让物理学家“头疼”的5个宇宙学的问题

zhangzijun

物理理论的研究过程通常是这样的：经过多年的发展和完善，最终形成了一个能够完美解释现实的物理理论，然后它预测了没有人想要的东西。爱因斯坦的广义相对论就是一个典型的例子。这是我们最好的引力理论，但它预言了黑洞的存在——一个具有强大引力的时空区域，包括光在内的任何物质都无法从中逃逸。即使是现在，物理学家们仍然对黑洞的概念感到困惑，因为它有太多棘手的问题需要解决。但是，黑洞并不是困扰物理学家的唯一概念。这里还有五个例子。
量子的多重性

现实似乎很确定，对吧？比如你在这里，足球在那里，你把足球踢走，它最终会滚落到不远处，一切似乎都很正常。但在量子力学中，情况将完全不同。量子力学认为，事物的状态在我们测量之前是不确定的，它会同时处于各种状态，直到被测量，它的状态才唯一确定。例如，一件东西可以同时在不同的地方，只有当我们测量它时，它才会最终停留在某个地方。就像足球一样，如果我们没有发现它，它可以同时出现在所有位置。只有当我们发现它时，它才能被定位在操场的某个地方。爱因斯坦则有点不服气。在一次散步中，他问旁边的学生：“你相信只有当你看着月亮时，月亮才真正存在吗？”爱因斯坦认为事物应该在测量之前确定，量子力学的解释可能不正确。然而，许多物理学家并不这么认为。毕竟，量子力学是历史上最成功的科学理论，理论与实验结果吻合得很好。美国物理学家大卫·默明总结了大多数人的感受。他说：“闭嘴就算了！”这意味着只要量子力学有效，就没有必要讨论爱因斯坦这样的问题。为了理解量子力学这个看似荒谬的推论，物理学家们提出了许多不同的解释。一个著名的解释叫做多世界解释。它认为，经过测量，所有先前存在的量子态都将继续存在，但它们处于一个平行的世界中，我们只是看不到它们。当我们看到它时，虽然它肯定在操场上，但也可能在别的地方。只有其他地方的足球在另一个世界与我们的世界平行。
时间

时间的问题不在于物理，而在于人。我们可能认为时间在不断地从现在流向未来，但这实际上是你大脑产生的幻觉。自从爱因斯坦在20世纪初提出相对论以来，物理学中的时间概念得到了明确的表述：时间不会流逝，客观的过去和客观的未来都不存在。除了这个矛盾，相对论和量子力学有不同的时间描述方法。根据相对论，时间和空间是密切相关的，它们都是相对的概念。例如，对象移动得越快，时间就越慢。但是量子力学回到了经典的框架，即存在一个绝对时间。如何解决这些矛盾？大多数物理学家的回答可能仍然是：“闭嘴，算了吧！”然而，一些物理学家仍在努力解决这些时间问题。其中之一就是我们只需要对过去、现在和未来给出一个更好的物理定义，所以很多问题都可以解决。这个观点正确吗？只有时间才能告诉我们答案。
无穷

数学家相信无限。他们还认为不仅有无穷大，而且有许多种无穷大。事实上，无穷大可以大大简化数学的计算过程，数学家们经常发明新的无穷大概念来填补他们在研究中遇到的逻辑漏洞。但对于物理学家来说，无限是一种“沮丧”。无限是无法控制的。只要它出现在物理理论中，它就不会破坏它。例如，物理学家曾试图将电磁力和弱核力统一起来，但他们的公式总是有无限的结果，这使得计算变得不可能。物理学家花了几十年时间才找到正确的数学方法来解决这个问题。现在，在黑洞和大爆炸之前，宇宙中存在着密度无限的“奇点”，这仍然阻碍着引力理论和量子理论的统一。有些物理学家已经受够了。他们认为宇宙可能没有真正的无限，那些被视为无限的事物可能就是无限。问题是，没有无穷大的概念，数学很难计算。
宇宙常数

宇宙常数的历史是相当的曲折。爱因斯坦把它加入到他的广义相对论方程中，以稳定宇宙，确保宇宙在自身引力作用下不会膨胀或收缩。然后，在20世纪20年代，美国天文学家埃德温·哈勃等人发现宇宙实际上在膨胀，这促使爱因斯坦放弃了宇宙学常数的概念，认为这是他一生中“最大的错误”。然而，在20世纪90年代，天文学家观察到宇宙实际上正在加速膨胀，而加速背后的力量被称为“暗能量”。物理学家还引入了宇宙学常数，认为暗能量是一个宇宙学常数，它可以与引力起到相反的作用，推开宇宙中的一切事物。唯一的问题是，20多年后，人们还没有弄清楚宇宙常数（暗能量）的来源。目前最好的推测是宇宙常数是一种真空能量，它是由真空中无数瞬态虚粒子贡献的。然而，物理学家根据量子理论推导出的真空能量密度约为1094g/cm3。然而，根据他们对宇宙膨胀的观测，结果只有10-29g/cm3。换句话说，宇宙常数的理论值是观测值的10123倍。物理学家还没有弄清楚为什么会有这么大的差距。
宇宙的热寂

宇宙的“终结”是什么样子的？有些人认为宇宙可能以一场巨大的“大塌缩”而告终。然而，许多物理学家认为宇宙更可能在很长一段时间内逐渐走向终结。归咎于热力学第二定律。这个定律认为宇宙的熵（代表混沌程度的物理量）会随着时间的推移而增加，从有序到无序。当熵达到最大值时，宇宙中所有可利用的能量就变成了不可利用的热能，宇宙中任何地方都达到了热平衡。这种状态称为热寂。这时，宇宙中所有的天体都不复存在了，一切都是一样的，也没有变化。此外，暗能量使宇宙膨胀得越来越快，最终宇宙将变得空虚、黑暗和寒冷。当然，我们永远不会看到这些。然而，热寂的结局不仅令人沮丧，而且令人厌烦。于是物理学家们开始思考其他一些可能性，虽然结果仍然令人沮丧，但过程至少令人叹为观止。其他的可能性包括一个大撕裂（宇宙被更强大的暗能量完全撕裂）和一个大崩溃（宇宙中的一切依次崩溃在一起）。当然，最有趣的可能是大塌缩——量子涨落导致宇宙的一个区域变得不稳定，因此所有原子都不能稳定地存在，物质的结构坍缩，并从那里以光速围绕宇宙膨胀。与其他可能性不同的是，我们并不提前知道何时会发生“大崩盘”。

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让物理学家最为头痛的是空间问题，实际上我们到目前为止，对空间几乎是一无所知，爱因斯坦虽然革命性的提出塑性空间的概念，而且这个塑性空间与引力为一体，但他也不知道这个塑性空间是什么，原因应该是当时还没有发现宇宙背景辐射，宇宙背景辐射的发现，证明了宇宙就是一锅光子汤，光速恒定原理直接告诉我们，光子不是在空间中波动的，而是光子的波动形成了我们认为是空间的假象，现在还没有任何一个证据证明宇宙空间的存在，空间是人类惯性思维的想象，只要突破这个门槛，物理学的几乎所有问题都可以迎刃而解。