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整个宇宙是如何从无到有的?

我们对浩瀚的宇宙未知事物越是好奇,我们对宇宙的研究就会揭示出更多未解之谜。询问任何事物的本质,无论它在哪里,从何而来,以及它是如何变成的,都会不可避免地带给您同样巨大的谜团:关于宇宙及其一切的最终本质和起源。但是,无论我们走多远,这些相同的问题似乎始终存在:在某些时候,作为我们“起点”的实体不一定存在,那么它们如何成为现实?最终,您想到了一个最终的问题:整个宇宙是如何从无到有的?

整个宇宙是如何从无到有的?

这是所有问题中最大的问题之一,因为它基本上不仅在询问所有事物的来源,而且首先询问它们是如何产生的。

整个宇宙是如何从无到有的?

今天,当我们观察宇宙时,我们收集的全套观测资料,即使考虑到已知的不确定性,都指向一幅非常一致的图景。我们的宇宙是由物质(而不是反物质)组成的,在任何地方,任何时候都遵守相同的物理定律,并且至少在我们所知的情况下,始于大约138亿年前的大爆炸。它由广义相对论控制,正在膨胀、冷却,并且主要由暗能量(68%)和暗物质(27%)组成,其余部分由正常物质、中微子和辐射组成。

当然,今天,这里到处都是星系、恒星、行星、重元素,并且至少在宇宙一个位置上充满了智慧的高级生命。这些结构并不总是存在的,而是宇宙演化的结果。在一次非凡的科学飞跃中,二十世纪的科学家们能够重新构造时间线,使我们的宇宙从一个几乎没有结构,仅由氢和氦组成的几乎统一的宇宙变成我们今天观察到的结构丰富的宇宙。

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如果从今天开始,我们可以倒退时间,并询问任何单个结构或该结构的组成部分来自何处。对于我们得到的每个答案,我们都可以问:“好吧,但这是从哪里来的,是怎么产生的,”回到直到我们被迫回答“我们不知道,至少现在还不知道。” 然后,最后,我们可以考虑一下我们拥有的东西,然后问:“这是怎么产生的,有没有办法从无到有出现?”

因此,让我们开始吧。

我们今天的生命来自复杂的分子,这些分子必定源于元素周期表中的原子:构成我们当今宇宙中所有正常物质的原始成分。宇宙不是由这些原子产生的。取而代之的是,它们需要多代恒生的和垂死的恒星,其核反应产物将被回收到下一代恒星中。没有这个,行星和复杂的化学反应将是不可能的。

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为了形成现代恒星和星系,我们需要:

引力将小星系和恒星团相互吸引,形成大星系并引发新的恒星形成波,这需要引力增长产生的先前存在的质量集合,这就需要暗物质晕尽早形成,以防止恒星形成事件将其喷射回星际介质中,它们需要正常物质,暗物质和辐射的适当平衡才能产生宇宙微波背景,热的大爆炸中形成的光元素以及我们在其中看到的丰度/图案,需要初始的种子波动(密度缺陷)才能在引力作用下长成这些结构,这需要某种方式来创建这些缺陷,以及某种方式来创建暗物质并创建初始量的正常物质。

在当今大爆炸的初期,这是形成宇宙的三个关键要素。假设我们还要求存在物理定律和时空本身以及物质/能量本身,那么我们可能希望将它们作为必须以某种方式出现的必要成分包括在内。

因此,简而言之,当我们问能否从一无所有中获得一个宇宙时,这些都是我们需要以某种方式出现的新颖的,至今无法解释的实体。

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为了获得比反物质更多的物质,我们必须推断出非常早的宇宙,直到我们的物理学非常不确定的时代。我们所知道的物理学定律在某种意义上是物质与反物质之间的对称:我们曾经创造或观察到的每个反应只能创造相等数量的物质或反物质。但是,尽管我们的宇宙始于令人难以置信的高温和致密状态,在此状态下物质和反物质都可以大量大量地产生,但我们必须拥有某种方法来创建最初不存在的物质/反物质不对称性。

有很多方法可以完成此任务。尽管我们不知道在年轻的宇宙中实际发生过哪种情况,但所有方式都涉及以下三个要素:

一组不平衡的条件,这些条件自然是在膨胀、冷却的宇宙中自然产生的,一种生成违反重子数的相互作用的方法,标准模型通过sphaleron相互作用允许(并且超出标准模型的情况允许其他方式),以及产生足够的C和CP违规以产生足够数量的物质/反物质不对称的方法。标准模型具有所有这些要素,但还不够。如果您将一个物质/反物质对称的宇宙视为“一无所有的宇宙”,那么即使我们不确定它是如何发生的,也几乎可以保证该宇宙是从无到有产生的。

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同样,有许多可行的方法来产生暗物质。通过广泛的测试和搜索,我们知道,无论暗物质是什么,它都不能由标准模型中存在的任何粒子组成。无论其本质是什么,它都需要超越目前已知的新物理学。但是可以通过多种方式创建它,包括:

