你真的瞭解宇宙大爆炸嗎？

幾個世紀以來，人類一直凝視著星星，想知道宇宙是如何發展成今天的樣子的。它一直是宗教、哲學和科學討論和辯論的主題。試圖揭開宇宙發展之謎的人包括阿爾伯特·愛因斯坦、埃德溫·哈勃和斯蒂芬·霍金等著名科學家。宇宙發展最著名和被廣泛接受的模型之一是大爆炸理論。

雖然大爆炸理論很出名，但是它也很容易被誤解。關於這個理論的普遍誤解是它描述了宇宙的起源。宇宙大爆炸試圖解釋宇宙是如何從一個非常微小、密度很大的狀態發展成今天這樣的。它沒有試圖解釋是什麼引發了宇宙的誕生，或者是在大爆炸之前發生了什麼，甚至是在宇宙之外發生了什麼。

另一個誤解是大爆炸是一種爆炸。大爆炸描述了宇宙的膨脹。雖然該理論的某些版本提到了難以置信的快速膨脹（可能比光速還快），但它仍然不是傳統意義上的爆炸。

總結大爆炸理論是一個挑戰。它涉及與我們對世界的感知方式相矛盾的概念。大爆炸的早期階段宇宙中所有單獨的力都是一個統一力，你再往前看，科學規律就越不成立。最後，你不能對正在發生的事情提出任何科學理論，因為科學本身不適用。

大爆炸理論

大爆炸理論指的是膨脹

大爆炸理論描述了宇宙從誕生到今天的發展過程。這是幾個試圖解釋宇宙為何如此的科學模型之一。該理論做出了幾項預測，其中許多預測已透過觀測資料得到證實。因此，它是關於宇宙發展的最受歡迎和接受的理論。

談到大爆炸，最重要的概念是膨脹。許多人認為大爆炸是宇宙中所有物質和能量都集中在一個小點上的時刻。然後這個點爆炸了，將物質射向太空，於是宇宙誕生了。事實上，大爆炸解釋了空間本身的膨脹，這反過來意味著空間中所包含的一切都在與其他一切相分離。

今天，當我們看夜空時，我們看到星系被巨大的空曠空間隔開。在大爆炸的最初時刻，我們能觀測到的所有物質、能量和空間都被壓縮到一個零體積和無限密度的區域。宇宙學家稱之為奇點。

宇宙大爆炸開始時是什麼樣子的？根據這個理論，它是非常緻密和非常熱的。在最初的幾分鐘裡，宇宙中有如此多的能量，以至於我們知道它是不可能形成的。但宇宙迅速膨脹，這意味著它變得不那麼稠密和冷卻下來。隨著它的膨脹，物質開始形成，輻射開始失去能量。僅僅幾秒鐘，宇宙就形成了一個橫跨空間的奇點。

大爆炸的一個結果是宇宙中四種基本力的形成。這些力是：萬有引力、電磁相互作用力、弱相互作用力、強相互作用力。

在宇宙大爆炸之初，這些力都是統一力的一部分。大爆炸開始後不久，這些力才分裂成今天的樣子。這些力如何曾經是一個統一整體的一部分，對科學家來說是一個謎。許多物理學家和宇宙學家仍在致力於形成大統一理論，該理論將解釋這四種力是如何曾經聯合起來的，以及它們之間是如何相互聯絡的。

大爆炸理論是從哪裡來的

多普勒效應

大爆炸理論是研究宇宙的兩種不同方法的結果：天文學和宇宙學。天文學家使用儀器觀察恆星和其他天體。宇宙學家研究宇宙的天體物理性質。

在19世紀，天文學家開始使用分光鏡（也稱為攝譜儀）進行實驗。分光鏡是一種將光分解為其組成波長的光譜的裝置。分光鏡顯示，來自特定物質的光，如發光的氫管，總是產生該物質特有的相同波長分佈。很明顯，透過從攝譜儀上觀察波長分佈，你就能知道光源中有什麼樣的元素。

與此同時，奧地利物理學家克里斯蒂安·多普勒發現聲波的頻率取決於聲源的相對位置。當一個有噪聲的物體接近你時，它產生的聲波會被壓縮。這改變了聲音的頻率，所以你感知到聲音音調升高。當物體遠離你時，聲波會拉伸，音高會降低。這叫做多普勒效應。

