关于宇宙，你可能相信的5个科学谜团

宇宙是一个广阔、神秘的地方，包含我们所知道、观察到或者可能希望接触的一切。几千年来，人们抬头仰望天空——我们窥视宇宙世界的窗口——都充满了惊奇、敬畏和对未知的热爱。由于全球各文明取得的科学进展，我们现在知道天空中的光点是恒星，它们聚集在星系中，在最大的尺度上以群集的形式聚在一起，构成了在有限时间内经历了大爆炸的宇宙：138亿年。然而，知道这些并不意味着我们知道了一切。事实上，了解一些物理学原理会引发一些非常大的误解，甚至影响专业科学家。这些误解包括：

1 假如宇宙已经有138亿年的历史，那么我们不应该能够看到距离我们有460亿光年远的物体

毕竟，没有什么东西能够比光传播更快！太阳的光线是8分20秒旧的，因为光需要8分20秒才能穿过从太阳到地球的距离。但有两个重要的要点需要意识到：一个是太阳和地球在光线传播期间没有互相远离或靠近，另一个是太阳和地球之间的空间没有扩张。在最大的宇宙尺度上，宇宙有这两个因素在起作用。

想象一个星系，它在100亿年前离我们现在的位置有100亿光年远。假设它发射了光。如果宇宙的结构没有膨胀，那么它需要10亿年才能到达我们。但如果这个星系以光的速度运动着远离我们，那么当光到达我们时，它可能已经距离我们有200亿光年的距离了。如果宇宙正在膨胀，那么这个距离甚至可能更远！如果我们的宇宙主要由辐射组成，那么在一个138亿年的宇宙中，我们可以看到最远270亿光年之外的物体。如果它主要由物质组成，这个数字将上升到414亿光年。而在我们目前的宇宙中，由于物质、暗物质和暗能量的混合物，膨胀使这个数字上升到了460亿光年之远。这就是我们如何能够看到如此遥远的物体在我们的宇宙中。

2 没有人真正知道引力的基本原理是什么

影响我们宇宙的力包括引力和电磁、弱相互作用和强相互作用，由广义相对论描述引力，由量子场论描述电磁、弱和强相互作用。这些理论是独立的，广义相对论描述物质和能量之间与时空曲率之间的关系，而量子场论描述在这个时空中发生的粒子相互作用。你可能会担心引力必须本质上是量子力，应该有引力子介导这种相互作用。你可能还担心我们无法计算引力力或场在量子情况下应该如何运作，例如电子穿过双缝干涉。

但是科学的目的是解释观测结果，广义相对论确实解释了所有观测结果，完美地，达到我们观测能力的极限。每个理论都有其有效性范围的限制，广义相对论也将在某些时候失效，例如黑洞内部的奇异性。但量子场论也有限制：在普朗克尺度处，即大约10^-33米的距离。引力子应该存在，但它们类似于光子：真正的引力子可以像光波一样检测到（就像真正的光子可以检测到光波一样），而虚引力子无法被检测，只是一个计算工具。爱因斯坦的描述是完全有效的。虽然我们希望有一天可以用量子引力理论来取代它，但我们所认知的弯曲时空被物质和能量影响的图像，在最重要的意义上是根本有效的：它完美地描述了我们能够构想的每一个观测结果。

3 宇宙大爆炸是空间和时间的诞生

数十亿年来，宇宙一直在膨胀和冷却，过去的一切都更加炽热和密集，如果我们无限往前推，则会到达一个无限密度的点。理论上，宇宙学家亚历山大·弗里德曼和乔治·勒梅特等在20世纪20年代就意识到了这一点，后者将这种状态称为“原始原子”，从中诞生了一切。当这张图像预测到的剩余辐射辐射通过宇宙的膨胀被转移到微波段时，在1960年代被探测到，宇宙大爆炸被证实。无限往前推，我们到达奇点：空间和时间从中诞生。

只不过，这张图像是不正确的。如果宇宙的温度（因此，其能量）曾经上升到某个点以上，早期的宇宙微波背景中的波动会比我们观测到的要大。它们仅有的几个十万分之一的差异——在1990年代早期由COBE测量——告诉我们，在热大爆炸之前必须存在一个状态，我们的炽热、密集、物质和辐射充满的宇宙就是从那里诞生的。1980年代有一项关于这种状态的预测：宇宙膨胀，为宇宙大爆炸奠定了基础。预测了宇宙微波背景的波动细节，并通过COBE、WMAP（2000年代）和Planck（2010年代）观测到与我们所观测到的情况非常相符。膨胀在热大爆炸之前发生。膨胀之前发生了什么事情，说实话，最后10^ -32秒的膨胀之前发生了什么事情，仍然是一个谜。

4 空间、时间和引力可能都只是幻觉

也许它们不是基本的，也许在某种意义上它们不是真正的“实体”。最近有一个想法引起了很多关注：一些属性可能是从更基本的东西中产生的。声波是由分子相互作用而产生的；原子是由夸克、胶子和电子以及强相互作用和电磁相互作用而产生的；行星系是由广义相对论中的引力产生的。但在熵重力的想法中，甚至空间、时间本身或引力本身都可能像其他实体一样从其他实体中产生。

但在这个想法的核心是重力方程和热力学方程之间的密切关系。通常，我们认为引力和粒子是基本实体，而热力学是 emergent 的，描述了许多更基本事物的集合属性。事实上，热力学定律是从不同的、更基本的领域——统计力学中产生的。引力可能还可以从更基本的东西中产生：弦、环、毛茸茸的黑洞、普朗克粒子或其他理论构造。然而，关键在于这种“更基本”的想法的预测必须与广义相对论的预测不同，并且这还没有以任何经过验证的方式提出。但最重要的是，即使引力不是基本的，它也不是幻觉，它就像任何 emergent 特性一样存在。至于空间和时间？它们也可能不是基本的，但是目前还没有好的想法可以解释它们可能从何处产生，并且与任何可测试的事物相连。无论如何，空间、时间和引力肯定都是存在的，把它们称为“幻觉”是不正确的。

5 一切只是理论罢了

宇宙大爆炸：只不过是个理论。引力：仅仅是一个理论。甚至将这些理论结合在一起的整个领域都被称为理论物理学。这些都不是事实、真理，甚至不是定律。它们只是理论而已。

但这完全忽略了科学理论的本质。事实是科学中最基本的元素。你观察到某件事情，这就是一个事实。你进行一次测量，这就是一个事实。一个单一的实验数据点就是一个事实，因此我们尽可能收集尽可能多的事实，并设计安排以收集更多事实。当你注意到事物之间的相关性，各种可测量/可观测量之间的关系符合某种形式或方程时，那就是一个定律。只有当你能够构建一个全面的框架，不仅解释了事实和包容了定律，而且对你可以观察到的新事物做出了新的预测，你才拥有了一个科学理论。如果你走出去，验证并验证你的理论并将其推到极限，你就得到了像宇宙大爆炸或广义相对论一样好的理论。

而且这是真的：即使像这些例子一样坚实且被广泛接受的理论永远不可能是最终答案。总有更多要学习、更多要跨越的边界以及更多要揭示和探索的问题。但当今最受认可的理论是科学能够达到的最接近真理的，即使我们始终努力更接近。最好尽可能真实地理解现实，包括其中的所有细微差别，而不是坚持一种令人感到舒适的神话。