作业帮宇宙存在的理由是什么?
来源：学生作业帮 编辑：拍题作业网作业帮 分类：物理作业 时间：2024/05/01 14:04:15
宇宙存在的理由是什么?
为什么宇宙会存在?
《新科学家》阿曼达·杰夫特曾写到：“宇宙很大,真的很大.”如果我们的宇宙大爆炸理论是正确的,那么,以前的宇宙会比现在小.确实,在某点上,宇宙甚至并不存在.大约137亿年前,时间和空间同时从“空”中产生.那么,这一切是如何发生的呢?
或者,换句话说,万事万物为什么会存在呢?这是一个大问题,或许是最大的问题.宇宙从虚无中产生这个观点本身就让人头大,想象一下什么是虚无或许更让人崩溃.
然而,从科学的角度而言,这也是一个合乎情理的问题.毕竟,有些基本的物理学法则认为,在很大程度上,你和宇宙中其他事物存在的可能性微乎其微.热力学第二定律是现有的最被接受的物理学法则之一.该法则认为,熵（entropy,指体系的混乱程度,在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用）一直在增加.
科学家们用熵作为衡量指标,来测量不改变系统外观的情况下,系统的各组成部分可采用几种方式来排列.排列方式越多,熵越高；反之,越低.例如,一个热气中的分子可以采用多种不同的排列方式制造出同样的温度和压力,因此,该气体就是一个高熵系统.相反,人们无法在不将一个活体生物变成一个非活体生物的情况下,对该活体生物的分子进行重排,因此,该活体生物是一个低熵系统.
按照同样的逻辑,虚无是我们周围最大的熵系统.人们能随心所欲地对其进行洗牌,并且,它仍然看起来是虚无.
鉴于这一法则,很难观察到虚无是如何变成某些事物的,更不用说变成像宇宙那么庞大的事物了.但是,熵只是宇宙故事的一部分.对称性也和宇宙故事脱不了干系.自从宇宙诞生伊始,对称性的影响力似乎与日俱增.虚无的对称性就非常好,诺贝尔奖获得者、麻省理工学院的物理学家弗朗克·韦尔切克表示：“虚无是完全对称的.”
然而,在过去几十年中,科学家们已经知道,对称性是可以打破的.韦尔切克的专业是量子色动力学,这是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论,它是粒子物理标准模型的一个组成部分.该理论告诉我们,虚无是事物的不稳定状态.“你能够制造出一个没有夸克和反夸克粒子在其中的状态,它是完全不稳定的.”韦尔切克说,“它会自发地开始产生夸克—反夸克对.”美国科罗拉多州立大学的物理学家维克托·斯坦格表示,因此,虚无完美的对称性被破坏了,这会产生一个意想不到的结论：尽管存在熵,有是比虚无更加自然的状态.
英国牛津大学的量子物理学家弗兰克·克洛斯也同意这个观点,他表示,根据量子理论,不存在“空”这一状态.“空”有精确的初始能量,对不确定的量子世界来说,“空”是一个非常苛刻的要素.相反,真空实际上充满了滚烫的粒子汤,它们在存在之间进进出出.从这个意义而言,包括你、我、月球以及我们宇宙中所有的一切事物都由量子真空受激而产生.
宇宙的起源还有其他解释吗?韦尔切克表示,恐怕没有了,他说：“虚无和充满了各种物质的宇宙之间毫无障碍.”或许,大爆炸是虚无顺其自然的产物.
当然,这也提出了一个问题,大爆炸之前有什么呢?大爆炸持续了多长时间呢?不幸的是,在这点上,基本概念让我们灰头土脸：“以前” 这个概念变得毫无意义.用史蒂芬·霍金的话来说,这些问题就像问南极之南是什么一样.
即便如此,有来自于虚无这一想法可能会引发一个更令人抓耳挠腮的后果,那就是：或许虚无本身就不可能存在.
为什么这么说呢?量子不确定性使时间和能量之间达到了平衡,因此,持续时间很长的事物拥有的能量一定很少.这就可以解释一个问题：我们的宇宙持续了数十亿年——在这么长的时间内,星系得以形成,生命进化为能对其存在性进行提问的双足动物,因此,宇宙的总能量一定很低.
