宇宙開始并非低聲的嗚咽，而是大爆炸！至少這就是你們常說的：宇宙和它內(nèi)部所有的東西都是在大爆炸的時(shí)候就存在的�？臻g，時(shí)間和所有的物質(zhì)和能量都是從一個(gè)奇點(diǎn)開始，然后逐漸擴(kuò)大和冷卻，在數(shù)十億年的時(shí)間中由原子逐步形成恒星，星系和星系團(tuán)，它們散布在數(shù)十億光年之內(nèi)形成了我們今天所看到的宇宙。這是一個(gè)令人著迷而又美麗的畫面，它解釋了我們所看到的很多現(xiàn)象，從目前宇宙的兩萬億個(gè)星系的大規(guī)模結(jié)構(gòu)到所有現(xiàn)存物質(zhì)因輻射滲透而產(chǎn)生的殘余的輝光。不幸的是，這也是錯(cuò)誤的，而這個(gè)知識(shí)我們已經(jīng)掌握了近40年。
大爆炸的猜想誕生于二十世紀(jì)二三十年代。當(dāng)我們觀察遙遠(yuǎn)的星系時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了一些奇特的現(xiàn)象：離我們?cè)竭h(yuǎn)的東西，看起來它們離開我們的速度也會(huì)越快。根據(jù)愛因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)測，一個(gè)靜止的宇宙引力是不穩(wěn)定的; 如果空間結(jié)構(gòu)遵循這個(gè)法則，一切物體都需要遠(yuǎn)離對(duì)方或彼此塌縮。這次明顯的衰退現(xiàn)象告訴我們，宇宙正在膨脹，隨著時(shí)間的推移，宇宙中的物體會(huì)相隔越來越遠(yuǎn)，這意味著宇宙在遙遠(yuǎn)的過去比今天更為致密。
一個(gè)不斷膨脹的宇宙不僅意味著隨著時(shí)間的推移，物體之間變得越來越遠(yuǎn)，也意味著宇宙中存在的光線會(huì)隨著時(shí)間的推移而不斷延伸。由于波長決定能量（波長越短，能量越高），這意味著宇宙隨著時(shí)間的推移會(huì)逐漸變冷，因此在過去，宇宙比現(xiàn)在更熱。如果把時(shí)間推移的足夠遠(yuǎn)，你會(huì)到達(dá)一個(gè)極為熾熱的時(shí)刻，甚至中性原子都無法形成。如果這張照片是正確的，我們今天在所有方向上觀測到的殘余輻射已經(jīng)冷卻到僅僅比絕對(duì)零度高了幾度。1964年阿諾·彭齊亞斯和鮑勃·威爾遜觀測到了這個(gè)宇宙微波背景輻射，這是對(duì)令人驚嘆的大爆炸的證實(shí)。
因此，隨著時(shí)間推移的推移，當(dāng)宇宙變的更熾熱，更致密，更緊湊時(shí)，如果你繼續(xù)向前推移，你會(huì)發(fā)現(xiàn)：
這時(shí)的溫度太高以至于不能形成原子核，那里的輻射太炎熱了，任何結(jié)合的質(zhì)子和中子都會(huì)被分開。
因?yàn)橛钪嬷谐錆M能量，所以在這個(gè)時(shí)刻物質(zhì)和反物質(zhì)對(duì)可以自發(fā)形成。此時(shí)會(huì)自發(fā)地產(chǎn)生成對(duì)的粒子/反粒子。
當(dāng)單個(gè)質(zhì)子和中子分解成夸克 - 膠子等離子體時(shí)，溫度和密度如此之高使得宇宙變得比原子核的內(nèi)部更加致密。
最后，一個(gè)密度和溫度上升到無窮大的時(shí)候，宇宙中的所有物質(zhì)和能量都包含在一個(gè)單一的點(diǎn)內(nèi)：一個(gè)奇點(diǎn)。
最后的這一點(diǎn)——這個(gè)奇點(diǎn)宣告了物理學(xué)定律的瓦解——也可以理解為空間和時(shí)間的起源。這是大爆炸的最終概念。
