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宇宙大爆炸之前的"宇宙"是什么样的

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宇宙大爆炸之前的"宇宙"是什么样的

这之前有时间概念吗

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  • 2005-09-10 12:25:14
      所谓大爆炸, 指的是宇宙经历过一个高温高密度的时期, 关于这一点目前已经有大量充分的证据, 并且已经被科学界普遍接收。从大爆炸演化到今日的宇宙也有相当详细的理论, 如果想了解这些方面的知识, 不妨去读读科普书。 在这方面, 我推荐 Silk写的 The Big Bang。
       这比霍金的书内容多的多而且更贴近观测, 读完后对现代宇宙学就会有一个基本的了解(霍金的书读完后却没有这种效果--你还是不懂), 特别适合有一定物理学基础但对宇宙学了解不多的读者。 另外, John Barrow, Alan Guth, Lawrence Krauss, Martin Rees 等人也都写了关于宇宙学的科普书, 也可一读(这几人都是宇宙学方面的大家)。
       此外, 搞超弦的人(如Brian Greene, M。 Kaku) 和搞引力的人(Roger Penrose, Kip Thorne, Lee Smolin, John Wheeler)写的科普书也常介绍这方面的内容。 宇宙学近几年有好几个重大的突破, 因此读科普书时应先读最近两三年出的。
       但是目前的物理理论还不能描述能量密度极高的极早期宇宙--并不是没有理论, 而是有很多可能的理论, 但没有哪一种完全令人满意。 所以, 对大爆炸之前究竟发生了什么,或者这个"之前"是不是还有意义, 就只能是猜测了。 目前比较广为人知讨论较多的猜想有这样几种: 1。
       暴涨理论(inflation theory) 这是目前的标准理论, 宇宙早期发生过的加速膨胀。这个理论能够解释宇宙的各向同性, 它的两大预言, 即宇宙空间上平直, 和宇宙中的原始扰动为尺度不变的高斯分布的密度扰动也基本被证实。 暴涨理论有很多种, 根据其中由林德(Linde)提出的混沌暴涨理论(chaotic inflation theory), 宇宙一直处在涨落中, 其中一部分有时会满足暴涨的条件, 于是暴涨发生, 这一块原来很小的空间涨成我们所处的宇宙, 但是其它部分依然存在。
       关于这个理论, 可参看暴涨理论的提出者Alan Guth 写的 Inflation 一书 (科普读物)。 2。 量子宇宙, 认为早期宇宙比须用量子时空来描述。 一个例子是霍金和Hartle的无边界理论。 这个理论认为早期空间和时间都要用量子理论来描述,在量子涨落中有一种无边界解, 谈论大爆炸"以前"没有意义, 因为这时经典的时间概念已经没有意义了。
       3。 前大爆炸--弦宇宙学(pre-big bang----string cosmology) 这是Veneziano(弦论创始人之一)和他的学生提出的一个理论。 它的出发点是弦论中的对偶性(duality), 认为当一种理论失效时, 这个理论的微扰态不再适合描述实际的物理。
       但是这些难以用此理论描述的非微扰态却可以用与之对偶的另一理论的微扰态来描述。 Veneziano 认为, 如果我们考虑大爆炸的逆过程, 当我们上溯到越来越接近大爆炸时, 按我们的理论能量密度越来越高,时空尺度越来越小, 但是到一定时候就应换对偶理论, 从这个理论看尺度越来越大, 能量越来越低, 所以没有问题。
       不过, 这个理论最简单版本的某些预言与观测不符。另一个基于对偶性的理论是Brandenberger和Vafa的膜气(brane gas)理论, 认为大爆炸之前有一些多维膜, 后来其中少数由于拓扑上的原因使其中三维涨大, 这就解释了为什么有三维空间的原因。