这也符合人们对早期宇宙的普遍认识：大爆炸之后,时空经历了一个突如其来的膨胀.这短时期的迅猛膨胀——暴胀为宇宙填充了巨大的能量.但是,爱因斯坦的广义相对论告诉我们,更多的时间—空间也意味引力更大.引力产生的拉力代表让宇宙膨胀的负能量,其能抵消暴胀产生的正能量——宇宙从虚无中产生,这种正能量不可或缺.麻省理工学院的宇宙学家阿兰·古斯表示：“我想要说的是,宇宙是最后的免费午餐.”古斯于30年前提出了暴胀理论.
过去,物理学家们担心,万事万物从虚无中产生会违背很多物理学法则,比如能量守恒定律.但是,如果存在着初始能量来使其守恒,问题自然烟消云散.并且,从虚无中产生一个宇宙不仅变得似乎可行,而且还是可能的.古斯说：“可能更好的表达方式是,有即是无.”
然而,上述种种解释还是无法让我们摆脱困境.我们对于宇宙万物生成的理解依赖物理学法则的合理性,尤其依赖量子不确定性的合理性.但是,那意味着,在宇宙存在之前,物理学法则就已经被编织入宇宙的“衣料”中.那么,物理学法则如何能超出时空而毫无理由地存在呢?或者,换句话说,为什么有一些不是虚无的事物事先就存在呢?
为什么宇宙刚好适合我们生活?
如果让原子核胶着在一起的强核力（最强的一种作用力,有效距离亦最短,它负责将夸克结合成质子、中子等粒子以及将质子与中子结合成原子核）再强大百分之几,在不到一秒钟的时间内,太阳这样的恒星内部的氢燃料就会燃烧殆尽.如果那样,太阳系爆炸的时间可能发生得更早,那么,生命就不会出现在地球上.
如果弱核力（造成放射性原子核或自由中子衰变的短程力,它负责放射性现象,只作用于自旋为1／2的物质粒子,而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用）再微弱百分之几,构成我们所处世界中的大部分物质的重元素将不会存在,更不用说人类自身了.
如果重力比现在再微弱一点点,它将无法有效地挤压太阳的内核核心从而点燃核反应制造出太阳光；如果重力再强一点,太阳内的燃料早在数十亿年前就已燃烧殆尽,人类同样也不会出现.
在物理学法则中,这样为了生命的出现而严丝合缝刚刚好的例子似乎随处可见.自然界中很多必须的参数——基本力的强度和基本粒子的质量似乎都经过了“精调”,“刚好适合”生命出现.宇宙似乎就是为了人类的出现而存在一样.
那么,为什么会如此呢?一种可能性是：一个超级存在——“造物主”对宇宙进行了精调.尽管有很多人喜欢这种简单的解释,但迄今为止,科学家似乎还没有找到充分的证据来证明这一点.另一个可能性是,宇宙没有任何其他选择.宇宙就是如此,而我们刚好就身处于这样一个与生命相契合的法则所统治的宇宙中.
不管怎样,这都似乎暗示,我们的存在是一件非常幸运的事情,在阐述与宇宙相关的一切事物如何出现时,史蒂芬·霍金就曾多次提到“幸运”这个词.整个宇宙能够存在,智能生命能够在宇宙中孕育并进化都是非常幸运的事情.然而,大多数物理学家们并不这么想.
最有可能阐释宇宙为什么刚好精确地适合人类生存的解释或许令人觉得匪夷所思：我们的宇宙只是众多宇宙中的一个.每一个宇宙都有不同的物理学法则.我们发现自己身处的宇宙刚好拥有适合人类生存的法则,因为如非这样,我们就不会出现在这样的宇宙中了.
“多重宇宙”这一概念并非空穴来风,科学家已经为其找到了理论支持.那就是弦理论.弦理论是现今我们对万物之理所做出的最好尝试,该理论预测,至少存在10500个宇宙,每个宇宙都拥有不同的物理学法则.整个撒哈拉沙漠只有1025粒沙子,由此可知,上述数据是多么惊人.
另外一个可能性是,没有任何理论或者说法可以解释所有这一切.有人认为,整个精调理论完全是一派胡言,其中最著名的批评源于《精调谬论》一书的作者、美国科罗拉多大学的维克托·斯腾格,他在书中表示,根据精调理论,氢、氦、锂都不可能存在.
