嗨，habrozhiteli！ 有可能谈论基础科学中的时尚，信仰或幻想吗？
宇宙对人类时尚不感兴趣。 将科学解释为信仰是不可能的，因为科学假设不断受到严格的实验验证，一旦教条开始与客观现实发生冲突就被丢弃。 幻想通常忽略事实和逻辑。 尽管如此，伟大的罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）并不想完全拒绝这些现象，因为科学时尚可以证明是进步的动力，当理论经过实际实验证实后就会出现信仰，而没有幻想的飞行就无法理解我们宇宙的所有奇异之处。
在“时尚”一章中，您将学习弦理论-几十年来最流行的理论。 “信念”致力于量子力学的教条。 “幻想”指的是已知宇宙起源的理论。
3.4。 大爆炸悖论
首先，我们提出观察问题。 有什么直接证据支持这样一个事实，即整个可观察的宇宙处于极度压缩和令人难以置信的高温状态，从而与3.1节中提出的大爆炸图相一致？ 最有说服力的证据是残留辐射（RI），有时也称为大爆炸的反射。 遗迹辐射是光，但波长很长，因此绝对不可能用眼睛看到它。 这种光从各个方面异常均匀地（但大部分是不连贯地）照在我们身上。 它代表温度约为2.725 K的热辐射，即比绝对零高2度以上。 据信，观测到的“耀斑”起源于宇宙大爆炸后大约379,000年的异常热的宇宙（当时约为3000 K）-在最后一次散射时，宇宙首次对电磁辐射透明（尽管在宇宙大爆炸期间根本没有发生）爆炸；此事件发生在宇宙总年龄的前1/40 000-从大爆炸到今天）。 自从最后一次散射时代以来，这些光波的长度增加了大约与宇宙本身扩展的长度一样大（大约1100倍），因此能量密度急剧下降。 因此，观测到的RI温度仅为2.725K。
该辐射基本上是不相干的（即热的）这一事实已被其频谱的本质所证实，如图1所示。 3.13。 在垂直方向上，该图显示了每个特定频率下的辐射强度，并且该频率从左到右增加。 连续曲线对应于温度为2.725 K时在第2.2节中讨论的完全黑体的普朗克光谱。曲线上的点是特定观察值的数据，指示出误差线。 同时，误差线增加了500倍，因为否则将无法考虑误差，即使是在误差最大的右侧也是如此。 理论曲线和观测结果之间的重合简直太妙了-也许这是与自然界中发现的热谱的最佳重合。
但是，这种巧合表明什么呢？ 实际上，我们正在考虑的状态显然非常接近热力学平衡（因此，较早使用了术语“非相干性”）。 但是，从新发现的宇宙非常接近热力学平衡这一事实得出的结论是什么？ 回到图。 3.3节中的3.12。 具有粗粒度分区（根据定义）的最大区域将比任何其他此类区域大得多，并且通常，与其余区域相比，该区域是如此之大，以至于其体积将大大超过所有区域！ 热力学平衡对应于宏观状态，据推测，任何系统迟早都会出现。 有时将其称为宇宙的热死亡，但在这种情况下，很奇怪的是，我们应该谈论宇宙的热诞生。 新生宇宙正在迅速扩张这一事实使情况变得复杂，因此我们正在考虑的状态实际上是不平衡的。 尽管如此，这种情况下的膨胀基本上可以认为是绝热的-此刻，托尔曼在1934年就充分意识到了这一点[托尔曼，1934年]。 这意味着膨胀过程中的熵没有改变。 （类似于这种情况，当由于绝热膨胀而保持热力学平衡时，可以在相空间中描述为一组体积相等的粗粒度区域，它们的大小仅在宇宙的特定体积中彼此不同。我们可以假设最大状态是该主要状态的特征熵-尽管扩展了！）。
显然，我们面临着一个特殊的悖论。 根据第3.3节中提出的论点，第二定律要求（并且原则上对此做出解释）大爆炸应该是具有极低熵的宏观状态。 但是，对RI的观察显然表明，大爆炸的宏观状态以巨大的熵（甚至可能是最大的熵）来区分。 我们在哪里这么严重地误解了？
这是对此悖论的常见解释之一：假设由于新生宇宙非常小，因此可能存在最大熵的某个极限，而当时显然保持的最大热力学平衡状态仅仅是一个极限水平。当时可能存在熵。 但是，这是错误的答案。 这样的图片可能与完全不同的情况相对应，在这种情况下，宇宙的尺寸将取决于某些外部约束，例如在气体的情况下，该气体被封闭在带有紧密活塞的气缸中。 在这种情况下，活塞压力由某些外部机构提供，该外部机构配备有外部能量源（或出口）。 但是这种情况不适用于整个宇宙，其几何形状和能量及其“整体大小”仅由内部结构决定，并由爱因斯坦广义相对论的动力学方程式（包括描述物质状态的方程式；请参阅第3.1和3.2节）控制。 在这样的条件下（当方程在时间方向上是完全确定的且不变的时-请参见第3.3节），相空间的总体积不会随时间变化。 假设相空间P本身不应该“显影”！ 所有的演化都简单地由曲线C在空间P中的位置来描述，在这种情况下代表了宇宙的完整演化（请参见第3.3节）。
