时间永远向前但没人知道为什么 从宇宙起源说起(3)

2015年06月16日08:06   新浪科技 微博    收藏本文     

  量子力学与相对论的局限

恒星和行星是从巨大的星云物质中经过塌缩冷凝而形成的恒星和行星是从巨大的星云物质中经过塌缩冷凝而形成的

  关于这个问题的答案在于引力。引力会对熵产生影响,但物理学家们仍然不甚理解其具体的作用方式。对于一个具有足够大质量的物体,相比致密和均匀的状态,形成 团块是熵值更高的状态。因此一个拥有星系,恒星和行星的宇宙实际上比充斥着高温致密气体物质的原始宇宙具有更高的熵值。

  这就意味着我们遭遇到了一个新的问题——那个从大爆炸当中形成的,充斥着高温致密气体的宇宙是低熵的,因而应该是不太可能出现的。卡罗尔表示:“如果有一袋子宇宙,你伸手进去随便掏出一个,那么你不太可能会掏出一个像这样的宇宙来。”

  那么我们的宇宙究竟如何会以这样一种“不太可能”的状态开端?对于这个问题,我们目前甚至还不清楚究竟哪种回答才应当算是令人满意的。正如美国纽约大学的物理学家蒂姆·麦德林(Tim Maudlin)所言:“究竟什么样的理论才能被认定是对于宇宙初始状态的解释?”

  一种观点是认为在宇宙大爆炸之前还存在着其他东西。这样的想法可以解释宇宙早期的低熵状态吗?

  卡罗尔和她以前的一个学生曾经一起提出过一个模型,该模型认为有大量的“婴儿宇宙”正从它们各自的“母宇宙”中诞生出来并不断膨胀,形成一个个与我们所处的宇宙相似的多重宇宙。这些“婴儿宇宙”可以以低熵的状态开端,但这一“多重宇宙”作为一个整体,其熵值一直是很高的。

  如果这一理论假设成立,那么我们之所以会观测到早期的低熵宇宙,只是因为我们不能看到更大尺度上的图景。同样的情况也适用于时间的方向性。卡罗尔表示:“这种理论认为,从更大尺度上观察,更高层级的宇宙中过去与未来是一样的。”

有观点认为我们生活的宇宙是诸多类似的宇宙之一,即所谓“多重宇宙”有观点认为我们生活的宇宙是诸多类似的宇宙之一,即所谓“多重宇宙”

  然而并非所有人都同意卡罗尔或其他任何人对于“过去假设”的解释。正如卡罗尔所言:“有很多的说法,但其中甚至没有一个是看起来很有希望成功的,更不要说确凿无疑的理论了。”

  其中面临的困难之一就在于,我们目前最好的理论仍然无法处理宇宙大爆炸时的情景。而如果我们缺乏描述宇宙诞生时情况的理论体系,我们也就根本无法解释为何当时宇宙会处于低熵状态。

  对此,当代物理学家们主要依赖于两种基本理论基础。其中之一是量子力学,其主要用于解释微观粒子,如原子的运动,而广义相对论则可以描述宏观大质量物体,如太阳的行为。然而这两大理论体系却无法相互融合。

  “万物理论”

物理学的能力仍然是非常有限的,它无法为所有事物的本质给出解释物理学的能力仍然是非常有限的,它无法为所有事物的本质给出解释

  因此如果有一样东西质量非常大,但同时又非常微小的时候——比如大爆炸时期的宇宙,物理学便进入到一个完全陌生的领域。因此如果要想描述此时宇宙的情况,就必须将描述大质量天体行为的广义相对论与描述微观粒子行为的量子力学统一起来,构建起一套新的“万物理论”才能做到。

  这一终极理论将是我们理解时间单向性的关键。英国爱丁堡大学的物理学家玛丽娜·柯提思(Marina Cortês)表示:“找出这一终极理论将最终让我们了解大自然是如何构建出空间与时间的。”

  然而不幸的是,尽管已经经过长达数十年的努力,迄今物理学家们仍然未能找到这样一个万物理论。但至少我们已经有了一些可能的候选理论。

目前看来最有希望的“万物理论”候选者之一便是所谓的“弦论”,该理论认为所有亚原子粒子实际上都是由微小的“弦”所构成的  目前看来最有希望的“万物理论”候选者之一便是所谓的“弦论”,该理论认为所有亚原子粒子实际上都是由微小的“弦”所构成的

  其中看起来最有希望的一项理论便是所谓“弦论”,该理论认为所有亚原子粒子实际上都是由微小的“弦”所构成的。弦论的主要观点还包括认为空间拥有额外的维 度,超出传统认识中的三维,只是其他维度发生的卷曲而只存在于微观尺度;除此之外,该理论认为我们生活在某种形式的多重宇宙之中,并且在不同的宇宙中物理 学定律是不同的。