包括碳、氮、氧、铁在内的所有你身体内的重元素都在遥远的恒星内形成.1952年,英国天文学家弗瑞德·霍伊尔指出,这些元素的存在很大程度上源于宇宙学上的巧合.形成这些元素的关键一步是“3倍的阿尔法”过程,在这个过程中,三个氦核熔融在一起形成一个C-12核.霍伊尔提出,在一个红色星球内,在特定温度下,要想让这一反应发生,C-12的能量必须精确地等于三个氦核的结合能,实际情况也的确如此.
然而,斯腾格指出,1989年,以色列理工大学的科研团队表示,他们研究结果表明,C-12的能级实际上一直都非常不同,但是,宇宙中仍然产生了生命必需的重元素.
精调理论还有其他问题.其中一个问题源于一个事实：科学家们通过让一个参数——一种自然力（或一个亚原子的质量）不断变化,与此同时,其他参数保持恒定不变,结果,他们也发现了一些精调的例子.也就是说,一些值发生改变并不会改变整个结果本身.这似乎非常不切实际.不过,我们迄今仍然没有获得的万物之理很有可能可以说明物理参数之间的密切联系.也有科学家解释说,改变一个参数产生的影响有可能被其它参数的变化完全抵消,因此,得到的结果不变.
而且,迄今为止,我们只有唯一一个生命正在不断演化的例子,因此,我们如何能确定其他星球上的法则就无法产生别的能和人类一样对其存在性进行深思的生命系统呢?
另外,还有一个精准微调的例子很难被打发：宇宙因为暗能量而加速暴胀.量子理论预测,神秘暗能量的强度比我们观察到的值大10120倍.
诺贝尔奖得主斯蒂芬·温伯格表示,这种不一致似乎非常意外.如果暗能量不是如此微小,不会出现星系,人类也不会出现.温伯格勉强接受的解释是,我们必须生活在一个暗能量的值“刚好”的宇宙中.温伯格表示：“暗能量仍然是唯一需要用多重宇宙观点进行解释的参量.我还没有看到其他物理常量经过精调的证据.”
——来源《中华网》.
《新科学家》阿曼达·杰夫特曾写到：“宇宙很大,真的很大.”如果我们的宇宙大爆炸理论是正确的,那么,以前的宇宙会比现在小.确实,在某点上,宇宙甚至并不存在.大约137亿年前,时间和空间同时从“空”中产生.那么,这一切是如何发生的呢?
或者,换句话说,万事万物为什么会存在呢?这是一个大问题,或许是最大的问题.宇宙从虚无中产生这个观点本身就让人头大,想象一下什么是虚无或许更让人崩溃.
然而,从科学的角度而言,这也是一个合乎情理的问题.毕竟,有些基本的物理学法则认为,在很大程度上,你和宇宙中其他事物存在的可能性微乎其微.热力学第二定律是现有的最被接受的物理学法则之一.该法则认为,熵（entropy,指体系的混乱程度,在控制论、概率论、数论、天体物理、生命科学等领域都有重要应用）一直在增加.
科学家们用熵作为衡量指标,来测量不改变系统外观的情况下,系统的各组成部分可采用几种方式来排列.排列方式越多,熵越高；反之,越低.例如,一个热气中的分子可以采用多种不同的排列方式制造出同样的温度和压力,因此,该气体就是一个高熵系统.相反,人们无法在不将一个活体生物变成一个非活体生物的情况下,对该活体生物的分子进行重排,因此,该活体生物是一个低熵系统.
按照同样的逻辑,虚无是我们周围最大的熵系统.人们能随心所欲地对其进行洗牌,并且,它仍然看起来是虚无.
鉴于这一法则,很难观察到虚无是如何变成某些事物的,更不用说变成像宇宙那么庞大的事物了.但是,熵只是宇宙故事的一部分.对称性也和宇宙故事脱不了干系.自从宇宙诞生伊始,对称性的影响力似乎与日俱增.虚无的对称性就非常好,诺贝尔奖获得者、麻省理工学院的物理学家弗朗克·韦尔切克表示：“虚无是完全对称的.”
