研究：大爆炸不是宇宙的开始

胀大的终结代表着大爆炸的逐渐。

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编者按：传统观念觉得，宇宙起源于一个奇异点，根据大爆炸产生了目前的宇宙空间。但或许客观事实并非如此。大爆炸的确产生在很早以前，但它并并不是我们曾经想像的“逐渐”。宇宙空间起源于一段时间的宇宙膨胀，它将宇宙空间拉申到很大的限度，具备统一的特性和室内空间平整性。胀大的终结代表着大爆炸的逐渐。除非是大家直到发觉怎样从宇宙空间中获取其他信息的那一天来临，不然大家没有选择，只有应对大家的愚昧。文中来源于编译程序，期待对您有一定的启迪。

宇宙空间并不是起源于奇异点，反而是起源于一段时间的宇宙膨胀，它将宇宙空间拉申到很大的限度，具备统一的特性和室内空间平整性。胀大的终结代表着大爆炸的逐渐。(Credit: Nicole Rager Fuller/National Science Foundation)

大家看见的这一切究竟是从哪里而来的呢？？在大家观查的每一个方位，都能发觉行星、星球、气体云和尘埃云、较稀的等离子，及其超越光波长范畴的辐射源：从无线到红外感应、能见光到放射线。无论大家从哪里观查宇宙空间，无论大家怎样观查宇宙空间，宇宙中时时刻刻都充满了化学物质和动能。殊不知，大家很肯定地觉得这一切都来自于某一地区。假如你想要知道宇宙起源问题的回答，你务必向宇宙空间自身明确提出这个问题，并聆听它对你说哪些，以找到答案。

现如今，大家看见的宇宙空间已经胀大、较稀(相对密度降低)和制冷。大家非常容易地预测分析，宇宙空间将来会显得更高、相对密度更小、溫度更低。并且物理定律告知大家，很早以前，宇宙空间很有可能更小，相对密度更高，溫度更高一些。这类推论可以上溯到多长时间之前？从数学课上讲，大家特想尽量地去科学研究，返回规格无穷小量、相对密度无穷大和溫度无尽高的情况，或是大家所了解的奇异点。这类有关室内空间、時间和地球的单一开始的见解，一直以来被称作大爆炸。

但在物理学上，在我们充足近距观查时，大家发觉宇宙的起源是另一个不一样的小故事。这就是为什么大家现如今知道，大爆炸不会再是宇宙空间的逐渐。

对牛顿的广义相对论开展了众多的科学合理检测，使这一基础理论遭受了一些最严谨的限定。牛顿的第一个解是有关单一品质的弱场極限，例如阳光。他将这种結果运用到咱们的太阳系行星，获得了很大的取得成功。迅速，大家就找到一些精准的解决方案。(材料由来:LIGO scientific collaboration, T. Pyle, Caltech/MIT)

像大部分科学故事一样，大爆炸的发源在概念和试验/观察行业都是有相同的根本原因。在理论研究层面，牛顿在1915年明确提出了他的广义相对论，一个别出心裁的吸引力基础理论，尝试打倒牛頓的王冠上的晶石，即万有引力定律基础理论。虽然牛顿的基础理论要繁杂得多，但没多久就找到第一个精准解。

（1）1916年，梅帝·史瓦西(Karl Schwarzschild) 根据测算获得了牛顿引力场方程的一个真空泵解，这一解表明，假如将很多化学物质集中化于室内空间一点，其周边会造成奇特的状况，即在质点周边存有一个页面——“全视”一旦进到这一页面，即使光也挣不脱。这类“难以置信的星体”被英国科学家罗伯特·阿奇博尔德·惠勒（John Archibald Wheeler）取名为“超级黑洞”。

（2）1917年，斯伯里·德西特(Willem de Sitter)证实了即使沒有化学物质，只需有宇宙常数，还可以寻找一个时光解。虽然那时候沒有清晰的观察直接证据表明宇宙空间在胀大，德西特证实了广义相对论所适用的宇宙模型，可以推测胀大的宇宙空间。

（3）从1916年到1921年，四个科学研究工作人员单独地找到里斯纳-塞思斯特伦解，叙述了通电球对称性品质的时光。

（4）1921年，爱得华·诺斯纳(Edward Kasner)找到一个解，它叙述了一个无化学物质和没有辐射的宇宙空间，它是各种各样的，即在不一样的角度上是不一样的。

