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宇宙演化之我见——读时间简史有感

已有 2636 次阅读 2017-5-15 11:26 |个人分类:物理|系统分类:科研笔记|关键词:宇宙,黑洞,广义相对论与量子力学的结合点| 宇宙, 黑洞

宇宙演化之我见——读时间简史有感


我们现在已经基本上相信宇宙,至少我们这个宇宙角落,是起源于一次大爆炸。这个大爆炸,可以说也是宇宙时空的一个奇点。这个假说与爱因斯坦的广义相对论一致,而且得到哈勃红移观察的支持。

说大爆炸是一个奇点,也不过是以广义相对论的经典力学,从远处观察的一种观点。当空间的尺度无限接近大爆炸的时候,总会达到量子力学的测不准的极限,到那时,经典力学就不适用了,因此我们从经典理论出发说的无限小的空间实际上并不是无限小,因而无限大的能量密度也就不是无穷大,而是虽然很大毕竟有限的数值。——毕竟我们这个宇宙地平线之内的物质也是有限的。既然我们已经勇于承认我们的宇宙是有限的,为什么不能更进一步也承认那个大爆炸的起点也有“有限”的尺度呢。

我们还总是不禁要问一个问题:是什么东西发生了大爆炸?这个在“无限小的空间”里的有巨大的能量的东西是从何而来,它是怎么积聚起这么不可思议的巨大的能量?

当然,我们绝对没有任何实验观测的事实可以追溯到大爆炸之前。但是人类智慧在这里总不禁要通过联想,提出假说,至少也想自圆其说。

我们从无数的经验中得知世间的许多事物有着着螺旋上升的规律或者说是轮回。大到恒星,小到微生物都有这种现象。那么我们的宇宙为什么不能轮回呢?比如我们的太阳可能就是第二代或者第三代的恒星。一个恒星需要燃烧氢来维持内部的压力不被自身的引力所压塌。我们的太阳现在大约50亿岁了,总寿命在100亿年左右。而更大的恒星,则需要燃烧更多的燃料,因此寿命短得多。我们这个宇宙岛已经有大约150亿岁了。我们的太阳就是别的恒星在它们的终点发生超新星爆炸,同时塌陷成黑洞的时候抛射出来的物质在万有引力的作用之下凝聚而成的。

那么我们的这个宇宙岛,会不会也是在更大的尺度的范围内的轮回的产物呢?

既然说到轮回,就很自然要把宇宙的终点与起点联系起来。

现在有一批宇宙论者,纠缠在宇宙是不是会整体收缩成一个奇点。如果收缩成一个奇点,那么宇宙就真的像拉风箱一样往复振荡了。从大爆炸至今的150到两百亿年间,宇宙一直在膨胀。但是同时在局部也的的确确在收缩。比如恒星超新星爆发,塌陷成黑洞,这是已经成为科学界的共识了。

有一位哲人说,总是一种倾向掩盖另一个倾向。在宇宙论上似乎也有这个偏向。在大爆炸的膨胀论的影响下有一个倾向认为黑洞应当最后也蒸发掉。黑洞也有热体辐射,但是正如史提芬·霍金所计算的,一个质量仅仅比太阳大几倍的黑洞的温度只有千万分之一度K,要蒸发掉需要10^66年(就是一后面有66个零!)而我们的这个宇宙里到处都是发光的天体,这个黑洞还在静悄悄的吸收这些辐射,它吸收的远比它蒸发的多。(它的吸收截面远比发射面积大。吸收截面就是那个event horizon;而发射黑辐射的面积,应当是黑洞的表面。)何况还有一些大的黑洞,温度就更低,我们就更有理由相信它们在缓慢的长大。这大概也就是虽然无数的恒星在发光发热,但是我们这个宇宙的平均温度并没有真的平均升高(这也不是我说的,而是一位哲人一百年前说的,只不过当时他不知道黑洞,说发现是什么东西把这些能量积聚起来那是未来科学研究的任务)。现在我们应当有理由说是黑洞把这些能量从新积聚起来了。

这个过程虽然缓慢,但是,“有苗不愁长”啊。在宇宙尺度的时间里,总有的是时间让它长大起来。

我记得有一位苏联时代俄罗斯物理学家,泡姆兰丘克(Исаа́к Я́ковлевич Померанчу́к,英文为IsaakYakovlevich Pomeranchuk1913-1966),在上个世纪五六十年代,在研究氦三的时候预言了,由于自旋相互作用,在极低的温度下,氦三的热容量是负的,也就是说吸收能量而温度下降。这个预言,在70年代被康奈尔大学的物理学家用实验证实了(很可惜现在我已经忘记了这些文献,无法引证了,不过年轻时的记忆还是可靠的)。我们有理由认为黑洞是由费米字组成。因为恒星是由氢氦以及它们聚合物组成,其最终的物质是费米子,而且我们有理由相信黑洞是由中子星演化而来,而中子的磁矩不该消失吧?因此黑洞也应当有能量增加温度下降的性能。既然测不准原理是普遍的规律,那么温度也有它的测不准的限度。当黑洞的温度小到与这个极限可以相比的时候,就是达到了绝对零度了。更有甚者,由于测不准,它一涨落也就可能成为负值。我们知道负温度系统是个不稳定的系统,而负零度,是最不稳定的。当然这是很难达到的,在过去的150亿年的长河中也就只有过那么一次大爆炸。我想我们很难排除这个假设:黑洞乃是宇宙的种子,他们长大到负零度就会大爆炸。

在这个假设之下,我们就应当关注研究黑洞是怎么长大的,而不是一厢情愿认为它会蒸发掉。换一个思路也许有一片更大的天空。退一万步说,黑洞至少在量子力学与相对论的结合上与大爆炸异曲同工。研究黑洞会对大爆炸提供更多的信息。




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