【博科園-科學科普】138億年前宇宙大爆炸時亦是我們這個宇宙的開端，是時間的起點，空間的起點，萬物的起點，以純能量開始的宇宙從無到有創造了無數宇宙奇蹟，當然更奇蹟的我覺得莫過於我們地球生命！（這是我們之前大爆炸理論的觀點，下面我們一起來看看新的）

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今天像我們這樣膨脹和冷卻的宇宙，一定比過去更熱、更緻密。起初大爆炸被認為是這個終極、炙熱、緻密的狀態出現的奇點，但我們今天應該更清楚了！圖片版權：NASA / GSFC

宇宙不是以嗚咽的方式開始的，而是砰的一聲！至少這是你經常被告知宇宙和它的一切都是在大爆炸的時刻出現的。空間、時間和所有物質和能量都是從一個奇異點開始的，然後擴展和冷卻，在數十億年的時間裡，讓原子、恆星、星系和星系團在數十億光年的範圍內擴散，形成我們可觀測的宇宙。這是一個令人信服的、美麗的畫面，它解釋了我們所看到的許多東西，從目前宇宙中2萬億星系的大規模結構，到微波背景輻射的剩餘光芒。科學家已經知道了近40年：不這也許錯誤的。

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首先由斯里弗爾注意到一個星系的距離越遠，它就越快的遠離我們。多年來這一解釋一直沒有得到解釋，直到哈勃的觀測讓我們把這些碎片拼在一起：宇宙在膨脹。圖片版權：Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

大爆炸理論最早出現在20世紀20年代和30年代。當天文學家觀察遙遠的星系時發現了一些奇特的東西：離我們越遠它們就越快的遠離我們。根據愛因斯坦廣義相對論的預測：一個靜止的宇宙將會在引力上不穩定;如果空間結構服從了他的定律，那麼所有的東西都需要離開彼此或者彼此崩潰。對這次明顯的衰退的觀察告訴我們宇宙今天正在膨脹，如果隨著時間的推移，事情變得越來越遠，這意味著它們在遙遠的過去更接近了。

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如果你看得更遠更遠，就能看到越早，越熱，密度越高，越不演化的宇宙原來是這樣的。圖片版權：NASA / STScI / A. Felid

膨脹的宇宙並不意味著隨著時間的推移，物體會越來越遠也意味著隨著時間的推移，宇宙中存在的光會隨著時間的推移而延伸。由於波長決定能量(更短的能量更強)，這意味著宇宙隨著年齡的增長而變冷，因此在過去事情變得更熱了。再推斷一下你會發現所有東西都很熱，甚至中性原子都無法形成。如果這張照片是正確的，那麼我們應該看到今天的輻射在所有方向上都已經冷卻到絕對零度以上的溫度。1964年阿諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和鮑勃·威爾遜(Bob Wilson)發現了宇宙微波背景，這是對大爆炸的驚人證實。

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根據對彭齊亞斯和威爾遜的原始觀測，銀河平面發射了一些天體物理源輻射(中心)，但在上面和下面所有剩下的都是一個近乎完美的，均勻的輻射背景。圖片版權：NASA / WMAP Science Team

因此在宇宙更熱、更密集、更緊湊的情況下不斷地推算時間是很誘人的。如果你繼續回去就會發現：

• 1、當它太熱而不能形成原子核時，那裡的輻射太熱而任何被束縛的質子和中子都將被炸開

• 2、物質和反物質對可以自的發形成，因為宇宙充滿能量，所以粒子/反粒子可以自發形成

• 3、一段時間裡單個質子和中子分解成夸克膠子等離子體，因為溫度和密度如此之高，以至於宇宙變得比原子核的密度更大

• 4、最後一個密度和溫度上升到無窮大的時間，因為宇宙中的物質和能量都包含在一個點：一個奇異點

這是最後一點——這個奇異點代表了物理定律斷裂的地方——也被理解為空間和時間的起源，這是大爆炸的最終思想！

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如果我們往回推斷就會得到更早、更熱、更密集的狀態。這是否達到了一個奇點，物理定律本身就失效了？圖片：NASA / CXC / M.Weiss

