是什么让宇宙变成今天的样子?没有它,我们的物理学会乱套吗?

作者&投稿:辉季 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
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“每个人都掌握着一把开启天堂之门的钥匙,这把钥匙也同样能打开地狱之门。”如此说来,开启天堂之门的钥匙又有什么价值呢?——理查德·费曼


我们已经讲过太多的宇宙故事,每一个都充满这神秘的色彩,但是每个人心中都有自己觉得最神奇、最让人不可思议的宇宙真实事件。今天我们就说下,最最神奇的一个宇宙现象,如果宇宙不是这样的话,那么我们的物理学、乃至生活将会完全乱套。

尼尔·德·格拉斯·泰森心中的宇宙故事

在2008年,《时代》杂志采访了尼尔·德·格拉斯·泰森,问他:“关于宇宙,你能和大家分享的最让人震惊的事实是什么?”他的回答确实是这样的:构成我们所知的一切的复杂原子都起源于数十亿年前爆炸的古老恒星。这确实是一个令人震惊的真实故事。


恒星的诞生、存在和消亡确实是宇宙中最伟大的事实,也是宇宙演化过程中最最壮丽的篇章。在曾经一片炽热、稠密的等离子体浓汤中,质子、中子、电子、中微子沐浴在宇宙的高温辐射中,这时的宇宙能量高到连原子核都无法形成。但这只是短暂的,随着宇宙的快速膨胀和冷却,中子和质子才得以快乐的结合在一起,这个过程被称为大爆炸核合成。此时的宇宙充满了氢(单个质子)、氦、以及少量的锂。


随着宇宙的继续冷却,原子核找到了电子并且结合在一起,宇宙从电离状态走向了中性原子时代。空间中充满了略微分布不均匀的中性气体云,密度较高的区域在引力的作用下,吸收越来越多的物质,最后在其核心点燃了核聚变,首批恒星就这样诞生了。为后来一代又一代恒星、行星,甚至是生命的存在创造了条件,做足了准备。

但如果让我选择宇宙中最令人震惊的事实,我想考虑一下其他的事情。

宇宙为什么要成为今天的模样

今天的宇宙包含着我们能认识到的一切,丰富的元素,各种物质形态,在地球上更是让我们眼花缭乱,其中物种的多样化,生命的多样化。但宇宙不一定非要这样去演化,有很多路可以去走,甚至不需要和现在的宇宙很接近。


我们本可以拥有一个没有树木、没有山脉、没有天空、没有海洋、没有生命的宇宙。

我们也可以有一个没有像地球这样行星的宇宙,或者根本就没有行星。我们甚至可能有一个宇宙,在那里没有所知道的一切,没有粒子、没有力或相互作用。


尽管有无限的可能,但我们真实的宇宙就是现在看到的样子。

毫无疑问,这一切的出现非常微妙。就在这里,在我们宇宙的一个小角落里,我们发现自己身处一个被遗忘的、毫无特色的小星系中,它与宇宙中数十亿个星系中的任何一个并没有太大的不同。


宇宙事实:它从诞生到现在,无论何时何地都遵循同样的规律

在我们身处的这个宇宙中,有一些非常非常特别的“东西”,它们很重要,并且决定着一切事物的走向和演化!因为它们是法则、是规律,它们在我们能想到的每一个尺度上都表现了出来。

在生活中,除了能看到的宏观物质,我们还可以一直看到最小的尺度,物质的内部结构,分子,原子,以及迄今为止发现的最基本的亚原子粒子。


我们不仅可以看到恒星和星系,还可以看到整个宇宙,看到类星体,看到星系间的气体云,甚至可以看到宇宙微波背景和宇宙中第一个中性原子。

我们可以看看所有这些,以及它们之间的一切。


然而,对于我们所看到的一切,有一个事实是最令人震惊的。对于整个宇宙:

  • 在所有的尺度上,
  • 在所有的地方,
  • 在任何时候,

都遵循同样的自然基本法则。


从最弱、频率最低的光子到有史以来最大的星系,从地核中衰变的不稳定铀原子到460亿光年外首次形成的中性氢原子,宇宙万物遵循的规律都是一样的。

万有引力、电磁力、强核力和弱核力是相同的。存在并且可能存在的粒子及其特性是相同的。控制整个系统的规则是一样的。所有的一切,在所有的能量,在所有的时间,在所有的地方,都是由同样的自然法则所支配。


这就是我认为的最引人注目和令人震惊的宇宙事实。

想象一下,如果这不是真的,宇宙会变成什么样子。想象一下这样一种存在:大自然的行为是完全随机的、不可预测的,引力会随着一时的兴致而忽起忽落,太阳会毫无理由地停止核聚变,组成我们身体的原子会自发地停止聚合。生活中所有的化学反应会无缘无故的发生,完全无规律可循。


像这样的宇宙真的很可怕,因为它永远无法被人们理解。你今天学到的东西明天可能就不正确了,你在这里看到的现象或者规律,甚至在5米外的地方已经不起作用了。但我们的宇宙根本不是这样的。

总结:自然法则支配宇宙,并且它可以被人们理解


宇宙是一个物质和能量所占据的形式可以改变的地方,是一个我们存在的时空本身可以改变的地方,但万物所遵循的基本定律是不变的。

因此这意味着我们可以观察宇宙,对宇宙进行实验,组装和拆卸我们在宇宙中发现的东西,然后学习其中的规律。进行总结,无论何时何地,我们都可以根据这些规律去重现、模拟宇宙。


只有宇宙的基本定律在任何时候、任何地方都是一样的,我们才能知道宇宙今天究竟是什么样子的。只有当这些定律在任何时候、任何地方都适用时,我们才能利用这些知识来了解宇宙,以及其中的一切,过去发生了什么,将来又会走向何方。

换句话说,正是这个事实,这个最令人震惊的事实,让我们能够从事科学研究,并学到一些有意义的规则。这就是为什么任何形式的科学都存在的原因,也是为什么科学实际上是了解宇宙最有用的工具。

当我们把所有的东西放在一起的时候,这意味着关于宇宙最令人震惊的事实是:它以一种可以被理解的方式存在。这也是爱因斯坦曾经说过的一句话。




宇宙能变成今天的样子,究竟是为什么呢?
它们会相互湮灭,使宇宙中什么都没有留下。恒星的诞生、存在和死亡确实是宇宙中最伟大的事实,也是宇宙演变中最壮丽的篇章。在曾经是一个热的、密集的等离子体汤中,质子、中子、电子和中微子沐浴在宇宙的热辐射中,能量太高,无法形成原子核。但这是短暂的,因为宇宙的膨胀和冷却速度如此之快,以至于中...

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