天地玄黃、宇宙洪荒：宇宙大爆炸理論介紹

大爆炸如何創造了我們眼中的宇宙？

如果你躺在露台上，盯著美麗的夜空，想知道這個奇妙的宇宙如何開始，那你來了到正確的地方，這就是亞里士多德所說的「第一推動力」。最早的解釋告訴我們，全能的上帝如何用無所不在的神力創造宇宙，當然，大多數人不相信這個，對吧？

幸運的是，還有另一個故事，更科學，更有說服力：大爆炸理論。

而宇宙學家和物理學家已經為此寫下了整本整本大部頭的書籍，用簡短的篇幅解釋這個現象可能是一項艱巨的任務，所以我將通過一些列問答的方式來嘗試說明白這個問題。

（1）什麼是大爆炸理論？

大爆炸理論是關於宇宙如何形成的主要解釋理論。然而，它雖然聽起來荒謬，但它是最匹配宇宙觀測數據的，因此被廣泛接受。它受到其他一些理論的質疑，但被認為是宇宙學最廣泛接受的觀點。注意，本文可不是討論《thebig band》電視劇。

比利時羅馬天主教牧師喬治·萊米特雷（GeorgesLemaitre）首先提出了這樣的想法，當天文學家埃德溫·哈勃（EdwinHubble）在1924年反對愛因斯坦對靜態宇宙的信仰時，發現星系彼此分開，意味著宇宙不斷擴大。

喬治意識到，在一定時間內，宇宙小得多，後來的擴張可追溯到爆炸形成現在宇宙的一個點。當時，大約在140億年之前，宇宙中的所有物質集中在這個單一點上。

（2）我們憑什麼認為發生過宇宙大爆炸？CMBR（宇宙微波背景輻射）

CMBR是可以在宇宙中看到的幾乎均勻的電磁波背景。這是來自大爆炸的剩餘熱量，塗抹了整個天空。它也是我們可以看到的最古老的光。然而，我們眼中看不見，因為光已經走過了數十億年，這已經延長了波長，或者將其從紫外線和可見光「紅移」到微波帶。（【嶺南按】正確的解釋是：由於大爆炸，任意兩點都在相互遠離，光從離你而去的物體射來時、等效波長變長，也就是可見光變成紅外光了）。

它的發現是為確定宇宙的形狀或「幾何」而進行的實驗的一部分，並且是由測量微波輻射的基於太空望遠鏡的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）測量的。

CMBR為我們提供了誕生近10萬年的嬰兒宇宙的照片。 最初，由於太多的熱量，宇宙處於等離子體狀態，充滿電離氣體，散射光子並使其變得不透明。 圖中展示的情形是它冷卻下來後、電子聚集在一起形成基本元素。 因此，圖片包含或多或少密集的「斑點」。

宇宙微波背景輻射（CMBR）告訴我們如何以及為何形成了星系。

關於大爆炸，研究CMBR後能得到啥呢？

我們再來對著CMBR看幾個問題：

那些點是什麼？

紅點是由於重力而聚集的微小塊體，因此代表較低的能量，因為它們也吸引了光線，吸收了一些能量。 另一方面，藍點是代表較高能量的相對較小的緻密部分，因為它們質量小、光得以更輕鬆的通過。

微小的斑點表明CMBR圖上小範圍的溫度微小變化。

它們代表最小的溫度變化。 溫度變化直接導致恆星和星系的形成，從而導致生命。

考慮到這一點，這些小塊是如何形成的呢？

量子波動！ 量子力學以極小的尺度規定了基本粒子的動力學，並告訴我們，與普遍的觀點相反，真空不是「空的」，而是以稱為量子波動的形式存在一定量的勢能。

這些是虛擬的粒子 - 反粒子對，如幾個肥皂泡，從「空」中產生，然後相互湮沒為虛無。

暈了吧？！

是的，不管它聽起來多奇怪，它在數學上是可能的，由海森堡的測不準原理支撐。

請坐穩了，還有更神奇的！

你不覺得奇怪嗎，為什麼CMBR宇宙背景圖如此均勻？

更奇怪的是宇宙背景圖的大規模同質性。 換句話說，考慮到背景圖包含了巨大的區域，如何將溫度均勻分布在所有團塊之間 - 即使是宇宙角落裡的那些 - 如此之快？ 比光速還要快嗎？

