网上有关“烧脑科普：大爆炸是如何从虚无中产生的？”话题很是火热，小编也是针对烧脑科普：大爆炸是如何从虚无中产生的？寻找了一些与之相关的一些信息进行分析，如果能碰巧解决你现在面临的问题，希望能够帮助到您。
物理学家布莱恩·考克斯（Brian Cox）在最近的BBC连续剧《宇宙》（Universe）中发出了这样的警告。最后一颗恒星的消失，只是一个无限漫长黑暗时代的开始。所有的物质最终都将被巨大的黑洞吞噬， 而黑洞又会蒸发成最微弱的光芒。
空间会不断向外扩张，直到昏暗的光线也会扩散到无法相互作用的程度。活动将停止。
真的会这样吗？ 奇怪的是，一些宇宙学家认为，像我们遥远未来的这样一个寒冷、黑暗、空无一物的宇宙，可能就是我们自己的大爆炸的源头。
第一件事
但在此之前，我们先来看看“物质（material）” —— 物理物质 —— 是如何产生的。如果，我们的目标是解释由原子或分子组成的稳定物质的起源，那么在大爆炸时期，甚至在之后的几十万年里，肯定都没有这些东西。
事实上，我们确实有相当详细的了解，一旦条件冷却到足以使复杂物质稳定下来，最初的原子是如何由简单粒子形成的，以及这些原子后来是如何在恒星内部融合成更重的元素的。但这种理解，并不能解决某些东西是否从无到有的问题。
让我们再往回想。第一批寿命最长的物质粒子是质子和中子，它们共同组成了原子核。它们是在大爆炸后的万分之一秒左右出现的。来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-302.html
在此之前，确实没有任何熟悉的词义上的材料。 但是物理学让我们继续追溯时间线 —— 追溯到任何稳定物质之前的物理过程。
这就把我们带到了所谓的“大统一时代”。到目前为止，我们已经很好地进入了推测物理学的领域，因为我们无法在实验中产生足够的能量，来探测当时正在发生的过程。
但一种看似合理的假设是，物理世界是由一堆短命的基本粒子组成的，包括夸克，它是质子和中子的基础。
物质和“反物质”的数量大致相等：每一种物质粒子，比如夸克，都有一个反物质的“镜像”伴侣，它与自身几乎相同，只是在一个方面有所不同。然而，当物质和反物质相遇时，它们会在瞬间的能量中湮灭，这意味着这些粒子会不断地诞生和毁灭。
但这些粒子最初是如何存在的呢？量子场论告诉我们，即使真空，也被认为是空的时空，也充满了能量波动形式的物理活动。这些波动会使粒子突然出现，但不久就会消失。
这听起来像是数学上的怪癖，而不是真正的物理学，但这样的粒子已经在无数的实验中被发现。
时空真空状态沸腾着，粒子不断地被创造和毁灭，显然是“无中生有”。但也许这一切真正告诉我们的是，量子真空（尽管它的名字）是“有”，而不是“无”。
哲学家大卫·阿尔伯特（David Albert） 曾对大爆炸理论提出过令人印象深刻的批评，这些理论声称可以以这种方式无中生有。
假设我们问：时空本身又是从哪里产生的？然后，我们可以继续把时钟拨回更远的地方，回到真正古老的“普朗克时代” —— 这是一个宇宙 历史 上最早的时期，以至于我们最好的物理理论都崩溃了。
这个时代只发生在大爆炸后万亿分之一秒的千万分之一。在这一点上，空间和时间本身就受到量子涨落的影响。来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-295.html
物理学家们通常分别研究量子力学和广义相对论，前者控制着粒子的微观世界，后者适用于大的宇宙尺度。但要真正理解普朗克时代，我们需要一个完整的量子引力理论，将两者结合起来。
可是，我们仍然没有一个完美的量子引力理论，但已经有了一些尝试 —— 比如弦理论和圈量子引力论。在这些尝试中，普通的空间和时间通常被视为涌现的，就像深海表面的波浪一样。