如果我们考虑宇宙接近大崩溃时崩溃的后期阶段，问题可能会变得更加清楚。 回想一下K> 0，Λ= 0的Friedman模型，如图2所示。 3.2节3.1节。 现在我们相信，该模型中的扰动是由于物质的不规则分布而引起的，并且在某些部分中已经发生局部坍塌，而这些部分仍然存在黑洞。 然后应该假定，在此之后，一些黑洞将相互融合，并且坍塌成有限的奇点将变成一个极其复杂的过程，几乎与图6所示的完美球形对称弗里德曼模型的严格对称大碰撞无关。 3.6个 相反，从定性的角度来看，倒塌的情况将使人联想起图2中的宏伟杂烩。 3.14 a; 在这种情况下产生的结果奇异性可能与第3.2节末尾提到的BKLM假设有些一致。 尽管宇宙将再次缩小到很小的尺寸，但最终的崩溃状态将具有难以想象的熵。 尽管正是这种（空间封闭的）可塌陷的弗里德曼模型现在不被认为是我们自己的宇宙表示的合理版本，但同样的考虑也适用于具有或不具有宇宙常数的其他弗里德曼模型。 任何此类模型的崩溃变体，由于物质的不均匀分布而遭受类似的扰动，同样会变成所有消耗大的混乱，像黑洞一样奇异（图3.14 b）。 时光倒流回到每种状态，我们得出可能的初始奇异性（潜在的大爆炸），因此具有巨大的熵，这与此处关于熵“上限”的假设相矛盾（图3.14 c）。
在这里，我必须继续探讨有时也要考虑的替代可能性。 一些理论家认为，在这样的崩溃模型中，第二定律必须以某种方式逆转，以便随着大崩溃的临近，宇宙的总熵将变小（在最大扩展之后）。 但是，很难想象在存在黑洞的情况下出现这样的图像，如果形成黑洞，黑洞本身将起到增加熵的作用（由于事件视界附近零锥排列的时间不对称，见图3.9）。 这将在遥远的将来继续下去-至少直到黑洞在霍金机制的影响下蒸发掉为止（请参见第3.7和4.3节）。 无论如何，这种可能性都不会否定这里提出的论点。 如此复杂的崩溃模型还存在另一个重要的问题，读者自己可能已经在思考：黑洞的奇异之处可能根本不会同时出现，因此当时间倒转时，我们将不会得到大爆炸，而这一切都会发生。马上。” 然而，这正是强宇宙审查假说的特性之一（尚未证实，但令人信服）[Penrose，1998a; PKR，第28.8节]，据此，在一般情况下，此类奇点将是类似空间的（第1.7节），因此可以将其视为一次性事件。 而且，无论强宇宙审查假说本身是否有效，已知许多解决方案都满足此条件，并且所有这些选项（扩展时）将具有相对较高的熵值。 这大大降低了对我们研究结果有效性的担忧程度。
因此，我们没有发现证据表明，鉴于宇宙的空间尺寸很小，可能的熵必然会存在一定的“低上限”。 原则上，以黑洞形式存在的物质积累和“黑洞”奇异点合并为单个奇异混沌是一个完全符合第二定律的过程，并且此最终过程应伴随熵的极大增加。 按照几何学标准的“微小”，宇宙的最终状态可能具有无法想象的熵，远高于这种崩溃的宇宙学模型的相对早期阶段，并且空间的缩影本身并没有为熵的最大值建立“天花板”，尽管这种“天花板”（当逆转时间的流逝时）只能解释为什么大爆炸期间熵极小。 实际上，这样的图片（图3.14 a，b）总体上显示了宇宙的崩溃，这为悖论提供了线索：为什么大爆炸与爆炸相比具有极低的熵热（这种状态应该具有最大的熵）。 答案在于以下事实：如果允许严重偏离空间同质性，那么熵会急剧增加，而这种最大的增加与黑洞的出现恰恰引起的不均匀性有关。 因此，相对而言，尽管空间爆炸的内容非常热，但实际上它们在空间上的同质性确实可能具有令人难以置信的低熵。
最令人信服的证据之一是，从空间角度看，大爆炸确实确实是同质的，这与FLRU模型的几何形状非常吻合（但与图3.14 c所示的更普遍的无序奇异情况并不吻合）再次与RI，但这一次具有角度均匀性，而不具有热力学性质。 这种均匀性体现在以下事实中：辐射的温度实际上在天空中的任何地方都是相同的，并且与均匀性的偏差不超过10–5（针对与我们在周围物质中移动相关的微小多普勒效应进行了调整）。 另外，星系和其他物质的分布几乎是普遍统一的。 因此，尽管有明显的异常现象，特别是所谓的空洞，可见物质的密度从根本上低于平均水平，但重子的足够大的分布（请参见第1.3节）的特征是明显的均质性。 通常，可以说，同质性越高，我们所看到的宇宙越远，RI是物质分布的最早证据，我们可以直接观察到。
