这便是为什么咱们永久不可能了解世界的一切工作

2020-05-25 16:30:32 放大字体  缩小字体

能够完全了解宇宙的每一件事是我们求知路上的极限了。这是科学的终极梦想:不单单是尽可能完全与深入地了解现实世界的运行法则,还要了解从宇宙诞生到现在每一个存在的粒子是如何运动的。

即使我们拥有足够好的设备和足够理想的观测方法,这个梦想也未必能够实现。宇宙广阔无垠,现在及将来我们也可以观测到的部分仍是有限部分的宇宙。我们观测到的这部分宇宙中的粒子与能量现状是有限的,那么我们也可以收集到的信息也是有限的。下面是我们了解的关于知识科学的极限。

图解:大爆炸之后,宇宙充满了物质、能量和辐射,基本是完全平均的,并且处于快速膨胀的状态。跟着时间流逝,宇宙不仅仅是形成了元素、原子、团簇和星团、恒星和星系,同时也在膨胀与冷却。没什么可以与这一过程相匹敌,但它实际上并没有教会我们什么,包括(尤其是)它的开端。(NASA/GSFC)

想一想大爆炸,事实是我们生存的这个宇宙起始于一个热并混沌的状态,并逐渐膨胀与冷却。回想一下138亿年前的那个瞬间。即使宇宙本身的结构在膨胀,即使光仍能以光速穿过宇宙,我们能看到的距离始终是有限的。

无论宇宙结构的膨胀速度有多快,无论光速有多快,无论大爆炸已经过去了多久,这些属性没有一项是无限的。然而,我们只能看到有限远的距离,在我们可观测的宇宙中,也只会包含有限的事物。我们大家可以得到的信息数量终究是有限的。

图解:以地球为中心往外发散460亿光年就是可观测宇宙的范围,但无法观测的宇宙的范围显然更加广阔,甚至是无穷大的,就像我们的可观测宇宙一样。假以时日,我们将有能力观测到宇宙更多的部分,会有大约2.3倍于当前已发现数量的星系被揭示。我们尚未发现的部分中,同样有我们想了解的事情。这看起来并不像一场徒劳无功的事关科学的努力。

历史上的许多发现都帮助我们更好的理解我们所在的宇宙。尽管我们无法知道所有事, 但大量的知识源能够在一定程度上帮助我们对宇宙做更深入的解释。我们大家都知道它是由物质、能量、辐射等构成的。

我们大家都知道银河系中目前有多少恒星(大约4000亿颗)、可观测宇宙中目前有多少星系(大约2万亿个)。我们大家都知道星系群、星团和暗条是如何形成的,现在它们被浩瀚的宇宙空间隔开,相距甚远。

图解:天体聚集模式的一个例子是重子声振动:是否可以在某个确定的距离范围内发现一个星系,取决于暗物质、正常物质以及包括中微子在内的所有类型辐射之间的关系。随着宇宙膨胀,这一距离范围也在逐步扩大,这使得我们也可以测量哈勃常数、暗物质密度和其他随时间变化的宇宙参数。大规模结构必须符合普朗克数据。

有必要注意一下的事情是,所有的一切都与大爆炸和相对论的理论框架相契合。当我们发现,一个星系的测量距离符合它的退行速度,一个耐人寻味且革命性的可能性便出现了。也许星系们并不都是在远离我们,空间结构本身就在膨胀。

如果事实果真如此,宇宙在膨胀的同时还在冷却,那么光的波长会被拉伸,其能量也会跟着时间的推移而降低。我们该会看到残余的光:宇宙的微波背景,这些光拥有的特殊属性可以追溯到最早的时候。我们该看到一个正在进化的宇宙结构网,看到最早的包含一定比例轻元素却绝对没重元素的的气体云。