我们所经历的空间和时间，是在更深层、微观层面上运行的量子过程的产物 —— 这些过程对我们这种扎根于宏观世界的生物来说没有多大意义。
在普朗克时代，我们对空间和时间的普通理解崩溃了，所以我们也不能再依赖于我们对因果关系的普通理解。
尽管如此，所有量子引力的候选理论都描述了普朗克时代发生的一些物理现象 —— 普通时空的某种量子先驱。但这是从哪里来的呢？
即使因果关系不再适用于任何普通方式，仍然有可能用另一种方式解释普朗克时代宇宙的一个组成部分。 不幸的是，到目前为止，即使是我们最好的物理学也无法完全提供答案。 在我们朝着“万有理论”取得进一步进展之前，我们将无法给出任何明确的答案。
在这个阶段，我们最多可以自信地说，物理学到目前为止还没有发现，任何从无到有的证实实例。
几乎从零开始循环
要真正回答万物如何从无到有的问题，我们需要解释普朗克时代开始时，整个宇宙的量子状态。
所有这样做的尝试都是高度投机的。他们中的一些人像设计师一样诉诸超自然的力量。但其他候选解释仍属于物理学领域 —— 比如包含无限多个平行宇宙的多元宇宙，或者宇宙的循环模型，重生和再生。
2020年诺贝尔奖获得者、物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）提出了一个有趣但有争议的循环宇宙模型，称为“共形循环宇宙学”。
彭罗斯的灵感来源于一个有趣的数学联系，即宇宙的一个非常热、非常稠密、非常小的状态（就像在大爆炸时那样）和一个非常冷、非常空、非常膨胀的状态（就像在遥远的未来一样）之间的联系。
他解释这种对应关系的激进理论是，当这些状态达到极限时，这些状态在数学上变得相同。 尽管看起来很矛盾，但物质的完全缺失可能会导致我们在宇宙中看到的所有物质。
在这种观点下，大爆炸几乎是从虚无中产生的。 这就是当宇宙中的所有物质都被吞噬成黑洞时剩下的东西，而黑洞又被蒸发成光子——消失在虚空中。
因此，从另一个物理的角度来看，整个宇宙都是从某种近乎于虚无的东西中产生的。但“没有”仍然是一种东西。它仍然是一个物理宇宙，尽管它是空的。
同样的状态怎么可能从一个角度看是一个冷而空的宇宙，从另一个角度看又是一个热而密的宇宙呢？答案在于一种名为“共形缩放”的复杂数学程序，这是一种有效地改变物体大小，但保持其形状不变的几何变换。
彭罗斯展示了冷致密态和热致密态是如何通过这种缩放方式联系在一起的，从而使它们在时空的形状上相匹配 —— 尽管大小不同。诚然，很难理解两个大小不同的物体为什么会以这种方式相同。但彭罗斯认为，在这样极端的物理环境中，大小这个概念已经失去了意义。
在共形循环宇宙学中，解释的方向是由老、冷到新、热：热密态因冷空态而存在。但这个“因为”不是我们所熟悉的那种 —— 一个原因在一段时间后会产生结果。在这些极端的状态中，不仅大小不再重要，时间也一样来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-338.html。
冷致密态和热致密态实际上位于不同的时间线上。从观察者自己的时间几何的角度来看，冷空的状态将永远持续下去，但它所产生的热稠密的状态实际上占据了一个完全属于它自己的新时间线。
它可能有助于理解以某种非因果方式从冷空态产生的热致密态。 或许我们应该说，热稠态是从冷态、空态中出现，或立足于，或由冷态、空态来实现的。
这些独特的形而上学思想已经被科学哲学家广泛地 探索 过，特别是在量子引力的背景下，普通的原因和结果似乎是破碎的。在我们知识的极限，物理学和哲学变得难以区分。
实验证据呢？
正形循环宇宙学，为我们的大爆炸从何而来的问题提供了一些详细的（尽管是推测性的）答案来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-445.html。但是，即使彭罗斯的观点被宇宙学未来的发展所证实，我们可能会认为，我们仍然没有回答一个更深层次的哲学问题 —— 一个关于物理现实本身从何而来的问题。
