大爆炸是毋庸置疑的。一位專家揭示了原因。

一切是如何開始的？這是人類思考了數(shù)千年的問題。在過去的一個(gè)世紀(jì)左右，科學(xué)已經(jīng)找到了答案：Big Bang 宇宙.

這描述了宇宙是如何在近 140 億年前的災(zāi)難性爆炸中誕生的。在一個(gè)小小的幾分之一秒，可觀測宇宙的生長相當(dāng)于一種細(xì)菌膨脹到銀河系的大小。早期的宇宙非常熱，密度極高。但是我們怎么知道這發(fā)生了呢？

讓我們先來看證據(jù)。1929 年，美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)的星系正在搬走彼此之間，導(dǎo)致人們意識(shí)到宇宙正在膨脹。

如果我們把時(shí)鐘撥回到宇宙的誕生，膨脹就會(huì)逆轉(zhuǎn)，星系會(huì)在 140 億年前彼此重疊。這個(gè)時(shí)代與古老天文對(duì)象我們觀察.

這個(gè)想法最初遭到了懷疑——實(shí)際上是一個(gè)懷疑論者，英國天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾，誰創(chuàng)造了這個(gè)名字?；粢翣栔S刺地將這個(gè)假設(shè)駁斥為”Big Bang“ 期間接受 BBC 電臺(tái)采訪1949 年 3 月 28 日。

然后，在 1964 年，Arno Penzias 和 Robert Wilson 檢測到了特定類型的輻射這填滿了所有的空間。這被稱為宇宙微波背景 （CMB）輻射。它是宇宙僅 380,000 歲時(shí)釋放的大爆炸余輝。

CMB 提供了一個(gè)窗口，可以了解宇宙開始時(shí)的炎熱、密集的條件。Penzias 和 Wilson 被授予1978 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)為他們的發(fā)現(xiàn)。

最近，粒子加速器的實(shí)驗(yàn)就像大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī) （LHC） 一樣揭示了更接近大爆炸時(shí)期的情況。我們對(duì)這些高能量的物理學(xué)的理解表明，在大爆炸后的最初時(shí)刻，四大基本力量今天存在的物理學(xué)最初被組合成一個(gè)力。

現(xiàn)在的四種力是重力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力。隨著宇宙膨脹和冷卻，一系列巨大的變化，稱為相變（如水的沸騰或凍結(jié)），將這些力分開。

粒子加速器的實(shí)驗(yàn)表明，在大爆炸后的數(shù)十億分之一秒，這些相變中最近的一次發(fā)生了。這就是電弱統(tǒng)一的崩潰，當(dāng)電磁學(xué)和弱核力停止結(jié)合時(shí)。這是宇宙中所有物質(zhì)都呈現(xiàn)出它的質(zhì)量的時(shí)候。

隨著時(shí)間的推移，宇宙中充滿了一種奇怪的物質(zhì)，稱為夸克膠子等離子體.顧名思義，這種“原始湯”是由夸克和膠子組成的。這些是負(fù)責(zé)強(qiáng)大核力的亞原子粒子?？淇四z子等離子體是人工的生成于 2010 年在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室 （Brookhaven National Laboratory） 和2015 年在 LHC.

夸克和膠子彼此具有很強(qiáng)的吸引力，今天它們以質(zhì)子和中子的形式結(jié)合在一起，而質(zhì)子和中子又是原子的組成部分。然而，在早期宇宙的炎熱和密集的條件下，它們獨(dú)立存在。

夸克膠子等離子體并沒有持續(xù)很長時(shí)間。在大爆炸后僅幾百萬分之一秒，隨著宇宙膨脹和冷卻，夸克和膠子以質(zhì)子和中子的形式聚集在一起，這種情況一直持續(xù)到今天。此事件稱為夸克限制。

隨著宇宙進(jìn)一步膨脹和冷卻，宇宙中的高能光子（光粒子）比以前少了。這是名為大爆炸核合成 （BBN）.

