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jiunn36 發表於 2017-12-19 12:07 AM

大霹靂之前的宇宙

    整個科學領域中最大膽的構想或許是:我們能從大約140億年前開始追蹤宇宙演化的進展,那時,現今所見的一切都被壓縮在一個遠小於質子的空間中。
  宇宙大得令人難以想像,讓我們先來看看宇宙地圖:
     
  地圖上每個小亮點代表一個星系,一般來說,每個星系由數億顆恆星構成。我們的太陽就是銀河系中的恆星之一。仙女座星系距離我們250萬光年,是最近的星系。
  這張星系地圖是由史隆數位巡天(The Sloan Digital Sky Survey, SDSS)的天文學家所繪製,大約涵蓋天空的三分之一,只占了宇宙萬物的一小部分而已。它除了規模大得驚人之外,還有一個值得注意的特徵:星系具有絲狀、團狀與空洞結構,呈網狀分布。如果有辦法解釋這種網狀分布的由來,豈不是大功一件?這個問題不妨暫且打住,因為我們等等就會知道,現代宇宙學中有個精彩絕倫的理論,可以解釋宇宙的可見結構。
     
  宇宙並非一直是現在的模樣。將近140億年前發生了「大霹靂」,各種基本粒子在這時創生了,後來才匯聚成恆星與星系。好消息是宇宙在大霹靂時相當單純(現今的宇宙反而複雜難解),意謂宇宙學家可以算出萬物是怎麼演進的。
  大霹靂之初,宇宙內充滿熾熱且幾乎均勻一致的基本粒子雲氣。「幾乎」這個詞至關重要,因為粒子雲中的粒子密度並非完全均一,而是某些區域的密度略高。宇宙學家如果知道這種密度變化的樣態,就有辦法算出雲氣的演變。
  這團雲氣一開始邊降溫邊擴張,然而重力逐漸促使密度較高的區域吸引更多物質,導致該區密度越來越高。數億年後,某些氫氣雲的密度高到足以引發核融合反應,開始發光發熱;這些就是最早的恆星。宇宙學家能夠計算宇宙中的物質如何從一團緻密且熾熱的雲氣開始演變,直到形成星系為止;當中的關鍵參數就是初始雲氣密度分布的型態。然而要得知這些初始條件,就得先了解大霹靂的成因。
  過去15年來,宇宙學家越來越相信,「宇宙暴漲」理論可以解釋大霹靂的起源,並預測大霹靂時,空間的密度變化。也就是說,我們能以此計算出現今觀察到的宇宙星系分布型態。如果這還不夠扣人心弦,宇宙暴漲理論還有個更驚人的證據:它能預測「宇宙微波背景」(cosmic microwave background, CMB)的具體細節。CMB基本上是大霹靂冷卻後的微弱餘暉,提供我們一幅宇宙誕生數十萬年之後的影像。
  CMB是大霹靂38萬年後發出,一路暢行無阻、穿越宇宙時空而來的光。在上述的時間點,光突然不再與雲氣中的粒子交互作用,開始筆直路徑,幾乎不再散射偏折;現在我們接收到的這些光是以微波形式存在(其實最初是紅外線,但在穿越宇宙過程中,由於宇宙擴張,波長逐漸被拉長,而變成微波)。宇宙學家透過測量CMB,繪製出當時的雲氣密度分布圖;這些雲氣在宇宙誕生後旋即存在,並且不斷冷卻(如下圖,呈現地球現今接收到的微波型態)。
     
