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时间和空间是在一瞬间突然产生的,因此,不要问大爆炸之前发生了什么,未曾有过“大爆炸之前”这样的时期。
为什么说宇宙是在一次大爆炸中创生的?其直接证据来自三方面的观察结果:第一,也是最直接的,宇宙现在还在膨胀;第二,宇宙中处处弥漫着热辐射,它是宇宙大爆炸时产生原始炽热火球暗淡下去的余辉;第三,天文学家观测到的宇宙化学元素可以描绘宇宙从产生到发展的轨迹。
然而,大爆炸之前发生了什么?是什么原因使大爆炸得以发生?爆炸的中心在哪里?宇宙的边缘在哪里?其实这些问题完全错误地理解了大爆炸的含义。大爆炸并不是众多星系从一个公共中心猛烈扩散到无限真空的深处,在这里,空间本身在大爆炸中产生,时间本身也在大爆炸中产生。
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出现空间的那个小点并不是定位在任何物体之上的,它不是一种被虚无包围着的物体,而是被无限压缩了的空间本身的创始点。小点也不是在一个无限持续的时间里一直驻留在那里的,它即时从无中出现,并立即膨胀,物质事件本身就是在这个小点上开始的。时间和空间与物质宇宙同样有个创始点,这大概是大爆炸理论最关键最难理解的地方。
这个小小的创始点在专业上称为奇点。当你按时间回溯,宇宙就越来越缩小,时空曲率无限增大,直到奇点处成为无穷大。粗略地说,它类似于圆锥的锥顶,圆锥结构逐渐变细,直到一个无限尖的点而终止,空间和时间就从这里开始。
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这个概念一经接受,那么“大爆炸之前发生了什么”这样的问题显然是没有意义的了,未曾有过“大爆炸之前”这样的时期,因为时间与大爆炸一起开始。
不幸,这个问题经常被用这样简单的话来回答:“大爆炸之前什么都没有带”许多人把“什么都没有”又解释成一无所有的空间,但正如上文所竭力指出的那样,空间并不先于大爆炸存在。
难道这里的“无”指的是空间从其中涌现的某种更微妙的有如“前空间”的东西?或者是某种抽象的状态?
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都不是,就像斯蒂芬·霍金谈到的,“北极的北边是什么地方?”这个问题也可以用“无”来回答,不是因为那里有个神秘的“无极陆地”,而是因为所提到的区域压根不存在,不仅是物理学上不存在,而且也是逻辑上不存在。
众所周知,宇宙由大爆炸产生,天文学上发现所有的星系都在红移,都在远去,如同气球在膨胀。那么,人们都在不可避免地要问道,大爆炸之前是什么呢?
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这首先是一个哲学命题:存在,和时间,空间的关系。那就是没有时间和空间,那事物还可以存在吗?其实这里又涉及到一个问题,就是在几维宇宙的前提下讨论。在三维宇宙,二维宇宙,一维宇宙里,有不同的标准,不同的定理,如同不可以与蝉语冬天一样。
那么宇宙大爆炸之先是什么呢?
其实答案很简单:时间和空间是属于四维宇宙,那么在四维以下的宇宙里,没有了时间和空间,当然什么也不会存在了,那是构成宇宙的基础。故按四维宇宙的标准来说,大爆炸之先,宇宙什么也没有。因为没有时间和空间,一切无法存在。
但是宇宙并不只是有四维,虽然人类所居的地球,太阳系,银河系,甚至整个宇宙,在四维里是可见的,但未必就会局限在四维之内,虽人类都能看到,如同人类能看到二维的,能看到一维的宇宙。甚至二维一维的宇宙可以是个投影。故还不能排除,人类所见的星系宇宙,仅属于四维,未必不属于高维,只是人类未见到而已。
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精密的迷
在整个宇宙按统一场论来说,不只有四维,而是有十一维,那么,时间,和空间,只是两维而已,在这两维之外,还有九维,这九维,显然会构成存在。四维乃至四维以下的宇宙,在大爆炸中产生,消亡。那四维以上的宇宙呢?