這是第一個(gè)原子核– 由質(zhì)子和中子組成并在原子中心發(fā)現(xiàn)的致密物質(zhì)塊 – 通過以下方式形成核聚變反應(yīng)，就像那些為太陽提供動(dòng)力的反應(yīng)一樣。

當(dāng)宇宙中有更多的高能光子時(shí)，任何形成的原子核都會(huì)很快被它們摧毀（這個(gè)過程稱為光分解）。BBN 在大爆炸后幾分鐘就停止了，但其后果今天是可以觀察到的。

天文學(xué)家的觀測為我們提供了這些聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的元素原始豐度的證據(jù)。結(jié)果非常緊密契合BBN 理論。如果我們繼續(xù)前進(jìn)，在近 140 億年的時(shí)間里，我們將達(dá)到今天存在的情況。但是，我們能有多接近理解大爆炸本身附近發(fā)生的事情呢？

科學(xué)家們沒有直接證據(jù)證明電弱統(tǒng)一崩潰之前（當(dāng)電磁和弱核力停止結(jié)合時(shí)）發(fā)生了什么。在如此高能量和早期，我們只能凝視著大爆炸的奧秘。那么理論暗示了什么呢？

當(dāng)我們回顧宇宙的歷史時(shí)，距離和體積會(huì)縮小，而平均能量密度會(huì)增加。在大爆炸中，距離和體積下降到零，宇宙的所有部分都彼此重疊，宇宙的能量密度變得無限。

我們描述空間演化和宇宙膨脹的數(shù)學(xué)方程式被零和無窮大所侵?jǐn)_，不再有意義。

我們稱之為奇點(diǎn).阿爾伯特·愛因斯坦的理論廣義相對(duì)論描述時(shí)空的形成方式。時(shí)空是描述宇宙的三維幾何圖形的一種方式，與時(shí)間混合在一起。時(shí)空曲率產(chǎn)生引力。

但數(shù)學(xué)表明，宇宙中有些地方的時(shí)空曲率變得無限。這些位置稱為奇點(diǎn)。一個(gè)這樣的例子可以在黑洞.在這些地方，廣義相對(duì)論崩潰了。

從 1965 年到 1966 年，英國理論物理學(xué)家斯蒂芬·霍金和羅杰·彭羅斯提出了許多數(shù)學(xué)定理，證明膨脹宇宙的時(shí)空必須以過去的奇點(diǎn)結(jié)束：大爆炸奇點(diǎn)。

彭羅斯收到了2020 年諾貝爾獎(jiǎng).霍金去世2018 年，諾貝爾獎(jiǎng)不追授?？臻g和時(shí)間出現(xiàn)在大爆炸奇點(diǎn)上，因此“在大爆炸之前”發(fā)生了什么的問題沒有得到很好的定義。就科學(xué)所能判斷的而言，沒有以前;大爆炸是時(shí)間的開始。

然而，僅用廣義相對(duì)論并不能準(zhǔn)確描述自然界，盡管后者已經(jīng)存在了 100 多年并且沒有被證偽。廣義相對(duì)論不能描述原子、核聚變或放射性。相反，這些現(xiàn)象由量子理論來解決。

來自“經(jīng)典”物理學(xué)的理論，例如相對(duì)論,是確定性的.這意味著某些初始條件具有確定的結(jié)果，因此是絕對(duì)可預(yù)測的。量子理論，則是概率性的。這意味著宇宙中的某些初始條件可能會(huì)有多種結(jié)果。

量子理論在某種程度上是預(yù)測性的，但以概率的方式。結(jié)果被分配了存在的可能性。如果概率的數(shù)學(xué)分布在某個(gè)結(jié)果處急劇達(dá)到峰值，那么這種情況可以用“經(jīng)典”理論（如廣義相對(duì)論）很好地描述。

但并非所有系統(tǒng)都是這樣的。在某些系統(tǒng)中，例如原子，概率分布是分散的，經(jīng)典描述不適用。

重力呢？在絕大多數(shù)情況下，經(jīng)典物理學(xué)很好地描述了引力。經(jīng)典時(shí)空是平滑的。

然而，當(dāng)曲率變得極端，接近奇點(diǎn)時(shí)，引力的量子性質(zhì)就不能被忽視。在這里，時(shí)空不再是光滑的，而是粗糙的，類似于地毯，從遠(yuǎn)處看是光滑的，但近看卻充滿了纖維和線。

因此，在大爆炸奇點(diǎn)附近，時(shí)空的結(jié)構(gòu)不再是平滑的。數(shù)學(xué)定理表明，時(shí)空被“粗糙”的特征所淹沒：鉤子、環(huán)和氣泡。這種快速波動(dòng)的情況稱為時(shí)空泡沫.

