在構(gòu)建宇宙之時，上帝有多大的選擇余地百新？——愛因斯坦

認識宇宙，了解宇宙庐扫，是為了讓我們能夠?qū)χ溆钪娣雇ξ覀兊拇嬖谄饹Q定作用的那些定律有所了解仗哨。

公元前340年，亞里士多德在《天論》中證明了地球是一個圓球（月食铅辞、不同緯度北極星的位置厌漂、地平線上船帆先于船）。

公元2世紀斟珊，托勒密形成一個完整的宇宙模型（地心說）苇倡，分別承載了月球、太陽囤踩、恒星及當時所知的水星旨椒、金星、火星堵漱、木星综慎、土星。后來勤庐，行星位置和運動的測量越來越精確示惊，發(fā)現(xiàn)觀測到的行星實際位置同這個模型的計算結(jié)果有偏差。

1514年愉镰，哥白尼提出了日心說米罚。

1609年，伽利略用望遠鏡觀測天空岛杀，發(fā)現(xiàn)木星周圍有幾顆小衛(wèi)星，這說明所有天體并非如亞里士多德和托勒密所認為的那樣都必然直接繞著地球運動崭孤。開普勒修正了哥白尼理論类嗤，提出形象運動的軌道為橢圓。

1687年辨宠，牛頓在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》提出了萬有引力定律遗锣。根據(jù)他的定律，由于引力的作用使月球沿著橢圓軌道繞地球運動嗤形，也使得地球和其他行星遵循著橢圓形路徑繞太陽運動精偿。

1929年，哈勃的觀測表面赋兵，曾經(jīng)存在一個稱之為大爆炸的時刻笔咽，那時宇宙為無限小，因而其密度必定無窮大霹期。

20世紀叶组，恒星光譜的紅移表面宇宙正在膨脹，這是20世紀一項偉大的理性革命历造。

宇宙的起源

經(jīng)典廣義相對論的奇點定理表明甩十，宇宙必然有一個開端船庇，而且這個開端只能用量子理論來描述。只有當我們依據(jù)虛時來表述宇宙時侣监，才不會出現(xiàn)任何奇點鸭轮。

1、宇宙熱大爆炸模型

宇宙大爆炸瞬間橄霉，宇宙的尺度為零窃爷，溫度必然無窮大。大爆炸以后酪劫，宇宙可由弗里德曼模型表述吞鸭。在這類模型中，隨著宇宙的膨脹覆糟，宇宙中物質(zhì)和輻射的溫度不斷下降（大爆炸后的1秒鐘刻剥，溫度降低約100億度），在這一時刻滩字，宇宙的主要成分是光子造虏、電子、中微子以及它們的反粒子麦箍。在溫度進一步下降過程中漓藕，大部分電子與反電子彼此湮滅，產(chǎn)生出更多的光子挟裂。大約在大爆炸后的100秒享钞，溫度下降到10億度，質(zhì)子和中子所具有的能量已不足以擺脫強核力的吸引作用诀蓉，它們開始結(jié)合生成氘原子核栗竖、氦核、少量的鋰和鈹渠啤。在大爆炸后僅僅過了幾個小時狐肢，氦和其他元素的產(chǎn)生過程即告停止。而且沥曹，在這之后的約100萬年時間內(nèi)份名，宇宙只是表現(xiàn)為繼續(xù)膨脹，沒有其他太多現(xiàn)象妓美。最終僵腺，一旦溫度跌至幾千度，電子和原子核就不在具有足夠的能量來克服它們之間電磁力的吸引作用壶栋。這時想邦，它們就會開始結(jié)合在一起，并生成原子委刘。

2丧没、星球的形成與湮滅

宇宙持續(xù)膨脹鹰椒，在密度略高于平均密度的區(qū)域內(nèi)，額外的引力作用會使膨脹減慢呕童，最終使某些區(qū)域不再繼續(xù)膨脹漆际，并再次出現(xiàn)坍縮。在坍縮過程中夺饲，由于區(qū)域外物質(zhì)的引力作用奸汇，這些區(qū)域開始出現(xiàn)少量的自轉(zhuǎn)，當時間足夠久且速度之快足以與引力作用取得平衡往声，就會形成自轉(zhuǎn)盤狀星系擂找。

隨著時間推移，星系中的氣體碎裂成一些較小的云塊浩销，它們在自身作用下發(fā)生坍縮贯涎。坍縮過程中溫度增高，等到足夠高時慢洋，核反應(yīng)開始塘雳。氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹ぃ尫诺臒崃渴箟毫υ龃笃粘铮Ｖ沽嗽茐K的坍縮败明。這種狀態(tài)的云塊就是像我們太陽那樣的恒星。在這期間太防， 核反應(yīng)的能量繼續(xù)以熱和光的形式向外輻射妻顶。

