大爆炸是毋庸置疑的。一位专家揭示了原因。

一切是如何开始的？这是人类思考了数千年的问题。在过去的一个世纪左右，科学已经找到了答案：Big Bang 宇宙.

这描述了宇宙是如何在近 140 亿年前的灾难性爆炸中诞生的。在一个小小的几分之一秒，可观测宇宙的生长相当于一种细菌膨胀到银河系的大小。早期的宇宙非常热，密度极高。但是我们怎么知道这发生了呢？

让我们先来看证据。1929 年，美国天文学家埃德温·哈勃发现遥远的星系正在搬走彼此之间，导致人们意识到宇宙正在膨胀。

如果我们把时钟拨回到宇宙的诞生，膨胀就会逆转，星系会在 140 亿年前彼此重叠。这个时代与古老天文对象我们观察.

这个想法最初遭到了怀疑——实际上是一个怀疑论者，英国天文学家弗雷德·霍伊尔，谁创造了这个名字。霍伊尔讽刺地将这个假设驳斥为”Big Bang“ 期间接受 BBC 电台采访1949 年 3 月 28 日。

然后，在 1964 年，Arno Penzias 和 Robert Wilson 检测到了特定类型的辐射这填满了所有的空间。这被称为宇宙微波背景 （CMB）辐射。它是宇宙仅 380,000 岁时释放的大爆炸余辉。

CMB 提供了一个窗口，可以了解宇宙开始时的炎热、密集的条件。Penzias 和 Wilson 被授予1978 年诺贝尔物理学奖为他们的发现。

最近，粒子加速器的实验就像大型强子对撞机 （LHC） 一样揭示了更接近大爆炸时期的情况。我们对这些高能量的物理学的理解表明，在大爆炸后的最初时刻，四大基本力量今天存在的物理学最初被组合成一个力。

现在的四种力是重力、电磁力、强核力和弱核力。随着宇宙膨胀和冷却，一系列巨大的变化，称为相变（如水的沸腾或冻结），将这些力分开。

粒子加速器的实验表明，在大爆炸后的数十亿分之一秒，这些相变中最近的一次发生了。这就是电弱统一的崩溃，当电磁学和弱核力停止结合时。这是宇宙中所有物质都呈现出它的质量的时候。

随着时间的推移，宇宙中充满了一种奇怪的物质，称为夸克胶子等离子体.顾名思义，这种“原始汤”是由夸克和胶子组成的。这些是负责强大核力的亚原子粒子。夸克胶子等离子体是人工的生成于 2010 年在布鲁克海文国家实验室 （Brookhaven National Laboratory） 和2015 年在 LHC.

夸克和胶子彼此具有很强的吸引力，今天它们以质子和中子的形式结合在一起，而质子和中子又是原子的组成部分。然而，在早期宇宙的炎热和密集的条件下，它们独立存在。

夸克胶子等离子体并没有持续很长时间。在大爆炸后仅几百万分之一秒，随着宇宙膨胀和冷却，夸克和胶子以质子和中子的形式聚集在一起，这种情况一直持续到今天。此事件称为夸克限制。

随着宇宙进一步膨胀和冷却，宇宙中的高能光子（光粒子）比以前少了。这是名为大爆炸核合成 （BBN）.

这是第一个原子核– 由质子和中子组成并在原子中心发现的致密物质块 – 通过以下方式形成核聚变反应，就像那些为太阳提供动力的反应一样。

当宇宙中有更多的高能光子时，任何形成的原子核都会很快被它们摧毁（这个过程称为光分解）。BBN 在大爆炸后几分钟就停止了，但其后果今天是可以观察到的。

天文学家的观测为我们提供了这些聚变反应中产生的元素原始丰度的证据。结果非常紧密契合BBN 理论。如果我们继续前进，在近 140 亿年的时间里，我们将达到今天存在的情况。但是，我们能有多接近理解大爆炸本身附近发生的事情呢？

