哈布罗居民大家好！ 基础科学中是否可以谈论时尚、信仰或幻想？
宇宙对人类的时尚不感兴趣。 科学不能被解释为信仰，因为科学假设不断受到严格的实验检验，一旦教条开始与客观现实发生冲突，就会被抛弃。 而幻想通常会忽视事实和逻辑。 然而，伟大的罗杰·彭罗斯并不想完全拒绝这些现象，因为科学时尚可以成为进步的引擎，当理论被真实的实验证实时信仰就会出现，如果没有幻想，人们就无法理解我们的所有奇怪之处。宇宙。
在“时尚”章节中，您将了解近几十年来最流行的理论——弦理论。 “信仰”致力于量子力学所坚持的原则。 而“幻想”所涉及的正是我们所知的宇宙起源理论。
3.4. 大爆炸悖论
我们首先提出观察的问题。 有什么直接证据表明整个可观测宇宙曾经处于极度压缩和极其炎热的状态，这与第 3.1 节中呈现的大爆炸图一致？ 最令人信服的证据是宇宙微波背景辐射（CMB），有时也称为大爆炸。 CMB辐射是光，但波长很长，所以用肉眼完全看不到它。 这种光从四面八方极其均匀地倾泻到我们身上（但大多是不连贯的）。 它代表温度约为 2,725 K 的热辐射，即比绝对零高两度以上。 观测到的“微光”被认为起源于大爆炸后约 3000 年的极其炎热的宇宙（当时约 379 K）——在最后一次散射的时代，当时宇宙第一次对电磁辐射变得透明（尽管这在大爆炸期间根本没有发生）。爆炸；这个事件发生在宇宙总年龄的前 000/1 年间 - 从大爆炸到今天）。 自上一个散射时代以来，这些光波的长度增加了大约与宇宙本身膨胀一样多（大约40倍），因此能量密度也急剧下降。 因此，观测到的CMB温度仅为000 K。
这种辐射本质上是不相干的（即热辐射），其频谱的本质令人印象深刻地证实了这一点，如图 3.13 所示。 2.2. 每个特定频率的辐射强度垂直绘制在图表上，频率从左到右增加。 连续曲线对应于第 2,725 节中讨论的温度为 500 K 的普朗克黑体光谱。曲线上的点是来自特定观测的数据，并提供了误差线。 同时，误差线增加了 XNUMX 倍，否则根本无法考虑它们，即使在误差达到最大值的右侧也是如此。 理论曲线和观测结果之间的一致性非常显着——也许是与自然界中发现的热谱的最佳一致性。
然而，这样的巧合说明了什么？ 事实上，我们正在考虑一种显然非常接近热力学平衡的状态（这就是之前使用术语“不相干”的原因）。 但是，新创造的宇宙非常接近热力学平衡这一事实可以得出什么结论呢？ 让我们回到图。 3.12 节中的 3.3。 最广泛的粗粒度区域（根据定义）将比任何其他此类区域大得多，并且通常相对于其他区域而言是如此之大，以至于使它们全部相形见绌！ 热力学平衡对应于宏观状态，想必任何系统迟早都会达到这种状态。 有时它被称为宇宙的热死亡，但在这种情况下，奇怪的是，我们应该谈论宇宙的热诞生。 由于新生的宇宙正在迅速膨胀，情况变得更加复杂，因此我们正在考虑的状态实际上是非平衡的。 然而，这种情况下的膨胀基本上可以被认为是绝热的——托尔曼早在 1934 年就充分认识到了这一点 [Tolman, 1934]。 这意味着熵值在膨胀过程中没有变化。 （与此类似的情况，当由于绝热膨胀而保持热力学平衡时，可以在相空间中将其描述为一组具有粗粒度分区的等体积区域，这些区域仅在宇宙的特定体积中彼此不同.我们可以假设这个初级状态的特征是最大熵 - 尽管有扩展！）。
显然，我们面临着一个特殊的悖论。 根据第 3.3 节中提出的论点，第二定律要求（并且原则上由其解释）大爆炸是具有极低熵的宏观状态。 然而，宇宙微波背景观测似乎表明，大爆炸的宏观状态具有巨大的熵，甚至可能是最大的熵。 我们哪里出了如此严重的错误？
