整個宇宙的物理法則都是一樣的嗎?事實可能並非如此

我們現在所知的物理法則是否適用於整個宇宙這要看看整個宇宙如何定義。

如果以我們現在所知的宇宙大爆炸產生的四維時空來說,由於我們現在觀測到的宇宙大尺度下各向同性,可以認為宇宙各處的物理規律都是一樣的,即使超出我們的可觀測宇宙範圍,理論上它依然是相同的。

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然而這是在大尺度下普通環境下的物理法則。當你細分一個局部的區域和一些極端的環境(條件),你會發現它的物理法則實際上是不一樣的。

宇宙的BUG

我舉一個大家都最熟悉的極端環境例子:黑洞。這種眾所周知的奇異天體近年可謂出盡風頭,從前幾年反覆多次報道的雙黑洞合併引力波事件,到去年4月的事件視界望遠鏡首次拍攝到黑洞照片發佈,再到去年年底我國發現的最大恆星級黑洞……可以比較確定地說,如果你沒有聽過黑洞,你應該是不會看到我這篇文章的,因為你一定不是一個關注科學類資訊的人。

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黑洞可以說是宇宙裡最最奇特的天體了,沒有之一。這一個由廣義相對論所預言的奇特天體在很長時間裡並不被大家所接受,其中包括廣義相對論的提出者愛因斯坦本人和廣義相對論的鐵桿支持者愛丁頓(那位在1919年遠赴非洲拍攝日全食驗證廣義相對論的英國科學家)。直到上世紀6、70年代,奇性定理的證明和類星體的發現,才讓黑洞這一奇特天體開始被接受。

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時空的囚籠

黑洞是指由視界面作為表面的天體,視界面是以視界半徑定義的一個臨界面,在視界面上逃逸速度等於光速,也就是說當進入視界面內則光速也無法逃逸。根據相對論,在局域下沒有任何物質粒子的移動速度能超過光速,因此也就沒有任何物質粒子能從視界裡逃逸出來。因此,黑洞就是相當於一個時空的囚籠,沒有任何物質能從裡面出來。

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時間的終點

事實上,黑洞遠比這更奇葩,視界面並非你所想象的那麼簡單,它不只是一個以光速為逃逸速度界定的臨界面,它實際上比你瞭解的更奇特,根據理論計算,時空在視界處發生了逆轉,進入視界後,時空就發生了互換,簡單說就是時間變成了空間,空間則變成了時間。因此,原本沿空間落入黑洞物質會變成沿時間落向奇點。在廣義相對論裡,奇點就是時間的終點,實際上它是一切的終結點,包括時間、空間和物質。

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已知物理法則失效之處

當物質粒子落入視界落向奇點,隨著臨近奇點,時空彎曲將極其嚴重,物質將漸漸無法保持其物理特性,已知的一切物質形式將在奇點處終結,那裡沒有時空,也沒有物質。因此那裡不再有我們已知的一切物理規律,在奇點處,一切已知的物理規律都失效了。

廣義相對論預言了這種情況,然而這也預示著,廣義相對論預言了自身的失效。

這就很尷尬了,一個物理理論預言了自身失效!因此,部分物理學家並不接受這個結論,特別是量子物理學家,因為它與量子力學的基本原理不符。

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爭議

量子力學裡有一個基本原理:不確定性原理。它指出微觀粒子具有不確定性,它的共軛量無法同時準確測定,這些共軛量就像蹺蹺板一樣,你對其中一個量測量得越精確,對另一個量的測量就越不精確。對於微觀粒子,這些共軛量包括:位置和動量、時間和能量等。

在廣義相對論裡,黑洞奇點包含了黑洞幾乎所有的質量,然而它是無窮小的,因此,它理應受量子力學的支配,但當你把不確定性原理應用到黑洞奇點,奇怪的事情就出現了:我們能通過對黑洞的測量,確定其中心奇點的位置,同時我們也能通過對黑洞的測量,確定奇點的動量,奇點的位置和動量可以被同時確定,不確定性原理在微觀下失效了……

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廣義相對論與量子力學的狹縫——期待新理論誕生

目前廣義相對論和量子力學這兩大用於描述自然界四種已知相互作用的基礎理論之間存在不可調和的矛盾,其中的重災區就在上述的黑洞奇點問題上,我們知道這兩個理論不可能都準確無誤,它們至少有一個是需要被修正的,物理學家正期待新理論的誕生,其中的突破口很可能就在奇點問題上,新理論的名字大家都已經想好了,叫量子引力理論。這一理論也許能描述奇點處的物理規律,也許……

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物理法則並非永恆不變

目前,量子力學已經能描述自然界的三種相互作用,它們分別是強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用。但最為人熟知的引力相互作用卻無法被量子力學描述。

現在物理學界普遍認為,宇宙的四種相互作用在宇宙誕生之初,其實是同一種相互作用力,科學家稱之為超力。在宇宙誕生後極短的時間內,宇宙溫度急劇下降四種相互作用力相繼從超力中分離出來。科學家預言,如果能製造相應的溫度,我們現在已知的四種相互作用很可能會重新合併成同一種相互作用。

整個宇宙的物理法則都是一樣的嗎?事實可能並非如此

目前已知的四種相互作用是很不一樣的,比如弱相互作用和電磁相互作用力,兩者就很不一樣,作用的強度和作用的粒子都很不一樣。弱相互作用只發生在原子核內極小的範圍內,而電磁相互作用卻可以傳遞到無窮遠;而我們經常聽到的暗物質很可能就具有弱相互作用,但沒有電磁相互作用。但當在一定的條件下,即當溫度達到10^15K,這兩種力就會合二為一,成為同一種相互作用力——電弱相互作用力。

其實這種情況是很容易發生的,因為它只需要在100GeV能級下就能發生。比如在高能對撞實驗中,還有宇宙射線轟擊高層大氣時,都能達到這樣的能級。也就是,在這種極端環境下,物理規律也發生了微妙的變化。

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你可以直接用今日頭條app上方的搜索框輸入“電弱相互作用”瞭解關於電磁力和弱力統一的相關理論。

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