大爆炸并非宇宙的开端

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我们今天所处的这个不断膨胀和冷却中的宇宙，在过去一定是更加炎热而致密的。最初，大爆炸被认为起源于奇点这个基本的，炽热而又致密的状态。但我们今天了解到了更多。

来源：NASA / GSFC

宇宙开始并非低声的呜咽，而是大爆炸！至少这就是你们常说的：宇宙和它内部所有的东西都是在大爆炸的时候就存在的。空间，时间和所有的物质和能量都是从一个奇点开始，然后逐渐扩大和冷却，在数十亿年的时间中由原子逐步形成恒星，星系和星系团，它们散布在数十亿光年之内形成了我们今天所看到的宇宙。这是一个令人着迷而又美丽的画面，它解释了我们所看到的很多现象，从目前宇宙的两万亿个星系的大规模结构到所有现存物质因辐射渗透而产生的残余的辉光。不幸的是，这也是错误的，而这个知识我们已经掌握了近40年。

首先，维斯托·斯里弗指出，一个星系越远，通常来说，观察到它远离我们的速度就会越快。多年来，这种说法一直不被人们所接受，直到哈勃的观察结果最终指向了唯一一种结果：宇宙正在膨胀。

来源：Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

大爆炸的猜想诞生于二十世纪二三十年代。当我们观察遥远的星系时，我们发现了一些奇特的现象：离我们越远的东西，看起来它们离开我们的速度也会越快。根据爱因斯坦广义相对论的预测，一个静止的宇宙引力是不稳定的; 如果空间结构遵循这个法则，一切物体都需要远离对方或彼此塌缩。这次明显的衰退现象告诉我们，宇宙正在膨胀，随着时间的推移，宇宙中的物体会相隔越来越远，这意味着宇宙在遥远的过去比今天更为致密。

你看的越远，宇宙就处于越早的状态，温度越高，也更加致密，宇宙就是这样演变的。

来源：NASA / STScI / A. Felid

一个不断膨胀的宇宙不仅意味着随着时间的推移，物体之间变得越来越远，也意味着宇宙中存在的光线会随着时间的推移而不断延伸。由于波长决定能量（波长越短，能量越高），这意味着宇宙随着时间的推移会逐渐变冷，因此在过去，宇宙比现在更热。如果把时间推移的足够远，你会到达一个极为炽热的时刻，甚至中性原子都无法形成。如果这张照片是正确的，我们今天在所有方向上观测到的残余辐射已经冷却到仅仅比绝对零度高了几度。1964年阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊观测到了这个宇宙微波背景辐射，这是对令人惊叹的大爆炸的证实。

根据彭齐亚斯和威尔逊的最初观察，银河面发射了一些天体物理辐射源（中心），在上面和下面，所有的辐射都是近乎完美的，均匀的辐射背景。

来源：NASA / WMAP Science Team

因此，随着时间推移的推移，当宇宙变的更炽热，更致密，更紧凑时，如果你继续向前推移，你会发现：

1. 这时的温度太高以至于不能形成原子核，那里的辐射太炎热了，任何结合的质子和中子都会被分开。

2. 因为宇宙中充满能量，所以在这个时刻物质和反物质对可以自发形成。此时会自发地产生成对的粒子/反粒子。

3. 当单个质子和中子分解成夸克 - 胶子等离子体时，温度和密度如此之高使得宇宙变得比原子核的内部更加致密。

4. 最后，一个密度和温度上升到无穷大的时候，宇宙中的所有物质和能量都包含在一个单一的点内：一个奇点。

最后的这一点——这个奇点宣告了物理学定律的瓦解——也可以理解为空间和时间的起源。这是大爆炸的最终概念。

如果我们再往前推，我们就会达到一个更早，温度更高，密度更大的状态。是不是达到了奇点的顶峰，物理定律本身就会崩溃？

来源：NASA / CXC / M.Weiss

当然，除了最后一点之外的一切都被证实是真的！我们在实验室里创造了夸克——胶子等离子体; 我们创造了物质——反物质对; 我们已经做了计算，在宇宙的早期阶段，应该形成哪些光元素以及它们的丰度。结果证实它们符合大爆炸理论的预测。更进一步来说，我们测量了宇宙微波背景下的波动，并观察了恒星和星系如何形成和增长的引力结构。无论我们观测什么地方，我们总能在理论与观测结果之间找到极好的一致性。大爆炸理论看起来是很成功的。

宇宙微波背景下的密度波动为现代宇宙结构的形成提供了原始物质，包括恒星，星系，星系团，丝状体和大规模宇宙空间。

来源：Chris Blake and Sam Moorfield

除此之外，还存在几个方面的问题。你满怀期待想要在大爆炸过程中看到的三件事并没有发生。特别是：

1.  宇宙在不同的方向上温度相同，尽管在一个方向上几十亿光年远的地方，没有时间（自大爆炸以后）与相反方向一个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，但这并不意味着其空间曲率为零。即使宇宙空间完全平坦，仍需要在初始膨胀和物质和辐射密度之间实现完美的平衡。

3.  宇宙尽管没有任何剩余的超高能量遗迹，即使宇宙的温度反复无常，创造这些遗迹的温度也应该存在。

考虑到这些问题的理论学家们开始思考“大爆炸”和“奇点”的替代方案，而不是什么创造了那种炽热，致密并不断膨胀的冷却状态，同时避免这些问题。在1979年12月，阿兰·古斯找到了解决方案。

在一个膨胀的宇宙中，空间本身固有的能量，会引发指数式的膨胀。在任何时候，总有一种非零的可能性，即膨胀会结束（用红色“X”表示），从而产生了一个炽热，稠密的状态，在那里，宇宙充满了物质和辐射。但在没有尽头的区域，空间仍在不断膨胀。