我们现在所知的物理法则是否适用于整个宇宙?

我们现在所知的物理法则是否适用于整个宇宙这要看看整个宇宙如何定义。

如果以我们现在所知的宇宙大爆炸产生的四维时空来说,由于我们现在观测到的宇宙大尺度下各向同性,可以认为宇宙各处的物理规律都是一样的,即使超出我们的可观测宇宙范围,理论上它依然是相同的。

然而这是在大尺度下普通环境下的物理法则。当你细分一个局部的区域和一些极端的环境(条件),你会发现它的物理法则实际上是不一样的。

宇宙的BUG

我举一个大家都最熟悉的极端环境例子:黑洞。这种众所周知的奇异天体近年可谓出尽风头,从前几年反复多次报道的双黑洞合并引力波事件,到去年4月的事件视界望远镜首次拍摄到黑洞照片发布,再到去年年底我国发现的最大恒星级黑洞……可以比较确定地说,如果你没有听过黑洞,你应该是不会看到我这篇文章的,因为你一定不是一个关注科学类资讯的人。

黑洞可以说是宇宙里最最奇特的天体了,没有之一。这一个由广义相对论所预言的奇特天体在很长时间里并不被大家所接受,其中包括广义相对论的提出者爱因斯坦本人和广义相对论的铁杆支持者爱丁顿(那位在1919年远赴非洲拍摄日全食验证广义相对论的英国科学家)。直到上世纪6、70年代,奇性定理的证明和类星体的发现,才让黑洞这一奇特天体开始被接受。

时空的囚笼

黑洞是指由视界面作为表面的天体,视界面是以视界半径定义的一个临界面,在视界面上逃逸速度等于光速,也就是说当进入视界面内则光速也无法逃逸。根据相对论,在局域下没有任何物质粒子的移动速度能超过光速,因此也就没有任何物质粒子能从视界里逃逸出来。因此,黑洞就是相当于一个时空的囚笼,没有任何物质能从里面出来。

时间的终点

事实上,黑洞远比这更奇葩,视界面并非你所想象的那么简单,它不只是一个以光速为逃逸速度界定的临界面,它实际上比你了解的更奇特,根据理论计算,时空在视界处发生了逆转,进入视界后,时空就发生了互换,简单说就是时间变成了空间,空间则变成了时间。因此,原本沿空间落入黑洞物质会变成沿时间落向奇点。在广义相对论里,奇点就是时间的终点,实际上它是一切的终结点,包括时间、空间和物质。

已知物理法则失效之处

当物质粒子落入视界落向奇点,随着临近奇点,时空弯曲将极其严重,物质将渐渐无法保持其物理特性,已知的一切物质形式将在奇点处终结,那里没有时空,也没有物质。因此那里不再有我们已知的一切物理规律,在奇点处,一切已知的物理规律都失效了。

广义相对论预言了这种情况,然而这也预示着,广义相对论预言了自身的失效。

这就很尴尬了,一个物理理论预言了自身失效!因此,部分物理学家并不接受这个结论,特别是量子物理学家,因为它与量子力学的基本原理不符。

争议

量子力学里有一个基本原理:不确定性原理。它指出微观粒子具有不确定性,它的共轭量无法同时准确测定,这些共轭量就像跷跷板一样,你对其中一个量测量得越精确,对另一个量的测量就越不精确。对于微观粒子,这些共轭量包括:位置和动量、时间和能量等。

在广义相对论里,黑洞奇点包含了黑洞几乎所有的质量,然而它是无穷小的,因此,它理应受量子力学的支配,但当你把不确定性原理应用到黑洞奇点,奇怪的事情就出现了:我们能通过对黑洞的测量,确定其中心奇点的位置,同时我们也能通过对黑洞的测量,确定奇点的动量,奇点的位置和动量可以被同时确定,不确定性原理在微观下失效了……

广义相对论与量子力学的狭缝——期待新理论诞生

目前广义相对论和量子力学这两大用于描述自然界四种已知相互作用的基础理论之间存在不可调和的矛盾,其中的重灾区就在上述的黑洞奇点问题上,我们知道这两个理论不可能都准确无误,它们至少有一个是需要被修正的,物理学家正期待新理论的诞生,其中的突破口很可能就在奇点问题上,新理论的名字大家都已经想好了,叫量子引力理论。这一理论也许能描述奇点处的物理规律,也许……

物理法则并非永恒不变

目前,量子力学已经能描述自然界的三种相互作用,它们分别是强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用。但最为人熟知的引力相互作用却无法被量子力学描述。

现在物理学界普遍认为,宇宙的四种相互作用在宇宙诞生之初,其实是同一种相互作用力,科学家称之为超力。在宇宙诞生后极短的时间内,宇宙温度急剧下降四种相互作用力相继从超力中分离出来。科学家预言,如果能制造相应的温度,我们现在已知的四种相互作用很可能会重新合并成同一种相互作用。

目前已知的四种相互作用是很不一样的,比如弱相互作用和电磁相互作用力,两者就很不一样,作用的强度和作用的粒子都很不一样。弱相互作用只发生在原子核内极小的范围内,而电磁相互作用却可以传递到无穷远;而我们经常听到的暗物质很可能就具有弱相互作用,但没有电磁相互作用。但当在一定的条件下,即当温度达到10^15K,这两种力就会合二为一,成为同一种相互作用力——电弱相互作用力。

其实这种情况是很容易发生的,因为它只需要在100GeV能级下就能发生。比如在高能对撞实验中,还有宇宙射线轰击高层大气时,都能达到这样的能级。也就是,在这种极端环境下,物理规律也发生了微妙的变化。