光也以波的形式傳播，天文學家發現，一些恆星進入光譜紅色部分的光比他們預期的要多。他們推測這意味著恆星正在遠離地球。當恆星遠離時，它們發出的光的波長會拉長。它們會移到光譜的紅端，因為紅端有更長的波長。宇宙學家稱這種現象為紅移。一顆恆星的紅移是它離開地球有多快的一個跡象。光越靠近光譜的紅端，恆星離開地球的速度就越快。

20世紀20年代，一位名叫埃德溫·哈勃的天文學家發現了一件有趣的事情。恆星的速度似乎與它離地球的距離成正比。也就是說，一顆恆星離地球越遠，它離開我們的速度就越快。哈勃推測這意味著宇宙本身在膨脹。

哈勃的發現引發了一場曠日持久的爭論，至今仍在激烈地進行著：一個遙遠天體的速度和它與觀測者之間的距離究竟是什麼關係？宇宙學家稱這種關係為哈勃常數，但沒有人同意這種關係是什麼。哈勃推測哈勃常數為464km/s/Mpc。

結果哈勃高估了這個數字。這是因為在哈勃的時代，天文儀器不夠靈敏，無法準確測量地球和天體之間的距離。隨著儀器的改進，科學家們對哈勃常數進行了改進，但關於哈勃常數實際值的爭論仍在繼續。

更多關於宇宙大爆炸的故事

哈勃望遠鏡拍攝的古代星系影象

哈勃的理論認為，宇宙會隨著時間的推移而膨脹。這意味著數十億年前，宇宙會更小，密度更大。如果你回到足夠遠的地方，宇宙e會坍縮成一個密度無限的區域，包含宇宙所有的物質、能量、空間和時間。

有些人不相信這個理論。其中有著名的物理學家有阿爾伯特·愛因斯坦。愛因斯坦相信宇宙是靜止的。一個靜態的宇宙是不會改變的，它一直是而且將永遠是一樣的。愛因斯坦希望他的廣義相對論能使他對宇宙的結構有更深的瞭解。

在完成他的理論後，愛因斯坦驚奇地發現，根據他的計算，宇宙將會膨脹或收縮。由於這與他認為宇宙是靜止的信念相矛盾，他四處尋找可能的解釋。他提出了一個宇宙學常數來使宇宙靜止——可是這個數字，包括在他的廣義相對論中，卻解釋了宇宙膨脹或收縮的明顯必要性。

面對哈勃的發現，愛因斯坦承認他錯了。宇宙似乎確實在膨脹，愛因斯坦自己的理論也支援這一結論。這一理論和觀測結果引發了一些預測，其中許多預測後來都被觀測到了。

其中一個預測是宇宙既均勻又各向同性。從本質上來說，這意味著無論觀察者的視角如何，宇宙看起來都是一樣的。在區域性層面上，這種預測似乎是錯誤的。畢竟，並不是每一顆恆星都有像我們這樣的行星組成的太陽系。並非每個星系看起來都一樣。但在跨越數百萬光年的宏觀層面上，宇宙中物質的分佈在統計上是均勻的。這意味著即使你穿越宇宙，你對宇宙結構的觀察也會和地球上的一樣。

另一個預測是，宇宙在大爆炸的最初階段會非常熱。這一時期的輻射會非常大，而且會有一些證據表明這一時期的輻射會殘留下來。由於宇宙必須是均勻和各向同性的，證據應該均勻地分佈在整個宇宙中。科學家早在20世紀40年代就發現了這種輻射的證據，儘管當時他們還不知道他們發現了什麼。直到20世紀60年代，兩組科學家才發現了我們現在所說的宇宙微波背景輻射（CMB）。宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸中原始火球釋放出的強大能量的殘餘。它曾經非常炎熱，但現在已經冷卻到寒冷的2。725開爾文（-270。4攝氏度或-454。8華氏度）。

宇宙微波背景輻射

這些觀測幫助鞏固了大爆炸理論作為宇宙演化的主導模型。

第一秒

由於科學規律的侷限性，我們不能對宇宙的形成作出任何猜測。相反，我們可以看看宇宙誕生後的時期。現在，科學家們談論的最早時刻發生在t = 1 x 10^-43秒（“t”代表宇宙誕生後的時間）。換句話說，取數字1。0，將小數點左移43次。

劍橋大學將對這些早期時刻的研究稱為量子宇宙學［來源：劍橋大學］。在大爆炸的最初時刻，宇宙是如此之小，以至於經典物理學無法適用於它。相反，量子物理學起了作用。量子物理學研究亞原子尺度上的物理學。量子尺度上粒子的許多行為對我們來說似乎很奇怪，因為這些粒子似乎違背了我們對經典物理學的理解。科學家們希望發現量子物理學和古典物理學之間的聯絡，這將給我們提供更多關於宇宙如何執行的資訊。