當然除了最後一點，一切都被證實是真的！科學家在實驗室里製造了夸克膠子等離子體，我們創造了物質和反物質，科學家們已經做了一些計算，在宇宙的早期階段，元素的形成和丰度進行了測量，並發現它們與大爆炸的預測相吻合。在更遠的地方測量了宇宙微波背景下的起伏，看到了恆星和星系等引力的結構是如何形成和成長的。無論我們在哪裡都能在理論和觀察之間找到一個巨大的共識，大爆炸看起來像是一個贏家。

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宇宙微波背景的密度波動為現代宇宙結構的形成提供了種子，包括恆星、星系、星系團、宇宙之網和大規模的宇宙空間。圖片：Chris Blake and Sam Moorfield

只是在一些方面大爆炸中有三件具體的事情沒有發生：

1. 宇宙在不同的方向上沒有不同的溫度，即使一個方向上數十億光年遠的區域從來沒有時間(因為大爆炸)與在相反方向上數十億光年的區域相互作用或交換信息

2. 宇宙沒有一個可測量的空間曲率，它與零不同，即使一個完全空間平坦的宇宙需要在初始膨脹和物質-輻射密度之間達到完美的平衡

3. 宇宙中沒有任何早期遺留下來的超高能遺迹，即使創造這些遺迹的溫度應該存在如果宇宙是任意的熱

理論家們在思考這些問題的時候便開始考慮將「奇點」替代「大爆炸」，而不是在避免這些問題的同時，重新創造出炙熱、稠密、膨脹、冷卻的狀態。1979年12月艾倫·古斯(Alan Guth)想出了一個解決辦法。

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在一個膨脹的宇宙中，空間本身具有固有的能量，導致了指數的膨脹。總有一種非零的可能性，即通脹將在任何時候結束(用紅色的「X」表示)，從而產生一個熱的、密集的狀態，在那裡宇宙充滿了物質和輻射。但在沒有盡頭的地區，空間繼續膨脹。圖片版權：E. Siegel / Beyond The Galaxy

宇宙可能已經從一個沒有物質，沒有輻射，沒有反物質，沒有中微子，沒有任何粒子的狀態開始，而不是一個任意炙熱、稠密的狀態。宇宙中所有的能量都將被束縛在空間本身的結構中:一種真空能量的形式，它使宇宙以指數的速度膨脹。在這個宇宙的狀態中，量子漲落仍然存在，隨著空間的擴大，這些波動會延伸到宇宙的各個區域，創造出比平均能量密度低得多或略低的區域。最後當宇宙的這一階段——這一時期的膨脹——結束時能量將被轉化為物質和輻射，創造出熱的、稠密的狀態與大爆炸。

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宇宙膨脹過程中，宇宙空間的量子漲落，在宇宙膨脹過程中延展，導致了宇宙微波背景下的密度波動，而宇宙微波背景下的量子漲落，最終導致了宇宙中的恆星、星系和其他大規模結構。圖片版權：E. Siegel, with images derived from ESA/Planck and the DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research

這被認為是一種緊實但投機的想法，但有一種方法可以檢驗它。如果我們能夠測量大爆炸的餘輝的波動，它們表現出與通脹預測一致的特定模式，那將是通脹的「確鑿證據」。此外這些波動必須非常小，以至於宇宙無法達到創造高能遺迹所需的溫度，而且比空間和時間似乎從奇點中出現的溫度和密度要小得多。在20世紀90年代，2000年代，在2010年代，科學家們對這些波動進行了詳細的測量，發現了這一點。

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宇宙微波背景輻射的漲落，以COBE(大尺度)威爾金森微波各向異性探測器(中間尺度)和普朗克(小尺度)都是符合不僅帶來一組尺度不變的量子漲落。但如此之低的大小他們不可能出現從任意熱密集的區域。圖片：NASA / WMAP science team

結論是不可避免的：熱的大爆炸確實發生了但並沒有延伸到一個任意炎熱和稠密的狀態。相反早期宇宙經歷了一段時間，所有進入物質和輻射的能量都被束縛在空間本身的結構中。這段時期被稱為宇宙膨脹，結束並引發了熱的大爆炸，但從未創造出一個任意炙熱、稠密的狀，也沒有創造一個奇點。在膨脹之前發生了什麼——或者膨脹是否已經過去——仍然是一個懸而未決的問題，但有一件事是肯定的：大爆炸並不是宇宙的開始！

作者：Ethan Siegel（天體物理學家）

來自：Forbes science

編譯：光量子

審校：博科園

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