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聊點科學(2)——宇宙起源

(2023-11-03 06:07:45) 下一個

好像見過一個中文裏嘲笑科學界的漢語詞,叫,科學教,讓我笑出來。科學和宗教的不同,我想是perspective的不同,簡單來說,穿在科學的鞋裏,看出去的世界是offen的,Alles möglich,有自己的理論,但是也能接受自己錯,接受別人的更合理(也許)更接近事實。而宗教的態度呢,是封閉的,堅守一個字,我,我,我,隻有我最對,最好,所有的存在都是為了證明,我。

不錯,我這裏用到的是宗教兩個字,不過想特別強調一下的是,我無意抨擊任何一種具體的宗教,隻是用這兩個字指代一種人生態度,處世哲學觀。至於我自己,還是那句話,我尊重任何人選擇的選擇,我尊重你有認為自己對的權力。

這件事說起來很好玩,如果模型化一下,恰恰是到目前為止人們提出來的三種宇宙模型種的兩種。

數學描述的話,三種模型最根本的差別是,曲率。

如果我們的宇宙模型是正曲率(圖1),也就是球狀,導出來的結果是,這個封閉的球,盡管是向外旋轉擴張的,但同時也是回縮的,最後終究會回到一個點,即最初最初的Urknall(Big Bang),宇宙的起點,那也將是宇宙的終結。

第二種馬鞍形模型,很容易看到它是沒有邊界的(unendlich),也就是會一直向外擴張,長,長,長,長,長。

第三種,平麵模型,同屬於無邊無界。

問題來了,哪一個模型按我們已有的知識推斷,最合理?

2000年4月出現的對Hintergrundstrahlung(background radiation)新的研究結果,終於可以回答這個問題。

上世界70年代,人們已經證實,我們的宇宙中,充滿了有完全不同的internal structure微波輻射。也就是說,不同方向的輻射波,強度也不同。將這些波通過波譜分離並投射成一張(顏色)圖,然後對圖上不同點的距離分析,得到的結果,是我們宇宙空間模型的曲率。

理論講完(我也不愛講這些,沒興趣的跳過去好了),結論是,我們生活在一個完全F-L-A-T的宇宙空間(如圖三)。也就是說,我們的宇宙會無限擴張(unendlich Ausdehnen-infinitely expanding)。

Cosmic microwave backgrund radiation的發現,歸功於Arno Allan Penzias和Robert Wilson兩名物理學家,1964年。

那是另外一個科學界的傳奇,說起來會很有趣,但是也很長,這裏略過。Arno Penzias和Robert Wilson(兩個美國人哦),連同Pyotr Kapitsa(俄),分了1978年的諾貝爾物理獎。

這個現象連同一起的理論,支持的是關於宇宙起源的Big Bang Theory,中文翻譯成,大爆炸。具體來說,即宇宙的起源是一個點(Urknall),這個點很特殊,包含了時間和空間兩個概念。

在這個點以前,既沒有時間,也沒有空間——在這個點之後,才有了時空和關於時空度量的概念。那這個點以前到底是什麽?

什麽都沒有。

很抽象?我也同意啊。反正物理學界比較認可的觀點是,我們到現在,能明白的隻有5%。剩下的95%open(所以是出成績的好機會哦)。

2015年9月14日,人們第一次直接捕捉到引力波,證明了黑洞係統可能有兩種星體質量(binary star mass)。星體質量是天文學上一個專有名詞,一般來說,用太陽的質量做單位,M(日)會說,那顆星的質量是幾個M(日)

這是常見的度量Skalar的用法,總不能用人的體重作標尺,就算幾百年前的也不怎麽合適,比如問,幾個一劍陶三沒文化那麽重?

那太不科學。

引力波存在的預言?當然是物理界的super star,100年前的愛因斯坦給出的,這也是他廣義相對論論文的basic idea,廣義相對論將引力解釋為時空扭曲的結果。

2015年9月,科學家真正觀測到雙黑洞在引力波場的碰撞,並最終合二為一。

另一派的理論來了。我們的宇宙,生於黑洞長於黑洞,甚至,我們現在也有可能是在黑洞中存在,我們的universum不是single Universum,而是multi-Universum,嗯,我們有很多neighbour Universium。

哦?!