图解:已知的关于膨胀宇宙的历史,包括被称为大爆炸的热与混沌的状态、宇宙结构的形成。全部的数据包括轻元素的观测和宇宙微波背景,只有大爆炸可以解释我们正真看到的一切。宇宙在膨胀,也在冷却,使得粒子、中性原子最终形成分子、气体云、恒星,最后形成星系。(NASA / CXC / M. WEISS)

所有的这些预测和其他更多关于早期宇宙的预测已经被证实。宇宙正是因此发展到当下的状态,我们大家都知道宇宙始于一个比现在更热、密度更大、更均匀、扩张速度更快的状态:这便是我们所了解到的热大爆炸。

因此,人们很容易得出的结论:大爆炸是宇宙的起源。接下来,你可能会认为,如果我们大家都知道了宇宙的发端,自然的法则,我们就能知道宇宙中发生过的所有事。我们只要利用物理规律去推断即可。但是,当我们尝试使用物理规律去追溯宇宙最初的阶段,并将结果与我们的观测结果进行比对时,发现现实并非我们想象的那样。

图解:如果宇宙的密度稍大一点,它应该早已开始收缩,如果小一点,则膨胀的速度应该更快并且更大。大爆炸本身无法解释,我们不知道为什么宇宙诞生的那个瞬间,最开始的膨胀率可以如此完美地平衡总能量密度,绝对没为空间曲率留下空间。我们的宇宙展现了一个非常完美的空间平场。

宇宙会膨胀,直到它湮没,或者立即塌缩,不会形成恒星或星系,除非它最开始的膨胀率和初始能量密度达到完美的平衡。

宇宙在不同的方向应该有不同的温度——在观测结果中并没有这一现象——除非有什么导致了宇宙在各个角落的温度都相同。

宇宙中应该充满了从未被检测到的高能遗迹,这便是我们武断使用物理规则推断过去地到的结果。

实际上,当我们抬头仰望我们的宇宙,恒星与星系确实存在,宇宙中的每一个地方确实都有相同的温度,而且并没什么高能遗迹。

图解:第一,我们的宇宙确实拥有一些“放眼宇宙皆准”的属性(包括温度),因为这些属性都起源于同一个区域。第二,可以拥有任意曲率的空间已经膨胀到我们无法观测到任何曲率,这解释了为什么空间这么平坦的问题。第三,早就存在的高能遗迹也膨胀了,这解释了高能遗迹的问题。膨胀就是这样解释了这三个大爆炸无法解释的问题。

解释这三个问题的就是宇宙膨胀理论,这一理论用宇宙指数级膨胀时期代替了奇点,并猜想了大爆炸所不能解释的、宇宙的初始情况。另外,宇宙膨胀理论还有另外6个关于宇宙的猜想:

热大爆炸中的最高温度是在普朗克能量尺度之下的。

大爆炸发生以来,有可能发生超视界波动或温度/密度的波动范围大于光等情况。

在自然中,密度波动时100%绝热与0%等温的。

尺度几乎不变的密度波动,在较大尺度中的波动幅度要比在较小尺度中的要大一些。

一个近乎完美的平场宇宙,在量子效应的影响下,会产生千分之一级别甚至更低的曲率。

一个拥有原始引力波背景的宇宙,应该在大爆炸后的宇宙微波背景中留下痕迹。

六个猜想当中的前五个已经被证实或验证,与观测结果相符合,第六个猜想则仍与观测结果偏离。

图解:无论使用宇宙背景探测器(大范围尺度)、威尔金森微波各向异性探测器(中间尺度)还是普朗克(小尺度)测量,宇宙微波背景中的波动都是一致的,不仅仅与尺度不变的量子波动一致,而且量级非常低,不是任意一个热并混沌的状态都能产生这种现象。水平线表示初始波动的光谱(来自爆胀),左右摇摆的曲线则表示重力和辐射/物质是如何相互作用形成早期膨胀的宇宙。宇宙微波背景是支持宇宙膨胀的相当有力的证据。

关于大爆炸的尚无答案的问题与没有解释的谜题为我们发展宇宙膨胀理论铺平了道路,它成功复制了大爆炸,解释了这些谜题,并且对可观测的现象做了新的预测。

所有这一切都是有关科学的胜利的一个引人注目的例子。但它应该会让你想要获得更多。下一个有关我们起源的合乎逻辑的问题是:宇宙膨胀从何而来?

