天地玄黃、宇宙洪荒：宇宙大爆炸理論介紹
大爆炸如何創(chuàng)造了我們眼中的宇宙？
如果你躺在露臺(tái)上，盯著美麗的夜空，想知道這個(gè)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(dòng)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(chuàng)造宇宙，當(dāng)然，大多數(shù)人不相信這個(gè)，對(duì)吧？
幸運(yùn)的是，還有另一個(gè)故事，更科學(xué)，更有說服力：大爆炸理論。
而宇宙學(xué)家和物理學(xué)家已經(jīng)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(gè)現(xiàn)象可能是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，所以我將通過一些列問答的方式來嘗試說明白這個(gè)問題。
（1）什么是大爆炸理論？
大爆炸理論是關(guān)于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(shù)據(jù)的，因此被廣泛接受。它受到其他一些理論的質(zhì)疑，但被認(rèn)為是宇宙學(xué)最廣泛接受的觀點(diǎn)。注意，本文可不是討論《thebig band》電視劇。
比利時(shí)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(dāng)天文學(xué)家埃德溫·哈勃（EdwinHubble）在1924年反對(duì)愛因斯坦對(duì)靜態(tài)宇宙的信仰時(shí)，發(fā)現(xiàn)星系彼此分開，意味著宇宙不斷擴(kuò)大。
宇宙從一個(gè)點(diǎn)伸展開來(PhotoCredit : Fredrik / cy:User:Llywelyn2000 / Wikimedia Commons)
喬治意識(shí)到，在一定時(shí)間內(nèi)，宇宙小得多，后來的擴(kuò)張可追溯到爆炸形成現(xiàn)在宇宙的一個(gè)點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，大約在140億年之前，宇宙中的所有物質(zhì)集中在這個(gè)單一點(diǎn)上。
（2）我們憑什么認(rèn)為發(fā)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余熱量，涂抹了整個(gè)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?yàn)楣庖呀?jīng)走過了數(shù)十億年，這已經(jīng)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：由于大爆炸，任意兩點(diǎn)都在相互遠(yuǎn)離，光從離你而去的物體射來時(shí)、等效波長變長，也就是可見光變成紅外光了）。
左：電磁頻譜。 右：CMBR（宇宙微波背景輻射），永遠(yuǎn)存在我們頭頂，但肉眼看不到。
它的發(fā)現(xiàn)是為確定宇宙的形狀或“幾何”而進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)的一部分，并且是由測量微波輻射的基于太空望遠(yuǎn)鏡的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）測量的。
測量中的WMAP，在空間中的每個(gè)方向測量微波，在地球表面沒有任何環(huán)境干擾時(shí)。
CMBR為我們提供了誕生近10萬年的嬰兒宇宙的照片。 最初，由于太多的熱量，宇宙處于等離子體狀態(tài)，充滿電離氣體，散射光子并使其變得不透明。 圖中展示的情形是它冷卻下來后、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(diǎn)”。
由WMAP制作的CMBR精致細(xì)節(jié)。 （圖片來源：AirBa?commonswiki / Wikimedia Commons）
宇宙微波背景輻射（CMBR）告訴我們?nèi)绾我约盀楹涡纬闪诵窍怠?/p>
關(guān)于大爆炸，研究CMBR后能得到啥呢？
我們?cè)賮韺?duì)著CMBR看幾個(gè)問題：
那些點(diǎn)是什么？
紅點(diǎn)是由于重力而聚集的微小塊體，因此代表較低的能量，因?yàn)樗鼈円参斯饩€，吸收了一些能量。 另一方面，藍(lán)點(diǎn)是代表較高能量的相對(duì)較小的致密部分，因?yàn)樗鼈冑|(zhì)量小、光得以更輕松的通過。
微小的斑點(diǎn)表明CMBR圖上小范圍的溫度微小變化。