然而,在过去几十年中,科学家们已经知道,对称性是可以打破的.韦尔切克的专业是量子色动力学,这是一个描述夸克之间强相互作用的标准动力学理论,它是粒子物理标准模型的一个组成部分.该理论告诉我们,虚无是事物的不稳定状态.“你能够制造出一个没有夸克和反夸克粒子在其中的状态,它是完全不稳定的.”韦尔切克说,“它会自发地开始产生夸克—反夸克对.”美国科罗拉多州立大学的物理学家维克托·斯坦格表示,因此,虚无完美的对称性被破坏了,这会产生一个意想不到的结论：尽管存在熵,有是比虚无更加自然的状态.
英国牛津大学的量子物理学家弗兰克·克洛斯也同意这个观点,他表示,根据量子理论,不存在“空”这一状态.“空”有精确的初始能量,对不确定的量子世界来说,“空”是一个非常苛刻的要素.相反,真空实际上充满了滚烫的粒子汤,它们在存在之间进进出出.从这个意义而言,包括你、我、月球以及我们宇宙中所有的一切事物都由量子真空受激而产生.
宇宙的起源还有其他解释吗?韦尔切克表示,恐怕没有了,他说：“虚无和充满了各种物质的宇宙之间毫无障碍.”或许,大爆炸是虚无顺其自然的产物.
当然,这也提出了一个问题,大爆炸之前有什么呢?大爆炸持续了多长时间呢?不幸的是,在这点上,基本概念让我们灰头土脸：“以前” 这个概念变得毫无意义.用史蒂芬·霍金的话来说,这些问题就像问南极之南是什么一样.
即便如此,有来自于虚无这一想法可能会引发一个更令人抓耳挠腮的后果,那就是：或许虚无本身就不可能存在.
为什么这么说呢?量子不确定性使时间和能量之间达到了平衡,因此,持续时间很长的事物拥有的能量一定很少.这就可以解释一个问题：我们的宇宙持续了数十亿年——在这么长的时间内,星系得以形成,生命进化为能对其存在性进行提问的双足动物,因此,宇宙的总能量一定很低.
这也符合人们对早期宇宙的普遍认识：大爆炸之后,时空经历了一个突如其来的膨胀.这短时期的迅猛膨胀——暴胀为宇宙填充了巨大的能量.但是,爱因斯坦的广义相对论告诉我们,更多的时间—空间也意味引力更大.引力产生的拉力代表让宇宙膨胀的负能量,其能抵消暴胀产生的正能量——宇宙从虚无中产生,这种正能量不可或缺.麻省理工学院的宇宙学家阿兰·古斯表示：“我想要说的是,宇宙是最后的免费午餐.”古斯于30年前提出了暴胀理论.
过去,物理学家们担心,万事万物从虚无中产生会违背很多物理学法则,比如能量守恒定律.但是,如果存在着初始能量来使其守恒,问题自然烟消云散.并且,从虚无中产生一个宇宙不仅变得似乎可行,而且还是可能的.古斯说：“可能更好的表达方式是,有即是无.”
然而,上述种种解释还是无法让我们摆脱困境.我们对于宇宙万物生成的理解依赖物理学法则的合理性,尤其依赖量子不确定性的合理性.但是,那意味着,在宇宙存在之前,物理学法则就已经被编织入宇宙的“衣料”中.那么,物理学法则如何能超出时空而毫无理由地存在呢?或者,换句话说,为什么有一些不是虚无的事物事先就存在呢?
为什么宇宙刚好适合我们生活?
如果让原子核胶着在一起的强核力（最强的一种作用力,有效距离亦最短,它负责将夸克结合成质子、中子等粒子以及将质子与中子结合成原子核）再强大百分之几,在不到一秒钟的时间内,太阳这样的恒星内部的氢燃料就会燃烧殆尽.如果那样,太阳系爆炸的时间可能发生得更早,那么,生命就不会出现在地球上.
如果弱核力（造成放射性原子核或自由中子衰变的短程力,它负责放射性现象,只作用于自旋为1／2的物质粒子,而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用）再微弱百分之几,构成我们所处世界中的大部分物质的重元素将不会存在,更不用说人类自身了.
如果重力比现在再微弱一点点,它将无法有效地挤压太阳的内核核心从而点燃核反应制造出太阳光；如果重力再强一点,太阳内的燃料早在数十亿年前就已燃烧殆尽,人类同样也不会出现.