       4。 烈火重生 (Ekpyrotic)理论。 这是Steinhardt, Turok 以及他们的学生去年提出的一个基于 M-理论 的模型, 认为高维空间的两个膜本来处于相互平行的基态, 后来发生碰撞形成大爆炸。 5。 循环 (cyclic) 模型。
       这是最古老的想法, 在古代就有很多宇宙多次创生又毁灭的想法。 在现代, 宇宙学的创始者们如 Friedman, Tolman, Dicke 等人都考虑过这个模型,即宇宙现膨胀再收缩再反弹膨胀如此循环往复。 过去的一个难题是怎样从收缩反弹到膨胀, 最近Steinhardt和Turok等人把他们的烈火重生理论用上, 试图通过高维膜碰撞来解决此问题。
       6。 黑洞宇宙理论。 这理论有很多版本, 大概意思是当物质塌缩成黑洞时在其内部形成宇宙。 此外, 还有许许多多理论, 难以尽述。 总之,除了暴涨理论有一定观测支持外(但混沌暴涨也只是猜想), 都还处于纯粹猜想阶段, 也都有很多困难。
       科学家根据哈勃照片推测大爆炸前宇宙很安静 长期以来,我们习惯于听天文学家讲述早前宇宙是多么混乱,持续不断的粒子风暴,星系之间互相撕扯,总之,一切都杂乱无序。可是新近的观测表明,其实早期的宇宙非常安静。   澳大利亚国立大学的天体物理学家阿利斯特博士在详细研究了一系列星系的照片后认为,真实的情况与人们多年来的猜测可能正好相反。
      这些星系距离地球约1亿光年,所有的 图片均由哈勃天文望远镜携带的广角行星照相机-2拍摄的。阿利斯特解释说,早期的碰撞活动还不到先前估计的十分之一。许多科学家曾认为,只有经过频繁的碰撞才有可能形成现在这样大小的星系核,但根据阿利斯特博士的计算,事实上只需一次碰撞便足以造就一颗星系核。
       尽管以前曾有人根据构造理论指出,宇宙在其演化过程中可能并不需要太多的碰撞,但长期以来这一观点一直缺乏有效的支持。现在,阿利斯特博士的观测首次从事实上肯定了上述理论。他表示:“新的观测数据与我们现在构建的宇宙模型非常吻合。如果能够观测到10次左右的星系碰撞,我们便会发现星体的总质量会有所减少。
      其总量要超过星系中央黑洞总质量的10倍。在许多星系的中心都存在着巨大的黑洞,而不是由可见的星体组成的核心。这表明,并不是每一个黑洞都要通过吞噬其附近的星体来维持自身的成长。除此之外,我们还观测到了两个庞大星系融合后其星系核遭到破坏的情况。” 需要指出的是,尽管我们的银河系也捕获了众多的小型星系,但从其目前的形状来看,它以前可能并未经受过全面的碰撞。
      因为如果出现过大碰撞,我们现在就不会在晴朗的夜晚看到一条飘过苍穹的“银河”,呈现在我们眼前的将会是均匀分布的满天星斗。据测算,大约在30亿年后,我们的银河系将会与庞大的螺旋形星系——仙女座发生全面碰撞。 科学家提出新观点 大爆炸毁灭了宇宙   南方网讯 现在的科学界对于宇宙形成的普遍观点是,100亿到200亿年前的宇宙大爆炸创作了宇宙,但是现在科学界存在一种新的理论,一些天体物理学家认为事实上那次大爆炸是摧毁了宇宙。
         夏威夷国家天文台的Tycho Solaris教授说:“我们一直在考虑宇宙大爆炸这个问题,逐渐认识到几乎所有的爆炸都是毁灭性的,并不像我们以前认为的那样富有创造性和革命性。在大爆炸之前,宇宙一定是一种令人惊异的景象,但现在剩下的尽是些银河间的灰尘和碎石,而且正以极高的速度被从大爆炸的中心向外抛出。
      ”   “生命像是以前那个完美的宇宙所留下的完美的碎片,这或许能够解释生命为何还有着种种不尽人意和不完善之处。想到宇宙的毁灭真是让人沮丧的事情,这些宇宙空间的碎石将继续它们孤寂的旅行,相距越来越远,直到有一天我们天空里的星星变得黯淡无光并最终消失。
      当然,这种事情在最近几十亿几百亿年里都不会发生。”   尽管回到大爆炸之前的宇宙是不可能的,但科学家们计划用超型计算机推测宇宙被毁灭之前的景象,并希望知道到底是什么导致了那次毁灭性的大爆炸。   Solaris博士说,“我们不必为此灰心失望,假如我们知道大爆炸的原因,或许就能在未来避免这种灾难的再次发生。
      ”。