对于这个悖论，有一个常见的解释：假设，由于新生的宇宙非常“小”，最大熵可能存在某种限制，并且当时显然维持的热力学平衡状态为只是当时可能的极限熵水平。 然而，这是错误的答案。 这样的图片可能对应于完全不同的情况，其中宇宙的大小将取决于一些外部约束，例如，就像气体包含在带有密封活塞的气缸中的情况一样。 在这种情况下，活塞压力由一些配备有外部能量源（或出口）的外部机构提供。 但这种情况并不适用于整个宇宙，宇宙的几何形状和能量以及“整体尺寸”仅由内部结构决定，并受爱因斯坦广义相对论（包括描述物质状态的方程；参见第 3.1 和 3.2 节）。 在这种条件下（当方程完全确定且相对于时间方向不变时 - 参见第 3.3 节），相空间的总体积不会随时间变化。 假设相空间P本身不应该“演化”！ 所有的演化都可以通过曲线 C 在空间 P 中的位置来简单地描述，在这种情况下代表宇宙的完整演化（见 3.3 节）。
如果我们考虑宇宙崩溃的后期阶段，即接近大崩溃时，也许问题会变得更加清晰。 回想一下 K > 0、Λ = 0 时的弗里德曼模型，如图 3.2 所示。 3.1 节中的 3.6a。 我们现在认为，这个模型中的扰动源于物质的不规则分布，并且在某些部分已经发生了局部塌缩，留下了黑洞。 那么我们应该假设，在此之后，一些黑洞将相互合并，并且坍缩成最终奇点将是一个极其复杂的过程，与理想球对称弗里德曼的严格对称大崩溃几乎没有任何共同之处模型如图所示3.14 a. 相反，从定性的角度来看，崩溃的情况更容易让人想起图 3.2 所示的巨大混乱。 3.14a； 在这种情况下产生的奇点可能在某种程度上与 3.14 节末尾提到的 BCLM 假设一致。 尽管宇宙会缩小到很小的尺寸，但最终的塌缩状态将具有难以想象的熵。 尽管这种特殊的（空间封闭的）塌缩弗里德曼模型目前并不被认为是我们自己的宇宙的合理表示，但同样的考虑也适用于其他弗里德曼模型，无论有或没有宇宙学常数。 任何此类模型的崩溃版本，由于物质分布不均匀而经历类似的扰动，应该再次变成一种吞噬一切的混沌，一个像黑洞一样的奇点（图 XNUMX b）。 通过逆转这些状态中的每一个状态的时间，我们将达到一个可能的初始奇点（潜在的大爆炸），相应地，它具有巨大的熵，这与这里关于熵“上限”的假设相矛盾（图XNUMX c）。
在这里，我必须转向有时也会考虑的替代可能性。 一些理论家认为，第二定律必须在这种崩溃的模型中以某种方式逆转，以便随着大崩溃的临近，宇宙的总熵将逐渐变小（在最大膨胀之后）。 然而，在黑洞存在的情况下，这样的画面尤其难以想象，黑洞一旦形成，本身就会开始增加熵（这与事件视界附近零锥体位置的时间不对称性有关，见图3.9）。 这将持续到遥远的未来——至少直到黑洞在霍金机制的影响下蒸发（见第 3.7 和 4.3 节）。 无论如何，这种可能性并不会使这里提出的论点无效。 还有一个与如此复杂的坍缩模型相关的重要问题，读者自己可能已经想到过：黑洞的奇点很可能根本不会同时出现，所以当我们逆转时间时，我们不会得到大爆炸，这一切都是“立刻”发生的。 然而，这正是强宇宙审查假说（尚未证实，但令人信服）的特性之一[Penrose，1998a； PkR，第 28.8 节]，根据该理论，在一般情况下，这样的奇点将是类空间的（第 1.7 节），因此可以被视为一次性事件。 而且，无论强宇宙审查假说本身的有效性问题如何，已知许多解决方案都满足这个条件，并且所有这些选项（当扩展时）都将具有相对较高的熵值。 这大大减少了对我们研究结果有效性的担忧。