它們代表最小的溫度變化。 溫度變化直接導(dǎo)致恒星和星系的形成，從而導(dǎo)致生命。
考慮到這一點(diǎn)，這些小塊是如何形成的呢？
量子波動(dòng)！ 量子力學(xué)以極小的尺度規(guī)定了基本粒子的動(dòng)力學(xué)，并告訴我們，與普遍的觀點(diǎn)相反，真空不是“空的”，而是以稱為量子波動(dòng)的形式存在一定量的勢能。
這些是虛擬的粒子 - 反粒子對(duì)，如幾個(gè)肥皂泡，從“空”中產(chǎn)生，然后相互湮沒為虛無。
暈了吧？！
是的，不管它聽起來多奇怪，它在數(shù)學(xué)上是可能的，由海森堡的測不準(zhǔn)原理支撐。
請(qǐng)坐穩(wěn)了，還有更神奇的！
你不覺得奇怪嗎，為什么CMBR宇宙背景圖如此均勻？
更奇怪的是宇宙背景圖的大規(guī)模同質(zhì)性。 換句話說，考慮到背景圖包含了巨大的區(qū)域，如何將溫度均勻分布在所有團(tuán)塊之間 - 即使是宇宙角落里的那些 - 如此之快？ 比光速還要快嗎？
同質(zhì)性擾亂了宇宙學(xué)家一段時(shí)間，直到艾倫·考特（Alan Guth）提出猜想：宇宙迅速擴(kuò)張，速度比光速快，就在它剛剛誕生之后。 他稱這種擴(kuò)張為“通脹”。
怎么樣，夠勁爆吧！
膨脹
極度加速的膨脹發(fā)生在10 ^ -36秒之后，以10 ^ -32秒結(jié)束。 宇宙擴(kuò)大了10 ^ 30尺度。 膨脹在空間上的擴(kuò)展比光速快！
該圖顯示了由通貨膨脹及其持續(xù)時(shí)間引起的擴(kuò)張規(guī)模。
這已是足夠時(shí)間，讓混沌之處的團(tuán)塊散發(fā)熱量、并達(dá)到均勻溫度的宇宙形成過程一環(huán)，如辦公桌上的一杯咖啡。 膨脹模型提出，在均勻溫度建立后，我們觀察到的這個(gè)微小區(qū)域被拉伸到較大的區(qū)域。
因此，宇宙能夠保持其統(tǒng)一性，并給予我們CMBR描繪的形象。 這個(gè)相變過程提供了某種排斥力，不管物體的質(zhì)量多大，都能對(duì)抗他們的重力、并使物體分離。
不過，你肯定質(zhì)疑：光速難道不是不可超越的嗎？
那有一個(gè)漏洞：沒有什么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(kuò)大，從而讓兩個(gè)物體分離，而不違反狹義相對(duì)論。
造成膨脹的原因尚不清楚，提出的理論超出了本文的范圍。 雖然一個(gè)普遍的理論是，宇宙經(jīng)歷了相變，將其隨機(jī)性轉(zhuǎn)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(huán)境而讓水結(jié)冰一樣。
這個(gè)能量被用來實(shí)現(xiàn)宇宙在空間上以指數(shù)級(jí)進(jìn)行膨脹，因此，大爆炸就是膨脹本身。
著名的宇宙學(xué)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(diǎn)：小氣泡隨機(jī)的出現(xiàn)和消失，在爆炸時(shí)作用到圍繞著我們的、這個(gè)一直膨脹中、令人難以理解的宇宙。
把上面的論點(diǎn)串起來，宇宙的整體現(xiàn)象可以生動(dòng)的描繪如下：
根據(jù)大爆炸理論總結(jié)宇宙的誕生與演變的插圖。 （圖片來源：NASA / WMAP科學(xué)小組/維基共享資源）
像一個(gè)令人討厭但真的好奇的五歲小孩子經(jīng)常做的，你可以直接跳過開始，問：為什么一定是那樣呢？可我什么也沒看到呀？！ 事實(shí)上…
什么是“空”？
這個(gè)問題，無論聽起來多么抽象和哲學(xué)，它其實(shí)都是一個(gè)科學(xué)問題。 但是呢，回答起來太復(fù)雜了。 量子波動(dòng)允許粒子隨機(jī)地從“空”中產(chǎn)生和湮滅，但只有在真空的坩堝中觀察到了（【嶺南按】待核實(shí)）。
但問題又來了，這個(gè)真空來自哪里？ （這是最后一個(gè)問題，我保證）
甚至只是想想“空”這個(gè)概念都會(huì)讓我們頭疼，至少現(xiàn)在，這個(gè)令人困惑的問題的答案是... 我們根本不知道“空”是什么。 我們可以說：顯而易見的那里一定要有一些東西，而不是“空”（什么都沒有），就像勞倫斯·克勞斯說的：“ “空”它就是……不穩(wěn)定（沒啥道理可講）”。
本文編譯自http://www.scienceabc.comWhat Caused The Big Bang And Created The Universe? 原作者：Akash Peshin
參考文獻(xiàn)：
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
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