（5）1922年，亚力山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)发觉了一个各向异性和匀称宇宙空间的解，在这个宇宙中，一切和任何类别的动能，包含物质和辐射源，都存有。

从宇宙空间大爆炸到现在，在宇宙膨胀的情况下，对大家宇宙空间时间的表明。第一个弗里德曼方程式叙述了全部这种时期，从胀大到大爆炸，到现在和漫长的将来，即使在今天，也十分精确。(材料由来：美国航天局/WMAP科学合理精英团队)

最后一个十分引人注意，缘故有两个。第一，它好像在较大的标准上叙述了大家的宇宙空间，那边的事情看上去是相像的，均值来讲，包含全部地区和全部方位。第二，假如你解出这一解的操纵方程式——弗里德曼方程——你就会发现它所表述的宇宙空间并不是静态数据的，反而是要不胀大要不收拢的。

后一个客观事实被很多人认可，乃至包含牛顿，但直到观察直接证据逐渐确认这一点，它才被尤其高度重视。在20新世纪10时代，科学家维斯托·斯莱弗(Vesto sliher)逐渐观察一些星轨，有的人以为他们可能是太阳系之外的星球，并发觉他们挪动得迅速：比太阳系内的所有别的物件都需要快得多。除此之外，他们中的大部分都是在避开大家，较差、较小的星轨通常看上去挪动得迅速。

随后，在20世际20时代，埃德温·哈勃逐渐精确测量这种星轨中的单独行星，并最后确认了他们中间的间距。他们不但比星球中的所有物件都需要远得多，并且间距很远的物件也比间距较近的物件挪动得迅速。正如勒梅特、罗伯逊、哈勃等人得到的结果：宇宙空间已经胀大。

埃德温·哈勃最开始制作的星球间距与红移的对比分析(左)，创建了胀大的宇宙空间，与大概70年之后的一个更当代的相匹配图(右)。与观察和基础理论一致的是，宇宙空间已经胀大。(Credit: E. Hubble; R. Kirshner, PNAS, 2004)

1927年，乔冶斯·勒梅特(Georges Lemaître)第一个了解到这一点。在发觉胀大以后，他实现了反向推论，像任何有实力的一位数学家一样，创建了基础理论，觉得我们可以一直往前追朔，一直到上溯到他称作初始分子的地区。最初，他意识到，宇宙空间是一个热的、较密的、快速胀大的成分和电磁辐射的结合，大家周边见到的一切都是从这类初始情况中形成的。

之后，这一念头又被别人发展趋势，并进行了一系列附加的预测分析。

(1) 大家现在看见的宇宙空间，比以往更发展了。我们在外太空看出得越来越远，我们在時间上看得越来越远，因此我们在见到的物件应该是更年青的，吸引力更小的包块，他们的产品质量也更小。乃至应当有一个点，超出这一点就沒有行星或星球了。

(2) 在某一时时刻刻，辐射源十分热，中性原子没法平稳产生，由于辐射源会将企图与之融合的原子中的电子器件踢出来，因而，从那个时候逐渐，应当会出现一场剩下的——现在是冰凉而稀少的——宇宙辐射浴。

(3) 最终，在十分早的情况下，它的气温会特别高，乃至原子都是会被爆开，这代表在初期，行星产生前的环节会产生核反应：大爆炸核生成。由此，大家预估在全部行星产生以前，宇宙空间中最少有一群轻元素以及放射性核素。

宇宙膨胀的历史时间(Credit: NASA/CXC/M. Weiss)

伴随着宇宙空间的胀大，这将变成大爆炸的根基。宇宙空间的超大尺度构造、单独星球及其在这种星球中发觉的行星群的增加和演变都证明了大爆炸的推测。轻元素以及比例的发觉和精确测量，包含氢、氘、氦-3、氦-4和锂-7，不但告知我们在行星产生以前发生了哪一种种类的核反应，还提醒大家宇宙空间中存有是多少正常的化学物质。

依据所把握的证明开展推论是科学上的巨大成就。产生在热大爆炸最开始环节的物理变化在宇宙空间中留下来了印痕，使人们可以检测大家的实体模型、基础理论，及其从那以后对宇宙空间的了解。实际上，最开始可观察到的印痕是宇宙空间中微子环境，它的效用在宇宙空间微波加热环境(大爆炸的残留辐射源)和地球的超大尺度构造里都能见到。特别注意的是，中微子环境是在宇宙空间大爆炸的大概1秒内抵达大家这儿的。