    i***

    2005-09-10 12:25:14

其他答案

    2005-09-10 17:10:31
  • “宇宙”就是“无限时间”与“无限空间”的总体。
    在爆炸之前,可能是一个奇点,其密度、温度极大。

    2005-09-10 17:10:31

  • 2005-09-10 13:48:48
  • 那之前什么都没有,时间和空间是在那时开始计算的,那是时间的起点,所以不能称为“之前”

    淡***

    2005-09-10 13:48:48

  • 2005-09-10 13:39:32
  • 根据主流观点,宇宙由奇异点爆炸产生,对于生活在这个宇宙中的人,讨论宇宙爆炸前的情况没有实际意义,时间也无从谈起。但我猜爆炸前应该存在什么东西(有人说上帝创造宇宙)。也许将来科学家能够解决
    

    u***

    2005-09-10 13:39:32

  • 2005-09-10 12:08:49
  • 根据现在的理论,宇宙是由一个奇点爆炸而来,奇点之前没有时间,没有空间。
    但是现在的弦理论的计算似乎认为奇点爆炸是由不同的维偶然碰撞而产生爆炸,至今尚无定论。/

    l***

    2005-09-10 12:08:49

  • 2005-09-10 12:07:43
  •   宇宙的最初三分钟 
      道生一,一生二,二生三,三生万物。道者,无也。   
    老子《道德经》  
      宇宙诞生之前,没有时间,没有空间,也没有物质和能量。大约150亿年前,在这四大皆空的“无”中,一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。
            刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的,随着宇宙的迅速膨胀,其温度迅速下降。最初的1秒钟过后,宇宙的温度降到约100亿度,这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷,核反应开始发生,生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,并逐渐演化成星系、恒星和行星,在个别天体上还出现了生命现象。
      然后,能够认识宇宙的人类终于诞生了。      这幅大爆炸图景,是目前关于宇宙起源最可能的一种解释,被称为“大爆炸模型”。大爆炸理论诞生于20年代,在40年代由伽莫夫等人进行补充和发展,但一直寂寂无闻。直到50年代,人们才开始广泛注意这个理论,不过也只是觉得它很好玩,并不信服。
      人们更愿意认为,宇宙是稳定的、永恒的。      但是,越来越多的证据表明,大爆炸模型在科学上有强大的说服力。我们不得不相信,宇宙有一个开始,也将有一个终结。它产生于“无”,也终将回归于“无”。    宇宙:可有始,可有终?     在人类历史的大部分时期,有关创世的问题,一向是留给神去解决的。
      宇宙起源于何处?终点又在哪里?生命如何产生?人类怎样出现?对这些疑问,许多宗教都能给出一份体系完备的答案。至于上帝从哪里来,这种问题是不该问的。      直到最近几个世纪,人们才开始学着把神撇开,以超越宗教的角度,去思考世界的本源。这样一来,就有一个重大的原则性问题需要解决:宇宙是永恒存在的,还是有起始的?      这两种说法长久以来一直困扰着科学家、哲学家和神学家,对于普通人来说,更是难以理解。
      假设宇宙在时间上没有起源,即过去一直存在,那么宇宙的年龄就是无穷大了。无穷大这个概念,一听就让人头昏脑胀:既然是已经过去了无穷久的时间,我们的“现在”又是什么呢?而如果说宇宙是有起始的,那么它就是从“无”中突然产生的了,这最初的一刹那,又是怎样呢?      凭着人类在短暂的生命中获得的常识,实在是很难想明白这些东西。
      不过,我们可以从科学上寻求一些佐证。大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄有限,这个说法令人信服的直接理由,来自物理学中一条最基本的定律 热力学第二定律。这条科学史上最令人伤心绝望的定律,冥冥中早已规定了宇宙的命运。     简而言之,第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。