同質性擾亂了宇宙學家一段時間，直到艾倫·考特（Alan Guth）提出猜想：宇宙迅速擴張，速度比光速快，就在它剛剛誕生之後。 他稱這種擴張為「通脹」。

怎麼樣，夠勁爆吧！

膨脹

極度加速的膨脹發生在10 ^ -36秒之後，以10 ^ -32秒結束。 宇宙擴大了10 ^ 30尺度。 膨脹在空間上的擴展比光速快！

這已是足夠時間，讓混沌之處的團塊散發熱量、並達到均勻溫度的宇宙形成過程一環，如辦公桌上的一杯咖啡。 膨脹模型提出，在均勻溫度建立後，我們觀察到的這個微小區域被拉伸到較大的區域。

因此，宇宙能夠保持其統一性，並給予我們CMBR描繪的形象。 這個相變過程提供了某種排斥力，不管物體的質量多大，都能對抗他們的重力、並使物體分離。

不過，你肯定質疑：光速難道不是不可超越的嗎？

那有一個漏洞：沒有什麼可以比通過空間的光速快。 定律沒有考慮空間本身，空間在膨脹中擴大，從而讓兩個物體分離，而不違反狹義相對論。

造成膨脹的原因尚不清楚，提出的理論超出了本文的範圍。 雖然一個普遍的理論是，宇宙經歷了相變，將其隨機性轉化為秩序，在過程中釋放出令人難以置信的能量，就像冰箱通過將熱量放入其周圍環境而讓水結冰一樣。

這個能量被用來實現宇宙在空間上以指數級進行膨脹，因此，大爆炸就是膨脹本身。

著名的宇宙學家史蒂芬·霍金（Lawrence Krauss）和勞倫斯·克勞斯（Lawrence Krauss）都提出了這樣的觀點：小氣泡隨機的出現和消失，在爆炸時作用到圍繞著我們的、這個一直膨脹中、令人難以理解的宇宙。

把上面的論點串起來，宇宙的整體現象可以生動的描繪如下：

像一個令人討厭但真的好奇的五歲小孩子經常做的，你可以直接跳過開始，問：為什麼一定是那樣呢？可我什麼也沒看到呀？！ 事實上…

什麼是「空」？

這個問題，無論聽起來多麼抽象和哲學，它其實都是一個科學問題。 但是呢，回答起來太複雜了。 量子波動允許粒子隨機地從「空」中產生和湮滅，但只有在真空的坩堝中觀察到了（【嶺南按】待核實）。

但問題又來了，這個真空來自哪裡？ （這是最後一個問題，我保證）

甚至只是想想「空」這個概念都會讓我們頭疼，至少現在，這個令人困惑的問題的答案是... 我們根本不知道「空」是什麼。 我們可以說：顯而易見的那裡一定要有一些東西，而不是「空」（什麼都沒有），就像勞倫斯·克勞斯說的：「 「空」它就是……不穩定（沒啥道理可講）」。

本文編譯自http://www.scienceabc.com What Caused The Big Bang And Created The Universe? 原作者：Akash Peshin

參考文獻：

Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Berkeley Cosmology Group

University of Wisconsin Madison

NASA/IPAC Extragalactic Database (NED), California Instituteof Technology

A Universe From Nothing by Lawrence Krauss

Carnegie Institution for Science

更多文章，請關注微信公眾號：嶺南天問閣 （公眾號ID：edmoon_cai)