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宇宙如何開始?(4)

發布時間:2025-10-24閱讀(3)

盡管如此,眾所周知的大統一理論是解釋宇宙在普朗克時刻之后的運作的有力候選者。在一個持續時間比整個普朗克時刻長1000萬倍的時間內,宇宙膨脹并冷卻,但這正說明了一切起源的密度是多么巨大,即使在這段時間結束時,整個可觀測宇宙仍然比一個夸克小,這個宇宙的潛在能量被壓縮到如此微小的空間中,溫度達到了1000000萬兆開爾文,比大型強子對撞機所能達到的溫度高出了數萬倍。

這些是宏觀統一紀元的條件,由嵌套的電強力支配,以及由此產生的奇特相互作用。微小的宇宙充滿了經歷極端身份危機的粒子,光子自發地轉化為物質反物質對,創造夸克和輕子,但這些新生粒子的壽命非常短暫,幾乎在形成之后立即迅速衰變回光子。強電通信介子只會使情況變得更加復雜,它們幫助夸克轉化為輕子,輕子轉化為夸克,物質轉化為反物質,反之亦然,在宏觀統一的混亂規則下,這是一個能量和物質自由競爭的狀態,有虛擬和真實的粒子參與其中。直到宇宙開始之后的一兆兆兆秒,溫度下降到僅為一千兆兆度,足夠低以至于強力可以解放出來,兩種力變為三種,一切再次發生變化,但是這里存在一個問題。雖然這些理論可以很好地描述大爆炸后最早時刻粒子的行為,但卻無法解釋最終形成的宏觀宇宙。

事實上,當將初始條件與宇宙最終結果進行比較時,宇宙大爆炸似乎是有缺陷的。到20227月,標志性的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡已在距離太陽一百五十萬公里的軌道上穩定運行,終于準備開始其正式科學任務。但當它將其18個金色鏡子對準可觀測宇宙的最深處時,科學家們對返回的圖像感到震驚。美國天體物理學家艾莉森·柯克帕特里克在《自然》科學雜志上寫道,她發現自己在凌晨三點躺在床上,想知道自己所做的一切是否錯誤。一個月內,這些圖像和柯克帕特里克的評論引發了廣泛的討論。光速的固定意味著隨著我們對空間的深入探索,我們所看到的時間也越往前,對應于萬物開始之后僅2億年的距離,詹姆斯·韋伯太空望遠鏡已經看到了星系,不僅如此,這些星系的結構比任何人認為的都更加有序,星體和星系的形成序列無法解釋這一點,而柯克帕特里克對此非常關注。

不幸的是,不久后她的擔憂被推廣到了大爆炸本身,一些媒體聲稱下一代望遠鏡在其首批圖像中就證明了這個里程碑理論的錯誤。幸好這些擔憂是不必要的,柯克帕特里克只是關注現有的星系形成理論,并非整個宇宙的創造。早期星系的無法解釋的結構意味著我們對宇宙的理解中存在一塊缺失的拼圖,而不是我們所知的一切都是錯誤的。這只是宇宙中的一場小風波,所以大爆炸至少在這一點上是安全的。但是我們對現代宇宙如何形成的完整解釋一直面臨著更加嚴峻的威脅,而且已經有很長時間了。當我們觀察當今宇宙的大尺度結構時,有一些現象一開始并不完全吻合。即使恒星以幾百萬攝氏度燃燒,而真空的溫度僅比絕對零度高幾度,我們在一個方向上觀測到的平均溫度與宇宙中的任何其他地方都非常相似,為2.7開爾文。宇宙直徑為930億光年,如何在14億光年之外的兩點之間平均值沒有超過光速?現在我們看到如此熱同質性意味著宇宙最早的時刻也存在熱同質性,這一事實似乎極其不可思議,考慮到早期宇宙緊湊的量子漲落的本質。

這被稱為均勻性問題或地平線問題,但愛因斯坦的廣義相對論描述了質量物體如何在時空中創建曲線,進而控制著該時空中物質的運動和演化。恒星、星系和黑洞在局部尺度的時空結構中留下了凹陷和凸痕。但當我們放大到更大的尺度時,這些不完美之處會平均掉,留下一個更加平滑的結構,就像宇宙的平均溫度一樣,似乎變化很小。從最大尺度上看,宇宙似乎是平坦的。如果宇宙中的物質總密度足夠大,時空將呈現出所謂的正曲率,就像球體的表面一樣,會彎曲回來。這意味著最終宇宙中所有物質施加的引力將足夠強大,可以減緩并最終逆轉膨脹趨勢,使宇宙崩塌成所謂的大坍縮。相比之下,如果總密度要低得多,將導致時空呈現負曲率,向外彎曲,就像馬鞍的表面一樣。在這種幾何形狀下,引力永遠無法克服膨脹,宇宙將繼續無限增長。這些整體幾何形狀中的哪一種是正確的對我們宇宙未來演化的影響巨大,因此天文學家一直致力于測量宇宙的整體曲率。

令人難以置信的是,我們所能看到的宇宙曲率竟然完全是平的,就像地平線問題一樣,這種可能性非常小,相當于拋硬幣并讓它完美地豎立在邊緣上。因為明顯的原因,這被稱為平坦性問題。此外,我們對宇宙的理論還存在另一個問題,在宇宙誕生的前一萬億分之一秒內,似乎根本沒有磁單極子存在。在整個宇宙中,存在著正負電荷成對存在,相互抵消,形成一個穩定的中性帶電體。類似地,磁鐵上同時存在北極和南極,它們之間有磁場線相互流動,形成一個穩定和平衡的整體。然而,雖然正電荷和負電荷都可以單獨存在,例如孤立的質子或電子,但磁鐵卻不存在這樣孤立的極點。無論我們在宇宙中的任何地方尋找,我們都還沒有找到孤立的單極子,沒有與之相對的配對。

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