整个循环系统是如何产生的？然后，我们最终以一个纯粹的问题结束：为什么会有东西，而不是什么都没有 —— 这是形而上学中最大的问题之一。
但我们这里的重点是仍然停留在物理学领域内的解释。对于周期是如何开始的这个更深层次的问题，有三个广泛的选择。
它可能根本没有物理上的解释。或者可能存在无穷无尽的循环，每个宇宙都有自己的权利，每个宇宙的初始量子状态都可以用之前宇宙的某些特征来解释。或者存在一个循环，一个重复的宇宙，这个循环的开始可以用它自己的结束来解释。
后两种方法避免了对任何无因事件的需要 —— 这赋予了它们独特的吸引力。没有什么是物理学无法解释的。
彭罗斯设想了一系列无休止的新循环，部分原因与他自己对量子理论的首选解释有关。在量子力学中，一个物理系统同时存在于许多不同状态的叠加中，当我们测量它时，只会随机“选择一个”。
对于彭罗斯来说，每个周期都涉及以不同方式发生的随机量子事件 —— 这意味着每个周期都将与其前后不同。 这对实验物理学家来说实际上是个好消息，因为它可能让我们通过普朗克卫星观测到的大爆炸剩余辐射中的微弱痕迹或异常，一瞥产生我们的旧宇宙。
彭罗斯和他的合作者相信，他们可能已经发现了这些痕迹，并将普朗克数据中的模式，归因于先前宇宙中超大质量黑洞的辐射。然而，他们声称的观测结果受到了其他物理学家的挑战，陪审团仍然悬而未决。
无休止的新周期是彭罗斯自己愿景的关键。但有一种自然的方法可以将共形循环宇宙学从多循环形式转换为单循环形式。那么，物理现实就是这样一个循环：在大爆炸的过程中，在遥远的未来进入一个最大限度的空虚状态，然后再次循环到同样的大爆炸，再次产生同样的宇宙。
后一种可能性与量子力学的另一种解释是一致的，被称为“多世界解释”。多世界解释告诉我们，每次我们测量一个处于叠加状态的系统时，这个测量不会随机选择一个状态。相反，我们看到的测量结果只是一种可能性 —— 在我们自己的宇宙中也存在这种可能性。
其他的测量结果都以多元宇宙的形式出现在其他宇宙中，实际上与我们自己的宇宙隔绝了。因此，无论某件事发生的几率有多小，如果它有非零的几率，那么它就会发生在某个量子平行世界中。
在另一个世界里也有和你一样的人，他们中了**，或者被一场反常的台风卷到云中，或者自燃，或者同时做了这三件事。
有些人相信这样的平行宇宙也可以在宇宙学数据中观测到，因为另一个宇宙与我们的宇宙碰撞时留下的印记。
多世界量子理论给共形循环宇宙学带来了新的转折，尽管彭罗斯并不赞同。我们的大爆炸可能是一个量子多重宇宙的重生，它包含无限多个不同的宇宙，所有这些宇宙都在一起发生。任何可能发生的事情都有可能发生 —— 然后它会一次又一次地发生来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-589.html。
一个古老的神话
对于神话爱好者来说，彭罗斯的愿景是美丽的。 在彭罗斯偏爱的多循环形式中，它承诺从祖先的灰烬中诞生无穷无尽的新世界。 在它的单循环形式中，它是对衔尾蛇（Oroboros）的古老思想的一次惊人的现代重新调用。
在北欧神话中，巨蛇耶梦加得（J?rmungandr）是聪明的骗子洛基和巨大的安格博达的孩子。 耶梦加得吃了自己的尾巴，而创造出的圆圈，维持着世界的平衡。 但是，衔尾蛇的神话在世界各地都有记载，甚至可以追溯到古埃及。
单循环宇宙的衔尾蛇确实是雄伟的。它的腹部包含我们自己的宇宙，以及量子物理学所允许的每一个奇怪而美妙的替代宇宙 —— 在它的头部与尾部相遇的地方，它是完全空的，但也充满了温度为10亿摄氏度的能量。