  我們可以比較實際觀測與理論計算。倘若宇宙在大霹靂開始時,就以暴漲理論所預測的密度變化分布,那麼計算結果將和我們觀測到的CMB完全相同。這是支持宇宙暴漲理論的重要證據,不過究竟什麼是宇宙暴漲?
  宇宙暴漲理論於1980年代早期首度問世,起初並不是為了解決星系分布或CMB相關的問題。相反地,它的初始構想是,空無一物的空間有可能充滿一種看不見的「純量場」(scalar field),可以看作一種「宇宙糖漿」。這種「場」布滿整個空間,彷彿一片寧靜的海洋,「場」當中的漣漪就是粒子。粒子物理學家很熟悉這種構想,因為「希格斯場」就是一例,對應的粒子是希格斯玻色子。
  如果沒有希格斯場,基本粒子就沒有質量,皆以光速前進,不會形成原子;然而大型強子對撞機(LHC)已偵測到希格斯玻色子。希格斯場的存在也意謂,「空的空間」應該帶有某種能量,這或許就是「暗能量」的根源;暗能量會導致宇宙擴張加速。我們目前的難題是,粒子物理理論所預測的宇宙加速擴張遠比天文學家觀測到的還快。而現今的暗能量強度遠較預期中來得少,是粒子物理學最大的謎團之一。儘管如此,自然界可能還有其他類似的場,使得宇宙學家認為,宇宙很可能有過一段急遽擴張期。神奇的是,這個構想不但合理,還能解答大霹靂的起因。
  暴漲理論的基本構想是,空無一物的空間曾經充斥「暴漲子場」(inflaton field),其蘊含的能量導致空間急遽擴張,速度很可能快到讓萬物急速遠離彼此,因此宇宙轉眼間變得又冷又空洞。由於暴漲子的能量持續流失,急遽擴張時期一段時間後就結束了,留下充滿冷卻暴漲子雲氣的宇宙。這些暴漲子進一步衰變成其他較穩定的粒子,較重的冷暴漲子雲氣變成較輕粒子組成的熾熱雲氣,而產生大霹靂。
     
  宇宙學家最初會受宇宙暴漲的構想所吸引,是因為它(在急遽擴張的早期階段)能產生巨大的宇宙。然而他們很快就了解到,這個理論不止於此:它還預測了大霹靂時的密度分布型態。換句話說,它提供了當時物質如何分布的詳盡指引,而且與現今觀測到的星系及宇宙微波背景分布完全吻合。對量子物理而言無可避免的結果,使暴漲理論獲得驚人成功。我們可以藉由數學回到大霹靂發生前一刻:當時比質子的十億分之一還小的空間,日後卻擴張成整個可見宇宙。雖然極度難以想像,但絲毫不妨礙我們計算當時發生的一切。
  關鍵在於,暴漲子場並不是一片完美的寧靜海洋;它裡頭有些漣漪。這些漣漪來自於海森堡(Heisenberg)的測不準原理,這是量子物理的核心原理之一。測不準原理指出,沒有任何物體是完全靜止的;即便是空無一物的空間,也充斥著憑空冒出又隨即消失的粒子(當今的粒子物理實驗可偵測到這種粒子)。因此,暴漲子場必然也有這種漣漪,這些漣漪在大霹靂發生時,會轉變成對應物質密度的漣漪。觀察天空便能體會這項卓越的科學現象,這是多麼美妙的一件事;我們非常幸運生於此時此刻,能破解其中蘊藏的奧祕。
  有了宇宙暴漲,我們就能解釋大霹靂的由來,對於宇宙可見區域的未來也有了新的探究依據。劇情說不定是這樣發展的:宇宙暴漲持續一段非常長的時間(或許是無窮久),直至某個區域停止,這個區域後來發展成我們現今看到的宇宙。在這種情況下,大霹靂就不是開端了,而是整個宇宙史上的某一刻而已。
  由於現今的宇宙空間正在輕微加速擴張,宇宙在遙遠的未來,將不會有終點。它會持續擴張下去,星系越來越稀疏,溫度越來越低。1,000億年後,銀河系將坐落在唯一的超星系團裡,其他高速遠離的星系發出的光,將永遠到不了地球;屆時將沒有遙遠星系可供天文學家觀測。相較之下,我們所看到的宇宙有趣多了。我們何其榮幸,誕生在能夠探索諸多宇宙奧祕的時代。
     
