原地爆炸!138亿年之后人类还能找出宇宙的真相

来源:图灵教育

小时候抬头仰望夜空,我们总是充满好奇:

“月亮圆了又缺,嫦娥姐姐和玉兔一直住在里面吗?

天天上的星星是从哪里来的,为什么只在晚上出现?

除了自家院子的星星,是否还有我看不到的星星呢?”

随着年龄的增大,我们的问题慢慢变成了:

“我是谁?

我从何而来?

我要去向何方?”

虽然这个问题要耗费我们一生的时间去回答,但同时,我们也对这样更为本源的问题产生了兴趣:

“宇宙是如何诞生的?

我们为何处在这个宇宙之中?

宇宙今后将何去何从?”

在自然科学还未发展的时代,这可是哲学家们思考的问题!人类对此思索了几千年,但仍存在许多未解之谜。

今天我们就来聊一下宇宙之初始印象——该用什么样的语言以及如何来描述宇宙?”

1. 数学的语言

最近三十年来,通过三代卫星实验对宇宙微波背景辐射的观测,科学家们精确地考证出,宇宙诞生于138 亿年前的一次大爆炸,膨胀至今,可观测宇宙的大小已达四百多亿光年。

诞生之初,宇宙充满炽热的高能粒子,它们产生、湮灭、演化,遵循的规律可以在实验室的高能加速器中重现出来。最大的宇宙与最小的粒子在这里神奇地联系到了一起。人们终于从哲学的思考,找到了科学的路径来了解宇宙起源。

“科学之力”让我们能够进一步靠近并触碰自然深层的秘密。通过各种各样的实验,宇宙研究领域不断涌现出令人震惊的数据。这些数据使得理论研究也得到了发展,独特的新观点也随之产生。把目前宇宙理论领域发生的变化,类比为“地心说”向“日心说”的转变也不为过。

还记得伽利略吗?早在1609 年,伽利略利用自制的望远镜,发现木星存在4 颗卫星,这些卫星的运行方式类似于围绕地球旋转的月球。于是他认为,如果木星周围存在旋转的卫星,那么地球围绕太阳旋转也并不稀奇。

随后,这成为了他摒弃地心说、提出日心说的根据之一。从这层意义上讲,400 年前伽利略用望远镜观测天空这一举动,对于人类而言可以说是个历史性的瞬间。他得出个结论,“宇宙是用数学语言书写的。”

我没听错吧?宇宙不是由原子构成的嘛!看来小编要恶补一下天文知识了!后来小编看书了解到,在没有望远镜的过去,人们只能依靠肉眼仰望繁星闪烁的夜空。他们在漆黑的夜幕中描绘出了神或动物形状的星座,并认为天上是与地上世界不同的另外一个辽阔世界。基本可以说那是一个“想象中的世界”。

然而,现代人印象中的宇宙已经非常具体。高端望远镜的问世,让我们得以观测到极为逼真的宇宙风貌。牛顿在他名为《自然哲学的数学原理》的著作中阐明万有引力定律。这个书名的含义正如伽利略所言——“宇宙是用数学语言书写的”。这样看来,数学与物理联合的理念其实早已存在。

2. 从极小到极大的世界

那么你有没有想过渺小的基本粒子会与浩瀚的宇宙存在联系呢?

在直观感觉上,“宇宙”与“基本粒子”似乎完全不相关,毕竟两者大小迥异,如有天壤之别。宇宙是世界之极大,而基本粒子是世界之极小。首先,让我们以身边的物体作为参照物,来思索一下宇宙到底有多大。同时思考极小的基本粒子和极大的宇宙,让我们用“数字的位数”来大体表示一下。

例如,苹果的直径约为10 厘米(0.1 米)。人类的身高要增加1位数,在1 ~ 2 米左右。街上的大厦和公寓的高度要再增加1 位数,高度大概为几十米。东京塔的高度为333 米,东京晴空塔的高度约为634 米。如果换成物理学领域经常使用的表达方式,这两座塔的高度就分别约为“3×10米”和“6×10米”。(注: 下文中符号代表数字的次幂)

日本最高的山峰富士山(海拔约为3776 米)的数字位数则为“10”。那么,“承载”富士山的地球的直径有多大呢?地球直径约为12 000 千米,换算成米的单位之后,数字位数为“10”,相当于富士山高度的1 万倍。地球围绕太阳公转的轨道直径是富士山高度1 万倍的1 万倍(10 米)。这种级别的数字已经让我们感觉陌生而遥远了。但是,从宇宙整体来看,这种级别的数字只是沧海一粟,微不足道。来看看我们这个极大又极小的世界~