这幅图与这样的观点是一致的：在发展的早期阶段，宇宙的确是极其均匀的，但密度却略有不规则。 随着时间的流逝（并受到各种“摩擦”的影响-减慢相对运动的过程），这些密度的不规则性在重力的影响下被放大，这与物质逐渐聚集的想法是一致的。 随着时间的流逝，结块增加，因此形成了星星。 它们被分为星系，每个星系的中心都形成一个巨大的黑洞。 最终，这种结块是由于引力的不可避免的影响。 这样的过程确实与熵的强烈增加有关，并且表明，考虑到重力，今天只剩下RI的原始发光球可能远没有最大熵。 如图1所示的普朗克光谱所证明的，该球的热性质。 在3.13中，它仅说明了这一点：如果我们将宇宙（在最后一个散射的时代）简单地看作是一个由物质和能量相互作用的系统，那么我们可以假设它实际上处于热力学平衡状态。 但是，如果考虑重力影响，则图像会发生巨大变化。
例如，如果我们想象一个气密容器中的气体，那么很自然地假设当气体在整个容器中均匀分布时，它将在该宏观状态下达到最大熵（图3.15a）。 在这方面，它将类似于生成RI的炽热球，该RI均匀分布在整个天空中。 但是，如果我们用由引力连接的广泛的物体系统（例如单个恒星）代替气体分子，则会得到完全不同的图（图3.15 b）。 由于重力作用，恒星以团簇的形式分布不均匀。 最终，当众多恒星坍塌或合并成黑洞时，将获得最大的熵。 尽管该过程可能需要花费很多时间（尽管由于星际气体的存在会因摩擦而促进），但我们最终会发现，当重力占主导地位时，熵变大，物质在系统中的分布越不均匀。
即使在日常体验中，也可以追溯到这种效果。 可能会问一个问题：第二定律在维持地球生命方面的作用是什么？ 您经常可以听到，由于太阳吸收了能量，我们生活在这个星球上。 但是，如果我们将地球视为一个整体，这并不是一个完全正确的说法，因为白天几乎所有的能量都很快消失在太空中，消失在夜空中。 （当然，在全球变暖和放射性衰变影响下的行星变暖等因素的影响下，确切的平衡会稍作校正。）否则，地球将变得越来越热，几天之内将变得无人居住！ 但是，直接从太阳接收的光子具有相对较高的频率（它们集中在光谱的黄色部分），地球将与红外光谱有关的低频光子释放到太空。 根据普朗克公式（E =hν，请参阅第2.2节），与太阳分开的每个光子比发射到太空中的光子具有更高的能量，因此，为了达到平衡，离开地球的光子应该比到达的光子多得多（请参见图3.16）。 如果到达的光子更少，则入射能量将具有较少的自由度，而出射能量将具有更多的自由度，因此，根据玻耳兹曼公式（S = k log V），入射光子的熵将比出射光子的熵低得多。 我们使用植物中包含的低熵能来降低自身的熵：我们吃植物或草食动物。 因此，地球上的生命得以保存和发展。 （显然，这些思想最早是由埃文·薛定in先生（ErwinSchrödinger）于1967年提出的，他写了他的革命性著作《照原样生活》 [Schrödinger，2012]。
与低熵平衡有关的最重要事实是：太阳是完全黑暗的天空中的热点。 但是这些条件如何？
许多复杂的过程都起了作用，包括那些与热核反应有关的过程，但最重要的是太阳甚至存在。但这是由于太阳物质（像形成其他恒星的物质）在引力团聚过程中发展而来的，而这一切都始于气体和暗物质的相对均匀分布。这里需要提到一种叫做暗物质的神秘物质，它显然占宇宙物质（非Λ）含量的85％，但仅通过重力相互作用才能检测到，并且其组成未知。今天，我们在估算总质量时只考虑了此问题，这在计算某些数值时是必需的（请参阅第3.6、3.7、3.9节，有关暗物质可以发挥的更重要的理论作用，请参阅第4.3节）。不管暗物质的问题如何，我们都看到物质的初始均质分布的低熵性质对我们的生活有多么重要。据我们了解，我们的存在取决于低熵引力储备，这是物质初始均匀分布的特征。— — . , , , . , , , , : - . () , , -, . , , , , - !
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