在t = 1 x 10^-43秒時，宇宙非常小，密度大，溫度高。宇宙的這個均勻區域的面積只有1 x 10^-33釐米（3。9 x 10-34英寸）。在這個階段，大爆炸理論認為，物質和能量是不可分割的。宇宙的四種主要力量也是一種統一的力量。宇宙的溫度是1 x 10^32開爾文（1 x 10^32攝氏度，1。8 x 10^32華氏度）。隨著不到一秒鐘的時間，宇宙迅速膨脹。宇宙在不到一秒鐘的時間裡翻了好幾倍。

隨著宇宙的膨脹，它開始冷卻。在t = 1 x 10^-35秒左右，物質和能量解耦。宇宙學家稱之為重子形成——重子物質是我們可以觀察到的物質。相比之下，我們不能觀測暗物質，但我們知道它的存在，透過它影響能量和其他物質的方式。在重力場形成過程中，宇宙中充滿了幾乎等量的物質和反物質。物質比反物質多，所以當大多數粒子和反粒子相互湮滅時，一些粒子存活了下來。這些粒子後來結合起來形成宇宙中的所有物質。

量子時代之後是粒子宇宙學的一個時期。這個週期從t = 1 x 10-11秒開始。這是一個科學家可以用粒子加速器在實驗室條件下重現的階段。這意味著我們有一些觀測資料來描述宇宙在這個時候的樣子。統一的部分分成若干部分。電磁力和弱核力分裂了。光子的數量超過了物質粒子，但宇宙密度太大，光無法在其中發出光芒。

接下來是標準宇宙學時期，大爆炸開始後0。01秒。從這一刻起，科學家們覺得他們已經很好地掌握了宇宙是如何進化的。宇宙繼續膨脹和冷卻，在重力場形成過程中形成的亞原子粒子開始結合在一起。它們形成中子和質子。一秒鐘後，這些粒子就會形成輕元素的原子核，比如氫（以同位素氘的形式）、氦和鋰。這個過程被稱為核合成。但是宇宙仍然太稠密太熱，電子無法加入這些原子核而形成穩定的原子。

接下來的130億年

大爆炸的第一秒鐘發生了很多事情。但這只是故事的開始。100秒後，宇宙溫度冷卻到10億開爾文（10億攝氏度，18億華氏度）。亞原子粒子繼續結合。按質量計算，元素的分佈大約是75%的氫核和24%的氦核（其餘的是鋰等輕元素）。

宇宙的溫度仍然太高，電子無法與原子核結合。相反，電子與其他被稱為正電子的亞原子粒子相撞，產生了更多的光子。但宇宙密度太大，無法讓光在其中閃耀。

宇宙繼續膨脹和冷卻。大約56000年後，宇宙冷卻到9000開爾文（8726攝氏度，15740華氏度）。此時，宇宙中物質分佈的密度與輻射的密度相匹配。又過了32。4萬年，宇宙膨脹到足以冷卻到3000開爾文（2727攝氏度，4940華氏度）。最後，質子和電子可以結合形成中性氫原子。

就在這個時候，在最初事件38萬年之後，宇宙變得透明。光可以照亮整個宇宙。這些輻射後來被確認為宇宙微波背景輻射。當我們今天研究宇宙微波背景輻射時，我們可以推斷出當時宇宙的樣子。

在接下來的1億年左右，宇宙繼續膨脹和冷卻。微小的引力波動使物質粒子聚集在一起。重力使宇宙中的氣體坍縮成小塊。當氣體收縮時，它們變得更稠密和更熱。在宇宙最初形成的1億到2億年後，恆星由這些氣體組成。

恆星開始聚集在一起形成星系。最終，一些恆星變成了超新星。當恆星爆炸時，它們向宇宙中噴射物質。這個物質包括我們在自然界中發現的所有較重的元素（包括鈾）。星系又形成了它們自己的星系團。我們的太陽系形成於46億年前。

大爆炸告訴我們什麼?