在物理学法则中,这样为了生命的出现而严丝合缝刚刚好的例子似乎随处可见.自然界中很多必须的参数——基本力的强度和基本粒子的质量似乎都经过了“精调”,“刚好适合”生命出现.宇宙似乎就是为了人类的出现而存在一样.
那么,为什么会如此呢?一种可能性是：一个超级存在——“造物主”对宇宙进行了精调.尽管有很多人喜欢这种简单的解释,但迄今为止,科学家似乎还没有找到充分的证据来证明这一点.另一个可能性是,宇宙没有任何其他选择.宇宙就是如此,而我们刚好就身处于这样一个与生命相契合的法则所统治的宇宙中.
不管怎样,这都似乎暗示,我们的存在是一件非常幸运的事情,在阐述与宇宙相关的一切事物如何出现时,史蒂芬·霍金就曾多次提到“幸运”这个词.整个宇宙能够存在,智能生命能够在宇宙中孕育并进化都是非常幸运的事情.然而,大多数物理学家们并不这么想.
最有可能阐释宇宙为什么刚好精确地适合人类生存的解释或许令人觉得匪夷所思：我们的宇宙只是众多宇宙中的一个.每一个宇宙都有不同的物理学法则.我们发现自己身处的宇宙刚好拥有适合人类生存的法则,因为如非这样,我们就不会出现在这样的宇宙中了.
“多重宇宙”这一概念并非空穴来风,科学家已经为其找到了理论支持.那就是弦理论.弦理论是现今我们对万物之理所做出的最好尝试,该理论预测,至少存在10500个宇宙,每个宇宙都拥有不同的物理学法则.整个撒哈拉沙漠只有1025粒沙子,由此可知,上述数据是多么惊人.
另外一个可能性是,没有任何理论或者说法可以解释所有这一切.有人认为,整个精调理论完全是一派胡言,其中最著名的批评源于《精调谬论》一书的作者、美国科罗拉多大学的维克托·斯腾格,他在书中表示,根据精调理论,氢、氦、锂都不可能存在.
包括碳、氮、氧、铁在内的所有你身体内的重元素都在遥远的恒星内形成.1952年,英国天文学家弗瑞德·霍伊尔指出,这些元素的存在很大程度上源于宇宙学上的巧合.形成这些元素的关键一步是“3倍的阿尔法”过程,在这个过程中,三个氦核熔融在一起形成一个C-12核.霍伊尔提出,在一个红色星球内,在特定温度下,要想让这一反应发生,C-12的能量必须精确地等于三个氦核的结合能,实际情况也的确如此.
然而,斯腾格指出,1989年,以色列理工大学的科研团队表示,他们研究结果表明,C-12的能级实际上一直都非常不同,但是,宇宙中仍然产生了生命必需的重元素.
精调理论还有其他问题.其中一个问题源于一个事实：科学家们通过让一个参数——一种自然力（或一个亚原子的质量）不断变化,与此同时,其他参数保持恒定不变,结果,他们也发现了一些精调的例子.也就是说,一些值发生改变并不会改变整个结果本身.这似乎非常不切实际.不过,我们迄今仍然没有获得的万物之理很有可能可以说明物理参数之间的密切联系.也有科学家解释说,改变一个参数产生的影响有可能被其它参数的变化完全抵消,因此,得到的结果不变.
而且,迄今为止,我们只有唯一一个生命正在不断演化的例子,因此,我们如何能确定其他星球上的法则就无法产生别的能和人类一样对其存在性进行深思的生命系统呢?
另外,还有一个精准微调的例子很难被打发：宇宙因为暗能量而加速暴胀.量子理论预测,神秘暗能量的强度比我们观察到的值大10120倍.
诺贝尔奖得主斯蒂芬·温伯格表示,这种不一致似乎非常意外.如果暗能量不是如此微小,不会出现星系,人类也不会出现.温伯格勉强接受的解释是,我们必须生活在一个暗能量的值“刚好”的宇宙中.温伯格表示：“暗能量仍然是唯一需要用多重宇宙观点进行解释的参量.我还没有看到其他物理常量经过精调的证据.”
——来源《中华网》.