在量子理论里,有个波粒二象性理论,光,同时具有波,和粒子的性质。甚至,在量子力学里,很多实验证明,很多粒子同时具有“是”和“不是”的两种状态。其实人类也一样,同时具有“好人”和“坏人”两种状态,人类社会也一样,像万花筒一样,同时具有“光明的一面”和“黑暗的一面”两种状态,故量子力学的一个结论是,状态不重要,选择才重要。最终的比重将决定你终将是什么。百分之九十九的含金量,和百分之零点一的含金量,是黄金与泥土的区别。
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含量不同
那么在高维宇宙的标准里也同样如此。在宇宙大爆炸之先,还没有四维宇宙的时间产生,没有时间的状态,用时间的标准勉强来说,就是一瞬,也可以是永恒。而且两种属性同时具备。可以说宇宙的大爆炸在永恒的无中产生,也可以说大爆炸在一瞬的无中产生,而且这两者没有区别。如同老子所说“天下万物生于有,而有生于无”。既然是无,可以说是永恒,也可以说是一瞬。
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永恒与一瞬同时存在
我们这个四维宇宙,在大爆炸中产生,那最终的归宿呢?是收缩,然后重新爆炸,还是热寂,直到原子都分解,直到粒子都分解,直到时间都分解,直到整个宇宙本身都分解?那么问题就来了,直到时间分解的那一刻。在四维宇宙之内那个点不会到来,在四维宇宙之外那个一定会来。而那个时间分解点,如同在量子力学里的双重性、二象性,宇宙又将如同开始一样,将同时具有两种状态:重生与死亡。
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同时具备
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重生与死亡
宇宙大爆炸理论是目前解释宇宙起源和演化的最佳理论,虽然该理论具有争议,但还是有很多实验数据能够支持该理论;关于宇宙大爆炸之前的事,是该理论禁止谈论的,因为那时候时间和空间都不存在。
宇宙大爆炸理论
在一百多年前,科学家都认为宇宙是稳态的,甚至爱因斯坦在建立广义相对论时发现宇宙的不稳定性,还错误地引入“宇宙学常数”来抵消这个不稳定,从而得到了稳态的宇宙模型。
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后来美国天文学家哈勃,发现遥远星系存在明显的红移现象,总结出哈勃定律,进而发展成宇宙大爆炸理论,该理论认为:
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我们宇宙开始于138亿年前的一次暴涨,宇宙从一个半径无限小的宇宙奇点,发展成如今广袤的宇宙,而现阶段宇宙还处于加速膨胀当中,膨胀速度用哈勃常数描述,目前的数值为Hc=67.80km/s*Mpc。
这是一个天马行空的假设,让人觉得非常不可思议,然而却有众多天文观测数据支持这个观点,比如:
证据一:哈勃红移
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我们在地球上观测遥远星系时,几乎所有星系的光谱都存在红移现象,而且距离越远的红移量越大,整体呈正比例关系,说明几乎所有星系都在远离我们,这个现象唯一的解释,就是我们宇宙在膨胀。
证据二:宇宙微波辐射
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根据宇宙大爆炸理论预言,大爆炸至今应该还残留着辐射,后来科学家的确发现了宇宙背景辐射,大约为2.7K,与理论预言完美吻合。
证据三:宇宙年龄
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科学家通过不同的方法,独立计算出来的宇宙年龄基本相符,比如根据宇宙微波背景辐射值,建立宇宙膨胀冷却的模型,就能估算出宇宙年龄,大约是138亿年。
证据四:宇宙丰度
宇宙大爆炸后,大爆炸的部分能量转化为质量,主要是氢和氦元素,然后轻元素在恒星内部聚变为重元素,这是一个不可逆的过程,于是根据宇宙中不同元素的丰度,可以研究宇宙的演化过程,而元素丰度与宇宙大爆炸理论的预言吻合。
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即便还有很多人质疑宇宙大爆炸理论,但是该理论在研究宇宙演化取得的成功是有目共睹的,但同时宇宙大爆炸理论还有很多未解决的难题,比如宇宙大爆炸之前是什么样的?宇宙的终点又是什么?
