「膨脹率」和「能量密度」如何平衡宇宙的發展?

2019-07-08     量子科學論

我時常會想:這一切從何而來?閉上眼睛放空思想,沿著大爆炸追溯最開始的時刻,突然發現我的大腦不允許我想像一個沒有任何物質和空間的世界,我感到困惑,這是為什麼?我睜開眼睛想了一下:哦!知道了,我們的意識是對客觀事物的反映!拋開物質談意識,這不就是典型的唯心主義哲學觀嗎?這明顯是錯誤的!這也是我們人類無法想想大爆炸之前是什麼的根本原因!因為我們的大腦是物質的大腦

如果我們的思維只追溯到大爆炸的那一刻,宇宙奇點被描述為無限密度,無限能量,無限熾熱,再它爆炸的一瞬間,會出現兩種作用:膨脹率和能量密度!那麼這在我的思維中就產生了一些深刻的問題:如果膨脹率當時大於能量密度?如果能量密度當時大於膨脹率呢?我們的宇宙會出現怎樣的命運?為什麼我們的宇宙沒有在「大爆炸的那一刻」坍塌成黑洞呢?為什麼我們的宇宙沒再一瞬間膨脹到「死寂」的狀態呢?我們今天就來解決這些問題!


估計下我們的宇宙目前有多少正常物質

正如我們知道的,宇宙中充滿了物質,物質以不同形式的組合誕生了一切。我們的銀河系是由恆星、行星、氣體、塵埃和一個巨大的暗物質暈組成的棒旋星系,其中包含著2000 - 4000億顆恆星,總體質量超過我們太陽質量的1.5萬億倍。而有一萬億個類似銀河系的星系,散布在整個宇宙之中。

聽起來宇宙中包含的正常物質的質量大到不可思議,但是這個質量卻被分散在一個更加無法估量的體積中。

我們可觀測到的宇宙直徑約920億光年,怎樣理解這個距離呢?舉個例子:太陽系的狹義「盡頭」一般認為是冥王星和其他柯伊伯帶天體,這個位置距離太陽只有一光年的0.06%,現在考慮下920億光年,這是一個在邏輯上很荒謬的距離,真的大到了沒辦法形容!

那麼以現在的空間看物質的量,它們的比例是多少?

太陽的質量大約是2×10^30千克,這意味著太陽含有大約10^57個質子和中子。假設宇宙中的物質有大約10^24個太陽質量,這也相當於正常物質的質量,那麼在一個半徑為460億光年的球體中,總共會有10^81個原子核。如果你把它作為一個密度來計算,在今天的宇宙中,平均每立方米大約有兩個質子。這密度太小了!

但是當我們回想宇宙的早期階段,所有的物質和能量被壓縮成一個很小很小的區域,甚至比我們太陽系還小,你肯定也會想到我最初考慮的問題,能量和物質為什麼沒有塌縮成黑洞呢?

回到宇宙剛剛誕生一皮秒的時候,宇宙中所有恆星、星系、星團和超星團中的物質都包含在一個體積小於「類似以太陽為中心」的球體體積中,其半徑大約與地球到太陽的距離相同。我們知道現在已經存在的黑洞,它們的質量比整個宇宙物質的質量小得多,而且它們比整個宇宙剛開始時要大得多!

上圖是巨大的橢圓星系梅西耶87也稱M87,是距離我們5000萬光年範圍內最大的星系,這個距離大約是可觀測宇宙半徑的0.1%M87的中心有一個質量為35億個太陽的超大質量黑洞,這意味著它的史瓦西半徑,或者說光無法逃逸的半徑約為100億公里,大約是地球到太陽距離的70倍

如果這麼大的質量在這麼小的體積里能形成一個黑洞,那麼為什麼把10^14個太陽質量的物質放到更小的體積里卻不能形成一個黑洞呢?(很顯然並沒有形成黑洞,不然我們怎麼玩手機呢;相反,10^14個太陽質量創造了我們的宇宙和手機!)

講真的,只能說是差一點就坍縮成黑洞了和差一點就沒我們了

隨著時間的推移,目前宇宙的膨脹速度已經放緩了很多。在遙遠的過去,在宇宙最早期的皮秒(PS)時間段,膨脹率遠遠大於今天。你肯定會問,要大多少?

今天,宇宙以67.80±0.77 km/s/mpc的速率在膨脹,這意味著每增加MPC(MPC表示百萬秒差距,約326萬光年),星系遠離地球的速度增大67.80±0.77千米/秒。回到宇宙大約一皮秒的時候,這個速率更接近於10^46 km/s/MPC!怎樣理解這個速度呢,舉個例子:

如果把這個膨脹率放到今天,你和你老婆正面對面吃飯呢,僅僅一秒鐘後你們相隔的距離會超過一光年!看下哈勃膨脹率的方程。

這個方程有兩個重要的方面:一方面是H,也叫宇宙哈勃膨脹率,另一方面是一大堆常數,但最重要的是變量ρ,也就是宇宙的能量密度。如果Hρ在最初完全(或幾乎完全)平衡,那麼我們的宇宙就可以誕生。

但是一個非常微小的不平衡就會導致兩個非常不同的宇宙的命運。無論是哪一種,我們都不可能誕生!

如果當時的膨脹率相對於能量密度要是小一點點,宇宙馬上會崩潰,坍縮。想像一下當時毀滅性的情形!類比一下:可以說宇宙用力太小屬於早產夭折了!

如果膨脹速率稍微大一點,宇宙中就不會有兩個原子結合在一起了。相反,由於空間膨脹的速度太快,以至於每個亞原子粒子都將存在於孤立的空間中,周圍沒有任何物質可以發生相互作用。類比一下:兩個亞原子本來可以發生相互作用,但還沒來得及,一眨眼就超出了可作用的範圍!

如果要想讓宇宙創造出萬物,創造出生命,那麼膨脹率和能量差異要小於多少呢?

  • 10% ?
  • 1% ?
  • 0.1% ?

要想讓宇宙存活並且創造萬物和生命,膨脹率和能量密度的細微差別必須小於1 / 10^24。這意味著,即使膨脹率與臨界值相差0.00000001%,如果是膨脹率太小,足以使宇宙在不到一秒鐘的時間內重新塌縮(放了一個啞炮);如果膨脹率太大,宇宙中將不會形成任何一個原子。(放炮用力過度)

但我們的宇宙並沒出現以上的悲慘命運;我們得到了一個膨脹率和物質能量密度之間幾乎平衡的宇宙這個「幾乎」是什麼?就是我們的宇宙擁有一個非常微小的非零宇宙常數。很熟悉吧!就是愛因斯坦那個宇宙常數,你現在也可以把它理解為暗能量

不過有個更大的問題出現了,為什麼我們的宇宙那一聲炮響,剛剛好呢?為什麼宇宙保留的細微差異這麼精準呢?這兩個問題,大家聽一聽就好,如果真要想聽解釋,我只能拉上帝出來了!上帝給自己留了一手,沒事可以微調一下宇宙,看一下宇宙最近是快了還是慢了!不行就扔點暗能量進去,扔多了!沒事沒事,還留了一手,那就再扔點暗物質進去!哈哈!好玩!

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-tw/LOs-RWwB8g2yegNDOEWc.html