宇宙中的物質為什麼能無中生有?

哈勃空間望遠鏡曾經在1995年、1998年和2003年分別對著天空中不同位置、看起來空無一物的區域連續曝光十幾天甚至數十天,最後得到了HDF、HDFS和HUDF三張照片,發現即使在遠達133.5億光年外的宇宙,仍然有難以計數的星系,這使得我們不由得思考一個問題,如此多的物質是從哪裡來的,真的是無中生有?

宇宙中的物質為什麼能無中生有?

哈勃常數和宇宙膨脹

布魯諾直覺告訴他宇宙是無限的,但他還沒找到理由與證據之前,就因宣傳哥白尼的日心說被教廷燒死在羅馬鮮花廣場。牛頓發現了萬有引力是制約宇宙天體之後,認為宇宙是無限的!因為無限的宇宙在任意點上受到其它方向上引力的牽制而相互抵消,得以停留在原地,儘管牛頓的理由是錯誤的,但結果卻歪打正著。

宇宙中的物質為什麼能無中生有?

1826年德國天文學家奧伯斯認為,如果宇宙有限且是永久存在的,那麼無數多的星光到達地球會讓夜空會亮如白晝。因此奧伯斯認為宇宙必定有一個時間開端。

奧伯斯佯謬

1922年蘇聯宇宙學家弗裡德曼透過假設宇宙物質的均勻性,透過廣義相對論推導宇宙模型是膨脹的,1928年勒梅特得到了同樣的結果。

1929年哈勃透過十多年的觀測發現遙遠的星系正在快速離去,並且哈勃已經測算出了這些星系離去的速度大約為550千米/秒·百萬秒差距(現代天文測定速度為67.15千米/秒·百萬秒差距)。儘管哈勃以當時的技術測量有些誤差,但並不影響宇宙正在膨脹這個結論的正確性。但哈勃拒絕就此事做過多的聯想。

宇宙中的物質為什麼能無中生有?

二戰後勒梅特提出了宇宙大爆炸論,而喬治·伽莫夫(計算出伽莫夫因子的那個大神)根據這個大爆炸理論提出了太初合成理論,而拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼則從理論上預言了宇宙微波背景輻射的存在,並且測算出大約為5K

宇宙中的物質為什麼能無中生有?

1964年美國科學家家彭齊亞斯和威爾遜無意中發現了宇宙微波背景輻射,經過測量為3.5K,1965年又修正為3K,我們熟知的3K背景輻射就是這麼來的!

宇宙大爆炸和奇點

勒梅特提出的宇宙大爆炸觀點正在被一個個觀測所證實,無論是宇宙膨脹還是太初合成理論(宇宙物質以氫元素為主)以及宇宙微波背景輻射等,目標都指向宇宙在很久遠的過去曾經發生過一次開闢天地的大爆炸!宇宙中的一切物質都在這個時期誕生!

奇點的來歷

現代宇宙物理學的幾乎所有研究都基於大爆炸理論,因為與它相關的證據實在是太充分了,但宇宙從哪裡開始爆炸,最初的宇宙是一個什麼樣的狀態當時沒有觸及到這一點!

宇宙中的物質為什麼能無中生有?

1965年羅傑·彭羅斯提出了黑洞中心的時空奇點論,霍金受到啟發,他將奇點論用到了整個宇宙方向。1968年霍金與喬治·艾利斯認為宇宙背景輻射的存在證實宇宙的確曾經發生過大爆炸,並且認為宇宙有一個初始的奇點,時間和空間以及物質都是從這初始的起點演化而來!

宇宙中的物質為什麼能無中生有?

但有一個有趣的事實是在奇點處一切物理定律都失效,這對現在宇宙誕生論是一個不小的挑戰,不過關於宇宙大爆炸的最初始說法,已經有多個不會產生奇點的說法,比如弦理論中的膜彼此碰撞等,有興趣的朋友可以瞭解下!

質能等價方程

前文我們只交代了宇宙的起源,但物質的來源仍然沒有說清楚,畢竟從一個奇點誕生物質這種神奇的事情無法用一句話說清楚,但很幸運,愛因斯坦在發表狹義相對論時有一篇補充論文《物體的慣性和它蘊含的能量有關嗎?》中給出了質能等價的方程,愛因斯坦認為質量就是能量,能量就是質量,這只是事物的一體兩面,不同狀態下表現方式而已!

宇宙中的物質為什麼能無中生有?

2011年6月,美國布魯克海汶國家實驗室中的相對論重離子對撞機(RHIC)將兩束金原子核加速到接近光速碰撞,在對撞機的STAR探測器上探測到了“夸克膠子等離子體”,也就是物質和能量的之間的相變溫度!這個溫度大約是2萬億攝氏度!

簡單的理解這就是物質-能量之間臨界點,再往上就是能量的世界了,所以質量與能量只是在不同狀態下表現而已,當宇宙從“奇點”暴脹成宇宙時,緻密的能量隨著膨脹,溫度下降,從能量狀態轉變為質量,夸克膠子結合成為質子和中子,繼續冷卻,質子以及質子與中子聚變構成了氫、氦與鋰等原子核,但它們要到宇宙膨脹到38萬年後才會捕獲電子形成原子!

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