如果時間是有限的，它的終點會在哪裡？
2023-04-01 08:54:36 2
我們有沒有想過宇宙誕生時時間是否存在？
在當今先進的科學技術中，當我們集中精力研究宇宙時，基於科學理論，我們可以非常肯定，宇宙不是自古不變的，而是在十多億年的歷史中逐漸發展成現在的形態。通過觀察和研究宇宙的遠近，我們可以推斷出早期的宇宙是什麼樣子，以及它是如何演變成今天的樣子的。
當我們思考宇宙的起源時，我們會問最基本的問題:「這一切從何而來？」半個世紀前，科學家們首次對大爆炸作出了粗略的推斷，這導致了目前的印象，即宇宙起源於138億年前的一個高溫稠密的狀態。但是在探索時間起點的過程中，我們已經知道時間並不是從大爆炸開始的。事實上，時間可能根本沒有起點。
大爆炸後，宇宙幾乎均勻分布，充滿了物質、能量和輻射，並處於快速膨脹狀態。隨著時間的推移，宇宙不僅產生了元素、原子、星系團和星系團，形成了許多恆星和星系，並在後來繼續膨脹和降溫。沒有什麼比得上它，但是宇宙沒有告訴我們它的全部歷史，包括(尤其是)它誕生的早期。(美國宇航局戈達德太空飛行中心)
當我們思考世界上的一切時，我們通常會帶著人類的思維邏輯。如果我們想知道大爆炸的起源，我們將儘可能用專業術語來描述它，然後推斷出是什麼導致了大爆炸並建造了宇宙。我們不斷尋找證據來幫助我們理解大爆炸的起源。畢竟，這也是一切的起源:大爆炸給了一切一個開始。
但是宇宙有起點的假設可能是不正確的。很長一段時間，我們不知道這個假設是否正確。宇宙有它的起源嗎，或者在那之前什麼都不存在？還是宇宙是永恆的？像一條無限延伸到兩端的線？或者，我們的宇宙也有可能不斷循環，就像一個無限循環往復的圓圈。
時間在宇宙中運行的方式主要有三種，即時間存在於過去和未來的宇宙中。如果我們往回推，我們會發現時間只存在於有限的一段時間內，時間是周期性的，會不斷重複，沒有起點和終點。大爆炸似乎給我們提供了一個關於時間的答案，但它後來被取代了，這使時間的起源陷入了不確定性。(伊森·西格爾)
一段時間以來，許多矛盾的理論與我們的觀察結果是一致的。
1.一個膨脹的宇宙可能起源於一個奇點——一個太虛空的現象，所有的一切都是從這個奇點開始的，時間也是從這個奇點出現的。
2.宇宙繼續膨脹，因為它一直在收縮，並將再次收縮，顯示出向後擺動的樣子(宇宙振蕩)
3.最終，膨脹的宇宙可能保持一種永恆的狀態，也就是說，宇宙將在過去、現在和未來繼續膨脹，並且宇宙中將不斷產生新的物質以保持密度不變。
這三個例子代表了三種主流觀點:宇宙起源於起點，宇宙本質上是循環的，或者宇宙是永恆的。然而，在20世紀60年代，科學家發現了一種低能量微波輻射，覆蓋了一整天，改變了以前的預測。
根據彭齊亞斯和威爾遜的初步觀察，銀河平面已經發出了一些天體物理輻射源(輻射中心)，但在銀河平面之上和之下，有一個近乎完美和均勻的輻射背景。經過測量，這種輻射的溫度和光譜與大爆炸的預測驚人地一致。(美國航天局/威爾金森微波各向異性探測器研究小組)
這種輻射在各個方向和任何地方都具有相同的強度。它的溫度僅比絕對零度高几度，這與早期宇宙的熱壓縮狀態一致，並隨著膨脹而逐漸冷卻。
科學技術的發展和高新技術的出現帶來了更準確的數據。我們知道這種輻射有一種特殊的光譜:近乎完美的黑體。黑體是一種能完全吸收外部輻射並釋放特定熱輻射的吸收體。如果宇宙在膨脹和冷卻期間(即在絕熱條件下)不改變其熵，那麼從黑體光譜開始的物體即使在冷卻後仍將是黑體。這種輻射與大爆炸留下的光波一致，但與老化的光線和反射的星光不一致。
我們推測在大爆炸中有殘餘的輻射波從四面八方散射到整個宇宙。輻射溫度略高於絕對零度，其大小在任何地方都是相同的，符合完美的黑體光譜。這些預測得到了令人驚訝的證實，排除了其他替代理論，如穩態理論的可行性。(美國航天局/戈達德航天飛行中心/空間背景探測器(主)；普林斯頓集團，1966年(插入)
根據大爆炸理論，宇宙曾經更熱、更密、更均勻、更小。我們今天看到的宇宙的一些特徵是，它已經膨脹、冷卻並經歷重力的影響很長時間了。因為輻射的波長也隨著宇宙的膨脹而拉長，所以在一個更小的宇宙中，輻射的波長越短，意味著能量越多，溫度越高。
