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1原理簡介

宇宙學原理
cosmological principle
任何客觀存在的具體物質都有自己的結構,都在運動和變化;同樣,「宇宙」這個客觀存在也應該有結構,也要不斷地演化。結構和形態的組成,演化通俗的講就是指生老病死。研究宇宙結構和演化的科學就叫宇宙學

2詳細內容

宇宙學研究的對象是整個可觀測時空範圍的大尺度特徵。目前已探測到的距離尺度是150億光年,時間尺度是100億年,包含一億個星系。根據星系計數、射電源計數和微波背景輻射等實測資料得知,在大於一億光年的宇觀範圍內,物質的空間分佈是均勻的和各向同性的。作為研究宇宙學的前提,宇宙學家建立了一個資用假設(working hypothesis)。這個假設就叫作宇宙學原理,就是說在宇宙學尺度上,任何時刻,三維空間是均勻的和各向同性的。它的含意是:①在宇宙學尺度上,空間任一點和任一點的任一方向,在物理上是不可分辨的,即無論其密度、壓強、曲率、紅移都是完全相同的。但同一點,在不同時刻,其各種物理量卻可以不同,所以宇宙學原理容許存在宇宙演化。②宇宙中各處的觀測者,觀察到的物理量和物理規律是完全相同的,沒有任何一個觀測者是特殊的。地球上觀察到的宇宙演化圖景,在其他天體上也會看到,所以能建立宇宙時概念。既然任何隨時間演變的天體和現象都可以用來標度時間,宇宙圖景也能作為時間標度。在宇宙中,處處有完全相同的宇宙圖景,也有完全相同的宇宙時。
完全宇宙學原理是宇宙學原理的進一步推廣。它的大意是:不僅三維空間是均勻的和各向同性的,整個宇宙在不同時刻也是完全相同的。根據宇宙學原理可以推導出演化態宇宙的羅伯遜-沃爾克度規。運用完全宇宙學原理則能得到穩恆態宇宙度規,利用不同的度規可建立各種宇宙模型。

3宇宙存在原理

《宇宙存在原理》是由物理理論學家趙寧提出的宇宙學原理,它全面圍繞以下三大論點展開論述,這是宇宙存在原理的三條基本內容:
我們人類生存的宇宙之所以這樣存在,而不以別的任何可能的形態存在,必然有它的理由;而我們人類的存在就是去解釋宇宙之所以這樣存在,而不以別的任何可能的形態存在的理由。
宇宙中的一切存在,假如沒有任何觀測者來觀察,那麼它的存在是沒有任何意義的。
宇宙中一切客觀事物的存在與發展,並不是來自於上帝的安排,而是受自然規律所支配的。
據科學家推測,我們所生存的宇宙歷史大約已有一百五十億年了,宇宙一個關於時間,空間,物質和能量所構成的統一體,也可以認為是時空和能量的綜合。
每當我們人類站在地球上,對地球之外的空間觀測時,我們都會深深的感觸到地球之於宇宙是如此之渺小,如滄海之一粟。
我們面對宇宙,無不為宇宙的神奇而浩瀚所震驚,也許我們會發出這樣的疑問:「為什麼我們會在這裡?宇宙中所有的一切又都是從何而來的呢?」
這是一個一直困擾著無數哲學家的哲學問題,我相信每個人讀完這篇文章后,不會再有這樣的疑問了。
我們所生存的地球已有44~46億年的歷史,它是太陽系的九大行星之一,也是太陽系惟一的一顆具有生命的星球。無疑地球相對其它行星來說是幸運的,它孕育著一切生命,為什麼生命體會如此光顧太陽系的地球呢?這不是沒有原因的,我們來分析一下:
首先,地球在太陽系距離太陽位置適中而又穩定,這保證了地球有適宜的溫度,適宜的溫度是生命新陳代謝所必須的,過熱或者過冷的環境都是不利於生命的存活的。
其次,地球上有一個天然的屏障大氣層,它不僅可以抵擋來自宇宙空間的強烈紫外線,使生命免受紫外線的傷害;還可以抵擋來自四面八方隕石的襲擊,使地球免受災難;大氣層還會像一條棉被一樣,使得照射到地球上的太陽光不會散發到太空中去,這樣地球上的溫度才得以保持平穩。如果沒有它,地球將不會有颳風下雨,江湖海泊,地球會同其它星球一樣,是一個荒涼的沒有生機的星球。
最後,地球的周圍所形成的磁場對地球上的生物也有一定的保護作用,地磁場可以阻擋來自宇宙的宇宙射線和太陽所發出的高能帶電粒子,如果沒有它的保護,宇宙射線和高能帶電粒子不會發生偏轉而直射地球,使得地球上寸草不生。
正是由於地球在太陽系中有比其它行星更獨特的環境,簡單的生命體才得以在地球上滋生,最終這些簡單的生命體通過進化發展成人類,地球上也正是由於人類的存在,才會有人去問:「我們為什麼在這裡?宇宙中的一切都是從何而來的呢?」這樣的問題。
假如我們所生存的宇宙不存在像人類這樣的智慧生物來觀測它,那麼宇宙本身的存在是沒有任何意義的。換句話說,就是由於宇宙中有人類這樣的智慧生物觀測,宇宙的存在才有意義,這是下一篇要討論的。
當然,人類在宇宙中並不單單出現在地球上。在整個銀河系中有很多像地球這樣的行星,它們同樣擁有人類可以生存的環境,例如,像太陽這樣發光的恆星,大氣,磁場和人類生存所需要的水。
從另外一個角度概率學出發,我們的銀河系中大約有180億個行星系,甚至更多。據粗略估算,銀河系中一萬個行星系就會有一個像地球這樣的行星,那麼宇宙中就有180萬個類地行星,而如果在這麽多類地行星中,可能出現像人類這樣的智慧生物的概率是萬分之一,那麼銀河系中就有180個星球具有智慧生物的可能,這個數字是一個相對保守的數字,它反映了智慧生物在宇宙中是一定存在的。
古希臘哲學家米特羅德格斯曾說過這樣的話:「認為在無邊的宇宙中只有地球才有人類居住的想法,就像播種穀子的土地上只長出獨苗一樣可笑。」的確,從宇宙的大方向看,人類絕不可能是宇宙中惟一的智慧生物。
人類在宇宙中的出現,是宇宙發展到一定階段的產物。在宇宙的初級階段,也就是宇宙大爆炸開始的時候,那時宇宙比起現在要熾熱的多,稠密的多,還沒有形成恆星和恆星系統,在這一階段,人類是不可能出現的。當宇宙中恆星系統發展穩定並成熟的時候,宇宙中才會有人類的誕生。
我們生存的宇宙中的這一切是從何而來的呢?我們設想,如果宇宙中沒有人類這樣的智慧生物存在,這個問題是沒有回答者的,也是沒有意義的。正是由於人類的存在,才有人類解釋宇宙的種種特性的可能。
由鮑羅和泰伯拉提出的宇宙人擇原理也曾這樣認為:「宇宙中獨特的自然常數決定了人類存在的可能,正是人類的存在才能意識到宇宙的一切存在,並解釋它的種種特性。」
目前,人類觀測的一切證據表明,宇宙中所有的這一切都是由大約150億年前的一次大爆炸后形成的。理論認為150億年前,宇宙是由一個體積無限小而能量和質量密度又無限大奇點,也有人把它形象的稱為宇宙蛋,突然爆炸,經過150億年的發展變化而來的。
宇宙大爆炸理論是在1929年,被美國的一位天文學家哈勃所證實。哈勃通過研究維斯托· 斯里弗所做的觀測,他注意到遠星系的顏色比近星系的要稍紅些,哈勃仔細測量了這些紅化,他發現這些紅化是系統性的。