从在炎热的早期宇宙中被热产生,然后没有完全消灭,直到此后保持稳定(例如最轻的超对称或Kaluza-Klein粒子),或者是由于宇宙膨胀和冷却时自然发生的相变,从而将大量粒子从量子真空中剥离出来(例如,轴子),作为一种新形式的中微子,它本身可以与已知的中微子(即无菌中微子)混合,也可以作为除了传统中微子外还存在的右旋重中微子,或作为产生超质量粒子(例如WIMPzilla)的纯引力现象。今天,当宇宙的其余部分似乎在没有它的情况下可以正常工作时,为什么会有暗物质呢?事先没有这种东西一定有某种方法可以产生这种“东西”,但是所有这些情况都需要能量。那么,所有的能量从何而来呢?

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也许根据宇宙膨胀(我们对宇宙大爆炸之前起源的领先理论)的了解,它的确是虚无的。这需要一点解释,这就是“从无到有的宇宙”的最常见含义。

当您想象热的大爆炸的最早阶段时,您必须想到一些令人难以置信的热、致密,高能且几乎完全均匀的东西。当我们问“这是怎么发生的”时,我们通常有两个选择。

我们可以走Lady Gaga路线,只是声称它一定是“以这种方式出生的”。宇宙诞生时具有这些特性,我们称其为初始条件,没有进一步的解释。作为理论物理学家,我们称这种方法为“放弃”。

或者,我们可以做理论物理学家最擅长的事情:尝试构想一种可以解释初始条件的理论机制,挑出与标准不同的具体预测,流行理论的预测,然后寻求测量关键参数。

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宇宙膨胀是采取第二种方法的结果,它从字面上改变了我们对宇宙如何形成的观念。

膨胀基本上不是说“热而稠密”回到无限热,无限稠密的奇点,而是说,“也许在热的大爆炸之前是一个在空间本身的结构中存在极大能量密度的时期,导致了宇宙以无情的(膨胀)的速度膨胀,然后当膨胀结束时,这种能量就转移到了物质和反物质以及辐射中,从而创造了我们认为最热的大爆炸:膨胀的后果。”

详细地讲,这不仅创建了一个在任何地方都具有相同温度,空间平坦且没有假想的统一大纪元遗留下来的遗物的宇宙,而且还预测了种子(密度)波动的特定类型和频谱,然后我们将其排除在外看到了从一个空的空间本身(尽管它是一个充满大量场能量的空的空间),自然过程创造了整个可观察到的,结构丰富的宇宙,就像我们今天看到的那样。

这是从无到有获得宇宙的好主意, 但它不是所有人都满意。

整个宇宙是如何从无到有的?

在很大一部分人中,仍然存在时空的宇宙以及物理定律,基本常数以及空间结构本身固有的一些非零场能,都与宇宙大不相同,以及空间结构本身固有的一些非零场能量,与无物观念非常脱离。超出时间限制的时刻;一系列没有物理现实条件来限制它们的条件。那些想象力——如果我们将这些物理现实定义为为了获得真正的虚无而需要消除的事物——至少在哲学上肯定是有效的。

但这就是哲学上的虚无与物理上对虚无的定义之间的区别。正如我在2018年写的那样,有四个关于虚无的科学定义,它们都是有效的,具体取决于您的上下文:

在您的“事物”不存在的时候,空的物理空间处于最低能量状态的空时空,以及当您拿走整个宇宙及其控制法则时,剩下的一切。如果我们使用前两个定义,我们可以肯定地说我们获得了“一无所有的宇宙”。如果我们使用第三者,我们就不能;非常不幸的是,我们还不足以说出如果使用第四种会发生什么。没有物理理论来描述在宇宙之外和领域物理定律之外发生的事情,真正虚无的概念在物理上是不明确的。

整个宇宙是如何从无到有的?

在物理学的背景下,不可能理解绝对虚无的概念。处于时空之外意味着什么,时空如何明智地、可预测地从不存在的状态中出现?没有位置或时间的定义,时空如何出现在特定的位置或时间?控制量子(场和粒子)的规则从何而来?

这种思路甚至假设空间、时间和物理定律本身并不是永恒的,而实际上可能不是永恒的。任何与之相反的定理或证明都依赖于在我们试图应用它们的条件下其有效性没有得到正确确定的假设。如果您接受“无”的物理定义,那么是的,正如我们所知,宇宙似乎源于虚无。但是,如果您没有任何物理限制,那么关于我们最终宇宙起源的一切肯定都会消失。

不幸的是,就我们所有人而言,膨胀本质上会抹去任何可能从我们可观察的宇宙中先前存在的状态留下的信息。尽管我们的想象力是无限的,但是我们只能对可以构建涉及我们的物理现实的测试的问题得出结论。无论从逻辑上讲,其他任何考虑因素(包括绝对虚无)都可能是我们思想的建构。

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