幾十億年前，宇宙的溫度如此之高，以至於即使是中性原子也不可能在沒有爆炸的情況下形成。甚至在此之前，微波輻射能量一直保持到今天，已經足夠以至於它可以支配宇宙中所有具有豐富能量的物質。更早些時候，原子核迅速爆炸並分裂。時間在流逝，即使穩定的質子和中子也無法產生。
膨脹宇宙的可探測歷史還包括大爆炸期間的熱緻密狀態以及隨後框架的形成和增長。一套完整的數據，包括對光元素和宇宙微波背景的觀察，表明大爆炸是我們看到的一切的起點。隨著宇宙膨脹，其溫度逐漸降低，產生離子、中性原子，甚至分子、氣體雲、恆星，最終產生星系。(美國航天局/ CXC /魏斯先生)
如果我們繼續推測，直到我們到達一個反覆無常的高溫、最小距離和高密度的狀態，你可以直覺地知道這幾乎是真實宇宙的開始。如果你儘可能把時間往後推，我們今天看到的構成宇宙的所有空空間都會被壓縮成一個奇點。
現在，如果你在這些極端條件下，把今天宇宙中的所有物質和能量壓縮到一個足夠小的空，物理定律就會被打破。你可以試著計算它的各種屬性，但你只能得到一些荒謬的答案。我們是這樣描述奇點的:時間和空沒有意義的「點」。如果你從數學計算開始，你會發現奇點一定存在，不管什麼樣的物質支配著宇宙的能量。
縱軸上宇宙的尺度是橫軸上時間的函數。無論宇宙是由空之間的物質(紅色)、輻射(藍色)還是固有能量(黃色)組成，隨著時間的推移，宇宙的大小將逐漸減小到零。(伊森·西格爾)
我們推測主宰宇宙的萬有引力——愛因斯坦的廣義相對論——對奇點沒有影響。相對論是描述時間和空間空的理論。然而，在奇點中，在空和時間維度之間的維度不再存在。然後問「時間開始前發生了什麼」這個問題就像問「我在哪裡」這個問題一樣沒有意義，因為沒有空這樣的東西。
事實上，包括保羅·戴維斯在內的許多人都提出了這一觀點，聲稱大爆炸是起點。當然，如果你堅持認為大爆炸是時間的起點，這是毫無意義的重複。但是有趣的是，我們已經知道大爆炸不是時間的起點。既然我們已經對宇宙進行了現代而詳細的測量，我們就知道這個關於奇點的猜想一定是錯誤的。
宇宙微波背景是大爆炸的餘輝，但它並不均勻。有一些小缺陷，溫度在幾百μK(開爾文)之間波動。這在重力增加後起了很大作用，只有不到0.01%的早期宇宙和今天的大宇宙是不均勻的。普朗克已經探測並計算了一個更精確的波動範圍，甚至揭示了宇宙中微子對它的影響。這些波動的性質有力地證明了宇宙在可觀測範圍內的膨脹。(歐洲航天局和普朗克合作公司)
特別是，我們已經觀察到早期熱壓縮狀態存在的殘餘輻射，其中波動的模式和幅度為我們提供了大量有關宇宙重要性質的信息。由此我們知道暗物質和正常物質(質子、中子和電子)中存在多少物質。這些數據幫助我們測量宇宙在空之間的曲率，暗物質的存在和中微子的作用。
但是這些數據也告訴我們一些非常重要但經常被忽略的事情:宇宙早期是否有最高溫度。根據WMAP(威爾金森微波各向異性探測器)和普朗克的數據，宇宙中的溫度不高於1029開爾文。這個數字很大，但是將它等同於奇點所需的溫度要小1000多倍。
理論上，我們已經知道了很多關於宇宙的整個歷史，但這只是一個定性分析。通過觀察，我們已經確定了宇宙中的各種狀態，例如第一批恆星和星系的形成時間，以及宇宙是如何隨著時間的推移而膨脹的，這樣我們就逐漸地、真正地了解了我們的宇宙。宇宙中留下的一些痕跡來自大爆炸前的膨脹狀態，這為我們研究宇宙的歷史提供了一種獨特的方式。(NICOLE RAGER FULLER/國家科學基金會)
早期宇宙的獨特性質留下的痕跡為我們研究物理反應過程打開了一扇窗。它們不僅告訴我們奇點不能直接從大爆炸中推導出來，而且還表明了大爆炸之前宇宙的存在:宇宙飆升的時期。
在飛速發展的過程中，宇宙中存在著巨大的能量，這導致了宇宙的快速膨脹，其膨脹速度呈指數級增長。這一時期的飛升發生在大爆炸之前，為宇宙的最初發展提供了條件，並留下了一系列獨特的特徵供人們探索。在探索之前，理論已經預言了這些特徵的存在。從各種數據來看，這一時期的繁榮非常成功。
繁榮時期產生的量子波動遍及整個宇宙，當繁榮停止時，它們變成密度波動。然而，這已經跨越了很長一段時間，導致了今天宇宙的大規模結構和宇宙微波背景中的溫度波動。這些預測有力地證明了微調機制和新的主要理論的有效性，即這個繁榮時期是大爆炸的起源。(西格爾，圖片來源於歐空局/普朗克和美國能源部/美國航天局/國家科學基金會宇宙航行局研究機構間工作隊)
