【博科园-科学科普】138亿年前宇宙大爆炸时亦是我们这个宇宙的开端，是时间的起点，空间的起点，万物的起点，以纯能量开始的宇宙从无到有创造了无数宇宙奇迹，当然更奇迹的我觉得莫过于我们地球生命！（这是我们之前大爆炸理论的观点，下面我们一起来看看新的）
今天像我们这样膨胀和冷却的宇宙，一定比过去更热、更致密。起初大爆炸被认为是这个终极、炙热、致密的状态出现的奇点，但我们今天应该更清楚了！图片版权：NASA / GSFC
宇宙不是以呜咽的方式开始的，而是砰的一声！至少这是你经常被告知宇宙和它的一切都是在大爆炸的时刻出现的。空间、时间和所有物质和能量都是从一个奇异点开始的，然后扩展和冷却，在数十亿年的时间里，让原子、恒星、星系和星系团在数十亿光年的范围内扩散，形成我们可观测的宇宙。这是一个令人信服的、美丽的画面，它解释了我们所看到的许多东西，从目前宇宙中2万亿星系的大规模结构，到微波背景辐射的剩余光芒。科学家已经知道了近40年：不这也许错误的。
首先由斯里弗尔注意到一个星系的距离越远，它就越快的远离我们。多年来这一解释一直没有得到解释，直到哈勃的观测让我们把这些碎片拼在一起：宇宙在膨胀。图片版权：Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403
大爆炸理论最早出现在20世纪20年代和30年代。当天文学家观察遥远的星系时发现了一些奇特的东西：离我们越远它们就越快的远离我们。根据爱因斯坦广义相对论的预测：一个静止的宇宙将会在引力上不稳定;如果空间结构服从了他的定律，那么所有的东西都需要离开彼此或者彼此崩溃。对这次明显的衰退的观察告诉我们宇宙今天正在膨胀，如果随着时间的推移，事情变得越来越远，这意味着它们在遥远的过去更接近了。
如果你看得更远更远，就能看到越早，越热，密度越高，越不演化的宇宙原来是这样的。图片版权：NASA / STScI / A. Felid
膨胀的宇宙并不意味着随着时间的推移，物体会越来越远也意味着随着时间的推移，宇宙中存在的光会随着时间的推移而延伸。由于波长决定能量(更短的能量更强)，这意味着宇宙随着年龄的增长而变冷，因此在过去事情变得更热了。再推断一下你会发现所有东西都很热，甚至中性原子都无法形成。如果这张照片是正确的，那么我们应该看到今天的辐射在所有方向上都已经冷却到绝对零度以上的温度。1964年阿诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和鲍勃·威尔逊(Bob Wilson)发现了宇宙微波背景，这是对大爆炸的惊人证实。
根据对彭齐亚斯和威尔逊的原始观测，银河平面发射了一些天体物理源辐射(中心)，但在上面和下面所有剩下的都是一个近乎完美的，均匀的辐射背景。图片版权：NASA / WMAP Science Team
因此在宇宙更热、更密集、更紧凑的情况下不断地推算时间是很诱人的。如果你继续回去就会发现：
1、当它太热而不能形成原子核时，那里的辐射太热而任何被束缚的质子和中子都将被炸开
2、物质和反物质对可以自的发形成，因为宇宙充满能量，所以粒子/反粒子可以自发形成
3、一段时间里单个质子和中子分解成夸克胶子等离子体，因为温度和密度如此之高，以至于宇宙变得比原子核的密度更大
4、最后一个密度和温度上升到无穷大的时间，因为宇宙中的物质和能量都包含在一个点：一个奇异点
这是最后一点——这个奇异点代表了物理定律断裂的地方——也被理解为空间和时间的起源，这是大爆炸的最终思想！
如果我们往回推断就会得到更早、更热、更密集的状态。这是否达到了一个奇点，物理定律本身就失效了？图片：NASA / CXC / M.Weiss
