宇宙从何而来?这是我们宇宙的终极奥秘。
终极的奥秘激发新想法和新实验。
没有人知道第一个空间、时间和物质是如何产生的。科学家们正在努力解决更深层次的问题。自然法则从何而来?宇宙如何“知道”演化运行?为什么自然法则产生了一个生命如此热情的宇宙?要回答这些问题存在难度,有的问题可能永远也不能给出答案,科学家们仍以大胆的新想法来尝试解决这些问题,并尝试进行新实验以检验这些想法。
要了解宇宙是如何开始的,就需要发展一个关于空间、时间和物质如何相互联系的更好的理论。在物理学中,理论不是猜测或假设。它是一个数学模型,可以让我们对世界的行为做出预测。例如,爱因斯坦的引力理论准确地描述了物质在我们周围的宏观世界中对引力的反应。我们关于微小亚原子领域的最佳理论(称为量子理论),对物质在微小距离尺度上的行为做出了非常准确的预测。但是,这两种理论还不完整,无法对宇宙的最早时刻做出准确的预测。
物理学中一些最有才华的人正在研究一种称为“弦论”的时空和物质的新理论,它可以帮助我们更好地了解宇宙的起源。弦理论基于尚未被检验的新思想。该理论假设,例如,自然界中的基本粒子不是点状粒子,而是呈线状。该理论要求并且预言空间不只是我们移动的三个维度。根据该理论说法,构成我们世界的粒子和力被限制在我们看到的三个维度中,但引力除外,引力可以“泄漏”到额外的维度中。
弦理论导致了宇宙起源的一些奇怪的新场景。在这情况下,当我们自己的宇宙与由这些额外维度构成的"平行宇宙"碰撞时,大爆炸就会触发。诸如此类的场景具有很强的推测性,因为弦理论仍在发展中,并且未经验证检验,但是它们刺激了天文学家寻找新的证据形式。
宇宙的新窗口:引力波。
关于我们宇宙起源的最有希望的线索,可能是在大爆炸本身期间产生的微小引力波。在9月14,加州理工学院(Caltech)和麻省理工学院(MIT)的合作实验室的激光干涉引力波天文台(LIGO),物理感应到时空的波纹,该波纹由两个相距13亿光年的碰撞黑洞产生的引力波引起。激光干涉引力波天文台(LIGO)发现引力波成为人类最伟大的科学成就之一,载入史册。
引力波之所以重要,是因为它们是从大爆炸本身那一刻起,就可以不失真地到达我们的唯一已知信息形式。早期宇宙的不同场景对这些引力波的大小和模式做出了不同的预测。希望引力波将有助于反驳或支持早期宇宙的某些理论。事实是,我们已经探测到了来自宇宙深空的引力波,这一领域成为我们探索宇宙的新窗口。
我们的宇宙独特吗?
弦论以及膨胀宇宙模型的最令人不安且影响深远的预测,也许是我们生活的宇宙可能并非唯一。膨胀模型预测大爆炸将在空间的其他区域不断发生,而弦论表明,这些其他迷你小宇宙可能与我们所处的宇宙不同,以至于自然法则和空间维数也可能不同。
这种观念——整个宇宙可能看起来不像我们现在所生存的宇宙——可能有助于解释关于我们宇宙的一个令人费解的谜团:为什么自然常量和规律是如此一致,而不是不同?例如,为什么光速是我们宇宙中最快的速度?为什么电子比质子轻得多?我们所知道的是,如果这些基本定律和常量甚至与所观察到的略有不同,那么我们所知道的生命将不复存在。(例如,原子会不太稳定,或者恒星和行星不会形成)。
传统上,物理学家们一直在寻求一些合乎逻辑的解释,解释宇宙为什么如此。但是,多重宇宙的可能性增加了自然只是玩骰子的可能性:一些宇宙有适合生命的条件,而另一些宇宙——绝大多数——则不一样。
大自然充满了惊喜,与自然的对话还有很长的路要走。随着一代又一代人的到来,我们观察到的宇宙似乎越来越大,越来越精彩。就在几百年前,我们在夜空中看到的星星似乎是我们宇宙的极限。然后伽利略的望远镜打开了构成银河系的恒星的全景图。
仅仅一个世纪以前,人类还没有发现有数十亿个星系远远超出我们的星系。今天,我们可以看到自然界所允许的一切,可以追溯到大爆炸本身的那一刻。我们的思想和创造力正在使一个比我们想象中更大,更多样化的宇宙变幻莫测。难道这不是一次伟大的探索吗?