      对任何物理系统,这都是众所周知并且显而易见的特性,毫无神秘之处:开水变凉,冰淇淋化成糖水。要想把这些过程倒过来,就非得额外消耗能量不可。就最广泛的意义而言,第二定律认为宇宙的“嫡”(无序程度)与日俱增。例如,机械手表的发条总是越来越松;你可以把它上紧,但这就要消耗一点能量;这些能量来自于你吃掉的一块面包;麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量;太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应。
      总之宇宙中每个局部的嫡减少,都须以其它地方的嫡增加为代价。      在一个封闭的系统里,嫡总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部达到一种完全均匀的热动平衡状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统提供新的能量。对宇宙来说,是不存在“外界”的,因此宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,万劫不复。
      这种情景称为“热寂”。      宇宙正在缓慢地、但坚定不移地走向这无法抗拒的命运,几代智者为此怀疑人类的存在是否有意义。暂且撇开这种沮丧的情绪,作一个简单的推理,我们就可以发现,宇宙不可能有无限的过去。很简单,如果宇宙无限老,那它早就已经死了。
      以有限速率演变的东西,是不可能永远维持下去的。换句话说,宇宙必然是在某个有限的时间之前诞生的。   大爆炸:有推论有根据     第二定律明示了宇宙有起始,但这个重要推论竟然被19世纪的科学家忽略了,它只是在后来成为大爆炸模型的佐证。该模型的提出,是基于20世纪初的天文观测。
            20年代,天文学家埃德温·哈勃注意到,不同距离的星系发出的光,颜色上稍稍有些差别。远星系的光要比近星系红一些,即波长要长一些,这种现象被称为“哈勃红移”。它说明,各星系正以很高的速度彼此飞离。一列火车快速驶远时,它的汽笛声听来会沉闷很多,因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了,这就是多普勒效应。
      把声波换成光,产生的效果就是红移。哈勃对众多星系的光谱进行研究后确认,红移是一种普遍现象,这表明宇宙正在膨胀。这一发现,奠定了现代宇宙学的基矗      如果宇宙正在膨胀,那它过去必定比较校如果能把宇宙史这部影片倒过来放,我们势必会发现,在过去的某个时刻,所有的星辰都是聚合在一起的。
      这个时间大概是100多亿年前,要准确推断它比较困难。      另外,宇宙膨胀的速度会随时间发生变化,这与引力有关。万有引力作用于字宙中一切物质与能量之间,起到刹车的作用,阻止星系往外跑,从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期,宇宙从高密度状态迅速膨胀,随着时间的推移,体积越来越大,膨胀速度越来越校将这个过程向回追溯到宇宙创生的那一刻,可以发现当时宇宙体积为零,而膨胀速度为无限大。
      这就是大爆炸。     大爆炸是空间、时间、物质与能量的起源。这些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前发生了什么、是什么引起了大爆炸,这些问题在逻辑上就是没有意义的。那以前所有的,只是“无”。      以上所述仅是旁证,似不足以令大多数人信服。
      如果150亿年前发生了一场大爆炸,如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹?于是,有一阵子,科研人员热衷于寻找宇宙创生的遗迹,劲头赛过当年的宗教考古学家寻找伊甸园。亚当和夏娃的文物是一样也没发现,原初宇宙最重要的遗迹倒真给找出来了,这就是微波背景辐射。
            按照大爆炸理论,最初的几分钟里,宇宙是一个炽热的火球,到处充满温度高达几十亿度的光辐射。由于此时的宇宙处于热动平衡中,这种辐射具有独特的光谱特征,称为“黑体谱”。1965年,贝尔电话公司的两位物理学家彭齐亚斯和威尔逊偶然发现,宇宙确实浸润在一种热辐射之中。