当然除了最后一点，一切都被证实是真的！科学家在实验室里制造了夸克胶子等离子体，我们创造了物质和反物质，科学家们已经做了一些计算，在宇宙的早期阶段，元素的形成和丰度进行了测量，并发现它们与大爆炸的预测相吻合。在更远的地方测量了宇宙微波背景下的起伏，看到了恒星和星系等引力的结构是如何形成和成长的。无论我们在哪里都能在理论和观察之间找到一个巨大的共识，大爆炸看起来像是一个赢家。
宇宙微波背景的密度波动为现代宇宙结构的形成提供了种子，包括恒星、星系、星系团、宇宙之网和大规模的宇宙空间。图片：Chris Blake and Sam Moorfield
只是在一些方面大爆炸中有三件具体的事情没有发生：
1、宇宙在不同的方向上没有不同的温度，即使一个方向上数十亿光年远的区域从来没有时间(因为大爆炸)与在相反方向上数十亿光年的区域相互作用或交换信息
2、宇宙没有一个可测量的空间曲率，它与零不同，即使一个完全空间平坦的宇宙需要在初始膨胀和物质-辐射密度之间达到完美的平衡
3、宇宙中没有任何早期遗留下来的超高能遗迹，即使创造这些遗迹的温度应该存在如果宇宙是任意的热
理论家们在思考这些问题的时候便开始考虑将“奇点”替代“大爆炸”，而不是在避免这些问题的同时，重新创造出炙热、稠密、膨胀、冷却的状态。1979年12月艾伦·古斯(Alan Guth)想出了一个解决办法。
在一个膨胀的宇宙中，空间本身具有固有的能量，导致了指数的膨胀。总有一种非零的可能性，即通胀将在任何时候结束(用红色的“X”表示)，从而产生一个热的、密集的状态，在那里宇宙充满了物质和辐射。但在没有尽头的地区，空间继续膨胀。图片版权：E. Siegel / Beyond The Galaxy
宇宙可能已经从一个没有物质，没有辐射，没有反物质，没有中微子，没有任何粒子的状态开始，而不是一个任意炙热、稠密的状态。宇宙中所有的能量都将被束缚在空间本身的结构中:一种真空能量的形式，它使宇宙以指数的速度膨胀。在这个宇宙的状态中，量子涨落仍然存在，随着空间的扩大，这些波动会延伸到宇宙的各个区域，创造出比平均能量密度低得多或略低的区域。最后当宇宙的这一阶段——这一时期的膨胀——结束时能量将被转化为物质和辐射，创造出热的、稠密的状态与大爆炸。
宇宙膨胀过程中，宇宙空间的量子涨落，在宇宙膨胀过程中延展，导致了宇宙微波背景下的密度波动，而宇宙微波背景下的量子涨落，最终导致了宇宙中的恒星、星系和其他大规模结构。图片版权：E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research
这被认为是一种紧实但投机的想法，但有一种方法可以检验它。如果我们能够测量大爆炸的余辉的波动，它们表现出与通胀预测一致的特定模式，那将是通胀的“确凿证据”。此外这些波动必须非常小，以至于宇宙无法达到创造高能遗迹所需的温度，而且比空间和时间似乎从奇点中出现的温度和密度要小得多。在20世纪90年代，2000年代，在2010年代，科学家们对这些波动进行了详细的测量，发现了这一点。
宇宙微波背景辐射的涨落，以COBE(大尺度)威尔金森微波各向异性探测器(中间尺度)和普朗克(小尺度)都是符合不仅带来一组尺度不变的量子涨落。但如此之低的大小他们不可能出现从任意热密集的区域。图片：NASA / WMAP science team
结论是不可避免的：热的大爆炸确实发生了但并没有延伸到一个任意炎热和稠密的状态。相反早期宇宙经历了一段时间，所有进入物质和辐射的能量都被束缚在空间本身的结构中。这段时期被称为宇宙膨胀，结束并引发了热的大爆炸，但从未创造出一个任意炙热、稠密的状，也没有创造一个奇点。在膨胀之前发生了什么——或者膨胀是否已经过去——仍然是一个悬而未决的问题，但有一件事是肯定的：大爆炸并不是宇宙的开始！
作者：Ethan Siegel（天体物理学家）
来自：Forbes science
编译：光量子
审校：博科园
