今它已被许多实验所证实,并已在实际应用中发挥了巨大的作用,。

然而,尽管相对论暗示着一个静态的宇宙是不可能保持稳定的,但是爱因斯坦仍然对此坚信不移,为了保持宇宙的静止,爱因斯坦在他的方程中加上了一个后来被他称为“一生中最大的错误”的宇宙常数。但时至今天,对于他是否真的错了,我们还是没有一个明确的答案。也许真的存在一个宇宙常数,始终在与无所不在的引力抗衡着,使宇宙得以继续膨胀下去。但是,它又不同于爱因斯坦的宇宙常数,因为它是有实际意义的,那就是暗能量。关于暗能量的研究,在今天仍然是一个激动人心的话题,也远没有得到一个定论。

哈勃将目光投向茫茫宇宙时(当然喽,是隔着厉害的大型望远镜),一切都不一样了。我们知道了我们的银河系是由无数恒星组成的,它也并不是唯一的星系,而我们的太阳系处于银河系边缘的一个旋臂上。最重要的是,哈勃发现所有的星系都在离我们而去,速度和其与我们的距离成正比,换句话说,星系离我们越远,远离我们的速度越快。宇宙不是静止的宇宙在膨胀

既然宇宙在膨胀,那么,在很久很久以前,宇宙一定比我们现在看到的小得多,这样说来,宇宙是不是有一个起点?那么,它是如何起始的?在那之前又有什么?

“BANG!”

!”就像盘古开天辟地的那一斧,伴着一声巨响,我们的宇宙就这样从一个小得不能再小、热得不能再热的奇点诞生了。自此,这个初生的宇宙便开始了迅速的膨胀,并在膨胀中迅速变冷。随着时间的流逝,空间不断变大,物质形式不断演化,最终成为我们今天所看到的这副样子。提起大爆炸理论,这便是我们大多数人脑海中的情景。

旧观念的改变和新思想的深入人心总是需要时间的。当哈勃发现星系的红移现象,证实了宇宙的膨胀,当爱因斯坦承认了宇宙常数的错误,科学界的稳态宇宙的主流观点终于发生了动摇。伽莫夫的大爆炸理论的提出为我们带来了期待已久的新宇宙图景——一个动态的宇宙,一个不仅在膨胀,而且很可能还在加速膨胀的全新宇宙。自此,奥伯斯佯谬也有了一个新的解释:我们之所以看到夜空是黑的是因为宇宙在膨胀

时间过去不多久,贝尔实验室彭齐亚斯威尔逊无意中发现了宇宙微波背景辐射——现已冷却到微波形式的宇宙极热早期的辐射残余——为大爆炸理论提供了有力的佐证。但是,这一发现也引出了一个新的问题:宇宙微波背景辐射显示,在各个方向的宇宙温度竟然如此接近。为什么宇宙如此均匀?星系大体均匀分布,时空如此平直,连温度也是如此相近,在不超过光速的前提下,信息怎么可能从宇宙的一个地方如此迅速地传递到相距极远的另一个地方呢?

似乎一切都被恰到好处地选择过,宇宙早期的量子起伏不大也不小,既能保证形成物质,进而形成物质的聚集体星体和星系,又保证了宇宙在整体上的物质的均匀性。难道真的有上帝在提供第一推动吗?

然而,科学家不允许偶然因素的存在,他们总是希望能够借助一些理论推导出这个唯一的确定的结果。为了解决这些问题,古斯提出了暴胀模型。宇宙早期存在一个迅速膨胀的时期,宇宙的大小成指数增长,迅速的膨胀抹去了一切的不均匀性,使各个区域在温度改变之前就到了极远的地方,从而形成了这个我们今天看起来非常均匀的宇宙。

在数十年的不断完善和普及之后,大爆炸理论已经深入人心,成为了一个宇宙学标准模型。但是,这一过程又与我们的日常经验如此不同。爆炸的过程并不发生在特定的一个点,而是发生在空间各处,因为这最初的存在正是如今我们看到的整个时空。这一过程不是物质增加直到充盈整个空间,而是空间本身随着时间的流逝不断地增大。连“爆炸”这个词本身,也并不确切。并且,在所谓的奇点之前,任何所谓的存在都是没有意义的,甚至,包括我们想象中的那声巨响,也并不是真实的。

大爆炸理论终于正式赋予了时间一个起点,人们不禁要问,时间是否也有一个终结呢?关于宇宙的未来,还有许多争议,最终的结果将取决于对宇宙物质的平均密度的观测。宇宙将会以怎样的形式终结?大坍缩大撕裂,还是无限制地膨胀以至于完全空虚

God knows

也许在不久的将来,我们终将有一个确定的答案,但至少不是现在。暗物质与暗能量的存在仍扑朔迷离,吸引着一颗颗好奇的心不断地去探索。宇宙的极早期是什么样子?宇宙中许多的参数如各种力和粒子的性质为何会如此设定?我们仍然知之甚少。