  暴漲理論還有個不可思議的新發展。剛才提到宇宙在大霹靂之前或許就已永久暴漲;而大霹靂時,也有可能不是宇宙各處的暴漲都已然停止。我們很可能住在一個緩慢擴張的「泡泡」裡,這個泡泡懸浮在一個更大的、依舊處於暴漲狀態的空間中。或許我們的宇宙之外,還有其他像我們這樣的泡泡宇宙,以無法想像的高速離我們而去。有些理論物理認為,每個泡泡宇宙中的物理定律都不一樣。換句話說,自然定律的每種變體,都會在廣大無垠的多重宇宙中的某處上演,這是個值得深思的議題。


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q80885 發表於 2018-8-18 12:47 PM

到底是雞生蛋還是蛋生雞  讓我們繼續看下去

warguild 發表於 2018-6-5 01:54 PM

原來科學家也喜歡預言、幻想{:39:}
長知識了{:45:}

wwchan 發表於 2018-6-5 08:29 AM

通常的主張是,大霹靂是形成宇宙的起源。如果我們問:大霹靂之前是什麼?這正如問:起源以前的起源是什麼?這是個荒謬的問題。因為如果它成立,則我們尚可追問:起源以前的起源以前是什麼?這樣無窮追問,是無聊的,也是不可理解的。

len860408 發表於 2018-6-4 09:03 PM

聽說在大爆炸之前,時間的概念根本沒用,時間基本上得依附著空間才會有意義,大爆炸之前沒有空間產生,只有基點而已,時間就自然不管用了<br><br><br><br><br><div></div>

citmay 發表於 2018-2-10 06:34 AM

先搞清楚到底是雞生蛋還是蛋生雞
再來研究更big的

{:31:}

chris731201 發表於 2018-1-26 12:25 AM


我記得大爆炸之前,時間、空間、物質、能量皆不存在。

所以哪裡來大爆炸之前的時間? 以及哪裡來的空間存放基本粒子和哪裡來的物質或能量組成基本粒子?

大爆炸之前是真正的無,然後就爆開了,產生了這個宇宙。

otsukaai 發表於 2017-12-28 11:56 AM

以前也很喜歡思考這種事情 是否真的有大爆炸 或者 大爆炸之前到底是怎樣的宇宙 現在不時喜歡看一些有關於時間旅行的文章和書籍

winemaple 發表於 2017-12-28 06:40 AM

希格斯玻塞子在大強子對撞機中的實驗有確定發現嗎?{:36:},暗物質的理論在去年的兩個實驗中幾乎重新洗牌回到混沌,對於宇宙的議題,仍有太多的不確定信壓{:44:}

wwchan 發表於 2017-12-27 09:28 AM

這是一個假問題。我們知道,宇宙始於大霹靂,假若我們問:大霹靂以前是什麼?那就是問開始之前是什麼?那是尚未開始的時刻。既然尚未開始,那就是完全的封閉,是不可知的領域,也是不可探詢的。<br><br><br><br><br><div></div>

MizBreeze 發表於 2017-12-27 07:25 AM

宇宙的事物..永遠學習不完..每當我看到 又有什麼新論點..
總是很好奇 {:39:}

warguild 發表於 2017-12-26 02:42 PM

一切都只是科學家推測當結論而已
過不久搞不好要發表什麼新推測理論{:39:}

conanyen 發表於 2017-12-25 10:09 PM

宇宙生成之論,對現在人類來說還太早了,研究那些到目前為止都是想像中,再加一點點觀察,就成了理論,但沒過幾年,又會被另一個人推翻。因為都是用想的,難到真的能到過去幾十億年前看嗎?

與其研究過去,不如先想想如何改善一下地球的環境,與人類的生存。若人類都活不下去,有什麼未來可談。
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