一些宇宙學家用大爆炸理論來估計宇宙的年齡。但是由於測量技術的不同，並不是所有的宇宙學家都同意實際的年齡。事實上，這個範圍跨度超過10億年！

宇宙膨脹的發現引出了另一個問題。它會永遠膨脹嗎？會停止嗎？它會改變嗎？根據廣義相對論，這完全取決於宇宙中有多少物質。

歸結起來就是引力，引力是物質粒子之間的引力。一個物體對另一個物體施加的引力大小取決於兩個物體的質量大小和它們之間的距離。如果宇宙中有足夠的物質，引力最終會減緩膨脹，導致宇宙收縮。但如果沒有足夠的物質來逆轉膨脹，宇宙將永遠膨脹。

根據大爆炸理論，宇宙沒有中心。宇宙中的每一點都是一樣的，沒有集中的位置。這很難想象，但這是一個既均勻又各向同性的宇宙的必要條件。從我們的角度來看，似乎宇宙中的一切都在以大爆炸所暗示的方式遠離我們。另一種理論是地球本身是宇宙的中心，這可以解釋為什麼其他一切都在遠離地球，宇宙學家對這個理論不屑一顧，因為我們不太可能佔據整個宇宙的中心點。

還有一些大爆炸理論沒有解決的問題：

大爆炸之前發生了什麼？根據我們對科學的理解，我們不能知道。當我們接近t = 0秒時，科學定律就會崩潰。事實上，既然廣義相對論告訴我們空間和時間是耦合的，時間本身就不存在了。既然這個問題的答案不在科學能夠解決的範圍之內，我們就不能對它進行假設。

宇宙之外是什麼？這又是一個科學無法解決的問題。那是因為我們無法觀察或測量宇宙邊界之外的任何東西。宇宙是否在其他結構中膨脹，我們不可能知道。

宇宙的形狀是什麼？關於宇宙可能的形狀有很多理論。有些人認為宇宙是無界的，沒有形狀。其他人認為宇宙是有界的。宇宙大爆炸理論並沒有特別提到這個問題。

大爆炸理論本身存在的問題

自從科學家首次提出大爆炸理論以來，許多人對這個模型提出了質疑和批評。以下是對大爆炸理論最常見的一些批評：

它違反了熱力學第一定律，即你不能創造或破壞物質或能量。批評家們聲稱大爆炸理論表明宇宙是從無到有的。大爆炸理論的支持者說，這種批評是沒有根據的，原因有兩個。第一，宇宙大爆炸不是指宇宙的創造，而是指宇宙的演化。另一個原因是，由於科學定律在你接近宇宙創造的時候被打破，沒有理由相信熱力學第一定律會適用。

一些批評人士認為，恆星和星系的形成違反了熵定律，熵定律表明，隨著時間的推移，變化系統的組織性會減弱。但如果你把早期宇宙看成是完全均勻和各向同性的，那麼現在的宇宙就顯示出服從熵定律的跡象。

一些天體物理學家和宇宙學家認為，科學家誤解了天體紅移和宇宙微波背景輻射等證據。一些人指出，根據該理論，沒有奇異的宇宙天體應該是大爆炸的產物。

大爆炸早期的膨脹時期似乎違反了沒有什麼東西能比光速更快的規律。支持者對這種批評有幾種不同的反應。一是在大爆炸開始時，相對論並不適用。因此，速度超過光速是沒有問題的。另一個相關的反應是，空間本身的膨脹速度可以超過光速，因為空間落在引力理論的領域之外。

有幾種不同的模型試圖解釋宇宙的發展，儘管沒有一種像大爆炸理論那樣被廣泛接受：

宇宙的穩態模型表明，宇宙過去和將來的密度都是一樣的。該理論提出宇宙產生物質的速度與宇宙膨脹的速度成正比，從而調和了宇宙正在膨脹的明顯證據。

Ekpyrotic model表明，我們的宇宙是兩個三維世界在隱藏的第四維度上碰撞的結果。它並不完全與大爆炸理論相沖突，因為在一段時間後，它與大爆炸理論中描述的事件相一致。

大彈跳理論表明，我們的宇宙是一系列宇宙中的一個，這些宇宙先是膨脹，然後又收縮。這個迴圈在幾十億年後會重複。

等離子體宇宙學試圖用宇宙的電動力學性質來描述宇宙。等離子體是一種電離氣體，這意味著它是一種具有自由漫遊電子的氣體，可以導電。

還有其他幾種型號。這些理論（或者其他我們從未想過的理論）有一天會取代大爆炸理論成為公認的宇宙模型嗎？很有可能。隨著時間的推移和我們研究宇宙的能力的增強，我們將能夠對宇宙的發展做出更精確的模型。