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宇宙的五大迷思

人类有着旺盛的求知欲,科学打开了一扇认知之门。但没有人可以担保自己掌握的全是真理。我们对这个宇宙的认识也是这样。许多方面存在着概念的混淆和认知的误解。

  

  宇宙诞生在约138亿年前,因此我们看不到460亿光年远处的东西。

  光是宇宙中跑得最快的东西,与此同时光速也像一条红线,把宇宙中一切的运动速度作了最高限定。光从太阳到地球大约需要8分18秒,由此我们可以精确地推算出地球和太阳间的距离。但在这个尺度上,地球和太阳间的距离并没有发生变化。要是同样的事情发生在整个宇宙身上,状况就完全不同了。因为宇宙在膨胀。

  如果宇宙是静态的,那么一个离我们100亿光年远的星系发出的光到达地球时,它和我们的距离就是100亿光年。但是我们这个宇宙的空间是在膨胀中的,因此当它发出的光到达地球时,它现在的位置距离我们已经远远不止100光年了。宇宙的膨胀速度和宇宙的构成有关。综合考虑宇宙的膨胀和光速的恒定特性,一个诞生在138亿年前,由物质、暗物质和暗能量主宰的宇宙,我们所能看到的最远处今天和我们的实际距离大约是460亿光年。比此更远宇宙发出的光永远也无法到达我们眼中,但在此范围之内的一切,只要我们视力够好,总能看到。

  

  没有人知道引力在基本层面上是怎么运作的。

  引力、电磁力、两种核力是到目前为止我们在宇宙中发现的四种基本作用力。我们用爱因斯坦的广义相对论来理解引力,用量子场理论来理解其它三种。这些作用力在基本层面上的理论构架是不同的。广义相对论用时空曲度和物质能量间的关系来解释引力;量子场理论的解释对象则是存在于时空内部的粒子间的相互作用。很多人都有这样一个疑问:引力是否也是自然界中的一种量子作用力?是否是靠所谓的“引力子”发生相互作用的?在量子条件下,引力或引力场究竟是如何起作用的?

  科学的目的之一是要对我们看到的现象进行解释,因此每一种理论很自然地会有其有效范围。广义相对论非常成功,但它在某些领域仍会失效,比如黑洞内部;量子场理论在普朗克尺度,也就是大约10的负33次方米这一尺度范围内也是不起作用的。“引力子”也许存在。但它们更可能像光子,有实的、可以检测到的一面(引力波),也有虚的、无法检测到的另一面。它可能只是一种计算工具。爱因斯坦的解释到目前为止仍然是最完美的。被物质和能量弯曲的时空,决定了物体运动的方向。这种从基本层面对引力进行理解的观点是准确而有效的,能够很好地解释我们在观测中看到的一切。虽然我们也期待,有一天能够出现一种成功的量子引力论。

  

  “宇宙大爆炸”就是空间和时间的起点。

  根据一个膨胀着冷却着的宇宙我们可以倒推出一个密度无限大的点。科学家早在20世纪20年代就已经意识到了可能会存在这样一个点,后来他们管它叫“原初子”,意为它融合了宇宙间的一切。后来人们根据这一框架又预言大爆炸产生的余晖今天还存在着,只不过它产生的波的波长已经被宇宙的膨胀转移到了微波波段上。上世纪60年代人们检测到微波背景后,宇宙大爆炸被再次证实。只要我们倒推得足够远,那么宇宙就会变成一个奇点,一切空间和时间都是从这个奇点开始的。

  但是这个理论框架并非绝对确定,至少是存在争议的。假如早期宇宙的温度和其拥有的能量比某一临界点高出那么一点,那么宇宙微波背景中存在的差异就会比我们今天实际观察到的结果大。有科学家认为,虽然我们这个宇宙来自大爆炸,但理论上,大爆炸发生之前还应该存在着一个阶段。它是宇宙大爆炸的前身。这一阶段存在于大爆炸之前,持续时间大约是10的负32次方秒。在此之前发生了什么则仍是一个谜。

  

  空间、时间和引力只是假象。

  有认认为时间、空间和引力很有可能并不是一种基本的东西,在一定层面上,也许它们根本不存在。它们很有可能是某种更为基本的东西表现出来的特性。正如声波是分子相互作用的某种结果;原子是各种基本粒子和基本作用力相互作用的产物;行星系统是引力相互作用的结果一样。在某些新奇理论观点中,引力甚至于时间和空间都是某种实体以相似的方式产生出来的“假象”。

  通常我们把引力和粒子视为存在于基本层面上的实体,而热力学现象是某种大量聚集在一起的更为基础的东西的整体表现。既然热力学规律来自更为基础的统计力学,那么引力也可能来自更为基础的理论建构,比如弦。但关键的一点是,这些预言都独立在广义相对论以外,且至今还没有任何预言可供验证。引力实际上并不是假象,即便它不是一种基本层面上的东西,但它也确实存在。空间和时间即便不是最基本的存在,也还没有人真正说得清它们来自何处,更不用说有可供检验的观点。因此在科学上,笼统地把它们叫做“假象”或“幻觉”可能失之于简单。

  

  这一切都只是理论,只不过是一种说法。

  一切都是理论,连这个学科也被称为“理论物理学”。所以这一切真的都只是一种理论?这样的观点言下之意可能是:这一切都只是一种说法。

  但这并不只是一种说法。事实是科学理论的基本要素。观测结果、测量结果都是科学事实的一种。单一实验数据是一份事实证据,科学家需要尽可能多地、用不同的方法去收集这样的证据。一旦我们发现事件之间有着关联,且这种存在于不同测量和观测结果间的关联遵循某种特定的形式或方程,那就算得上是一种规律。当你把这一切聚拢起来,建立某种框架,对事实加以解释,对规律加以总结,还能作出新的预言,且这种预言是当技术能力可以达到时,可以加以检验的,那么这样的理论就是一种科学的理论。假如这样的科学理论经受住了最大程度的检验,那么这个理论就是一个成功的科学理论,比如广义相对论。

  一个经受住了检验的理论,当然也不是最终的真相。生有涯而知无涯,有太多的科学边界等待着我们去翻越,有太多的问题等待我们去解答。但一个成功的科学理论却一定是在某一阶段最接近真相的,即便我们仍在通过不断地努力想要超越它。因此我们需要尽所有可能去了解现实,悉心体会相似中的差异,而不是固守某种迷思。

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