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。在過去的一個世紀左右，科學已經(jīng)找到了答案：Big Bang 宇宙.

這描述了宇宙是如何在近 140 億年前的災難性爆炸中誕生的。在一個小小的幾分之一秒，可觀測宇宙的生長相當于一種細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，美國天文學家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)遙遠的星系正在搬走彼此之間，導致人們意識到宇宙正在膨脹。

如果我們把時鐘撥回到宇宙的誕生，膨脹就會逆轉(zhuǎn)，星系會在 140 億年前彼此重疊。這個時代與古老天文對象我們觀察.

這個想法最初遭到了懷疑——實際上是一個懷疑論者，英國天文學家弗雷德·霍伊爾，誰創(chuàng)造了這個名字。霍伊爾諷刺地將這個假設駁斥為”Big Bang“ 期間接受 BBC 電臺采訪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 歲時釋放的大爆炸余輝。

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

最近，粒子加速器的實驗就像大型強子對撞機 （LHC） 一樣揭示了更接近大爆炸時期的情況。我們對這些高能量的物理學的理解表明，在大爆炸后的最初時刻，四大基本力量今天存在的物理學最初被組合成一個力。

現(xiàn)在的四種力是重力、電磁力、強核力和弱核力。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。

粒子加速器的實驗表明，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，當電磁學和弱核力停止結(jié)合時。這是宇宙中所有物質(zhì)都呈現(xiàn)出它的質(zhì)量的時候。

隨著時間的推移，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。這些是負責強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驗室 （Brookhaven National Laboratory） 和2015 年在 LHC.

夸克和膠子彼此具有很強的吸引力，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，它們獨立存在。

夸克膠子等離子體并沒有持續(xù)很長時間。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，就像那些為太陽提供動力的反應一樣。

當宇宙中有更多的高能光子時，任何形成的原子核都會很快被它們摧毀（這個過程稱為光分解）。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。

天文學家的觀測為我們提供了這些聚變反應中產(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，在近 140 億年的時間里，我們將達到今天存在的情況。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？

科學家們沒有直接證據(jù)證明電弱統(tǒng)一崩潰之前（當電磁和弱核力停止結(jié)合時）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？

當我們回顧宇宙的歷史時，距離和體積會縮小，而平均能量密度會增加。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)學方程式被零和無窮大所侵擾，不再有意義。

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

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

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

彭羅斯收到了2020 年諾貝爾獎.霍金去世2018 年，諾貝爾獎不追授?？臻g和時間出現(xiàn)在大爆炸奇點上，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。就科學所能判斷的而言，沒有以前;大爆炸是時間的開始。

然而，僅用廣義相對論并不能準確描述自然界，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”物理學的理論，例如相對論,是確定性的.這意味著某些初始條件具有確定的結(jié)果，因此是絕對可預測的。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有多種結(jié)果。

量子理論在某種程度上是預測性的，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)學分布在某個結(jié)果處急劇達到峰值，那么這種情況可以用“經(jīng)典”理論（如廣義相對論）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)典物理學很好地描述了引力。經(jīng)典時空是平滑的。

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

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

在時空泡沫中，因果關(guān)系不適用，因為時空中存在閉環(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，當概率分布均勻時，所有結(jié)果都是平等的可能性，而我們與經(jīng)典物理學理解相關(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之前，我們會發(fā)現(xiàn)自己進入了一個引力的量子效應占主導地位且因果關(guān)系不適用的時代。這稱為普朗克紀元。

時間不再是線性的，從過去到未來，而是變得封閉、混亂和隨機。這意味著“為什么會發(fā)生大爆炸”這個問題沒有意義，因為在因果關(guān)系之外，事件不需要一個原因來發(fā)生。

為了理解物理學在像大爆炸這樣的奇點上是如何運作的，我們需要一個根據(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，因為這個問題是出了名的困難。這意味著時空泡沫具有圖騰般的強大神秘感，就像古老的赫西俄德之混沌希臘人認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期。它首先由俄羅斯理論物理學家提出阿列克謝·斯塔羅賓斯基1980 年和同年，由美國物理學家艾倫·古斯，誰創(chuàng)造了這個名字。

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。

此外，膨脹提供了一種自然機制來產(chǎn)生宇宙密度的原始不規(guī)則性，這些不規(guī)則性對于星系和星系團等結(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)非常壯觀證實了預測的通貨膨脹。我們也知道宇宙確實可以加速擴張，因為在過去的幾十億年里，它又開始這樣做了。

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

根據(jù)一個想法首次提議俄裔美國物理學家安德烈·林德 （Andrei Linde） 認為，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，就像時空泡沫中的那些。這會引發(fā)宇宙的膨脹。事實上，天文學家對 CMB 的觀測表明，最初的提升是爆炸性的，因為膨脹期間的膨脹是指數(shù)級的。

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機制?！?/p>

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難性爆炸，我們稱之為大爆炸。這一點是毋庸置疑的。

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

事實上，它甚至可能是不可知的，因為有一個數(shù)學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， 粒子宇宙學教授，蘭卡斯特大學

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