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宇宙学中的悖论

原标题:宇宙学中的悖论

来源:大科技

微信号:hdkj1997

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科学中的悖论,常常会让科学家头疼不已。但是对悖论的分析和解决,也常常会引起科学中的重要突破。例如对于以太是否存在的探讨,最终导致了狭义相对论的提出。所以,把当今科学中一些悖论列出起来,是值得一做的。下面我们就来说说当代宇宙学中存在的悖论。

宇宙膨胀的悖论

宇宙学中最为重要的悖论,则来自宇宙在不断膨胀的事实。宇宙在膨胀的证据,来自于几个不同的观察结果。

首先是远处的星系都在远离我们,因为来自这些星系的光存在着红移,而且星系离我们越远,红移越严重。科学家认为,这种现象是因为离我们越远的星系,离开我们的速度就越快。而且最近的证据还表明,宇宙在加速膨胀。

但是我们要知道,宇宙的膨胀是空间本身的膨胀,也就是说在膨胀的过程中,会有真空产生出来,但究竟是怎么产生的,宇宙学家还不清楚,甚至还没有人在实验室中检测这种现象。

另外,宇宙中任何一个空间里都是有能量的。如果宇宙的空间体积在增加,那么不可避免的结果就是能量也必然增加。所以,不管你喜不喜欢,宇宙膨胀就意味着宇宙中总体的能量是不守恒的,这与能量守恒定律是相悖的。其实,宇宙学家都知道这个悖论,但他们也只能摇摇头,不知道如何解决。

真空能密度的悖论

另一个悖论来自于真空能问题。量子力学认为,真空具有着能量,也称为零点能。物理学家花费很多精力,来计算其能量密度,其结果是个巨大的数值,处在1094g/cm3的数量级。根据质能关系公式,这么大的能量密度,会对宇宙产生很明显的引力效应。

然而,宇宙学家根据观测到的引力效应(这也被称为宇宙学常数),经过计算的得出的结果是,真空能密度却只有10-29g/cm3。那么问题就来了,这两个数值差距也太大了,竟然差了123个数量级。这么大的差距是怎样产生的?这个悖论困扰着所有的宇宙学家。

宇宙均匀假设的悖论

最后一个悖论更值得探讨。它来自于爱因斯坦广义相对论的基本假设——如果你在大尺度下观察宇宙,在各个方向上看应该是一样的。而在小尺度下,宇宙是均匀的假设并不成立。例如,我们的银河系属于本星系群的一部分,而本星系群又属于更大的超星系群的一部分。宇宙在小尺度上更像是分形结构。

在宇宙中,哈勃定律适用的尺度是从1Mpc(Mpc为百万秒差距,1秒差距约等于3.26光年)开始的。哈勃定律认为,来自遥远星系光线的红移与它们的距离成线型正比,这是因为宇宙是均匀的,它在均匀地膨胀。当代宇宙学就是建立在哈勃定律上发展起来的,而哈勃定律又是建立在均匀假设的基础上的。所以如果认为宇宙在1Mpc以上的范围内是均匀的,那么一切就不成问题。

但是观测的结果却带来了悖论。天文学家发现,即使在超过100Mpc(大约3.26亿光年)的范围内,仍然存在着不均匀的分形星系结构。这样说来,即使宇宙是不均匀的,哈勃定律还是成立的。这说明哈勃定律产生的原因并不是宇宙是均匀的结果。那么哈勃定律存在的原因究竟是什么呢?所以,我们需要重新考虑哈勃定律出现的原因。

宇宙学家对于宇宙不断地了解,尤其是宇宙大爆炸模型的提出,说明我们人类对于宇宙的了解取得了不错的成功。然而上面这些悖论,说明这种成功不过是一种错觉。我们需要认真考虑这些悖论,这样的话,新的宇宙学革命可能就会出现。

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