
根据大爆炸理论,星系连同其它所有的恒星和行星都产生于一个所谓有的奇异点。这个奇异点中集中了所有宇宙最原始的物质。而科学家们对这一奇异点物理参数的评估则是:温度为1031 K,潜藏的能量密度为1098 尔格/立方厘米(作为比较,恒星内部最高温度为108 K,而中子星的物质密度为1015 克/立方厘米)。
我们很难想像,处于奇异点时期的宇宙到底是什么样。今天流行的宇宙超级结构理论认为,大爆炸后形成的微型黑洞遍及整个宇宙。这些黑洞的体积还没有一个原子核大,但其质量却相当于一个小行星。不久前还有信息称,美国宇航局计划于2007年发射一个高功率X射线望远镜GLAST。按照天文物理学家们的计算,该望远镜的敏感度足以发现微型黑洞的波动。宇宙超级结构理论将最终得到实验证实。
“大爆炸”理论最大的缺陷就是无法回答大爆炸之前这一奇异的点来源于何方?大爆炸理论存在了100多年了,但令人惊讶的是,这一理论的发展将把人们对宇宙诞生和灭亡的认识不可避免地引向神创说。并不奇怪,教皇约安-帕维尔二世早就在其书信中称当代的宇宙论与《圣经》中的论述不谋而合。 宇宙大爆炸从模式上是合乎逻辑的,它解释了多普勒红移、元素丰度和背景辐射的问题,但用“大爆炸”解释有所不妥。
像星系的千亿年寿命、类星体特殊属性等尚有争议的暂时排除,我们只讨论比较完善的理论体系。
首先一条就是刚才所说的微波背景辐射,不管我们的测量天线对准什么方向,辐射温度都是相同的,精确到十万分之一。为什么宇宙中相隔那么遥远的地方会有那么一致的温度?我们大概自然会想到,这并不奇怪,因为今天在空中遥遥相对的两个地方,在宇宙最初的瞬间本是紧紧相连的。由于它们源自共同的一点,留下相同的痕迹(如温度)也就不足为奇了。
在标准的大爆炸宇宙学里,这是错误的。为什么呢?两个物体的温度趋于相同,是因为它们有长时间稳定的相互交流作用。现在空间分布遥远的两点具有相同温度,是因为它们原来曾经接触过,有足够的信息交流。
由于宇宙是以光速(或大于光速膨胀),虽然宇宙的两端曾经离的很近,但空间的临近只是一个方面,时间的间隔也要包含进去。物理学家精确计算证明,在标准的大爆炸模型中会产生这个问题。现在相隔遥远的空间区域没有办法实现能量交换,从而解释不了为什么它们会有相同的温度。
(所以后来出现了暴胀模型来修正现代宇宙学)
还有就是关于大爆炸的奇点问题。我们利用广义相对论可以推导出大爆炸之后几乎所有的景象,并且氦元素23%的丰度也证明了理论的推导。但就在大爆炸之初,这个体系出现了一个小小的BUG,就是时间从0到10^-43s(普朗克时间)之间的一个时间片段,广义相对论对此没有任何解释。因为在普朗克尺度下,量子力学使广义相对论的方程失效,我们无法预知大爆炸最初的一瞬间发生了什么,因为我们还没有一个完备的量子引力理论。从这个角度来说,现在的大爆炸理论不能说是错的(毕竟它还是经历了很多考验),至少是不完备的。
(量子力学的权威性更是不容忽视)
这里先给出个答案,光速其实可以被超越,宇宙中有很多超光速的现象。不过,我们也可以理解成光速无法被超越,不过这个限定是对于物质、信息、能量来说的。具体是咋回事呢?
这其实和爱因斯坦的相对论有关,今天,我们就来简单地聊一聊这个问题。
牛顿理论和麦克斯韦理论的矛盾
其实,从很早以前,光速就是一个让学者们很痛苦的问题。因为要测量光速实在是太困难了。伽利略就曾经想要通过实验来测量光速,结果他实验失败了。现在,我们知道,光速大概是3*10^8m/s,一秒钟可以绕地球七圈半,按照这个速度,伽利略时代的科学技术是不可能测得准的。
由于根本没有办法测量光速,所以这种接近于光速的高速现象,物理学家也就捕捉不到,更没办法拿来验证已经存在的理论。所以,牛顿后来提出牛顿力学时,几乎所有的人都认为,在光速下,牛顿力学可以非常准确。
具体来说,如果你在一列火车上,手里有个手电筒,这个时候,你沿着火车行驶的方向把光射出去,如果有个地面观测者,那他看到光的运动速度就应该是光速加上火车的速度。这其实就是我们初高中学到的参考系的相关知识。
只是万万没想到,后来物理学界又出现了一个大咖,这位大咖就是麦克斯韦。他提出了著名的麦克斯韦方程。
他预言了电磁波的存在,而且光就是一种电磁波。麦克斯韦的理论和牛顿力学在当时的物理学界是具有同等地位的,但两者却产生了矛盾。具体来说就是,麦克斯韦方程是可以推导出光速的表达式的,c=1/ε0μ0,其中ε0被叫做真空介电常数,而μ0被叫做真空磁导率。ε0和μ0都是常数,也就是固定值,所以,我们会发现光速c也是一个固定值。
当科学家们看到这个结果时,其实有点摸不到头脑。原因也很简单,按照牛顿力学,光速应该不是一个固定值,这不就相互矛盾了吗?