假如地球中沒有因为化学物质与辐射源相互影响而发生的震荡，那麼在星系团中就不可能发生取决于限度的晃动。这种晃动自身，除掉了非晃动一部分(下面的图)，取决于宇宙空间中微子的危害，这种中微子理论上是由大爆炸造成的。(材料由来：鲍曼等人，《自然物理学》，2019年)

但在可考量的直接证据范畴以外开展推论是一种危险的游戏，虽然这类手机游戏很诱惑。终究，如果我们能将大爆炸上溯到138亿光年前，一直到宇宙诞生不上一秒的情况下，那麼再前行一秒又有哪些危害呢？返回那一个被推测存有于宇宙空间0秒时的奇异点？

让人诧异的是，假如我和你一样，觉得“对实际作出凭空捏造的、不正确的假定”是有危害的，那麼回答是：这会产生很大的损害。这也是不正常的，由于从一个奇异点逐渐——随意高溫，随意密度高的，随意小容积——将对大家的宇宙空间造成不一定由观察适用的結果。

例如，假如宇宙空间是以一个奇异点逐渐的，那麼它一定是在“化学物质”(物质和热量的融合)做到恰当均衡的情形下突然冒出的，以精准地均衡膨胀系数。假如化学物质有一点点多，最开始胀大的地球如今就早已坍缩了；如果有一点点少，化学物质便会快速胀大，宇宙空间便会比如今大很多。

假如宇宙空间的相对密度略微高一点(鲜红色)，它就已经坍缩了；假如它的相对密度略微低一点，它就会胀大得迅速，越来越更高。大爆炸自身无法解释为什么宇宙问世时的原始膨胀率如此极致地均衡了总功率密度，彻底沒有空间弯曲的空间。(材料由来：内德·赖特的宇宙学实例教程)

殊不知，反过来，大家所观测到的是宇宙的原始膨胀率和宇宙中有机物和热量的总产量超过了大家能够精确测量到的完美平衡。

为什么？

假如大爆炸始于奇异点，大家无法解释；我们只必须结论“宇宙就这样问世的”，或是，如同不清楚Lady Gaga的科学家常说的那般，是“状态变量”。

相近地，一个做到随意高溫的宇宙应当会出现剩下的较高能化学物质，例如磁单极子；大家观查到沒有。我们可以想到，在这些因逻辑关系而互相不相接的地区(即在人们的观察極限下，在空间中反过来的方位)会出现不一样的溫度，殊不知，大家观察到宇宙各个地方的溫度全是同样的，精密度做到99.99% 。

大家经常可以随意地诉诸于状态变量来表述一切事儿，随后说”宇宙就这样问世的，就这样”但做为生物学家，大家更有兴趣的是，能不能对大家观查到的特点作出表述。

在上面中，大家的当代宇宙四处都是有一样的特性(包含溫度)，由于他们始于一个具备同样特性的地区。(Massachusetts Institute of Technology)麻省理工大学(MIT)的生物学家斯托克顿·固斯(Alan Guth)明确提出，初期宇宙很有可能出现过一个十分迅速胀大的阶段。这类胀大称为”疯涨”，喻指宇宙在一段时间里，并不像如今这种以降低的、反而是以提升的速度胀大。依照固斯基础理论，宇宙大爆炸以后的一瞬间，时光在不上10秒的时间段里快速膨胀了10倍(材料由来:E. Siegel/Beyond the Galaxy)

这恰好是宇宙胀大带来咱们的，也有大量。宇宙疯涨基础理论觉得，自然，可以将大爆炸推返回一个十分初期，十分热，非常聚集，十分均衡的情况，但在返回奇异点以前，请先慢下来。假如你想要让宇宙的膨胀率和在其中的成分和动能总产量保持稳定，你也就必须一种方法来创建这类均衡。针对各个地方溫度同样的情形也是一样。略微不一样的是，假如你要防止高效率能量的遗址，你需要一些办法来清除一切早已出现的遗址，随后根据避免宇宙再度越来越太热了来防止造成新的遗址。