在時(shí)空泡沫中，因果關(guān)系不適用，因?yàn)闀r(shí)空中存在閉環(huán)，事件的未來也是它的過去（所以它的結(jié)果也可以是它的原因）。

量子理論的概率性質(zhì)表明，當(dāng)概率分布均勻時(shí)，所有結(jié)果都是平等的可能性，而我們與經(jīng)典物理學(xué)理解相關(guān)聯(lián)的舒適因果關(guān)系概念就消失了。

因此，如果我們回到過去，就在我們遇到大爆炸奇點(diǎn)之前，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)自己進(jìn)入了一個(gè)引力的量子效應(yīng)占主導(dǎo)地位且因果關(guān)系不適用的時(shí)代。這稱為普朗克紀(jì)元。

時(shí)間不再是線性的，從過去到未來，而是變得封閉、混亂和隨機(jī)。這意味著“為什么會(huì)發(fā)生大爆炸”這個(gè)問題沒有意義，因?yàn)樵谝蚬P(guān)系之外，事件不需要一個(gè)原因來發(fā)生。

為了理解物理學(xué)在像大爆炸這樣的奇點(diǎn)上是如何運(yùn)作的，我們需要一個(gè)根據(jù)量子理論來解釋引力如何表現(xiàn)的理論。很遺憾，我們沒有。在這方面有許多努力，例如環(huán)量子引力和弦理論，以及它的各種化身。

然而，這些努力充其量是不完整的，因?yàn)檫@個(gè)問題是出了名的困難。這意味著時(shí)空泡沫具有圖騰般的強(qiáng)大神秘感，就像古老的赫西俄德之混沌希臘人認(rèn)為這在一開始就存在。

那么，我們不斷膨脹的、基本上是經(jīng)典的宇宙是如何從時(shí)空泡沫中逃脫出來的呢？這就把我們帶到了宇宙膨脹。后者被定義為早期宇宙加速膨脹的時(shí)期。它首先由俄羅斯理論物理學(xué)家提出阿列克謝·斯塔羅賓斯基1980 年和同年，由美國物理學(xué)家艾倫·古斯，誰創(chuàng)造了這個(gè)名字。

根據(jù)觀察，膨脹使宇宙變得龐大而均勻。它還迫使宇宙在空間上是平坦的，這在原本上是一種不穩(wěn)定的情況，但這也已被觀測所證實(shí)。

此外，膨脹提供了一種自然機(jī)制來產(chǎn)生宇宙密度的原始不規(guī)則性，這些不規(guī)則性對(duì)于星系和星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)的形成至關(guān)重要。

理論證明是正確的

精確觀察宇宙微波背景近幾十年來，已經(jīng)非常壯觀證實(shí)了預(yù)測的通貨膨脹。我們也知道宇宙確實(shí)可以加速擴(kuò)張，因?yàn)樵谶^去的幾十億年里，它又開始這樣做了。

這和時(shí)空泡沫有什么關(guān)系呢？嗯，事實(shí)證明，如果膨脹的條件（偶然地）出現(xiàn)在一塊波動(dòng)的時(shí)空中，就像時(shí)空泡沫一樣，那么這個(gè)區(qū)域就會(huì)膨脹并開始符合經(jīng)典物理學(xué)。

根據(jù)一個(gè)想法首次提議俄裔美國物理學(xué)家安德烈·林德 （Andrei Linde） 認(rèn)為，膨脹是早期宇宙中混沌初始條件的自然——也許是不可避免的——結(jié)果。

關(guān)鍵是，我們的經(jīng)典宇宙可能是通過經(jīng)歷最初的膨脹而從混亂的狀態(tài)中出現(xiàn)的，就像時(shí)空泡沫中的那些。這會(huì)引發(fā)宇宙的膨脹。事實(shí)上，天文學(xué)家對(duì) CMB 的觀測表明，最初的提升是爆炸性的，因?yàn)榕蛎浧陂g的膨脹是指數(shù)級(jí)的。

2014 年 3 月 20 日，Alan Guth簡潔地解釋道：“我通常將膨脹描述為大爆炸的'爆炸'理論：它描述了我們稱之為大爆炸的推進(jìn)機(jī)制。”

所以，你有它。我們宇宙的 140 億年歷史始于太空中無處不在的災(zāi)難性爆炸，我們稱之為大爆炸。這一點(diǎn)是毋庸置疑的。

這次爆炸實(shí)際上是一個(gè)爆炸性膨脹的時(shí)期，我們稱之為宇宙膨脹。不過，在通貨膨脹之前會(huì)發(fā)生什么？它是時(shí)空奇點(diǎn)，是時(shí)空泡沫嗎？答案在很大程度上是未知的。

事實(shí)上，它甚至可能是不可知的，因?yàn)橛幸粋€(gè)數(shù)學(xué)定理禁止我們訪問有關(guān)通貨膨脹開始的信息，很像阻止我們了解黑洞內(nèi)部.所以，從我們的角度來看，宇宙膨脹是大爆炸，是這一切的開始。

康斯坦丁諾斯·迪莫普洛斯， 粒子宇宙學(xué)教授，蘭卡斯特大學(xué)

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