量子力学和相对论最大的矛盾：时空是不是连续的？谁才是正确的？
虽然现在无法知道真正的“大统一理论”，但是的确已经有很多科学家乃至科幻作家在用独特的方法探索了。
“量子时空波”，指的应该是引力波实际以引力子群的方式存在。这一点是自爱因斯坦的经典梦破裂后，量子物理学家们为了在量子论中容纳相对论做出的折中办法。他们把引力的形成看作是引力子的交换。
“一般物质波”，指的应该是普通的二象性波。
那么两句合起来就是：引力子被证实存在，引力与其他三种力实现了大统一。
还有一个解释，几年前有科学家提出了“环量子引力”理论。
那么“量子时空波”指的就是时空并不是不变的背景，它是可以波动的。
“量子时空波”与“一般物质波”的关系就是：时空量子的不同组合形成了物质，也就是物质是由时空组成的。这又有点接近于最近很流行的“纯时空论”。
鉴于本人对量子力学并不深入，只能提供这些解释。
量子引力的基本概念来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-341.html
代科学最大的两大支柱，一个是爱因斯坦的相对论，还有一个就是量子力学。相对论的提出，改变了人类对于宇宙和自然的认识，让我们从另一个角度认识我们的宇宙，其中提到的全新的时空观念，刷新了科学界对于宇宙的认识。而量子力学的提出，更是让整个科学界产生了革命性的变革，加快了人类 社会 的进步，很多科学理论在量子力学之下，非常容易地就被验证。
相对论和量子力学的诞生
在1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，将时间和空间统一在了一起，改变了当时的绝对时空观念，认为所有的时空的可以是相对的时空，根据不同的参考系，时间和空间的状态可能个不相同。而且还确定了光速不变原理。而只有在1915年提出的广义相对论中，以全新的方式解释了引力的来源，认为引力是因为时空弯曲造成的。相对论的提出，还有个更加深远的意义，那就是间接地让量子力学得以诞生。
量子力学的出现对光是粒子还是波的实验中引发的，这就是著名的光的干涉实验。当时的科学家们发现，一个光子能够同时穿过两个孔，并且呈现出两种不同的状态时，科学家们集体失声，甚至怀疑科学的正确性。随后普朗克、波尔等科学家，提出了量子力学的概念。量子力学的出现，为人类对微观世界的认识提供了方法，并且能够解释非常多的现象和预言一些新的、无法直接想象的现象，可以说量子力学是现代物理的一项神器。
不过，这两个改变世界的物理学理论，却有一个极大的矛盾，时空到底是不是连续的。
在广义相对论中，时间和空间是相互统一的，每个有质量的物体都会造成时空的扭曲，正是因为时空弯曲造成了引力的产生，所以相对论认为，时空是连续而光滑的。但是在量子力学当中，所以宏观的物质都会被分解成为一个个微观的量子，包括能量和引力等都可以量子化，所以量子力学的时空观认为，时空也是一份一份的，而不是完全连续的。也可以说成量子力学的时空观是间断、起伏、不断涨落的。
造成这个巨大的矛盾的原因，主要是相对论描述的是宏观的世界，而量子力学描述的是微观世界，在这两个不同的世界中，物质所表现出来的性质是不同的。在宏观世界里，一切事物都有因果关系，任何事都是确定的。不过在微观世界当中，却完全失去了我们正常的因果关系，任何事物都是不确定的状态。
那么这两种时空观到底谁才是正确的呢来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-1159.html？
其实可以说这两种时空观都是正确的，也可以说都不正确，因为到现在为止，它们都不能完美地解释这个世界。宇宙是一个整体，微观世界和宏观世界都是宇宙中的一部分，所以微观世界和宏观世界应该是相互统一，相互联系的关系，而不是像我们现在这样，微观世界和宏观世界完全独立，相互隔离，表现出两种不同的特性。所以既然相对论和量子力学都能非常好地解释宇宙当中的现象，那么它们之中必然有一个东西，可以将它们联系在一起。