图解:我们已可以较好的理解整个宇宙的历史,但仅仅是在定性的角度。根据观测确认和揭示宇宙过去的一定经历过的各个阶段,比如第一颗恒星、第一个星系是如何形成的,了解宇宙是如何随时间膨胀的,可以让我们真正理解我们的宇宙。热大爆炸之前,宇宙的膨胀状态留下了痕迹,这为我们测试我们宇宙的历史留下了一个独特的方法。

膨胀是一个有起点的临时的状态吗?在过去的某个时间点,它是如何从一个非膨胀的空间时间里开始的?

膨胀是一个循环状态的一小部分吗?在遥远的未来,时间会再次循环回到宇宙最开始膨胀的时候吗?

这些听起来有趣、困难有吸引人的问题,而且还有一些有趣的可能性。毫无疑问,了解宇宙从何而来并不止步于对大爆炸进行描述,还需要知道大爆炸从何而来。如果宇宙起源于爆炸,那么接下来我们想知道的便是宇宙爆炸的起源。

图解:膨胀产生的引力波对宇宙微波背景B模式偏振的贡献是确切的,但它的振幅则取决于具体的膨胀模型。这些引力波的B模式偏振目前尚未被发现:这是六大预测中唯一一项没有明确证据支持的预测。

但我们不知道。我们从宇宙中获取的信息是受限的,但这也是我们了解宇宙的唯一方式。在我们的宇宙中,还没有观测到啥东西能够在一定程度上帮助我们区分这三种可能性。

在我们所有精心建立的模型中(有些已经被淘汰),只有最后的10-33秒左右的膨胀能够真正对我们的宇宙产生影响。指数爆炸式的膨胀抹去了之前的痕迹,膨胀使它们远离了我们的可观测范围,我们无法再进行观测。

图解:从膨胀结束到热爆炸开始,我们大家可以追踪宇宙的历史。暗物质和暗能量使必需的,但它总是随着数据的更新而改变。必须要格外注意的是,宇宙膨胀从开始到最后的10-33秒之间的事情并不在可观测宇宙的范围之中。

我们的可观测宇宙是十分广阔的:

半径为460亿光年,

包含两万亿个星系,

总数约为1024颗的恒星,

1080个原子,

接近1090个光子。

包括暗物质暗物质和暗能量在内,所有的粒子、反粒子、辐射量子甚至是空间本身,加起来大约1054千克。

图解:但这些天文数字仍旧是有限的。而且,它们并不包含宇宙膨胀到最后一秒之前的信息。大多数膨胀模型都没有可证实的、可观测的有关于膨胀开始的信息,因此我们无法知晓宇宙如何开始,甚至是否拥有一个开端。

关于基本(复合)粒子和力的概述目前已经为人所知。其中的一些观点目前仍然只是推测。如果我们的目标是知道宇宙中的每一件事,很不幸我们只有可观测宇宙来观测并收集信息。如果关键信息被因宇宙自身的动态性而被掩盖,这样的真理于我们而言永远是模糊的。

在可观测宇宙中,我们大家可以获得的信息数量是有限的,因此我们能够得到的知识也是有限的。我们大家可以获得的能量、观察到的粒子、能够进行的观测都是有限的。但这不意味着我们已经可以停下探索的脚步。我们大家可以做的,是将知识的疆域开拓得更加广阔。

还有很多知识需要学习,很多东西需要用科学去解释。如果我们继续努力下去,当下许多未知的谜题在未来会得到解答。但可知本身是有限的,因此有些事我们永远无法知晓。也许宇宙本身是无限的,但我们大家可以了解的范围却并非如此。

作者: Ethan Siegel

FY: 阿尔吉侬

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