太阳系仅仅是位于银河系一个角落的天体系统,银河系的直径约是地球公转轨道直径的10 亿倍(10米)。另外,银河系与其他星系一起构成了“星系团”,星系团的直径规模约为银河系的1000 倍(10米)。

宇宙中还存在很多这样的星系团,而将这些星系团全部包裹起来的就是宇宙。我们目前能够实际观测到的宇宙大小为1 个星系团的1 万倍(10米)。“万亿”(10)和“京”(10)这两个单位已经无法再表达这种规模的数字,因此需要用到“10”这样的表达。这正是所谓的“天文数字”。

在我们目前能够观测和理解的范围内,宇宙的尺寸为10米,基本粒子的尺寸为10米。这两个“不讲理”的数字就构成了我们自然界的“宽度”。

或许可以这么说,处在两个极端的宇宙研究和基本粒子研究,它们之间存在62 位数的“距离”。不过,最近的研究发现,这两个看似毫无关系的研究领域其实紧密相连。它们产生联系的背景是“大爆炸宇宙论”。

大爆炸的观点认为,宇宙最初并非是现在这样的巨大空间,而是自诞生之后逐渐膨胀,逐渐变为了现在的大小。如果宇宙一直在膨胀,那么追溯宇宙历史的时候,便会发现宇宙的尺寸是在不断变小的。大爆炸之后的最初的宇宙应该是小到不能再小的尺寸吧。你不觉得这正是“基本粒子的世界”吗?

因此,要想知晓宇宙的起源,还真的要理解基本粒子的相关知识。反过来,对庞大的宇宙的研究也能捕捉到渺小的基本粒子的信息。虽然二者看似处于自然界的两个极端,但是它们却存在着不可割裂的关系。

3. 世界是一条“响尾蛇”

大家知道希腊神话中的“衔尾蛇”吗?它是一条正在吞食自己尾巴的蛇,在古希腊时代衔尾蛇是“整个世界”的象征。我在思考宇宙和基本粒子的时候,会经常想起这条蛇。宇宙作为蛇头正在吞食作为蛇尾的基本粒子。我在不断追逐观察浩瀚宇宙尽头的梦想时,发现那里存在基本粒子;随着对最小物质的研究逐渐深入,发现在那里等待是张着血盆大口的宇宙。

那么,当以宇宙正在加速膨胀为前提的时候,宇宙的未来又会怎样呢?宇宙只会不断膨胀下去吧?如果暗能量越来越多地增加下去,宇宙的膨胀就会不断加速,最终宇宙的膨胀速度将达到无穷大。这到底意味着什么呢?我自己也不是很清楚,只能认为那是“宇宙的终结”。

那么,刚开始我的疑问,宇宙是如何诞生的?我们为何处在这个宇宙之中?宇宙今后将何去何从?很遗憾,目前真的没有准确的答案。但是,科学家们早已开始努力去阐明这些问题。迄今为止,物理学已经解开了各种各样的谜题,一点一点地揭开了宇宙结构的神秘面纱。今后,物理学还会继续在追寻宇宙谜题的道路上,逐个解决疑难问题。

如果你想知道更多有关宇宙的事,那么下面这书书就是个不错的选择。

(以上内容来自《隐匿的宇宙:用基本粒子解开宇宙之谜》)

译者:逸宁

定价:42.00元

从“基本粒子”到“黑暗繁星”,探索宇宙的起源与黑暗秘密

日文版累计销量突破320,000册

日本东京大学Kavli数学物理学联合宇宙研究机构 所长、Coursera人气课程“从大爆炸到暗能量”讲授者 村山齐 科普力作

中国科学院高能物理所研究员 曹俊 作序推荐

本书的作者是被称为“宇宙达人”的村山齐(Hitoshi Murayama),他1964 年出生于日本东京,美国加州大学伯克利分校教授、东京大学卡弗里数学物理联合宇宙研究机构所长。是基本粒子理论、基础科学领域的年轻带头人之一。北野武在其作品《北野武的伟大旅程:重新发现世界的十一次探险》中就有采访过村山齐。进一步了解村山齐请扫二维码阅读哦~