哈勃的觀測得出了這樣一條結論:「整個宇宙都在不斷地膨脹,星系間彼此分離運動也是膨脹的一部分,而不是由於斥力的作用。」這一結論支持了伽莫夫在1950年前後建立的熱大爆炸宇宙模型。
無論我們從任何方向觀測宇宙,宇宙看起來都是相同的;也無論我們在任何地方觀測宇宙,它看起來仍然是相同的。這是弗里德曼在1922年提出的宇宙模型,他比哈勃驗證宇宙大爆炸模型要早的多。
弗里德曼的宇宙模型觀點是這樣的,膨脹的宇宙像是一個正在吹氣的氣球,而宇宙中的星系是氣球表面上的點,我們就住在氣球上的某一個點上,我們假設這些星系是不會離開離開氣球表面,它們只能沿著表面運動,而不能進入氣球的內部和外部,如果不斷地對這個氣球吹氣,那麼我們會觀測到,氣球表面上的星系會彼此離得越來越遠,無論你站在任何一個點上,也無論你從任何方向觀測宇宙,你都會看到這樣一種事實,所有的星系都在背離我們而去。這就是弗里德曼的宇宙模型,他和哈勃所做的結論是驚人的相似,儘管目前的宇宙膨脹理論還是以哈勃的理論為主,但弗里德曼在哈勃之前所做的這些成就也是不能被人們所忽視的。
宇宙中的這些存在事實,支持了大爆炸理論,大爆炸理論也是人類迄今為止,最能解釋宇宙為什麼這樣存在的理論。
我們的宇宙現在仍在加速膨脹,它沒有停止過,也沒有收縮過。宇宙為什麼沒有停止或是收縮呢,我想大爆炸理論是最有說服力理論,它可以解釋宇宙為什麼以膨脹的模式發展,而沒有採取停止或是收縮的模式。
假若我們人類誕生在宇宙收縮的階段,我們沒有經歷過宇宙的膨脹,那麼我想人類解釋宇宙為什麼是這樣的理論,有可能不是大爆炸理論,人類可能會設想出與大爆炸迥異的另外一套理論模型,來解釋宇宙的這樣存在。
「我們人類生存的宇宙之所以這樣存在,而不以別的任何可能的形態存在,必然有它的理由;而我們人類的存在就是去解釋宇宙之所以這樣存在,而不以別的任何可能的形態存在的理由。」這是我要闡述的第一條原理。
宇宙中的一切存在,假如沒有任何觀測者來觀察,那麼它的存在是沒有任何意義的。
談起量子世界,我想每一個人都會被它的神奇所震撼。現在有一個小球,如果你要它從杯子的裡面跑到外面,在經典的世界里這是很難辦到的一件事情,然而在量子的世界里,杯子中的粒子會因為量子的「隧道效應」,輕而易舉的從杯子的內部跑到杯子的外面。看起來像是變魔術,魔術師輕而易舉的把一枚硬幣從杯子的裡面變到外面,然而這不是魔術,這是科學。
量子世界是如此的奇特,又與我們的日常生活是如此的格格不入,它摧毀了經典世界的因果性,一切事件都變成非決定性的,量子世界完全違背了經典世界的規律,它與經典世界對比起來是如此令人難以接受,其實這些一點都不奇怪,因為我們最開始接觸的是經典的世界以及規律,如果我們剛開始接觸的是量子的世界以及規律,我們相反會感覺到經典的世界以及規律是難以接受的。
目前為止,能夠解釋量子世界一切不可思議的事件,仍以「哥本哈根」的量子力學解釋為主,因為還沒有出現任何先進的理論解釋可以替代它的地位。在這裡,要指明的是「哥本哈根」是一個學派,它是以玻爾為首的,其中還包括海森堡,波恩,泡利,狄拉克等一幫科學家。
「哥本哈根」學派的量子力學解釋,主要圍繞不確定原理與互補原理展開,這是哥本哈根量子力學解釋的兩大支柱。