为了调和这个矛盾,于是,就有人提出这么一个观点,水波的传递是需要介质的,也就是水。
光在当时也被认为是一种波,因此,光传递也应该需要介质。麦克斯韦方程推导出来的光速实际上就是光相对于这种介质的速度,这种介质也被叫做以太。于是,科学家就开始做各种实验来找以太,结果无一例外,全部都失败了。
相对论
既然找不到以太,26岁的专利局三级技术员爱因斯坦就打破了当时的固有认识,他认为根本不存在“以太”。光传递不需要介质,可以在真空中传播。于是,他以光速不变原理以及伽利略变换为基础,推导出了狭义相对论和质能等价。
这里的光速不变原理,说的就是光速在任何惯性参考下的速度都不变,都是光速c=3*10^8m/s。
在狭义相对论中,爱因斯坦统一了空间和时间,他认为不应该把空间和时间分开来对待,而应该一起对待,把它们并称为时空。而我们所生活的世界就是四维时空,三维的空间加上一维的时间。后来,爱因斯坦大学的数学老师闵可夫斯基在狭义相对论的基础上,就提出了光锥的概念。
在质能等价当中,爱因斯坦统一了质量和能量,他认为质量和能量是一回事,是一个物体的两个面,质量里有能量,能量里有质量。我们可以用质能方程E=mc^2来表述两者的等价关系。
在质能等价的推导过程中,爱因斯坦推导了在光速状态下,物体质量的变化,结果,他得到了下面这样一个式子。
这个式子告诉我们,物体的速度无法超光速,当速度越接近于光速时,质量就会越大。其实,根据牛顿定律我们也知道,如果要给质量大的物体加速,相对而言难度会比给质量小的物体加速大。因此,要给有质量的物体加速到光速,那就需要无穷大的能量。因此,这是不可能发生的。后来,也有科学家指出,爱因斯坦的推导有循环论证的嫌疑,这是因为他是假设了光速不变原理进行推导的,势必会推导出这样的结果。于是,许多数学家和物理学家也加入到完善这项工作当中来,弥补了这个漏洞。
所以,通过狭义相对论和质能等价,我们可以得出,凡是静止质量不为0的物体,都无法达到光速,在宇宙中,只有光子和胶子是静止质量为0,理论上只有它们可以达到光速。不过,这些其实是针对于物质、信息和能量而言。
超光速现象
在宇宙中其实不光有物质、信息和能量,还存在着一些可以超光速的现象。最常见的就是宇宙膨胀,这是一种空间的膨胀,空间既不属于物质,也不属于信息,更不属于能量。因此,空间的膨胀是可以超越光速的。正是因为空间膨胀可以超越光速,并且宇宙有个起点,也就是138亿年前的大爆炸。因此,人类实际上能观测到的范围是有限的,直径大概是930亿光年,这也被称为可观测宇宙,是宇宙的一部分。
如果有BUG,就代表我们的世界是被“人为设计”出了的!
但是我更相信量子的测不准属性是因为我们的技术不够,而导致的我们只是观察到了现象,而非本质,一定有一个机制决定了其测不准这个属性的运作!因为自然产生一定会完美自恰的!
双缝干涉实验其实还有进阶版本的,比如电子延时双缝干涉实验(将一个电子以降低频率的方式分离成两个互相纠缠的电子,让其中一个去做干涉实验,然后在结果形成后观测另一个从而得知电子干涉时走的那个路径!),结果是干涉条纹消失,电子知道了未来它会被观测,所以波函数坍缩了!
继续进阶:量子擦除实验(量子延时选择路径擦除实验),和上一个实验一样,只是里边多了一个步骤就是,在得出观测结果后,将观测结果擦除!结果是干涉条纹又出现了!也就是说,现在的做的选择改变了过去!
如果你感兴趣,可以去了解下这两个实验(电子延时双缝干涉实验、量子擦除实验),我相信量子的不确定性是有着其内含的规律的,只是人类的技术现在只能看到表象而已!
回答你的最后一个问题,每个人都是观察者,你的观察同样会使得波函数坍缩!但是观测者的界定还是很不清晰的,为什么只有人是观察者,动物为什么不行?机器设备为什么不行?如果只有人类是观察者,人类究竟有何特殊?低智商人类(傻子)是否也可以是观察者?
很多问题还没有答案,我也同样期待科学的进一步进展!!~