某些質(zhì)量很大的恒星，由于引力作用更強蜒车，需要有更高的溫度與之平衡讳嘱。核聚變反應(yīng)會變得非常之快。當氫燃料燃燒殆盡醇王，略有收縮呢燥，溫度略有升高崭添，氦轉(zhuǎn)變成了更重的元素寓娩，如碳和氧。恒星的中心區(qū)坍縮成某種致密的狀態(tài)呼渣，成為了中子星或黑洞棘伴。

有一些恒星會在一次劇烈的爆炸中將它的外層向外拋出，其中的較重元素被重新拋回星系內(nèi)的氣體中屁置，為下一代恒星的形成提供了部分原料焊夸。我們的太陽就是一顆二代恒星，它是在大約50億年前由一塊自轉(zhuǎn)氣體形成蓝角，氣體中含有更早期超新星的碎屑阱穗。云塊中的大部分經(jīng)演化形成了太陽饭冬，少量較重的元素聚集在一起，并形成了繞太陽做軌道運動的天體——行星揪阶，地球即是其中之一昌抠。

3、宇宙沒有邊界

“宇宙的邊界條件就是沒有邊界”鲁僚。在以實時空為基礎(chǔ)的經(jīng)典引力理論中炊苫，宇宙的行為只有兩種可取的方式”常或者它永遠存在侨艾，無始無終；或者在過去某個限定的時間拓挥，宇宙從奇點開始有自己的開端唠梨。事實上，從奇點定理可知撞叽，宇宙必然取第二種可能性姻成。另外，在量子引力理論中還會出現(xiàn)第三種可能性愿棋，因為這時用的是歐幾里得時空科展，時間方向與空間的各個方向完全處于同等地位，故時空在范圍上可能是有限的糠雨，但不存在構(gòu)成邊界或邊際的任何奇點才睹。時空應(yīng)當像地球的表面，沒有邊界甘邀，只是多了兩維琅攘。在虛時中的宇宙可以是有限的，但它沒有邊界松邪。這也推論出：時空可以形成一種無邊界閉合曲面坞琴。

4、黑洞不黑

將廣義相對論與測不準原理結(jié)合起來逗抑，可導(dǎo)出結(jié)論：黑洞并非黑不可知剧辐。

黑洞的邊界（事件邊界）由恰好無法擺脫黑洞的光線構(gòu)成，這些光線路徑彼此沿著平行方向運動邮府，互相遠離荧关。而這個邊界的面積具有用不變小的性質(zhì)。根據(jù)熱力學(xué)第二原理褂傀，一旦有含有熵的物質(zhì)落入黑洞忍啤，黑洞的熵會增大，事件視界的面積就會增大仙辟。如果黑洞有熵同波，那么就說明有溫度鳄梅，而一個非零溫度的物體必定會以某種確定的速率發(fā)出輻射。所以未檩，黑洞應(yīng)當會發(fā)出輻射卫枝。根據(jù)量子力學(xué)的測不準原理，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)讹挎，無論是自轉(zhuǎn)黑洞還是無自轉(zhuǎn)黑洞校赤，都會產(chǎn)生并發(fā)射粒子。當具有負能量的虛粒子落入黑洞筒溃，部分變?yōu)閷嵙Ｗ勇砝海鳛橐粋€正粒子而逃逸。這在觀測者來說怜奖，這個粒子便表現(xiàn)為是黑洞發(fā)射出來的浑测。黑洞越小，負能量粒子在變?yōu)閷嵙Ｗ铀仨氃竭^的距離就越短歪玲，隨之而來的發(fā)射率就越大迁央，黑洞的表現(xiàn)溫度越高。

因此滥崩，由于負粒子落入黑洞岖圈，黑洞的質(zhì)量變小。隨著黑洞質(zhì)量的損失钙皮，黑洞事件視界的面積就逐漸減小蜂科，但是黑洞熵的這種減小會因所發(fā)出輻射的熵得到補償，而且是超額的補償短条，可見黑洞符合熱力學(xué)第二定律导匣。

形成黑洞：如果有一個粒子，它的能量超過所謂普朗克能量茸时，那么它的質(zhì)量會高度密集贡定，結(jié)果是切斷它與宇宙其余部分的聯(lián)系，形成一個微小的黑洞可都。然而缓待，目前我們在實驗室所能產(chǎn)生的能量遠遠無法達到，所以汹粤，為了跨越這個鴻溝命斧，應(yīng)當需要一臺比太陽系還要大的粒子加速器田晚。

