【快播报】宇宙大爆炸理论是什么 宇宙大爆炸理论介绍

近几十年来，宇宙学逐渐成为了一门真正的科学，宇宙的演化过程逐渐被人们了解。但在众人的理解中，即使是物理学、宇宙学方面的专业人士，却都难免存在许多的“误解”。

大爆炸标准模型不是“无中生有”

【资料图】

这点前面已经述及，这儿再次强调。从广义相对论和哈勃定律，宇宙空间在不停地膨胀，星体间互相逐渐远离的事实，不可避免地会得到宇宙早期高度密集的结论。以宇宙目前膨胀的规律将时间倒推过去，星体间必然曾经靠得很近，并且，离“现在”越久远，宇宙中星球的密度就会越大，亦即同样多的“星体”占据的空间就会越小。

再往前，星体便会不成其为星体，而是因为短距离下强大的引力而“塌缩”在一块儿，成为混沌一团的等离子体。再往前推，物质的形态表为各种基本粒子组成的“混沌汤”：电子、正电子、无质量无电荷幽灵般的中微子和光子。推到最后，给我们的“宇宙最早期”图景，便是一个密度极大且温度极高的太初状态，也就是说，我们现在的宇宙是由这种“太初状态”演化而来。称之为“大爆炸”。

仅仅从广义相对论这个 “经典引力理论”而言，如上所述的“时间倒推”可以一直推至t=0，它对应于数学上的时间奇点。但是实际上，当空间小到一定尺度，也就是说对应于时间“早”到一定的时刻，就必须考虑量子效应。遗憾的是，广义相对论与量子理论并不相容，迄今为止物理学家们也没有得到一个令人满意的量子引力理论。

因此，我们将大爆炸模型开始的时间定在普朗克时间（10-43秒），或者更后一些，比如说，引力与其它三种作用分离之后（10－35 秒）。这是物理学家们能够自信地应用现有理论的最早时间，任何理论都有其极限。我们的理论目前只能到此为止，至于更早期的量子引力阶段，可以研究，但现在的标准理论尚未能给出满意的答案。如果再进一步，有人要问：“当时间t

所以，目前来看，标准的大爆炸模型并不是一个无中生有的“创世理论”，而只是一个被观测证实、得到主流认可的宇宙演化模型。宇宙的所有物质原本（从普朗克时间开始）就存在在那儿，“大爆炸理论”只不过描述宇宙如何从太初的高温高压高密度的“一团混沌”演化到了今日所见的模样。

宇宙的“演化”进程非常地不均匀。温伯格曾经用一本书的篇幅，来描写宇宙早期（开始三分钟）的进化过程，而直到“大爆炸”发生大约4-10亿年之后，才逐渐形成了星系。

宇宙“爆炸”不同于炸弹的“爆炸”

“大爆炸”不是一个准确的名字，容易使人造成误解，会将宇宙演化的初始时刻理解为通常意义上如同炸弹一样的“爆炸”：火光冲天，碎片乱飞。实际上，炸弹爆炸是物质向空间的扩张，而宇宙爆炸是空间本身的扩张。有趣的是，据说科学家们曾经想要改正这个名字，但终究也没有找到更恰当的名称。

炸弹爆炸发生在三维空间中的某个系统所在的区域，通常是因为系统内外的巨大压力差而发生。发生时系统的能量借助于气体的急剧膨胀而转化为机械功，通常同时伴随有放热、发光和声响效应，影响到周围空间。

对宇宙大爆炸而言，根本不存在所谓的外部空间，只有三维空间“自身”随时间的“平稳”扩张。有人将宇宙大爆炸比喻为“始于烈焰”、“开始于一场大火”，此类说法欠妥。

空间扩张但星系不扩张

什么是“空间本身的扩张”？

之前曾经介绍过，我们三维空间可能的几何形态有三种：球面、平坦、马鞍型，根据宇宙总质量密度与临界质量密度的比值Ω而定，即取决于Ω是大于、等于、或小于1。如果认为宇宙是平坦而无限（如同1998年之后的观察结果所支持的：Ω = 1.0010 ± 0.0065），二维“空间扩张”可以比喻成一个可以无限伸长扩展的平面橡皮薄膜。

橡皮膜扩展时，上面的所有花纹也将扩展，宇宙空间扩展的情况则有所不同。如图9-1-3所示，空间膨胀时，星系的尺寸并不变大。这是因为“引起宇宙膨胀”和“维持星系形状”是两种不同的作用机制。星系的形状是靠一般的万有引力（吸引力）来维持，宇宙膨胀的机制尚未完全明确，一种说法是用爱因斯坦引进的宇宙常数来解释，这是一种互相排斥的“反引力”效应，由负压强产生（也就是所谓的暗能量），只在大尺度范围起作用。所以，大尺度范围的反引力使得宇宙膨胀，而局部起着主导作用的引力（吸引力）则维持星体聚集在一起，从而形成了图9-1-3下图所示的空间膨胀图景。