因此，我们没有找到证据表明，鉴于宇宙的空间维度较小，可能的熵必然存在一定的“低上限”。 原则上，物质以黑洞的形式积累，以及“黑洞”奇点合并为单一的奇点混沌，是一个完全符合第二定律的过程，而这个最终过程必然伴随着巨大的增长。在熵中。 宇宙的最终状态，按照几何标准来说是“微小的”，可能具有难以想象的熵，远高于这种崩溃的宇宙学模型的相对早期阶段，并且空间微型本身并没有为最大值设置“天花板”尽管这样的“上限”（当逆转时间流时）可以解释为什么熵在大爆炸期间极低。 事实上，这样一张通常代表宇宙崩溃的图（图 3.14 a、b）提出了一个悖论的解决方案：为什么在大爆炸期间，尽管事实上，爆炸是热的（并且这种状态应该具有最大熵）。 答案是，如果允许空间均匀性存在较大偏差，熵就会急剧增加，而这种最大的增加与正是由于黑洞的出现而导致的不规则性有关。 因此，相对而言，空间均匀的大爆炸确实可以具有令人难以置信的低熵，尽管它的内容非常热。
最令人信服的证据之一再次出现，证明大爆炸确实在空间上非常均匀，与 FLRU 模型的几何形状一致（但与图 3.14c 所示的无序奇点的更一般情况不一致）。来自 RI，但这次是其角度均匀性而不是其热力学性质。 这种均匀性体现在以下事实：天空中任何一点的 RI 温度实际上都是相同的，并且与均匀性的偏差不超过 10-5（根据与我们穿过周围物质的运动相关的小多普勒效应进行调整） ）。 此外，星系和其他物质的分布几乎是普遍均匀的。 因此，重子在相当大尺度上的分布（见第 1.3 节）具有显着的同质性，尽管存在明显的异常，特别是所谓的空洞，其中可见物质的密度远远低于平均值。 一般来说，我们可以说，我们观察的宇宙过去越远，同质性就越高，RI 是我们可以直接观察到的物质分布的最古老的证据。
这张图与这样的观点是一致的，即宇宙在其发展的早期阶段确实是极其均匀的，但密度略有不规则。 随着时间的推移（以及在各种“摩擦”——减缓相对运动的过程的影响下），这些密度不规则性在重力的影响下加剧，这与物质逐渐聚集的想法是一致的。 随着时间的推移，聚集增加，导致恒星的形成。 它们聚集成星系，每个星系的中心都有一个巨大的黑洞。 最终，这种结块是由于重力的不可避免的影响。 这些过程确实与熵的大幅增加有关，并且表明，考虑到重力，那个原始的闪亮球（今天只剩下 RI）可能远离最大熵。 该球的热性质，如图 3.13 所示的普朗克光谱所示。 XNUMX，只说了这一点：如果我们将宇宙（在最后一次散射的时代）简单地视为一个由物质和能量相互作用组成的系统，那么我们可以假设它实际上处于热力学平衡状态。 然而，如果我们也考虑到重力影响，情况就会发生巨大变化。
例如，如果我们想象密封容器中的气体，那么很自然地假设当它均匀分布在整个容器中时，它会在宏观状态下达到最大熵（图3.15a）。 在这方面，它就像一个产生 RI 的热球，均匀分布在天空中。 然而，如果用通过重力相互连接的庞大物体系统（例如单个恒星）代替气体分子，您会得到完全不同的图像（图 3.15 b）。 由于引力的影响，恒星会以星团的形式分布不均匀。 最终，当无数恒星坍缩或合并成黑洞时，就会达到最大的熵。 尽管这个过程可能需要很长时间（尽管由于星际气体的存在，摩擦会促进这一过程），但我们最终会看到，当重力占主导地位时，熵越高，物质在系统中分布越不均匀。 。
