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「大爆炸理论」(The Big Bang)可信吗?

「大爆炸理论」(The Big Bang)可信吗?

的有关信息介绍如下:

「大爆炸理论」(The Big Bang)可信吗?

当然,严格来说,我们不能够完全确定大爆炸理论的正确性,即使我们相信广义相对论的正确性,即使我们相信现在的观测数据,依然不能够100%说明大爆炸理论的正确性。

问题出在什么地方呢?首先要看看为什么我们选择大爆炸理论。

这个要从标准的宇宙学模型说起。现在的绝大多数的观测数据,包括宇宙学红移、宇宙微波背景辐射、超新星等等,说明从大尺度上讲,我们周围的可见物质都在远离我们。而且我们周围各个方向的物质原理我们的速度差不多。也就是说,每个方向都是相同的。

然后问题来了,这些东西远离我们,说明了什么?那么我们先要思考一个问题:我们作为宇宙的观察者,到底处于一个什么样的地位?客观的讲,没有什么理由说,我们处在宇宙的中心。(当然,也没有理由说明,我们不是处在中心。剩下的就是信仰问题了。不过从我们的全天扫描来看,宇宙中物质大尺度上分布是很均匀的,既然是均匀的,那么我们就觉得,很可能就没有中心了。)如果我们不是处在中心,那么周围各个方向星系远离我们的速度差不多,说明整个宇宙在膨胀。

现在我们论证了现在的宇宙在膨胀。然后利用各向同性和均匀性假设(称为宇宙学原理),然后我们知道现有的物质的物态方程,可以发现宇宙过去也是在膨胀。那么我们倒退回去,如果宇宙一直在膨胀,那么过去应该是很小的一个宇宙。这就是大爆炸理论大致的逻辑。

现在我们返回去看看,这个理论到底是不是肯定正确。那就看看到底这个理论还有没有问题我们想不通。问题很多。有些问题,比如视界问题,可以通过一些办法解决,比如引入暴涨阶段。有些问题,比如,宇宙学原理本身就是个假设;我们现在知道的物质并不一定是宇宙中所有的物质;我们用的广义相对论可能有问题,现在都是不确定是否绝对正确的。

但是,话说回来,现在没有一个其他的理论像大爆炸理论这样成功。而且,由于现在宇宙学的一些数据的精度很高,而现在理论又跟数据的吻合这么好,所以可信度还是比较高的。

对于这个理论中的问题,如果想要解决,那大部分人自然还是在大爆炸的框架下面做。当然,也不能排除将来rule out大爆炸的可能。

事实上,现在的可能正确的理论远远不限于大爆炸理论一个。只不过这个是“信徒”比较多的理论而已。

宇宙起源问题,我们没有答案。所以Edward Witten才会提出这样一个问题:

How can quantum gravity help explain the orgin of the universe?

我们的理论还没有能力探求太早的宇宙。

多早的宇宙算是太早的宇宙?这个我们有个很聪明的办法来提供一个量级。(这个办法其实就是一个简单的量纲分析。)对于时空曲率太大的情况,现在的广义相对论(我们称之为经典广义相对论)是不能触及的。通过分析知道,在早于10^-43s的时候我们的现有理论是无法理解的。这个短短的时间,就足以把我们关在探索起源的门外。

然后很多人会有这样的疑问:那么宇宙之前是什么?

答案是,不知道。

首先说明一点,这个问题很大程度上,只是观念上问题。我们从出生就开始感受我们周围这个小小的世界,我们对于这个世界的理解,很大程度上都是对我们可以感受到的事物和现象的总结可扩展。我们习惯了时间缓缓的稳恒的流淌,习惯了这种近似平坦的闵氏时空。所以我们很难去想象弯曲的时空。自然,我们也很难理解没有时间和没有空间的世界。所以我们会去问,大爆炸之前是什么,宇宙之外是什么。

可是,如果没有了舞台,戏曲就没法表演。同样,没有了时空,还谈何事件的发生?不能谈事件发生,我们那样的世界跟不存在又有什么区别呢?

我提到了没有时间和没有空间,但是事实上我们并不确定大爆炸之前就是没有时空的。这只是一种可能的情况。因为上面提到了,我们没有合适的理论来描述太早的宇宙。或许等我们有了相应的理论,就会发现,原来大爆炸之前,还是可以探寻的。

宇宙就是所有么?

