这样明目昭著地违反直觉,近乎魔术。暴涨的把戏有一个方面特别烦人:初始能量从何而来?显微尺度的小区域怎么会变成今天这种尺度的宇宙,其中的物质和能量足以产生我们今天所见的万物?
更普遍的问题是:膨胀的宇宙怎么会保持能量密度、宇宙常数、伪真空能的恒定?毕竟,在这样一个宇宙中,空间呈指数膨胀。因此,如果能量密度不变,各区域的能量会随着区域的膨胀而增加。能量为什么保持恒定?
这是古斯所谓终极“免费午餐”的一个实例。考虑到包括重力在内的所有影响,宇宙物体可以奇妙地存在正负两种能量。重力这方面产生正能量,像物质和辐射。负能量结构的补充平衡了正能量内容的产生。这样,重力作用可以始于空旷的宇宙,结束于充满物质的宇宙。
这话听起来很可疑,但核心问题在于:我们许多人对平坦宇宙非常着迷。你从高中物理学就可以看出来。
把球扔向天空,通常就会落回地面。更用力扔(假设你不在室内),球就会飞得更高、时间更久。最后,如果你足够使劲,球就再也不会回来。它逃出了地心引力场,向宇宙飞去。
我们怎样弄清球会什么时候逃逸?根据简单的能量会计学计算,地球重力场内的移动物体有两种能量。一种是动能,源于希腊语“运动”。动能永远是正值,取决于物体的运动速度。另一种能量是势能(有关做功的潜力),通常是负值。
在这个问题上,合理的方法似乎是:如果所有物体相互距离无限远,总重力能就接近于零。动能肯定为零。我们将势能定义为零,以便让总重力能为零。
如果某个物体跟所有其他物体的距离不是无穷大,而是接近一个物体,例如地球,就会受到重力吸引而落下去。一面下落,一面加速。如果一路上砸到某些东西,例如你的头,就会产生效果,例如砸裂开来。物体离地球表面越近,击中地球的做功就越少。因此,越接近地球,势能就越小。但如果距离地球无限远,势能为零,那么,越接近地球,势能越小,负值就会越大。
我前面说过:在经典力学中,势能的数值是武断规定的。我可以规定:地球上物体的势能为零,无限远处物体的势能就是一个大数字。将无限远处物体的势能设定为零,有其物理意义,但至少在我们目前讨论的问题上,仅仅是惯例而已。
无论势能的零点设定在哪里,只要物体只受到重力的影响,动能和势能的总数就是恒定值。随着物体下落,势能就会转化为动能。随着物体从地面上弹回,动能就会重新转化为势能。以此类推。
这就给我们提供了一个了不起的计算工具,可以推断多大的速度才能使抛出的物体逃离地球,因为物体最终会达到无限远距离外,总能量必须大于或等于零。然后,我们只需要确定物体抛出时的总重力能,也就是速度。地球表面的引力产生了负势能,正动能和负势能的平衡点就是神奇的逃逸速度。球的动能和势能同样完全取决于质量。因此,在两种能量相互抵消的地方,就能发现所有物体离开地球的“逃逸速度”。如果物体总重力能恰好为零,逃逸速度大概是每秒5英里。
你可能会问:所有这些跟通常所谓的宇宙,尤其是宇宙膨胀有什么关系?哎,我刚才描绘过从地面抛出球体的计算过程,膨胀宇宙中的万物同样如此。
以我们所在的位置(银河系)为中心,划出一个球体。其大小足以包括许多星系,但不超过我们今天最大的观测距离:
无中生有的宇宙——第二节
书名: 无中生有的宇宙
作者: [美] 劳伦斯·M·克劳斯
出版社: 江苏人民出版社
原作名: A Universe from Nothing
副标题: 万物起源于空,空又从何而来?
译者: 刘仲敬
出版年: 2012-9
页数: 138
定价: 28.00元
装帧: 平装
ISBN: 9787214086426