爱因斯坦在量子力学被提出来以后，就一直在研究量子力学，并且试图找到一个大一统理论，能够将宏观世界和微观世界统一起来，可惜用了几十年的时间，他都没有找到这样一个理论。所以到了晚年，爱因斯坦很遗憾地说：我用了比相对论几倍的时间来研究量子力学，科学我还是没弄明白。
不过，现在有一种理论似乎能够将这他们统一起来，那就是非常科幻的超弦理论。超弦理论认为，宇宙中不存在粒子，宇宙中的所有物质和能量都是一种根据不同频率的振动而产生的弦。宇宙中所发生的所有相互作用，物质和能量都可以用弦的分裂和结合来解释。
超弦理论如果被证明是正确的，那么我们对宇宙的认识又会发生翻天覆地的改变，因为它将我们的宇宙分成了十一个维度，这就会让我们的宇宙变得更加复杂。不过目前人类对宇宙的认识还非常有限，要证明这个理论，还有很长的路要走。但是如果真的有一个理论能够将整个宇宙观统一起来，那么人类文明的发展将取得无法想象的进步，也许到了那时，我们现在认为不可能发生的事，都会成为现实，比如穿越时空。
物质的量子化描述和时空的几何化描述之间彼此不具有相容性，以及广义相对论中时空曲率无限大（意味着其结构成为微观尺度）的奇点的出现，这些都要求着一个完整的量子引力理论的建立。这个理论需要能够对黑洞内部以及极早期宇宙的情形做出充分的描述，而其中的引力和相关的时空几何需要用量子化的语言来叙述。尽管物理学家为此做出了很多努力，并有多个有潜质的候选理论已经发展起来，至今人类还没能得到一个称得上完整并自洽的量子引力理论。
一个卡拉比-丘流形的投影，由弦论所提出的紧化额外维度的一种方法量子场论作为粒子物理的基础已经能够描述除引力外的其余三种基本相互作用，但试图将引力概括到量子场论的框架中的尝试却遇到了严重的问题。在低能区域这种尝试取得了成功，其结果是一个可被接受的引力的有效（量子）场理论，但在高能区域得到的模型是发散的（不可重整化）。来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-465.html
圈量子引力中的一个简单自旋网络来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-809.html
试图克服这些限制的尝试性理论之一是弦论，在这种量子理论中研究的最基本单位不再是点状粒子，而是一维的弦。弦论有可能成为能够描述所有粒子和包括引力在内的基本相互作用的大统一理论，其代价是导致了在三维空间的基础上生成六维的额外维度等反常特性。在所谓第二次超弦理论革新中，人们猜测超弦理论，以及广义相对论与超对称的统一即所谓超引力，能够构成一个猜想的十一维模型的一部分，这种模型叫做M理论，它被认为能够建立一个具有唯一性定义且自洽的量子引力理论。 物理学中未解决的问题： 如何将量子力学与广义相对论/引力现象合并在一起，并且在微观长度等级下维持正确性？任何候选的量子引力理论能提供什么样可证实的预测呢？
引力在经典描述下，是由爱因斯坦于1916年建立的广义相对论成功地描述，透过质量对于时空曲率的影响（爱因斯坦方程）而对水星近日点岁差偏移、引力场下光线红移、光线弯折等三种问题提出了完满的解释，并且至今为止在天文学的观测上，实验数据与广义相对论预测值的相符程度远高于其他竞争理论。由广义相对论描述经典引力的正确性很少有人怀疑。 由理论物理巨擘所写对于引力意义采相反看法的两本书，很有趣地几乎同时发表于1970年代早期。出现了这样的僵局使得理查·费因曼（其对于使量子引力获得了解曾做过重要的尝试）在1960年代早期给太太的一封信中，绝望地写道：“提醒我不要再参加任何一个引力会议。”来源:https://yz66.net/xwzx/202501-2640.html