5嘱兼、宇宙是完全自足的

零的2倍也是零。宇宙中的物質(zhì)是由正能量生成的贤徒，然而芹壕，由于引力的存在汇四，所有物質(zhì)都會彼此互相吸引。對兩塊相互靠得很近的物質(zhì)來說踢涌，它們所具有的能量要比同樣兩塊物質(zhì)相距很遠時的能量來得小通孽。這是因為把它們分開來一定要消耗能量。因此睁壁，你必須抗拒引力的作用背苦，使它們不致被吸引在一起。因此潘明，從某種意義上說行剂，引力場具有負能量。就整個宇宙而言钳降，可以證明這種負引力能恰好與物質(zhì)的正能量相抵消厚宰。所以，宇宙的總能量為零遂填。

隨著宇宙的膨脹與冷卻铲觉，力與力之間的對稱性最終會出現(xiàn)破缺。那時吓坚，未破缺的對稱性狀態(tài)的多余能量會被釋放出來撵幽，并再度使宇宙升溫。之后礁击，宇宙會繼續(xù)膨脹并冷卻并齐。

問題：

1、為什么宇宙最初的膨脹速率如此接近坍縮值客税，從而恰好保證不會再度坍縮况褪？

暴脹理論：宇宙在誕生之初，會在一段時間內(nèi)呈現(xiàn)極高的指數(shù)式膨脹更耻，這種膨脹稱為“暴脹”测垛。在那樣高的溫度下，強核力秧均、弱核力和電磁力全部統(tǒng)一成單一的一種力食侮。宇宙處于過冷態(tài)，力與力之間的對稱性沒有發(fā)生破缺目胡，宇宙中任何不規(guī)則性因為膨脹而被抹平锯七。因此，宇宙從多種不同的非均勻初始狀態(tài)演化而來誉己，膨脹的速率不斷逼近到剛好能使宇宙避免再度坍縮縮需要的臨界值眉尸。

2、局部性的密度漲落的原因是什么？

測不準原理所隱含的一個推論是：早期宇宙不可能完全均勻噪猾。相反霉祸，粒子在位置和速度上必定存在某些不確定性，或者說漲落袱蜡。由無邊界條件推知丝蹭，宇宙誕生之初必然恰好具有測不準原理所容許的最小可能的不均勻性。

3坪蚁、為什么物質(zhì)的運動速度無法超過光速奔穿？

在真空中光速在任何情況下都保持不變，狹義相對論的前提之一在于光速不變原理敏晤，并在此基礎(chǔ)上推出了質(zhì)能方程E=mc2巫橄。在物質(zhì)加速過程中，速度越接近光速茵典，加速所學(xué)要的能量越大湘换，而能量越大，物質(zhì)的質(zhì)量會增加到無窮大统阿，這就需要無窮大的能量彩倚，所以，在目前人類的認知里扶平，物質(zhì)不可能加速到光速帆离。

4、為什么時間總是一直向前结澄？

熱力學(xué)第二定律告訴我們哥谷，無序程度，或者說熵麻献，總是隨著時間而增大们妥。換句話說，這也就是墨菲定律的內(nèi)涵——事物總是朝壞的方向發(fā)展勉吻。熵的概念給時間一種方向监婶，區(qū)分了過去與將來。

至少存在三類不同的時間箭頭：第一類齿桃，熱力學(xué)時間箭頭惑惶，沿著這一時間方向，無序程度總是在增加短纵。第二類带污，心理學(xué)時間箭頭，這個方向使我們感覺到時間的流逝香到，沿著這一方向鱼冀，我們記住了時間报破，但對未來一無所知。第三類雷绢，宇宙學(xué)時間箭頭，沿著這一方向理卑，宇宙在膨脹翘紊，而不是收縮。只有當前兩個箭頭與宇宙學(xué)箭頭相一致時才會生成智慧生命藐唠。

無邊界條件隱含了在收縮期間無序程度應(yīng)當繼續(xù)維持增大帆疟。無論是宇宙開始再度收縮，還是在黑洞內(nèi)部宇立，熱力學(xué)和心理學(xué)的時間箭頭都不會反轉(zhuǎn)踪宠。

理論介紹

大統(tǒng)一理論：我們已掌握了若干局部性理論，廣義相對論（有關(guān)引力的局部性理論）妈嘹、支配弱核力柳琢、強核力、電磁力的局部性理論润脸。后三種理論可以合并為大統(tǒng)一理論柬脸。

引力子：在廣義相對論中，引力可以看作起因于一種自旋為2的粒子毙驯，這就是引力子倒堕。

中微子：靜止質(zhì)量為零、與物質(zhì)的作用最弱爆价、且以光速運動的中性基本粒子垦巴。

人擇原理：該原理認為，正是因為有人類存在铭段，才能解釋宇宙的種種特性骤宣；如宇宙不具有現(xiàn)在的形態(tài)，就不會有人類這樣的智慧生命來認識宇宙序愚。

