宇宙大爆炸並沒有奇點出現？你認為有奇異點嗎？

138.17億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地球生命！幾乎每個人都聽說過宇宙大爆炸理論的故事，但是如果你問任何人，從一個普通人到一個宇宙學家，會得到很多不同的答案。其中最常見的一種是「奇點」，奇點指的是宇宙中所有物質和能量都集中在一個點上的瞬間。

從宇宙大爆炸到現在，在宇宙膨脹的背景下，宇宙歷史的一個例證，在熱大爆炸之前，宇宙處於暴脹狀態，但所有這些都必須在奇點之前，這一觀點已經過時了。圖片：NASA / WMAP SCIENCE TEAM

博科園-科學科普：宇宙的溫度、密度和能量將是任意的，無限大的，甚至可以與時間和空間本身的誕生相一致。但這（上圖）張照片不僅是錯的，而且已經快40年了！可以說，並沒有出現與大爆炸有關的奇異現象，甚至可能根本就沒有空間和時間的誕生，這是我們知道的以及我們是如何知道的。

GOODS-North研究中心在圖中展示了迄今為止觀測到的一些最遙遠星系，其中很多星系我們已經無法到達，當我們觀察越來越遠的距離時，發現由於宇宙的膨脹，越來越遠的星系似乎正以越來越快的速度從我們身邊退去。圖片：NASA, ESA, AND Z. LEVAY (STSCI)

當觀測今天的宇宙時，看到宇宙在各個方向不同的距離上都充滿大量的星系。平均來說，也發現星系越遠，它就越快從我們這裡消失。這不是由於各個星系通過空間的實際運動所致；這是因為空間本身的結構正在膨脹。這是1922年由亞歷山大弗里德曼首次提出的廣義相對論預測，並在20世紀20年代由埃德溫-哈勃和其他人的研究證實。這意味著，隨著時間的推移，宇宙內部的物質擴散開來，密度降低，因為宇宙的體積增加了。這也意味著，如果我們回顧過去，宇宙會變得更密集、更熱、更均勻。

如果一直往前推斷，會得到更早，更熱，更密集的狀態，這是否最終導致了奇點出現？物理定律本身在奇點中失效？圖片：NASA / CXC / M.WEISS

如果把時間推得越來越遠，會開始注意到宇宙的一些重大變化：

1、將會進入這樣一個時代：引力沒有足夠的時間把物質拉進足夠大的團狀物以形成恆星和星系

2、會發現宇宙是如此的熱以至於不能形成中性原子

3、在其中甚至原子核都被炸開

4、物質-反物質對會自發形成

5、單個質子和中子會被分解成夸克和膠子

奇點是傳統物理學崩潰的地方，然而在宇宙中實現任意的熱、密集的狀態是有後果的，而且它們中的許多不能滿足觀測。圖片：2007-2016, MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS, POTSDAM

每一步都代表著宇宙的年輕、更小、密度更大、溫度更高的時候。最終，如果繼續倒推，會看到這些密度和溫度上升到無限的值，因為宇宙中所有的物質和能量都包含在一個點：奇點。正如最初設想的那樣，大爆炸不僅是一種熾熱、密集、膨脹的狀態，而且代表了物理定律崩潰的瞬間。這是空間和時間的誕生：一種讓整個宇宙自發形成的方式。這是創造的終極行為：與宇宙大爆炸相關的奇點。

今天看到的恆星和星系並不總是存在的，而我們離得越遠，宇宙就越接近一個明顯的奇異點，但這種推斷是有限度的。圖片：NASA, ESA, AND A. FEILD (STSCI)

然而如果這是正確的，並且宇宙在過去已經達到了任意的高溫，那麼今天就可以觀察到一些清晰的信號。在大爆炸餘輝中會有溫度波動，會有非常大的振幅。波動會受到光速的限制，它們只會出現在宇宙視界的尺度上，而且更小。在早期會有剩餘的高能宇宙遺迹，比如磁單極子。然而溫度波動僅僅是1/30000，比單一大爆炸預測的小几千倍。超視界的波動是真實的，由WMAP和普朗克證實。磁單極子和其他超高能物質的限制非常緊密。這些缺失的特徵蘊含著這樣的含義：宇宙從未達到過這些任意高的溫度。

宇宙微波背景波動是如此之小，如此特別的模式，它們強烈地表明宇宙開始時各處的溫度都是一樣，只有1 / 30000的波動，這一事實與任意的熱大爆炸是不協調的。圖片：ESA AND THE PLANCK COLLABORATION

相反，一定有一個界限，我們不能武斷地推後到遙遠的地方，到一個熱和稠密的狀態，達到所能預想的任何能量，有多遠仍然有效地描述宇宙是有限度的。在20世紀80年代早期，有理論認為，在宇宙還沒有熱、稠密、膨脹、冷卻、充滿物質和輻射之前，宇宙就在暴脹。宇宙暴脹的一個階段意味著宇宙是：