站在这两种论点的前缘，（时至2005年）一个发展出弦论，而另一个发展出圈量子引力论。 历史上，对于量子理论与要求背景独立的广义相对论两者明显的矛盾曾出现过两种反应。来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-894.html
第一种是广义相对论所采的几何诠释并非究竟，而只是一个未知的背景相依理论的近似表现。举例来说，这在史蒂芬·温伯格的经典教科书《引力与宇宙学》里面被明白表示过。
另外相抗衡的观点是背景独立是基础性质，而量子力学需要被一般化，改写成一个没有缺省特定时间的理论。这样的几何观点在米斯纳、惠勒与索恩三人合写的经典著作《引力论》中详述过。 量子力学与广义相对论间的不兼容
时至目前为止，理论物理上最深奥的问题之一是调和广义相对论——描述引力并且在大尺度结构（恒星、行星、银河）上可以适用，以及量子力学——描述其他三种作用在微观尺度的基本力。
广义相对论中重要的一课教导了我们没有固定的时空背景，而在牛顿力学与狭义相对论则有出现；时空几何是动态的。虽然在原则上容易掌握，这却是广义相对论中最难了解的概念，而且它所带来的结果是相当深远的，也没完全地探索完，即使仅就经典层级而言。就某种程度而言，广义相对论可以视作是一种关系理论，在这样的理论中，物理上唯一要紧的讯息是时空中不同事件彼此间的关系来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-442.html。
另一方面，量子力学则有赖于固定背景，既然它是从固定背景（非动态的）结构中起家的。在量子力学中，时间是开始就给定而且非动态的，恰如牛顿的经典力学一般。在相对论性量子场论中，一如在经典场论中，闵可夫斯基时空是理论的固定背景。最后，弦论是从扩充量子场论出发的，其中点粒子代之以弦样物体，在固定时空背景中做传递。虽然弦论的起源是在夸克局束（quark confinement）研究方面而不是在量子引力方面，很快就发现弦的频谱包括了引力子，而且弦的几种特定振动模式的“凝聚”等价于对原始背景的修改。
处在弯曲（非闵可夫斯基式）背景下的量子场论，虽然并非引力的量子理论，亦显示了量子场论中的一些假设无法被延伸到弯曲时空中，完善的量子引力理论就更不用提了。特别地说，真空—当它存在时—被指出和观察者所经过的时空路径有相依性（见盎鲁效应）。此外，场概念看起来比粒子概念还要来得基本（粒子概念被认为是描述局部相互作用的方便法）。后者观点是有争议性的，和史蒂芬·温伯格的著作《量子场论》在闵可夫斯基空间中所发展出的量子场论相矛盾。 至于透过实验的检验，很遗憾的，量子引力所探讨的能量与尺度乃是目前实验室条件下无法观测得到的，有些学者提出一些观点可能可以透过天文学上的观测来检验，但仍属少数特例。因此希望从实验观测得到一些关于量子引力理论发展上的提示，现阶段仍属不可行。
推导量子引力理论的一般方法是假设这个等待发掘的理论会是简单优雅的，然后回头看看现前的理论，找寻对称性及提示以想办法优雅地合并它们成为一个更加普适的理论。这方法的一项问题是没人可以肯定量子引力是否会是一个简单优雅的理论。
需要这样理论的理由是为了要了解一些涉及庞大质量或能量以及很小尺度的空间的问题，例如黑洞的行为，以及宇宙的起源。
来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-333.html关于“烧脑科普：大爆炸是如何从虚无中产生的？”这个话题的介绍，今天小编就给大家分享完了，如果对你有所帮助请保持对本站的关注！