反物質(zhì)：反物質(zhì)是正常物質(zhì)的鏡像涯雅，反物質(zhì)由反粒子構(gòu)成，反粒子由帶正電的點子和帶負電的原子核構(gòu)成展运。物質(zhì)與反物質(zhì)的結(jié)合會導(dǎo)致兩者湮滅活逆，釋放出高能光子貨伽馬射線。

波粒二象性：光既可以看作為波拗胜，也可以看作是粒子蔗候。

紅移：河外星系的恒星光譜顯示它們所缺失的特征顏色組魚銀河系中的恒星情況相同，它們都朝著光譜的紅端移動埂软，這說明星系的光波頻率減小锈遥，星系都在遠離我們纫事。且星系的紅移量與星系的距離成正比。

昌德拉塞卡極限：對于一顆無能源的恒星來說所灸，當它的質(zhì)量大于1.5倍的太陽質(zhì)量時丽惶，這顆恒星便不可能抵抗其自引力的作用而維持現(xiàn)狀不變。這個質(zhì)量就是昌德拉塞卡極限爬立，如果一顆恒星質(zhì)量小于昌德拉塞卡極限钾唬，最終會停止收縮，成為白矮星侠驯。甚至抡秆，如果繼續(xù)給白矮星增加質(zhì)量，該恒星是否會繼續(xù)坍縮吟策。如果一顆恒星質(zhì)量超過昌德拉塞卡極限儒士，可能會爆炸。

多普勒效應(yīng)：通過測定運動的物體反射回來的無線電波脈沖頻率檩坚，測出該物體的速度着撩。

弦理論：基本客體不再是在空間中只占了一個點的粒子，代之的是以某種有長度卻無其他維度的東西匾委，猶如一條無限細的弦圈睹酌。在每一瞬刻，一個粒子僅占了空間中的一點剩檀，所以它的歷史便可以用時空中的一條線來表示憋沿，稱為“世界線”。另一方面沪猴，在每一瞬刻辐啄，一條弦占了空間里的一條線，因而它在時空中的歷史是一個二維曲面运嗜，稱為“世界面”壶辜。此類世界面是那個的任意一點，可以用兩個數(shù)來描述担租，一個是表征時間砸民，另一個是表征點在弦上的位置。

虛時：時間和空間之間的區(qū)別將不復(fù)存在奋救。以虛時的時空作為事件的時間坐標屬于歐幾里得時空岭参。

歐幾里得時空：以歐幾里得為基礎(chǔ)的四維空間，時空中的兩個圖形被認為是等價的尝艘，通過一系列的平移和旋轉(zhuǎn)可以把一個圖形變換為另一個圖形演侯。

泡利不相容原理：原子中不可能容納運動狀態(tài)完全相同的兩個或兩個以上的電子。

測不準原理：你不可能同時知道一個粒子的位置和它的速度背亥，粒子位置的不確定性秒际，必然大于或等于普朗克常數(shù)悬赏。

熱力學(xué)第二定律：一個孤立系統(tǒng)的熵永遠不會隨時間而減小。

蟲洞：宇宙中可能存在的娄徊、連續(xù)兩個不同時空區(qū)域的狹窄隧道闽颇。

白矮星：恒星演化末期所形成的一種致密星，體積與地球相近寄锐，密度高達每立方英寸數(shù)百噸兵多，質(zhì)量不超過太陽質(zhì)量的1.44倍。

中子星：大質(zhì)量恒星演化末期所形成的一種致密星锐峭，因其主要成分為中子而得名中鼠。其質(zhì)量上限為2-3倍太陽質(zhì)量可婶。中子星的磁場與其周圍物質(zhì)有著復(fù)雜的間接性相互關(guān)系沿癞，它們會不斷發(fā)出脈沖射電波。

黑洞：質(zhì)量足夠大矛渴、密度足夠高的恒星發(fā)生坍縮椎扬，其具有的強引力場使得光也無法逃逸。也就形成了空間中一些黑不可見的空洞具温。

伽馬射線暴：天體伽馬射線輻射在短時間內(nèi)突然極度增強的現(xiàn)象蚕涤，典型持續(xù)時間為數(shù)秒鐘，通常認為起因于超新星爆發(fā)铣猩。也可用于探測原初黑洞揖铜。

相變：物質(zhì)系統(tǒng)中物理、化學(xué)性質(zhì)完全相同达皿，且與其他部分有明顯分界面的均勻部分稱為相天吓，不同相之間發(fā)生的轉(zhuǎn)變稱為相變。

相位：對于每一個粒子遵循的每一個歷史峦椰，都有兩個數(shù)與之相對應(yīng)龄寞，一個是波的幅度，另一個則代表它在循環(huán)中的位置汤功，即相位物邑。

■《大設(shè)計》主要知識整理版? 2017.10.10