天文科普:宇宙大爆炸之前有引力存在嗎?
來源:時空通訊
發布時間:2020-07-21
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有人提出了這樣一個(ge) 問題:據說宇宙大爆炸前沒有時間沒有空間,但是否存在引力呢?這個(ge) 問題很有意思,我們(men) 一起來討論一下。

四種基本作用力是相互作用的,萬(wan) 有引力也是如此。如果沒有相互作用當然就沒有引力,從(cong) 這個(ge) 意義(yi) 上來說,宇宙大爆炸前是沒有引力的。但如果說宇宙奇點出現後,大爆炸之前,奇點是有無限時空曲率的,如果把這個(ge) 作為(wei) 引力的話,就可以認為(wei) 大爆炸前存在引力。

量子隨機漲落不平衡出現了奇點。現代量子力學認為(wei) ,宇宙大爆炸前處於(yu) 量子真空狀態,這個(ge) 量子真空中充滿了 海森堡不確定性原理相符的量子漲落,宇宙就是在這種量子漲落的背景中出現,表現為(wei) 一個(ge) 體(ti) 積無限小、密度無限大、溫度無限高、時空曲率無限大的奇點,這個(ge) 奇點發生爆炸,也可以理解為(wei) 急速的膨脹,才出現了宇宙。

何謂時空曲率?就是時空扭曲的量度。愛因斯坦相對論認為(wei) ,引力是時空扭曲導致的現象。既然宇宙大爆炸前有一個(ge) 奇點,而這個(ge) 奇點又有無限曲率,如果從(cong) 這個(ge) 角度來說,宇宙在出現前,引力就表現出來了。

但時空通訊認為(wei) ,這種表現是沒有對象的,也就是說沒有相互作用對象的,因為(wei) 那時候既沒有空間,也沒有時間,更沒有物質,無限的時空曲率隻是局限於(yu) 這個(ge) 奇點的表麵和內(nei) 部。

按照我們(men) 宇宙的定義(yi) 來看,大爆炸以前,可視為(wei) 沒有引力出現。

這樣,我們(men) 可以認為(wei) ,引力是隨著宇宙出現才出現的。大爆炸宇宙模型有一個(ge) 大爆炸時間表,也可以說是時間簡史。宇宙起源於(yu) 138億(yi) 年前奇點的爆發,我們(men) 可以理解為(wei) 一個(ge) 無限小的奇點在某一天突然爆發了,也可以理解為(wei) 某一天這個(ge) 奇點突然膨脹了,迅速膨脹得越來越大,現在我們(men) 還是在這個(ge) 奇點的膜上,因此奇點的無限曲率還存在,人類永遠也無法突破奇點的邊界。

隨著奇點爆發,宇宙出現了,時空物質同時出現了,而四種基本力中也包括在其中。引力是我們(men) 宇宙四種基本力之一,也是最早出現的一種力。從(cong) 這句話,大家就應該知道裏麵包含了這樣幾層含義(yi) :引力是“我們(men) 宇宙”的一種力,也就是說在沒有宇宙之前,不可能存在這種力;引力是最早分離出來的一種基本力,這就說明宇宙出現後,最先出現的是引力。

宇宙大爆炸開始時,四種基本力是混合在一起的,分不出什麽(me) 力,但引力是最早脫穎而出的。最早在什麽(me) 時候發生的呢?就是普朗克時間。

普朗克尺度是人類能夠認識的最小尺度。偉(wei) 大的物理學家,量子力學的開創人馬克斯·普朗克,天才的發現創造了一個(ge) 神奇的自然常數,叫普朗克常數,成為(wei) 現代科學中最重要的一個(ge) 物理常數,描述的是量子的大小。

這個(ge) 常數用“h”表示,用焦耳(J)為(wei) 能量單位表述為(wei) h=6.62607015×10^-34 J·s(焦/秒),或者用電子伏特為(wei) 單位(eV)表示為(wei) h=6.62607015×10^-34/1.602176634×10^-19eV·s=4.1356676969×10^-15 eV·s(電子伏特/秒)。

這是普朗克基於(yu) 發現能量的發射是一份一份進行的,這一份最小的能量就叫量子。根據普朗克常數,得出了普朗克尺度和普朗克時間。普朗克尺度約1.6x10^-35m,普朗克時間為(wei) 10^-43s,普朗克溫度為(wei) 10^32K。就是說,在宇宙大爆炸開始後的1000億(yi) 億(yi) 億(yi) 億(yi) 億(yi) 分之一秒,宇宙尺度隻有1600億(yi) 億(yi) 億(yi) 億(yi) 分之一米這麽(me) 大時,溫度為(wei) 1億(yi) 億(yi) 億(yi) 億(yi) K,引力就從(cong) 四種基本力中分離出來了,而其他的三種基本力還處於(yu) 合在一起的狀態。

其他三種基本力出現的時間。大爆炸發生後的10^-35s,也就是1000億(yi) 億(yi) 億(yi) 億(yi) 分之一秒時,溫度降到1000億(yi) 億(yi) 億(yi) K,強相互作用力分離出來,電磁作用力和弱相互作用力還合在一起;大爆炸後10^-12s時,溫度降到了10^15K,也就是10000億(yi) 分之一秒時,溫度降為(wei) 1000萬(wan) 億(yi) 度,電磁作用力和弱相互作用力分離出來。

至此,世界上四種基本力就全部出來了。

別看這些力分離出來時間是有先後的,是一步一步的,但都在電光火石一瞬都無法形容的瞬間,也就是爆炸從(cong) 0秒到萬(wan) 億(yi) 分之一秒之間,量子世界就發生了這麽(me) 多驚天動地的事件。

在四種作用力的分工合作下,宇宙漸漸成了現在的樣子。

萬(wan) 有引力的根源。早在300多年前,牛頓就發現了萬(wan) 有引力定律,再過了100多年,卡文迪許通過扭秤實驗,得到了萬(wan) 有引力常量G,從(cong) 此萬(wan) 有引力這個(ge) 自然規律成為(wei) 人類認識世界的最重要工具。萬(wan) 有引力定律表述為(wei) :F=GMm/r^2

這裏麵,F表示引力大小值;G為(wei) 引力常量,約為(wei) 6.67x10^-11·N/kg^2;M和m為(wei) 相互作用物體(ti) 質量;r為(wei) 相互作用物體(ti) 質心之間的距離。

從(cong) 這個(ge) 公式,我們(men) 可以看出引力大小是與(yu) 物體(ti) 質量成正比的,與(yu) 物體(ti) 之間距離平方成反比的。因此,質量才是引力的根源。愛因斯坦廣義(yi) 相對論揭示了萬(wan) 有引力的本質,他認為(wei) 不管物體(ti) 質量大小,都會(hui) 對周邊時空造成擾動,也就是會(hui) 導致時空彎曲或陷阱、漩渦,表現出來的就是引力。

這就說明引力本質是物質對時空的擾動。

由此可以認為(wei) ,宇宙奇點的無限曲率是質量的表現,但並非屬於(yu) 我們(men) 的宇宙,也並非現有理論認識範圍;我們(men) 認識的四種基本力,其中包括引力,都是在宇宙出現後出現的。

就是這樣,歡迎討論,感謝閱讀。

時空通訊原創版權,侵聯刪。

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