      这种辐射以相同的强度从空间各个方向射向地球,其温度约为3K,谱线具有完美的黑体谱特征。微波背景辐射的发现,是对大爆炸模型最有力的支持。      知道了今天宇宙背景辐射的温度,就很容易推算出,宇宙诞生后约1秒钟各处的温度约为100亿度。在如此高温下,不仅我们熟悉的物质无法存在,连原子核也会被撕得粉碎。
      宇宙只能是一锅由质子、中子和电子等构成的基本粒子汤。      随着这锅汤变冷,核反应发生了。中子和质子很容易聚合在一起,产生由两个质子、两个中子组成的氦核。计算表明,氦核形成的过程持续了大约3分钟,形成的氦约占宇宙物质总质量的四分之一。这个过程用完了所有的中子,余下的质子就成了氢原子核。
            因此,大爆炸模型预言宇宙应当由大约25%的氦和75%的氢组成,这与天文测量结果极为符合。最初三分钟里形成的氢与氦,构成了宇宙中99%以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素,只占宇宙总质量的不到l%,它们大部分是在恒星内部形成的。
            根据推断,宇宙的形成距今约100~200亿年。    生命:既永恒又无恒     天文观测表明,各种天体的年龄均小于200亿年,这与大爆炸理论契合得非常好。我们的地球大概是50亿年前形成的,人类出现的时间更短得不值一提。宇宙现在还算得上年轻,担忧末日的来临,对单个人来说是十分无聊的事。
      然而,为全人类的命运想一想这个问题,还是有必要的。      按照大爆炸模型,宇宙在诞生后不断膨胀,与此同时,物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。如果宇宙的总质量大于某一特定数值,那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩,造成与大爆炸相反的“大坍塌”。
      如果宇宙总质量小于这一数值,则引力不足以阻止膨胀,宇宙就将永远膨胀下去。      在非常遥远的将来,比如1亿亿亿年以后,所有的恒星都燃烧完毕,茫茫黑暗中,潜伏着一些黑洞、中子星等天体。宇宙的尺度已经膨胀到如今的1亿亿倍,而且还在扩张下去。
      在这个系统里,引力虽不足以使膨胀停止,但会不露声色地消耗着系统的能量,使宇宙缓慢地走向衰亡。黑洞在霍金效应的作用下释放出微弱的辐射,最终全都以热和光的形式蒸发掉。足够长的时间之后,连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了,宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤,其中有光子、中微子,越来越少的电子和正电子。
      所有这些粒子都在缓慢地运动,彼此越来越远,不会再有任何基本物理过程出现。      这是寒冷、黑暗、荒凉而又空虚的宇宙,它已经走完了自己的历程,面对的是永恒的生命,抑或永恒的死亡。这种情景,差不多就是“热寂”了。      如果引力足够强大,宇宙终有一天开始收缩,又将如何呢?在大尺度上,收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的,像一场倒放的电影。
      收缩的过程起初很缓慢,随后越来越快。在转折点过后,宇宙的体积开始缩小,背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉,生命无处可逃,全都被煮熟烤焦。最后,行星、恒星也毁灭了,分布在如今浩瀚空间中的物质被挤进一个很小的体积内,最后三分钟来临了。
            温度变得如此之高,连原子核也被撕毁,宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。随后,质子和中子也无法区分,挤成一堆由夸克构成的等离子体。在最后的时刻,引力成为占绝对优势的作用力,它毫不留情地把物质和空间碾得粉碎。
      在这场与大爆炸的“暴胀”相对的“暴缩”中,所有的物质都因挤压不复存在,一切有形的东西,包括空间和时间本身,都被消灭。     这就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中诞生于无的宇宙,此刻也归于无。无数亿年的辉煌灿烂,连一丝回忆也不会留下。

    1***

    2005-09-10 12:07:43

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