首先,互補原理是由玻爾提出的,最早來自於玻爾對波粒二象性的看法,他指出波和粒子在同一時刻是互斥的,但它們在更高層次上統一,我想在這裡就不再對互補原理多做任何解釋。
其次,不確定原理,這是海森堡於1927年提出的原理。他在原理中指出:量子世界里,一個電子只能以一定的不確定性處於某個位置,同時也只能以一定的不確定性具有某一速度,我們只能儘可能的把這些不確定性限制在最小的範圍,但它們不能等於零。
量子世界里的這種不確定性,使得我們要想同時得到一個電子的精確位置和動量,變成了一件完全不可能的事情,它限制了我們對微觀事物觀測的極限,而這種限制的極限就是在物理上具有意義的一切。
由於觀測者對觀測事物造成的不可避免的擾動,才會有海森堡的不確定原理。我們知道,經典的世界里一個運動的物體,在某一時刻,一個精確的位置會有一個精確的動量與之對應,然而量子世界卻完全不一樣,一切都變成不確定的,儘管這一切是那麼的不可思議,但海森堡的這一原理是對微觀世界的真實描述。
量子世界里,因為觀測者對測量事物所帶來的不可避免的擾動,我們必須把觀測者也考慮進去,作為科學描述的一部分。比如說雙狹縫實驗,一個電子以奇特的分身術通過兩個狹縫,並且它的波函數自身與自身發生干涉,最後在屏幕上形成干涉條紋,在沒有觀測時,我們談論這個電子通過那個狹縫是不可能的事情,可我們對這個電子的行為進行觀測時,一切都變了,我們知道了這個電子具體通過了哪個縫隙,但在屏幕上卻無法看到干涉條紋,這是由於觀測者對觀測事物不可避免的擾動造成的。按照量子的思想描述,我們在不對一個電子進行觀測時,它以概率的形式在空間中展開,我們不知道它出現的具體位置,只能採取幾率的形式進行描述;而當我們進行觀測時,我們知道了這一電子的具體位置,在這同時影響了波函數,我們會得到另一個結果。像雙狹縫實驗,我們知道了電子具體通過那個縫隙,但卻失去了干涉圖樣。量子的這一特性,反映出觀測者在量子世界里是不可忽視的,我們必須把觀測者也考慮進去,作為認識世界的一部分;也反映了一個純粹的客觀世界是沒有的,主體的世界和客體的世界是一個不可分割的整體。
這是關於量子世界的描述,在經典的世界里也是同樣的道理,任何事物只有結合一個特定的觀測者才有意義,不同的是,在經典的世界里,觀測者在實施觀測時,對事件所造成的擾動是如此微弱,可以忽略不計,因此觀測者的存在的意義看起來並不很顯著,但主體的世界和客體的世界仍然是不可分隔的,客觀的世界,只有把觀測者考慮進去才有意義,否則它的存在是沒有任何意義的。
其實,我要講的主旨思想是,宇宙中的一切存在與主體的世界是不可分隔的,如果宇宙中沒有任何觀測者,那麼它的一切存在是沒有任何意義的。
宇宙中一切客觀事物的存在與發展,並不是來自於上帝的安排,而是受自然規律所支配的。
在西方基督教的教義中,認為我們所生存的世界是由一個萬能的神——上帝,所創造出來的,並且世間的一切都按照他的旨意運行。
據《聖經》記載,世間萬物在初始之前,宇宙是茫茫的一片,無邊無際的混沌的黑暗,只有上帝之靈穿行其間。上帝對這無邊的黑暗十分不滿,就輕輕一揮手,說:「要有光」,於是世間就有了光。上帝稱「光」為「晝」,稱「黑暗」為「夜」。亮光隱去,黑暗重臨,從此,世間就有了晝與夜的交替,這是上帝創世的第一天。
