关于宇宙的问题有哪些?让物理学家“头疼”的5个宇宙学的问题!

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。

物理学的研究过程通常是这样的:经过多年的发展和完善,最终形成一个能够完美解释现实的物理理论,然后它预言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,这是一个引力很强的时空区域,任何物质包括光都无法从中逃逸。即使是现在,物理学家仍然对黑洞这个概念感到困惑,因为它有太多棘手的问题需要解决。然而,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

让物理学家“头疼”的5个宇宙学的问题

现实似乎是确定的,对吗?比如你在这里,足球在那里,你把它踢走,它最终会滚到远处,一切看起来都很正常。但是在量子力学中,情况会完全不同。量子力学认为,一个事物的状态在我们测量它之前是不确定的,它会同时处于各种状态。在测量之前,其状态是唯一确定的。比如,一个东西可以同时在不同的地方,只有当我们测量它的时候,它才会在某个地方结束。就像足球,如果我们没有发现,它可以同时出现在所有的位置。只有当我们找到它时,它才能位于操场的某个地方。爱因斯坦有点不服气。一次散步时,他问旁边的学生:“你相信月亮只有在你看的时候才真的存在吗?”爱因斯坦认为事物在测量之前应该是确定的,量子力学的解释不一定是正确的。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,理论和实验结果很吻合。美国物理学家大卫默明总结了大多数人的感受。他说:“闭嘴!”这意味着只要量子力学是有效的,就没有必要讨论像爱因斯坦这样的问题。为了理解量子力学的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。它认为所有预先存在的量子态在测量后都会继续存在,只是它们在一个平行世界中,我们只是看不到而已。当我们看到它的时候,虽然一定是在操场上,但也可能是在别的地方。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

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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,但这其实是你大脑产生的错觉。自20世纪初爱因斯坦提出相对论以来,物理学中的时间概念已经表达得很清楚了: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,相对论和量子力学还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,物体移动得越快,时间就越慢。但是量子力学回到了经典框架,即存在一个绝对时间。如何解决这些矛盾?大多数物理学家的答案可能还是:“闭嘴,算了吧!”然而,一些物理学家仍在试图解决这些时间问题。其中之一是,我们只需要对过去、现在和未来有一个更好的物理定义,那么很多问题就可以解决了。这种观点正确吗?只有时间能告诉我们答案。

无穷

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数学家相信无限。他们还认为,不仅有无限,还有很多种无限。其实无穷可以大大简化数学和数学家的计算过程。

他们经常发明新的无穷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,无穷大是一个“挫折”。无限失控。只要它出现在物理理论中,就不会被消灭。比如物理学家试图统一电磁力和弱核力,但他们的公式总是有无穷多个结果,导致计算无法进行。物理学家花了几十年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,宇宙中就存在密度无限大的“奇点”,仍然阻碍着引力理论和量子论的统一。一些物理学家已经受够了。他们认为宇宙不一定有真正的无穷大,那些被视为无穷大的东西可能就是无穷大。问题是没有无穷大的概念,数学很难计算。

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让物理学家“头疼”的5个宇宙学的问题

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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

让物理学家“头疼”的5个宇宙学的问题

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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