如上所述，宇宙膨胀，但星系并不膨胀。星系不膨胀，其中的星体、恒星、行星，我们的太阳、地球、月亮，都不膨胀。也就是说，只有“大尺度”（星系间的距离尺度）的空间才有可观测的膨胀效应，原子中原子核和电子间的距离却是保持不变的，其原因是因为在原子中起作用维持平衡的主要是电磁力，比较起来，引力作用可忽略不计。引力只在大尺度起作用，使得大尺度的、星系之间的空间膨胀，却并不改变更小级别的空间尺度。因而，我们日常所见的一切：树木、高山、房屋、桌椅、以及度量用的“尺”，都保持不变，与宇宙的膨胀无关。

当然，刚才所说的“星系不扩展”，指的是“星系”还存在的前提下，强调的是现在（或将来）的观测结果，并不适用于将宇宙历史向大爆炸的原点倒退过去的情况。

可观测宇宙和“大宇宙”

自从望远镜发明以来，过去几个世纪的天文观测资料不断地调整着人类在宇宙中的地位。这是对我们自信心一次又一次的严重打击，将我们从自认为是宇宙中心的位置上拉下来，一步一步地往下拉！最后，人类不得不承认我们脚下的这片看起来广袤无垠的土地，只不过是茫茫宇宙中毫不起眼的一粒尘埃！与整个宇宙比较起来，人类赖以生存的太阳系显得如此渺小。即使是整个银河系，也让我们大失所望，它在宇宙中不过是数十亿计星系中的普通一个，毫无特殊性可言。

图9-1-4：地球（银河系）的可观测宇宙

根据宇宙学原理，宇宙是均匀和各向同性的，因而，整个宇宙没有中心。但是，很多时候我们所谓的“宇宙”，指的是对地球（银河系）而言的可观测宇宙。可观测宇宙有中心，只是整个“大宇宙”的一部分，观测点则是“可观测宇宙”的中心。

大宇宙有可能是无限的，可观测宇宙则总是有限的。如果大宇宙是有限的话，理论上而言，它可以小于可观测宇宙。但根据迄今为止的天文观察资料，我们的宇宙接近“平坦”。而大宇宙无论有限无限，都应该是大大地大于可观测宇宙。

宇宙大爆炸发生在空间每一点

此外，又该如何理解“大爆炸发生在空间每一点”？

大宇宙只有一个，但对每一个观测点都可以定义一个可观测宇宙。比如说，对银河系而言，目前可观测宇宙的大小是一个以银河系为中心半径为465亿光年的球，如图9-1-4所示。

从大爆炸开始，宇宙在不停地膨胀。所以，离大爆炸的原点越近，可观测宇宙的范围越小。地球年龄不过45亿年左右，银河系的年龄则超过100亿年，因而图9-1-4可以表示以银河系为中心的可观测宇宙。早到宇宙寿命10亿年左右，星系刚形成，从银河系大概只能观察到自己的星系。

银河系。图片来自网络

不妨假设银河系中心所在位置为O0。在接近大爆炸的时刻，可观测宇宙将缩小到弹子球、以至于一个原子的尺度，假设那时仍然以点O0为中心。因此，对银河参照系而言，最开始的大爆炸发生于其中心点O0。但是，银河系只是真实宇宙中一个普通的星系，对其它星系而言，存在另外的以其它点O1、O2、O3、……为中心的可观测宇宙，对这些星系，大爆炸分别发生于点O1、O2、O3、……。也就是说，大爆炸发生于初始空间的每一个点，如图9-1-5所示。

如果真实宇宙是平坦而无限的，初始空间也基本上是平坦而无限的，大爆炸发生在这个无限空间的每一个点。从大爆炸开始，本来就无限的宇宙，经历了暴胀、扩展、冷却、太初核合成、各种粒子不断地产生、湮灭、……等等过程，最后，演化成为我们现在所见的星系世界。

有读者问：宇宙大爆炸，是什么大爆炸了？答案是时空大爆炸。时间从普朗克时间（5.39121 × 10−44秒）开始，空间从普朗克长度（1.616252×10−35 米）开始演化，有关普朗克尺度，请参考第8章第四节。

大爆炸之前的宇宙何在？这个问题也同样困惑着宇宙学专家。答案没人知道。

解释大爆炸模型的图中经常将“大爆炸”画成（想象成）平坦无限的欧氏空间中的一个点，其实那不是一个点，那是时空开始时（爆炸）的整个世界。想象一下只知道球面的球面生物“阿扁”，我们以为它的“球面”之外还有别的“时空”，其实没有，无论它的球面大或小，哪怕在“三维人类”的眼中缩成了一个点，那都是它的整个世界！我们也一样，除了这个爆炸产生的4维时空，没有别的了。