這一派的掌門,叫Nikodem Poplawski,波蘭人,生於1975年,他也被稱為,新時代的愛因斯坦。

他(最廣為人知)的猜想是,每一個黑洞,都是通往另一個世界的門。我們不過是在某一個黑洞裏生活,Urknall?沒有這件事。

Urknall理論的起源,也要退回到100年前,比利時人Georges Lemaitre(他拿到1954年的諾貝爾物理獎),他的身份,除了天體物理學家,也是天主教牧師。1927年他觀測到銀河係的擴張,並通過計算證明了這一點。

結論受到同時代的愛因斯坦的嘲笑。愛因斯坦的原話是,您算的都對,但是,您的物理知識,實在是糟糕的很恐怖啊(Your calculations are correct, but your physics is atrocious)!

Lemaitre把他推算出的宇宙起源點稱為,Primeval Atom,這也是the Big Bang Theory的真正起源。

愛因斯坦後來當然承認了自己的錯誤,對Lemaitre1933年在加州的報告之後帶頭鼓掌,評價是,This is the most beautiful and satisfactory explanation of creation to which I have ever listened。回憶這段經曆,愛因斯坦說,這是我生命中最蠢驢得一件事(他真的用的是donkey這個字)。

是的,敢錯。敢認。

The Big Bang Theory最受質疑的一點是,什麽叫“在此之前什麽都沒有”?什麽是singularity(奇點)?這隻蛋,到底是哪裏生出來的?

回到Poplawski的理論。他說,我們的宇宙,產生於一個黑洞,它會聚集能量(物質),進一步生成一個超密度的種子(隨時可能explodieren)的核,這顆種子處的時間空間如此變形以至於完全靜止。

銀河係和黑洞的關係是,共生。

因此,尋找宇宙的源頭,變成尋找宇宙中的黑洞。

黑洞很可怕?如同吸塵器,會把周邊的東西吸進去?包括我們人類本身?

不是的。黑洞沒有“吸”的能力。

簡單來說,黑洞可以理解成占空間非常非常小的物質,含有非常非常大的質量,它的特點是,由於引力場的作用,不會有光,或者其他任何信息從黑洞中出來,所有靠近黑洞的物質,將會停留在那裏。

黑洞理論也是愛因斯坦的廣義相對論的一個推理。

愛因斯坦說,時空由於其中物質和引力場的存在,是可以彎曲的。如果再加其他的物質進來,將會造成這種彎曲下的波動。

而黑洞,由於其質量大到無窮,不僅會形成時空的彎曲,甚至真的會產生一個洞,而光,在試圖穿透黑洞的引力場中會失去能量。

按照Poplawski的理論,宇宙中可以生成按大小不同的四類黑洞,從小到不可見,到大到以數十億M(日)計算。

按照原有的黑洞理論的數學模型,所有的物質將會收斂到一個點(極限),也就是宇宙誕生的奇點(singularity)。作為物理學家,Poplawski不同意的,恰恰是這個singularity的存在,也就是說,他不同意物理上能達到這個奇點。

他的觀點是,由於物質在黑洞周圍是旋轉運動的,這種旋轉產生與重力相反的力,它會阻止奇點的出現,換句話說,可以無限接近,但是永遠不會達到奇點。

這個現象,被稱為Torsion。這種討論方式,是學數學和學物理經常互相嘲笑的一點,一派說,你看你看,我總能完成的,不就是繡花針?另一派呢,(也許背著手)扯,你永遠到不了(我)這個點。

如果一個新的宇宙的出現,Poplawski說,不是因為達到那個奇點,是因為Torsion,近似的理解是,從那個奇點周圍繞啊繞的再繞出去,爆發,形成一個新的universe。

如果Poplawski的理論是對的,那麽,到目前為止,我們教科書上的理論,就是錯的。

這沒什麽,物理界最前沿的理論,很多時候5,6年就要重新修正一下的。

科學可以自傲的,當然是夠open。

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閱讀 ()評論 (4)
評論
donau 回複 悄悄話 回複 '新林院' 的評論 : 多謝你提出來。這句話應該是我在心裏翻譯的,無限這個中文詞是不太合適。不是中文真正無限的概念,應該是可以大到很大很大的意思
新林院 回複 悄悄話 Donau 寫道【而黑洞,由於其質量大到無窮,】
這不對吧?
黑洞的質量是有限的。
很多黑洞的質量是太陽質量的10倍。
黑洞的密度也許可以說是無限大。
如果認為黑洞的半徑是 event horizon 的半徑,那麽黑洞的密度是有限的。
如果認為黑洞的半徑是零,那麽黑洞的密度是無限大。
donau 回複 悄悄話 回複 '桃木' 的評論 : 你說得對。剛剛已經有人批評我這一點了。我是應該打散了來寫。其實每一點都是科學史上的裏程碑
桃木 回複 悄悄話 信息量比較大。對於沒有物理學基礎的可能看著費勁。Torsion能抵消或是超出重力?如果是那得是旋轉得非常快。
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