爭論中的“大爆炸”：宇宙是如何開始的？

來源：新浪科技 發布時間：2019-06-19瀏覽：2889次

爭論中的“大爆炸”：宇宙是如何開始的？

　　新浪科技訊 北京時間6月19日消息，據國外媒體報道，“大爆炸”一詞對不同的人有不同的含義，最普遍的含義是，它描述了可觀測宇宙從致密、熾熱的原始狀態變得稀薄、 不斷冷卻的過程，根據這一描述，宇宙正在不斷擴張，而這一理論就像生物學界的“適者生存”學說一樣，很少有人質疑。

　　大爆炸理論還代表著宇宙學家根據如今觀察到的蛛絲馬跡、還原宇宙140億年歷史的最佳嘗試，說得更具體些，大爆炸還可以指可觀測宇宙的誕生，即事物開始變化、最終導致如今的一系列事件發生的那一瞬間。

　　關于那短短的一瞬間里究竟發生了什么，宇宙學家已經爭論了數十年，且至今仍未有定論。

　　經典大爆炸理論

　　在人類歷史的大部分時間里，觀星者們都認為宇宙是永恒、亙古不變的，而埃德溫·哈勃在上世紀20年代進行的觀測引起了軒然大波：他的觀測顯示，銀河系之外不僅存在其它星系，且這些星系的光線呈拉伸狀，這一跡象說明它們正在遠離地球。

　　當代比利時物理學家喬治·勒梅特將哈勃等人的觀測數據解讀為宇宙正在擴張的證據，而就在這不久之前，愛因斯坦剛剛發布了廣義相對論的場方程，也提出了宇宙擴張的可能性，勒梅特向前倒推，認為各個星系如今雖彼此分離，但最開始必定都聚集在他所謂的“原始原子”中。

　　勒梅特的理論就是現在所說的“宇宙大爆炸”，而“大爆炸”一次的首次公開使用，其實出自該理論的批評者、英國天文學家弗雷德·霍伊爾。

　　1949年3月28日，霍伊爾在為自己支持的理論辯論時，首次創造了這個詞。他認為宇宙是永恒的，會不斷創造出新物質、以彌補宇宙擴張造成的物質稀釋，霍伊爾稱“宇宙中的全部物質均誕生于遙遠過去某個特定時間點發生的一場大爆炸”的說法并不合理。

　　“大爆炸這個詞很差勁！”

　　普林斯頓大學宇宙學家保羅·施泰因哈特指出，用“大伸展“可能更為貼切。施泰因哈特認為，“爆炸”這一意象容易導致混淆，它暗示著存在一個中心 點、不斷向外擴張的邊緣、以及小碎片在前、大石塊在后的飛散景象，但宇宙擴張與這些描述大相徑庭，并不存在所謂的中心點和邊緣，并且大小星系散開的速度并 無區別（盡管在暗能量的影響下，遠處星系的運動速度會更快一些）。

　　不管名字起得是否貼切，大爆炸理論能夠很好地解釋我們的觀測結果，這一點暫無其它理論能夠比擬，因此被人們廣泛接受，例如，在宇宙剛剛誕生的三分鐘之內，光與質子和中子等粒子之間達到的平衡使早期元素形成的速率，剛好與現在宇宙中氦和其它輕原子的數量相符。

　　當時有一段短暫的窗口期，讓原子核得以形成，在此之后，宇宙就一直在擴張，這些元素就無法相遇了；而在此之前，環境又過于熾熱。

　　在接下來的37.8萬年中，宇宙中充滿了云霧狀的等離子體，直到宇宙進一步冷卻之后，電子和質子才形成了中性的氫原子，這團“霧”才散去。這一 過程中還釋放出了光線，光線的波長又進一步延長、變成微波，這是研究人員能夠直接研究的、已知的最早對象，它們被稱作“宇宙微波背景輻射”，被許多研究人 員視為宇宙大爆炸理論的最有力證據。

　　爆炸性的更新

　　但隨著宇宙學家不斷追根溯源、進一步考察宇宙的早期歷史，故事的真相也逐漸浮出水面，廣義相對論方程指出，宇宙初始時是一個溫度無限高、密度無限大的小點，即所謂的奇點，但這一理論不僅在物理學上說不通，也與光滑、平坦的宇宙微波背景不符。

　　奇點的超高溫和高密度的波動會使宇宙各處性質各異，但宇宙微波背景的變化幅度非常小，時空曲率看上去也非常平坦，說明物質與曲率在初始時達到了近乎完美的平衡狀態，這在大多數宇宙學家看來都十分不可思議。

　　上世紀80年代，美國宇宙學家阿蘭·古斯對宇宙剛剛誕生時發生的事件提出了一套新構想，認為在剛開始的一瞬間，宇宙的膨脹速度遠遠高出如今的膨 脹速度，而在某個時間點上，這個過程停止了，產生了大量致密而熾熱的粒子，取代了原先的奇點。“在我看來，宇宙變熱的時候就是所謂的宇宙大爆炸。”

　　該理論名叫膨脹理論，如今有眾多理論模型在與之競爭，雖然沒人知道宇宙為何擴張得如此迅速，但由于該理論能夠很好地解釋光滑平坦的宇宙微波背景（膨脹保留了較小的波動，抹平了較大的波動），其支持者越來越多。

　　其它理論

　　而近期的研究使膨脹理論產生了一些波瀾。研究顯示，宇宙中部分區域（如我們的可觀測宇宙）的膨脹可能會停止，而其它區域的膨脹則可能持續下去， 這就將宇宙割裂成了一系列相互獨立的區塊，各自擁有“一套能夠想象得到的宇宙性質”。許多物理學家并不喜歡這種“多重宇宙”的構想，因為它會產生無數種無 法測驗真偽的推測。

　　宇宙學家認為，就像引起輕微的溫度和密度變化一樣，宇宙膨脹會在宇宙微波背景中產生貫穿星系的引力波，現有的實驗技術應該已經足夠敏感、能夠監測到這一現象，但直至目前，我們仍未觀察到這種原始的時空漣漪。

　　許多研究人員還在等待更加精確的宇宙微波背景測量技術，對目前的多種膨脹模型進行證實或證偽，但其他物理學家并不認為宇宙的“光滑”存在任何問題，也許宇宙剛開始時就是四處均等一致的，無需更多解釋。

　　雖然實驗學家還在努力提高實驗技術的精確度，但一些理論學家已經放棄了膨脹理論，試圖尋找其它能解釋宇宙為何如此“平坦”的理論，例如正在研究 “大跳躍”模型，該模型認為，宇宙的起始點比原先認為的還要早，宇宙曾經歷過一段時期的收縮，使時空變得平滑，為后來發生的爆炸性擴張做好準備。宇宙學家 希望能發現一些新跡象，并借此提出新理論。

　　宇宙中還能找到其它可觀測的特征嗎？過幾年再來問宇宙學家這個問題，希望到時已經有了答案。