但這背離了我們對宇宙起源的看法。我已經展示了一張宇宙隨時間變化的地圖。這張圖表顯示了如果宇宙在早期被物質(紅色)、輻射(藍色)或自身(例如繁榮期、黃色)所主宰，它將如何以不同的方式膨脹。但是我沒有給你看這張圖表的全部內容。
你看，我省略了原始圖表中的一些內容，刪除了正時間軸和有限時間軸。換句話說，我在時間線到達零之前將其截斷。如果我們繼續往回推，材料和輻射曲線在特定的時間點t=0時將會變成奇點。這是我們最初提出大爆炸概念的基礎。但是在飛速發展的宇宙中，它的尺度只能接近零，但永遠不會達到零。無論是在t=0的特定時間，還是在任何早期，無論它被推回多長時間。
藍線和紅線代表傳統的大爆炸假設，在這種情況下，t=0是一切的起點，包括空本身之間的空間。然而，在宇宙飛速膨脹的情況下(黃色)，我們不能推斷奇點——一個奇異的狀態將在空之間進入其中；相反，如果我們無限期地推後時間，我們只會得到宇宙的大小曾經是任意小的答案。哈特-霍金無限條件和博德-古思-維倫金理論對這種狀態的持續時間表示懷疑，但這兩種理論不一定是正確的。(伊森·西格爾)
像其他偉大的科學發現一樣，這一理論引起了科學家們提出了大量有趣的新問題，包括:
1.這段飛速增長的時期是恆定的嗎？我們不知道宇宙是否到處都在以同樣的速度翱翔，或者它是否已經翱翔了很長時間。不管宇宙的飛速發展速度是否一直在快速變化，也不管不同地方的膨脹速度是否不同，它也可能具有我們今天所觀察到的性質。
2.隨著時間的推移，繁榮會永遠持續下去嗎？這種激增顯然有可能成為一種永恆的狀態；我們相信，在某些領域，它不會以大爆炸結束，而是會永遠持續到未來。但是有沒有可能它也永遠存在於過去呢？我們必須考慮到沒有什麼能阻止它擴大的可能性。
3.激增是否與同樣呈指數增長的暗能量有關？儘管兩者在規模和大小上不同，早期的宇宙繁榮期和隨後的暗物質導致了宇宙的指數膨脹。這兩個階段之間有什麼聯繫嗎？未來的膨脹會像某種宇宙周期一樣加強和更新宇宙嗎？
暗能量將使未來以不同的方式進化。保持不變或增加強度(變成一大滴眼淚)可以恢復宇宙的活力，而縮小宇宙將導致大崩潰。在兩種情況之一中，時間可能是循環的，但是如果兩者都不正確，那麼時間要麼是有限的，要麼是無限的(美國航天局/CXC/魏斯)
根據我們目前的觀察，我們無法知道上述所有問題的答案。在我們觀察的宇宙中，只有繁榮期最後30秒左右的信息。在此之前發生的一切——包括任何能告訴我們繁榮是如何開始的或持續了多長時間的東西——我們所能觀察到的都將從繁榮本身的本質中抹去。
理論上，我們的情況也好不到哪裡去。博德-古思-維倫金的理論告訴我們，如果時間被推後足夠長的時間，我們會發現宇宙中所有的點都會融合在一起，而膨脹不能描述一個完整的時間空。然而，這並不一定意味著這種激增不會永遠持續下去。這只能意味著我們目前的物理規則不能在早期準確描述宇宙。
時間在宇宙中如何運作的三種可能性包括時間一直存在於過去和未來。如果我們往回推測，我們會發現時間只存在於有限的一段時間內。或者時間是一個循環，沒有起點和終點。今天，我們無法從宇宙中獲得足夠的信息來從這些可能性中找到正確的答案。(伊森·西格爾)
即使我們可以追溯到宇宙大爆炸開始時的歷史，我們也不知道時間是如何(或是否)開始的。再往後看，直到宇宙大爆炸結束，我們可以知道大爆炸是從哪裡來的以及它是如何開始的，但是我們不能觀察到任何與之前發生的事情相關的信息。宇宙飛速發展的最後一刻是我們知識的終結。
關於時間如何開始，我們提出了三種主流觀點——即時間將永遠存在，而時間曾經只存在一段有限的時間。時間一次又一次地流逝——幾千年後，我們離答案還遠著呢。無論時間是有限的、無限的還是循環的，在我們能觀察到的宇宙中，我們都無法獲得足夠的信息來回答這個問題。除非我們找到一種新的方法來獲取關於這個深刻的判斷性問題的信息，否則答案總是會超出我們已知的極限。
作者:伊森·西格爾
財政年度:邢燕
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