  所有以上这些听上去都显得非常古怪。然而大多数粒子物理学家都将该理论视作是我们最终通往万物理论最有希望的途径。

  但这并不能帮助我们解释时间方向性的问题。正如几乎所有其他的基础物理理论一样,弦论的方程并未在过去与未来之间勾勒出一道明显的界限。如果弦论最终被证实是正确的,那么它或许无法对时间的方向性作出解释,于是柯提思开始尝试寻找更好的解决方案。她与加拿大滑铁卢的圆周研究所(Perimeter Institute)的李·斯莫林(Lee Smolin)合作,试图找出可以替代弦论,并在最基础的层面上兼容时间有向性的新理论。

  柯提思与斯莫林指出,我们的宇宙是由一系列完全独特的事件所组成的,完全相同的事件永远不会重复出现。而每一组事件的发生只能对下一组的事件产生影响,而时 间的有向性正在建筑在这一基础之上的。柯提思表示:“我们希望,如果能够用这类方程开展宇宙学研究,我们将最终抵达宇宙最初始阶段的状态并发现它并非是特 别的。”

  这与玻尔兹曼的解释完全不同,他当时对此给出的解释是,时间的有向性只是概率论规则下的一种现实结果。柯提思表示:“时间并非真的是一种错觉。它真实存在并且真的在向前流逝。”

  但大部分的物理学家都赞同玻尔兹曼对于这一问题的解释。大卫·阿尔伯特(David Albert) 是美国哥伦比亚大学的一名物理学家,他表示:“玻尔兹曼在很早之前就指出了解决这一问题的正确方向。这里存在着实实在在的希望,如果你挖掘地足够深入,你 就会发现整件事正是玻尔兹曼所指出的那样。”卡罗尔对于这番言论同样表示赞同。他说:“如果大爆炸时低熵的,那么它就是如此。我们可以解释过去与未来之间 存在的所有不同。”

时间永远向前,但没有人知道这是为什么时间永远向前,但没有人知道这是为什么

  不管是通过这种方式还是那种方式,要想解答有关世间有向性的问题,我们就必须解释存在于宇宙肇始之初的那个低熵状态,而要想给出这样的解释,我们需要用到“万物理论”——不管它究竟是弦论,柯提思和斯莫林提出的新理论或者是其他什么理论。但人们在搜寻万物理论的道路上已经辛苦前行了90年,我们究竟发现了什么?如果哪天我们真的找到了这样的理论,我们又如何能知道这就是那个正确的“万物理论”?

  我们可以用某种非常微小但密度又非常高的物体去测试这一理论。但我们无法回溯时间,回到大爆炸发生的时刻。另外,不管最近的某部科幻电影中拍摄的如何离奇,我们是无法进入黑洞并将信息发送出来的。那么如果我们真的想要搞清楚为何鸡蛋破碎后不能复原,我们究竟能够做点什么?

  就目前而言,我们最大的希望就在于人类历史上建造过的最大型机器——大型强子对撞机(LHC)。LHC是一台超级粒子加速器,在法国和瑞士边界地下建造了长达27公里的加速轨道。它能将质子以接近光速的速度迎面对撞,并在这样的超高能级对撞中制造出新的粒子。

欧洲大型强子对撞机(LHC)地下管道一角。现在更加强大的LHC已经准备就绪。如果我们的运气足够好,升级后的LHC设备将有望产生人们此前从未接触过的新的基本粒子,从而为科学家们最终揭示“万物理论”提供帮助  欧洲大型强子对撞机(LHC)地下管道一角。现在更加强大的LHC已经准备就绪。如果我们的运气足够好,升级后的LHC设备将有望产生人们此前从未接触过的新的基本粒子,从而为科学家们最终揭示“万物理论”提供帮助

  在过去的两年时间里,LHC正在经历停机检修,但从今年开始它将重新开始运行,并将首次达成全功率运行状态。2012年,在半功率运行的情况下,LHC帮助人们成功发现了希格斯玻色子,这种被人们称作“上帝粒子”的神秘粒子赋予了其他粒子以质量的属性。这项成果被授予了诺贝尔奖,而现在更加强大的LHC已经准备就绪。如果我们的运气足够好,升级后的LHC设备将有望产生人们此前从未接触过的新的基本粒子,从而为科学家们最终揭示“万物理论”提供帮助。

  LHC设备将需要数年时间采集必要的数据并进行相应的处理与解译。而一旦科学家们完成对所有数据的解译,或许我们就能最终弄明白那个该死的碎鸡蛋究竟为什么不能再圆回去了。(晨风)

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文章关键词: 宇宙理论物理学时间

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