1、充滿了空間本身固有的能量

2、導致了快速的，指數級的膨脹

3、使宇宙變得平坦

4、賦予了在任何地方都有相同的屬性

5、小振幅的量子漲落

6、延伸到所有尺度(甚至超級視界)

最後宇宙暴脹結束。

宇宙暴脹使空間呈指數增長，這很快就會導致任何預先存在的彎曲或非光滑的空間顯得平坦。如果宇宙是彎曲的，它的曲率半徑至少比我們所觀測到的要大上百倍。圖片：E. SIEGEL (L); NED WRIGHT』S COSMOLOGY TUTORIAL (R)

當發生的時候，會把之前空間固有的能量轉化成物質和輻射，從而導致熱大爆炸。但不會導致一個任意的熱大爆炸，而是一個達到了最大溫度的最大值，比奇點可能出現的尺度要小上百倍。換句話說，導致了一場由宇宙暴脹狀態產生的大爆炸，而不是一個奇點。

在可觀測宇宙中存在的信息，可以獲取和測量，只對應於最後10^-33秒的暴脹，以及隨後發生的一切。如果你想問暴脹持續了多久，那我們根本不知道。它至少持續了10-^33秒，但它是否持續了更長的時間，或者是無限長的時間，這不僅是未知的，而且是不可知的。

整個已知宇宙的歷史表明，我們應該知道宇宙中所有物質的起源，以及所有的光，最終是暴脹的結束和熱大爆炸的開始。從那時起宇宙經歷了138億年的宇宙演化，這一圖景得到了多種來源的證實。圖片：ESA AND THE PLANCK COLLABORATION / E. SIEGEL (CORRECTIONS)

那麼引發暴脹原因是什麼呢？關於它有大量的研究和推測，但是沒有人知道。沒有證據可以證明；沒有我們能觀測到的觀測結果；沒有我們能做的實驗。有些人(錯誤地)說了類似的話：在了解通貨膨脹之前，有了一個巨大的爆炸奇點，形成了一個熱，稠密，膨脹的宇宙，而暴脹僅僅代表了一個中間階段。因此順序是這樣的：先奇點，中間暴脹，最後熱大爆炸。甚至有一些由頂級宇宙學家製作非常著名的圖表來解釋這幅圖景，但這並不意味著這是正確的。

這是由暴脹結束引起的密度（標量）和引力波（張量）波動的圖解。但注意，假設在暴脹之前存在一個奇點並不一定有效。圖片：NASA, JPL, KECK FOUNDATION, MOORE FOUNDATION, RELATED

事實上，有很好的理由相信這是不對的！可以從數學上證明，一個暴脹的狀態是不可能由奇點產生。原因如下：在暴脹期間，空間以指數速度擴張。想想指數是如何運作的：在一段時間後，宇宙的大小會翻倍。如果時間是原來的兩倍，它翻了兩倍，是原來的四倍大。再等三倍的時間，它翻了三倍，是原來的八倍大。

如果是原來10到100倍的時間，那些不確定的東西會使宇宙的大小是2^10或2^100倍。也就是說，如果我們以同樣的量，或者兩倍，或者三倍，或者10倍或100倍……回到過去，宇宙會變得更小，但永遠不會達到0。分別是一半，四分之一，八分之一，2^-10，或2^-100倍……於原來的大小。但無論如何縮小，都無法達到奇點。

藍色和紅色的線代表了「傳統的」大爆炸場景，所有的一切都從時間t=0開始，包括時空本身。但是在暴漲的情況下(黃色)，永遠不會到達一個奇異點，在這個奇異點上空間會變成一個奇異的狀態；相反它只能在過去變得任意小，而時間則是無限。圖片：E. SIEGEL

宇宙學有個著名的理論，表明暴脹狀態是不完整的。很明顯這意味著，如果有任何粒子存在於膨脹的宇宙中，如果回溯時間，它們最終會相遇。然而這並不意味著一定有一個奇點，而是說，通貨膨脹並不能描述宇宙歷史中發生的一切，就像它的誕生一樣。我們也知道，例如暴脹不能從單一狀態產生，因為暴脹區域必須總是從有限的大小開始。

時空本身在量子尺度上的波動在暴脹期間在宇宙中被拉伸，導緻密度和引力波的缺陷。暴脹是否起源於最終的奇點，目前還不得而知。圖片：E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH

每當你看到一個圖表、一篇文章或一個故事談論「大爆炸奇點」或任何一種在暴脹之前存在的大爆炸/奇點，你就會知道你正在處理的是一種過時的思維方式。大爆炸奇點的概念在我們意識到有一個不同的狀態（暴脹狀態）之前並建立了熱大爆炸早期的，熱和密集的狀態之後就消失了。可能在空間和時間的一開始就有一個奇點，之後就會出現宇宙暴脹，但這並不能保證。在科學中，有一些我們可以測試、測量、預測、確認或反駁的東西，就像一個引發熱大爆炸的宇宙暴脹狀態，還有其他的嗎？

博科園-科學科普｜文：Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

博科園-傳遞宇宙科學之美

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