疯涨基础理论根据假定在大爆炸以前的一个阶段来实现这一点，在这个阶段，宇宙由一个大的宇宙参量(或一些个人行为相似的物品)核心：德西特早在1917年就找到同样的解。这一环节将宇宙弄平，使其随处具备同样的特性，清除了一切已具有的高效率能量遗址，并根据限定胀大完毕和热大爆炸以后做到的最高温度，阻拦大家造成新的高效率能量遗址。除此之外，根据假定在胀大期内存有量子涨落并在全部宇宙中拓宽，它对宇宙逐渐时的有缺憾种类作出了新的预测分析。

疯涨期内产生的量子涨落在宇宙中被拉申，当疯涨完毕时，他们变为密度涨落。伴随着時间的变化，这致使了今日宇宙中的超大尺度构造，及其CMB中观察到的气温起伏。像这种的新预测分析针对证实所指出的调整体制的实效性尤为重要。(由来:E·西格尔；欧洲航天局/海洋之灾和美国能源部/美国航天局/英国国家科学研究慈善基金会宇宙微波加热环境辐射源科学研究组织间调研组)

自上世纪80时代明确提出假设至今，疯涨基础理论早已经过多种方法认证了另一种假设：宇宙是以奇异点逐渐的。在我们把计分卡折起来的情况下，大家看到了以下几点。

（1）疯涨基础理论重现了热大爆炸的全部取得成功，沒有什么叫大爆炸不可以诠释的。

（2）疯涨基础理论取得成功地表述了热大爆炸的“状态变量”。

（3）针对疯涨和无暴涨的热大爆炸的不一样预测分析，在其中四种早已通过了充足准确的检测，可以区别二者。在这里四个方面，疯涨基础理论是4比4，而热大爆炸是0比4。

但如果我们回头瞧瞧咱们的“逐渐”定义，确实很有意思。殊不知，一个有化学物质和/或辐射源的宇宙——让我们从热大爆炸中取得的——一直可以推测奇异点，而疯涨基础理论下的宇宙则不可以。因为它的指数值特性，即使你将钟表反转无尽长的時间，室内空间也只能贴近无穷小量的尺寸、无尽的溫度和相对密度；它始终也不到那边。这代表着，除开难以避免地造成奇异点以外，疯涨自身肯定不可以使你做到奇异点。“宇宙始于一个奇异点，这就是宇宙大爆炸”的见解，在大家了解到一个胀大环节在于大家今日所在的那一个酷热、较密、充斥着化学物质和电磁辐射的环节时，就可以抛下了。

绿线和底线意味着“传统式的”大爆炸情景，全部事情都起源于時间t=0，包含时光自身。但在疯涨的情形下(淡黄色)，大家始终不容易抵达奇异点，也就是室内空间进到奇特情况；反过来，它只有在过去的越来越随意小一点，而時间则再次始终向后走。仅有疯涨完毕后的最后一秒，才会在大家今日可观察的宇宙中留有印痕。(Credit: E. Siegel)

这幅新图象为大家出示了有关宇宙发源的三条重要信息，这与咱们绝大部分人所认识的传统故事不一样。最先，热大爆炸最开始的理念是不规范的。在这个定义中，宇宙问世于一个无尽热、相对密度很高的小奇异点，并一直在胀大和制冷，此后充满了化学物质和辐射源。这一幅图在较大水平上依然是合理的，但针对大家能推测的時间有一个截点。

第二，在大爆炸以前产生的情况早已被观察到：宇宙胀大。初期的宇宙，在大爆炸以前，经历了一个指数增长的环节，在这个阶段，宇宙中一切事先出现的化学成分都被“胀大离开了”。当疯涨完毕时，宇宙再次提温到一个很高的溫度，但并不是随意高的溫度，这产生了酷热，较密，胀大的宇宙，产生了大家今日所了解的初期宇宙情况。

最终，或许也是最重要的是，我们不能再以一切专业知识或自信心，讨论宇宙自身是怎么开始的。依据疯涨的实质，它会抹除在最后一刻以前的一切信息内容，也就是它完毕并引起大家的大爆炸的地区。疯涨很有可能会不断很长期，也很有可能在这之前有别的非奇特环节，也很有可能在这之前有一个从奇异点中产生的环节。除非是大家直到发觉怎样从宇宙中获取其他信息的那一天来临，不然大家没有选择，只有应对大家的愚昧。大爆炸依然产生在很早以前，但它并并不是我们曾经想像的“逐渐”。

译员：Jane