“膨胀率”和“能量密度”如何平衡宇宙的发展?

2019-07-08   量子科学论

我时常会想:这一切从何而来?闭上眼睛放空思想,沿着大爆炸追溯最开始的时刻,突然发现我的大脑不允许我想象一个没有任何物质和空间的世界,我感到困惑,这是为什么?我睁开眼睛想了一下:哦!知道了,我们的意识是对客观事物的反映!抛开物质谈意识,这不就是典型的唯心主义哲学观吗?这明显是错误的!这也是我们人类无法想想大爆炸之前是什么的根本原因!因为我们的大脑是物质的大脑

如果我们的思维只追溯到大爆炸的那一刻,宇宙奇点被描述为无限密度,无限能量,无限炽热,再它爆炸的一瞬间,会出现两种作用:膨胀率和能量密度!那么这在我的思维中就产生了一些深刻的问题:如果膨胀率当时大于能量密度?如果能量密度当时大于膨胀率呢?我们的宇宙会出现怎样的命运?为什么我们的宇宙没有在“大爆炸的那一刻”坍塌成黑洞呢?为什么我们的宇宙没再一瞬间膨胀到“死寂”的状态呢?我们今天就来解决这些问题!


估计下我们的宇宙目前有多少正常物质

正如我们知道的,宇宙中充满了物质,物质以不同形式的组合诞生了一切。我们的银河系是由恒星、行星、气体、尘埃和一个巨大的暗物质晕组成的棒旋星系,其中包含着2000 - 4000亿颗恒星,总体质量超过我们太阳质量的1.5万亿倍。而有一万亿个类似银河系的星系,散布在整个宇宙之中。

听起来宇宙中包含的正常物质的质量大到不可思议,但是这个质量却被分散在一个更加无法估量的体积中。

我们可观测到的宇宙直径约920亿光年,怎样理解这个距离呢?举个例子:太阳系的狭义“尽头”一般认为是冥王星和其他柯伊伯带天体,这个位置距离太阳只有一光年的0.06%,现在考虑下920亿光年,这是一个在逻辑上很荒谬的距离,真的大到了没办法形容!

那么以现在的空间看物质的量,它们的比例是多少?

太阳的质量大约是2×10^30千克,这意味着太阳含有大约10^57个质子和中子。假设宇宙中的物质有大约10^24个太阳质量,这也相当于正常物质的质量,那么在一个半径为460亿光年的球体中,总共会有10^81个原子核。如果你把它作为一个密度来计算,在今天的宇宙中,平均每立方米大约有两个质子。这密度太小了!

但是当我们回想宇宙的早期阶段,所有的物质和能量被压缩成一个很小很小的区域,甚至比我们太阳系还小,你肯定也会想到我最初考虑的问题,能量和物质为什么没有塌缩成黑洞呢?

回到宇宙刚刚诞生一皮秒的时候,宇宙中所有恒星、星系、星团和超星团中的物质都包含在一个体积小于“类似以太阳为中心”的球体体积中,其半径大约与地球到太阳的距离相同。我们知道现在已经存在的黑洞,它们的质量比整个宇宙物质的质量小得多,而且它们比整个宇宙刚开始时要大得多!

上图是巨大的椭圆星系梅西耶87也称M87,是距离我们5000万光年范围内最大的星系,这个距离大约是可观测宇宙半径的0.1%M87的中心有一个质量为35亿个太阳的超大质量黑洞,这意味着它的史瓦西半径,或者说光无法逃逸的半径约为100亿公里,大约是地球到太阳距离的70倍

如果这么大的质量在这么小的体积里能形成一个黑洞,那么为什么把10^14个太阳质量的物质放到更小的体积里却不能形成一个黑洞呢?(很显然并没有形成黑洞,不然我们怎么玩手机呢;相反,10^14个太阳质量创造了我们的宇宙和手机!)

讲真的,只能说是差一点就坍缩成黑洞了和差一点就没我们了

随着时间的推移,目前宇宙的膨胀速度已经放缓了很多。在遥远的过去,在宇宙最早期的皮秒(PS)时间段,膨胀率远远大于今天。你肯定会问,要大多少?

今天,宇宙以67.80±0.77 km/s/mpc的速率在膨胀,这意味着每增加MPC(MPC表示百万秒差距,约326万光年),星系远离地球的速度增大67.80±0.77千米/秒。回到宇宙大约一皮秒的时候,这个速率更接近于10^46 km/s/MPC!怎样理解这个速度呢,举个例子:

如果把这个膨胀率放到今天,你和你老婆正面对面吃饭呢,仅仅一秒钟后你们相隔的距离会超过一光年!看下哈勃膨胀率的方程。

这个方程有两个重要的方面:一方面是H,也叫宇宙哈勃膨胀率,另一方面是一大堆常数,但最重要的是变量ρ,也就是宇宙的能量密度。如果Hρ在最初完全(或几乎完全)平衡,那么我们的宇宙就可以诞生。

但是一个非常微小的不平衡就会导致两个非常不同的宇宙的命运。无论是哪一种,我们都不可能诞生!

如果当时的膨胀率相对于能量密度要是小一点点,宇宙马上会崩溃,坍缩。想象一下当时毁灭性的情形!类比一下:可以说宇宙用力太小属于早产夭折了!

如果膨胀速率稍微大一点,宇宙中就不会有两个原子结合在一起了。相反,由于空间膨胀的速度太快,以至于每个亚原子粒子都将存在于孤立的空间中,周围没有任何物质可以发生相互作用。类比一下:两个亚原子本来可以发生相互作用,但还没来得及,一眨眼就超出了可作用的范围!

如果要想让宇宙创造出万物,创造出生命,那么膨胀率和能量差异要小于多少呢?

  • 10% ?
  • 1% ?
  • 0.1% ?

要想让宇宙存活并且创造万物和生命,膨胀率和能量密度的细微差别必须小于1 / 10^24。这意味着,即使膨胀率与临界值相差0.00000001%,如果是膨胀率太小,足以使宇宙在不到一秒钟的时间内重新塌缩(放了一个哑炮);如果膨胀率太大,宇宙中将不会形成任何一个原子。(放炮用力过度)

但我们的宇宙并没出现以上的悲惨命运;我们得到了一个膨胀率和物质能量密度之间几乎平衡的宇宙这个“几乎”是什么?就是我们的宇宙拥有一个非常微小的非零宇宙常数。很熟悉吧!就是爱因斯坦那个宇宙常数,你现在也可以把它理解为暗能量

不过有个更大的问题出现了,为什么我们的宇宙那一声炮响,刚刚好呢?为什么宇宙保留的细微差异这么精准呢?这两个问题,大家听一听就好,如果真要想听解释,我只能拉上帝出来了!上帝给自己留了一手,没事可以微调一下宇宙,看一下宇宙最近是快了还是慢了!不行就扔点暗能量进去,扔多了!没事没事,还留了一手,那就再扔点暗物质进去!哈哈!好玩!