第二天,上帝仍不滿意眼前空洞的景象,就一揮手說:「天上要布滿星辰。」於是,宇宙間又布滿了數不清的大大小小的星球。上帝將日、月星晨擺列在天空中,它們各司其職,掌管著晝夜和時節。
第三天,上帝看到陸地上混沌不分,心中不悅,就說:「水應聚集在一起,使旱地顯露。」於是,水便匯聚起來,旱地顯露出來。上帝稱旱地為「陸」,稱聚水的地方為「海洋」。
第四天,上帝又說:「陸地上要生出草木和各種蔬菜。」於是大地生出了草木,出現了各種瓜果蔬菜,籽實累累,整個大地上一片生機盎然。
第五天,上帝說:「水中要有眾多的魚,天空中要有無數的鳥。」於是,世間出現了各種各樣的魚和飛鳥。魚自由自在地暢遊在水中,鳥自由地翱翔在天空。上帝又說:「地上要有各種動物。」於是,大地上出現了各種野獸和昆蟲,野獸在地上奔跑自如,昆蟲飛舞在花草中。
第六天,上帝看到陽光明媚,大地遼闊,世間一片奼紫嫣紅,獸跳蟲躍,魚游鳥鳴,十分滿意,於是說:「我要照我樣式造人,讓他管理地上的萬物和走獸。」上帝用泥捏成一個泥人,朝泥人吹了一口仙氣,於是,人便在上帝的手裡誕生了。
上帝用五天的時間造出天地萬物,又在第六天按自己的形象造出了人。上帝看到天地萬物井然有序、生生不息,他造的人英俊健壯,很高興,便決定把第七天作為休息的日子。
這是西方的上帝創世學說,在西方基督教始初的教義中,一種公認的世界觀認為:「人類居住的地球,靜靜的屹立在宇宙的中心,上帝推動了恆星天層,日月星辰都圍繞在地球周圍轉動。」
基督教的這一原始教義,被後來波蘭天文學家哥白尼的日心說所打破,並最終演變為今天的大爆炸理論。宇宙大爆炸理論否定了上帝在宇宙中的地位,上帝的存在與否對宇宙的運轉不會有任何影響,也就是說宇宙中不存在可以令他來統治宇宙位置,這個位置也沒有必要存在。
上帝創世的思想,一直影響著無數的哲學家和科學家,這其中也包括偉大的物理學家艾薩克·牛頓,。牛頓在發現了萬有引力理論之後,覺得我們所生存的宇宙是一種機械式的,於是他構想了一個靜態的,機械式的宇宙模型。牛頓的思想是這樣的,他認為宇宙中所有的星系都靜止的鑲嵌在空間中,星體的運轉靠推動的作用來完成,就像一塊機械錶,靠齒輪的相互咬合來維持指針的轉動,我們都明白,機械錶所需要的能量是由一根很細的發條提供,這根發條所轉換出的能量是由人來提供的,牛頓想:「我們的宇宙呢?它的推動力量由誰來提供的呢?」我們的宇宙在運轉起來所需要的能量是相當強大的,牛頓把這股推動宇宙運轉的強大力量稱為第一推動,這個第一推動是由誰提供的呢?牛頓想到了上帝,他把第一推動交給上帝來解決,他認為是上帝提供了能量,推動了宇宙的運轉。
牛頓為上帝在宇宙中留了一個位置,他不情願上帝在宇宙中消失,上帝的出現,在這裡的確幫牛頓解決了問題,這一理論思想看起來很完美,但它是錯誤的,這或多或少是牛頓受宗教思想影響的緣故。
我們的宇宙,有很多的星系組成,這其中行星圍繞著恆星運轉,衛星圍繞著行星運轉以及恆星圍繞著恆星運轉,它們看起來一切都井然有序。宇宙中這一切有規律的井然有序的運轉,不是來自於上帝的安排,而是受客觀規律所支配的。上帝在宇宙的存在與否,不會對宇宙這一切有規律運轉造成任何的影響。
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