當(dāng)然，除了最后一點(diǎn)之外的一切都被證實(shí)是真的！我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室里創(chuàng)造了夸克——膠子等離子體; 我們創(chuàng)造了物質(zhì)——反物質(zhì)對(duì); 我們已經(jīng)做了計(jì)算，在宇宙的早期階段，應(yīng)該形成哪些光元素以及它們的豐度。結(jié)果證實(shí)它們符合大爆炸理論的預(yù)測。更進(jìn)一步來說，我們測量了宇宙微波背景下的波動(dòng)，并觀察了恒星和星系如何形成和增長的引力結(jié)構(gòu)。無論我們觀測什么地方，我們總能在理論與觀測結(jié)果之間找到極好的一致性。大爆炸理論看起來是很成功的。
除此之外，還存在幾個(gè)方面的問題。你滿懷期待想要在大爆炸過程中看到的三件事并沒有發(fā)生。特別是：
1. 宇宙在不同的方向上溫度相同，盡管在一個(gè)方向上幾十億光年遠(yuǎn)的地方，沒有時(shí)間（自大爆炸以后）與相反方向一個(gè)數(shù)十億光年的區(qū)域相互作用或交換信息。
2. 宇宙沒有一個(gè)可測量的空間曲率，但這并不意味著其空間曲率為零。即使宇宙空間完全平坦，仍需要在初始膨脹和物質(zhì)和輻射密度之間實(shí)現(xiàn)完美的平衡。
3. 宇宙盡管沒有任何剩余的超高能量遺跡，即使宇宙的溫度反復(fù)無常，創(chuàng)造這些遺跡的溫度也應(yīng)該存在。
考慮到這些問題的理論學(xué)家們開始思考“大爆炸”和“奇點(diǎn)”的替代方案，而不是什么創(chuàng)造了那種熾熱，致密并不斷膨脹的冷卻狀態(tài)，同時(shí)避免這些問題。在1979年12月，阿蘭·古斯找到了解決方案。
宇宙本可以從一個(gè)沒有物質(zhì)，沒有輻射，沒有反物質(zhì)，沒有中微子，也沒有粒子的狀態(tài)開始，而不是一個(gè)溫度忽高忽低、十分密實(shí)的狀態(tài)。宇宙中所有能量都被束縛在空間自身的結(jié)構(gòu)中：一種真空能量的形式，它會(huì)使宇宙以指數(shù)速度膨脹。在這個(gè)宇宙狀態(tài)中，量子漲落仍然存在，因此，隨著空間的膨脹，這些波動(dòng)將在整個(gè)宇宙中被延伸，形成比平均能量密度或大或小的區(qū)域。最后，當(dāng)宇宙的這個(gè)階段——這段時(shí)間的膨脹——結(jié)束時(shí)，能量將被轉(zhuǎn)化為物質(zhì)和輻射，形成一個(gè)熾熱、稠密的狀態(tài)，這與大爆炸同義。
這是一個(gè)奪人眼球卻有些投機(jī)的想法，我們有一種方法可以檢驗(yàn)它。如果我們能夠測量大爆炸的殘余熱量的波動(dòng)，并且它們符合宇宙暴脹理論的預(yù)測，這將是宇宙膨脹的“確鑿證據(jù)”。此外，這些波動(dòng)幅度必須非常小：足夠小，以至于宇宙永遠(yuǎn)不可能達(dá)到創(chuàng)造高能遺跡所需要的溫度，而且要比溫度和密度小得多，因?yàn)闀r(shí)間和空間是從一個(gè)奇點(diǎn)誕生的。在20世紀(jì)90年代，2000年和2010年，我們對(duì)這些波動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的測量，并證實(shí)了這一點(diǎn)。
結(jié)論是確鑿無誤的：熱大爆炸確實(shí)發(fā)生了，但并沒有延伸到一個(gè)溫度任意和密集的狀態(tài)。相反，早期的宇宙經(jīng)歷了一段時(shí)間，在這個(gè)時(shí)期，所有能夠融入現(xiàn)在的物質(zhì)和輻射的能量都被束縛在空間的結(jié)構(gòu)中。這一時(shí)期被稱為“宇宙膨脹”，但從未創(chuàng)造出溫度反復(fù)無常，而又致密的狀態(tài)，也沒有創(chuàng)造出奇點(diǎn)。在膨脹之前發(fā)生的事情——或膨脹是否永遠(yuǎn)是過去的——仍然是一個(gè)懸而未決的問題，但有一件事是確定的：大爆炸并非宇宙的開端！
責(zé)編：微科普