据我们所知,是大爆炸创造了时间和空间,所以根本不存在宇宙大爆炸前。
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在大爆炸发生的那一刻,物理宇宙中的一切都从一个充满无限热量和无限密度的奇点开始膨胀开来。重要的是我们不能把大爆炸想象成一个发生在空间中某处的普通爆炸,因为空间本身也扩大了。同样,我们也不能把大爆炸看成是在某个时间点上发生的。空间没有在时间上扩展,空间随时间而扩展。
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爱因斯坦的广义相对论使得将宇宙诞生概念化成为可能。根据相对论,空间和时间被缝合在一个称为“时空”的四维连续体中;而且,时空的结构不仅仅是物理宇宙中物质和生命体相互作用的一个平面层;时空会被质量扭曲,进而产生引力场。
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此外,时空的曲率控制着粒子的运动,其中也包括没有质量的光子。正如20世纪著名物理学家约翰•惠勒(John Wheeler)所调侃的那样:物质告诉时空如何弯曲;时空告诉物质如何运动。
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将时空视为物理宇宙的一个活跃部分,我们可以更容易地想象到在宇宙大爆炸时,空间和时间以及我们在宇宙中观察到的其他一切是如何形成的。
相关知识
大爆炸又称大霹雳(英语:Big Bang),是描述宇宙的起源与演化的宇宙学模型,这一模型得到了当今科学研究和观测最广泛且最精确的支持。宇宙学家通常所指的大爆炸观点为:宇宙是在过去有限的时间之前,由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的。根据2015年普朗克卫星所得到的最佳观测结果,宇宙大爆炸距今137.99 ± 0.21亿年,并经过不断的膨胀到达今天的状态。
假如有人问你北极点的北部是什么,你或许会解释说这个问题有点荒谬。北极点被定义为地球自转轴的北端点。地球是圆的,所有指向北的经线最终都汇集到北极点。因此,实际上就没有比北极点更北的地方。同样,经常有人会问天体物理学家这样一个类似的问题:宇宙大爆炸之前发生了什么?
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这个问题的含义就是问宇宙大爆炸“之前”就像问昨天“之前”。在日常生活中,总是存在着一个之前,这就像在日常生活中我们总能向北走。但宇宙大爆炸是我们可以往回观测到的时间极限,这就像北极点是我们向北走所能到达的遥远极限。
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人们普遍认为,宇宙大爆炸发生在一个点。虽然确实可观测宇宙曾经是小到可以装进你的手掌中,但这并不是对宇宙大爆炸的一个比较正确的认识,因为宇宙大爆炸并非从一个点开始,而是开始于所有地方。
因为光速是有限的,当我们看到更远处的物体时,也意味着我们看到了过去。所以,临近星系发出的光已有数百万年的历史,而更遥远的星系则是数十亿年前的了。比最遥远的星系还要更早的就是宇宙微波背景,这是138亿年前宇宙大爆炸的热残余,是宇宙大爆炸之后38万年宇宙所发出的第一缕光。除此之外,在每一个方向上可能都可以看到宇宙大爆炸。当然,我们无法看到宇宙微波背景之外,因为早期宇宙炽热致密,使其处于不透光的状态。
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宇宙微波背景是我们能观测到的极限
尽管我们无法直接观测到宇宙微波背景之外,但我们对这之前的时间知道得不少。例如,我们知道原子在何温度开始形成。我们也知道宇宙在极早期经历过一个极短暂的暴胀时期。我们还知道宇宙并非开始于一个奇点。可观测宇宙曾经是很小,但它并非开始于一个体积为零的点。事实上,由于暴胀时期,宇宙有可能不是开始于一个单一点。据我们的观测极限,我们也知道宇宙没有整体曲率,这意味着宇宙必定远远大于我们可以观测到的区域。尽我们所知,宇宙在尺寸上是无限的。
如果宇宙在大小上是无限的,并且没有明确的第一时刻,那么又何来在宇宙大爆炸之前发生了什么?无穷之外是哪里?北极点的北部是什么?
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