回答是不。

我们现在讨论的宇宙,一般只是可观测宇宙,在这部分可观测宇宙之外,还有更大的存在,因为跟我们没有因果联系(严格的说,有因果联系的部分要比可观测宇宙要大,但是先不管),所以我们一般都不管那些,但是我们从现有的宇宙的起源的理论,是可以确定其存在的。

然而,当我们的理论有能力回溯到宇宙早期,暴涨之前,那时候的可观测宇宙,就是会逐渐触及整个宇宙。

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2012-06-26续

如果想站在稍微专业一点的角度看待这个问题,如果你又学过概率论,那通过下面这段话,可能比我理解的更好,因为我刚刚开始看概率论。

取自http://multiverse.lamost.org/blog/2918

假定我们的宇宙遵从特定的规律,可以设想这样的两种观测者。一种是自然之上的创世者们,比如叫他们宇宙定制公司,他们非常清楚宇宙所遵从的规律,而且也知道宇宙是在什么样的参数下运行;另一种是宇宙之内卑微的生存者,比如我们地球上这些渺小的人类,我们并不知道宇宙是精确的规律是什么,也不知道在某个规律下面宇宙的参数是如何设定的,我们只能实验和观测,更加难堪的是,在宇宙学中,我们基本上只能进行观测,想要尝试去改变一些宇宙的设定来得到某些结果,目前还只能出现在科幻小说之中。

那么对于宇宙定制公司的人们来说,他知道宇宙的精确的理论是 H ,(对于我们来说是个假设而已,因为从我们的角度来看就是个 Hypothesis,简称 H ),而我们生活的宇宙可以用一个模型 θ(θ1,θ2,…) 来描述,其中 θi 为模型参数,而且他们知道宇宙运行之后的数据 D,(比较幸运的是,对于很多数据 D,我们也是可以得到的,因为我们就限定 D 为我们可以得到的数据)。

基本概念

那么从宇宙定制公司的角度来看:

可以根据 H 来计算 θ 模型下的某个数据出现的理论概率,比如现在在一个范围 A 内,共有 M 颗1型超新星,和 N 颗2型超新星。他们可以计算在拿到了 m 颗1型超新星和 n 颗2型超新星之后,随便抽取一颗是1型的概率,因为整个宇宙在任何时空点的配置他们都清楚的很。这种我们统统称之为计算 P(D|θ(θ1,θ2,..)),即 likelihood. 意思是说,我们现在知道一个模型θ和参数θ1,θ2,…,得到某个结果 D 的概率是多少。

这差不多是宇宙定制公司用的最多的计算了吧。

而对于我们来说,情况变得就复杂多了。我们只有观测数据,并不知道宇宙的理论 H 和具体的模型及参数 θ(θ1,θ2,…)。而我们希望通过这些观测了解到宇宙背后的理论和具体模型及参数。 因此从我们的角度来看却只能计算 Posterior,记作 P(θ|D),意思是说,我们有一堆观测数据 D ,那么一个特定的模型θ并且取某些特定的参数 θ(θ1,θ2,…)的概率是多少。

可以看到这样一种记法,| 是符合条件符合,可以直接读作”符合条件”,因为这个条件概率的条件放在后面。

为了更明白,我重复 arXiv:0911.3105 中的一个例子。

If you have an urn with N red balls and M blue balls and you draw one ball at the time then probability theory can tell you what are your chances of picking a red ball given that you have already drawn n red and m blue: P(D|H). However this is not what you want to do: you want to make a few drawn from the urn and use probability theory to tell you what is the red vs blue distribution inside the urn: P(H|D). In the Frequentist approach all you can compute is P(D|H).

这里 P(D|H) 是 likelihood, 而 P(H|D) 是 posterior. 可以明显的看到,likelihood 是指我们明了系统的详细配置的情况下计算某件事情发生的概率,这个很强大;而 posterior 是我们不知道系统的配置的情况下,可以根据很多的实验来计算出的一个概率。这个例子中提到,如果我们可以做无穷次实验,那么就可以计算 posterior,即使我们是生活在2012年的地球人。==~

看到这里的问题了,我们有数据,但是我们也只能去算某个自己提出的模型跟数据的吻合程度,吻合的好,我们就说模型好,然后问题在于,现在的数据跟大爆炸模型的吻合程度虽然也不错,但是还没有达到粒子物理那样的精度。