宇宙之弦

对宇宙学的研究不可避免地要归结到所谓的宇宙大爆炸奇点,但是,这一点的体积如此之小,密度如此之大,温度如此之高,作用于微观的量子力学和作用于宏观的相对论都不能被忽略。而问题恰恰出在,作为二十世纪物理学并驾齐驱的两大理论,它们之间却存在着根本性的矛盾。许多物理学家都为这一矛盾伤透了脑筋。就在这时,一个崭新的理论——弦理论——应运而生。

也许,我们眼中的一切——原子质子中子电子夸克——不过是一种表象。真实的存在其实是一根根不断振动的,不同的振动模式决定了我们所观察到的质量电荷量以及其它的一些性质。于是,在我们现有的不精确的观测条件下,这些微小的弦就被我们近似地当成了粒子。

弦理论为我们提供了一个前所未有的大统一的可能,所有的粒子、所有的力,都可能被收纳在一个自洽的理论之中。这是一道耀眼的曙光,倏忽而至,闪耀在我们追求真理的道路上,或许,在不远的将来,我们终将实现用一个理论解释一切的夙愿。最重要的是,弦理论为量子力学与相对论之间的矛盾提供了一个可能的解决办法,也使得宇宙的极早期成为弦理论尤其是超弦理论大显身手的绝佳舞台。

弦理论排除了点粒子的存在,也就防止了时空以一个无限小的点的形式存在的可能,这样,宇宙的开端就不再是一个密度温度无限大的奇点,而是有了一个极小的下限,那就是普朗克长度高维是弦理论的一个重要的特征,弦理论设想,在宇宙的开端,所有的维度都蜷缩在一个极小的尺度下,在普朗克时间之后,十一维时空中的三个空间维会经历我们所熟知的暴胀,进而形成我们如今的宇宙空间。

这有点像婴儿宇宙的理论——宇宙会在膨胀与收缩之间无限地循环,没有一个开端,也没有一个终结。也许,还会有许多平行宇宙,也许,宇宙的开端之前也有过一些什么,也许,每一个黑洞里都是一个宇宙。太多的也许,听起来已经过于玄幻。

更加玄幻的是,在弦理论中,时空是由许许多多的弦编织而成的,而那种方式已经超出了我们语言所能描述的范围,就算是想象,也是太过困难,因为我们所有的想象都是建立在时空的基础上,而我们所要想象的,却恰恰是时空本身。

弦理论作为一个正在成长的理论具有蓬勃的生命力,而且也确实为许多困扰我们已久的问题提供了可行的解决办法。不过,我们还不能高兴得太早。尽管经过两次革命,弦理论已经获得了长足的发展,但是,如今它仍然停留在理论层面上,由于所需要的能量太高,它还未能被任何观测所证实。

弦理论是否会是我们所期待的终极理论?让我们拭目以待。或许,答案就将由我们来揭晓。

写在最后

据说,曾有一位著名科学家在作天文学演讲时,被一位老妇人打断:“你说的是一派胡言。实际上,世界是驮在一只巨大乌龟背上的平板。”听到这里,他微笑着反问道:“那么这只乌龟是站在什么上面的呢?”“你很聪明,年轻人,你的确很聪明,”老妇人说,“不过,这是一只驮着一只,一直驮下去的乌龟塔啊!”

这种把宇宙比作无限乌龟塔的说法固然荒谬,但是我们又怎么能肯定,我们现在的观点不是像它一样荒谬呢?宇宙真的像我们所想的那样吗?

也许,获得的知识越多,我们就会发觉自己知道的越少。当我们仰望星空的时候,我们总是觉得自己是那样渺小。

在未来的路上我们还能走多远?我们是否在接近一切的终点?我们的认知是否会有一个极限?一切会不会以我们发现终极理论而告终?还是我们终究会发现,我们的面前是一系列越来越基本的理论,却永远没有一个尽头?一切的答案,离我们还有多远?

我不知道永远有多远,我只知道我们现在还远远没有走到旅程的尽头。而且,人类的天性决定我们永远不会停止前进,直到永远的终点,或者,直到我们自身的毁灭。

我衷心希望,这是一个没有尽头的故事,这旅程太美,怎能轻易终结?无论终点在何方,这沿途的美景,足以一飨那无数仰望星空并为之深深陶醉的人类梦想家。


未完待续……

P.S.我之前也写过一些关于宇宙观的回答或文章,但感觉写的都不是很好。这篇文章是我女朋友在大一时期写的文章,平心而论我大一的时候达不到这种水平,无论是学识抑或文笔(毕竟高中的时候语文老师给我们发的作文范文都是我女朋友的)。

P.P.S真的不是在秀恩爱。

编辑于 2017-12-28

文章被以下专栏收录

    我将在专栏中不定期更新天文及物理方面的科普,主要将集中在黑洞天体物理领域,并会有一些天文学史及近现代天文学研究进展和讨论。 同时我将在每周五更新一些我最近看文献或者教材所记录的一些笔记。