这种影响甚至可以在日常经验的层面上追踪到。 有人可能会问：第二定律在维持地球生命方面发挥什么作用？ 您经常可以听到这样的说法：我们之所以能生活在这个星球上，是因为从太阳获得了能量。 但如果我们将地球视为一个整体，这并不是一个完全正确的说法，因为地球在白天接收到的几乎所有能量很快就会再次蒸发到太空中，蒸发到漆黑的夜空中。 （当然，确切的平衡会因全球变暖和放射性衰变导致的地球升温等因素而略有调整。）否则，地球只会变得越来越热，几天之内就变得无法居住！ 然而，直接从太阳接收的光子具有相对较高的频率（它们集中在光谱的黄色部分），而地球向太空发射红外光谱中频率低得多的光子。 根据普朗克公式（E = hν，参见第 2.2 节），每个从太阳到达的光子都具有比发射到太空的光子高得多的能量，因此，为了实现平衡，离开地球的光子必须多于到达的光子（见图3.16）。 如果到达的光子较少，则传入能量的自由度会较小，而传出能量的自由度会较高，因此，根据玻尔兹曼公式 (S = k log V)，传入光子的熵将比传出光子的熵小得多。 我们利用植物中含有的低熵能量来降低我们自己的熵：我们吃植物或食草动物。 这就是地球上生命生存和繁衍的方式。 （显然，这些思想是由埃尔文·薛定谔在 1967 年首次明确阐述的，当时他写了他的革命性著作《生活本来就是这样》[薛定谔，2012]）。
关于这种低熵平衡的最重要的事实是：太阳是完全黑暗的天空中的热点。 但这样的条件是如何产生的呢？ 许多复杂的过程都发挥了作用，包括与热核反应相关的过程等，但最重要的是太阳的存在。 它的出现是因为太阳物质（就像形成其他恒星的物质一样）是通过引力聚集过程发展起来的，而这一切都始于气体和暗物质相对均匀的分布。
这里需要提到一种叫做暗物质的神秘物质，它显然占宇宙物质（非Λ）含量的85%，但它只能通过引力相互作用来探测到，其成分未知。 今天我们只是在估计总质量时考虑到这个问题，这是计算一些数值量时所需要的（参见第 3.6、3.7、3.9 节，暗物质可以发挥什么更重要的理论作用，请参见第 4.3 节）。 不管暗物质问题如何，我们都看到物质原始均匀分布的低熵性质已被证明对我们的生活有多么重要。 正如我们所理解的，我们的存在取决于低熵引力储备，这是物质初始均匀分布的特征。
在这里，我们看到了大爆炸的一个非凡的——事实上，是奇妙的——方面。 谜团不仅在于它是如何发生的，还在于它是一个极低熵的事件。 此外，值得注意的并不是这种情况，而是熵仅在一个特定方面较低的事实，即：由于某种原因，引力自由度被完全抑制。 这与物质和（电磁）辐射的自由度形成鲜明对比，因为它们似乎在具有最大熵的热状态下被最大程度地激发。 在我看来，这可能是最深的宇宙学之谜，但由于某种原因，它仍然被低估！
有必要更详细地讨论大爆炸的状态有多么特殊，以及在引力聚集的过程中会产生什么熵。 因此，你首先需要认识到黑洞实际上固有的令人难以置信的熵（见图 3.15 b）。 我们将在 3.6 节中讨论这个问题。 但现在，让我们转向与以下可能性相关的另一个问题：毕竟，宇宙实际上可能在空间上是无限的（就像具有 K 的 FLRU 模型的情况一样） 0，参见第 3.1 节）或至少宇宙的大部分可能无法直接观察到。 因此，我们处理宇宙视界问题，我们将在下一节中讨论。
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来源： habr.com