科学家们没有直接证据证明电弱统一崩溃之前（当电磁和弱核力停止结合时）发生了什么。在如此高能量和早期，我们只能凝视着大爆炸的奥秘。那么理论暗示了什么呢？

当我们回顾宇宙的历史时，距离和体积会缩小，而平均能量密度会增加。在大爆炸中，距离和体积下降到零，宇宙的所有部分都彼此重叠，宇宙的能量密度变得无限。

我们描述空间演化和宇宙膨胀的数学方程式被零和无穷大所侵扰，不再有意义。

我们称之为奇点.阿尔伯特·爱因斯坦的理论广义相对论描述时空的形成方式。时空是描述宇宙的三维几何图形的一种方式，与时间混合在一起。时空曲率产生引力。

但数学表明，宇宙中有些地方的时空曲率变得无限。这些位置称为奇点。一个这样的例子可以在黑洞.在这些地方，广义相对论崩溃了。

从 1965 年到 1966 年，英国理论物理学家斯蒂芬·霍金和罗杰·彭罗斯提出了许多数学定理，证明膨胀宇宙的时空必须以过去的奇点结束：大爆炸奇点。

彭罗斯收到了2020 年诺贝尔奖.霍金去世2018 年，诺贝尔奖不追授。空间和时间出现在大爆炸奇点上，因此“在大爆炸之前”发生了什么的问题没有得到很好的定义。就科学所能判断的而言，没有以前;大爆炸是时间的开始。

然而，仅用广义相对论并不能准确描述自然界，尽管后者已经存在了 100 多年并且没有被证伪。广义相对论不能描述原子、核聚变或放射性。相反，这些现象由量子理论来解决。

来自“经典”物理学的理论，例如相对论,是确定性的.这意味着某些初始条件具有确定的结果，因此是绝对可预测的。量子理论，则是概率性的。这意味着宇宙中的某些初始条件可能会有多种结果。

量子理论在某种程度上是预测性的，但以概率的方式。结果被分配了存在的可能性。如果概率的数学分布在某个结果处急剧达到峰值，那么这种情况可以用“经典”理论（如广义相对论）很好地描述。

但并非所有系统都是这样的。在某些系统中，例如原子，概率分布是分散的，经典描述不适用。

重力呢？在绝大多数情况下，经典物理学很好地描述了引力。经典时空是平滑的。

然而，当曲率变得极端，接近奇点时，引力的量子性质就不能被忽视。在这里，时空不再是光滑的，而是粗糙的，类似于地毯，从远处看是光滑的，但近看却充满了纤维和线。

因此，在大爆炸奇点附近，时空的结构不再是平滑的。数学定理表明，时空被“粗糙”的特征所淹没：钩子、环和气泡。这种快速波动的情况称为时空泡沫.

在时空泡沫中，因果关系不适用，因为时空中存在闭环，事件的未来也是它的过去（所以它的结果也可以是它的原因）。

量子理论的概率性质表明，当概率分布均匀时，所有结果都是平等的可能性，而我们与经典物理学理解相关联的舒适因果关系概念就消失了。

因此，如果我们回到过去，就在我们遇到大爆炸奇点之前，我们会发现自己进入了一个引力的量子效应占主导地位且因果关系不适用的时代。这称为普朗克纪元。

时间不再是线性的，从过去到未来，而是变得封闭、混乱和随机。这意味着“为什么会发生大爆炸”这个问题没有意义，因为在因果关系之外，事件不需要一个原因来发生。

为了理解物理学在像大爆炸这样的奇点上是如何运作的，我们需要一个根据量子理论来解释引力如何表现的理论。很遗憾，我们没有。在这方面有许多努力，例如环量子引力和弦理论，以及它的各种化身。

然而，这些努力充其量是不完整的，因为这个问题是出了名的困难。这意味着时空泡沫具有图腾般的强大神秘感，就像古老的赫西俄德之混沌希腊人认为这在一开始就存在。

那么，我们不断膨胀的、基本上是经典的宇宙是如何从时空泡沫中逃脱出来的呢？这就把我们带到了宇宙膨胀。后者被定义为早期宇宙加速膨胀的时期。它首先由俄罗斯理论物理学家提出阿列克谢·斯塔罗宾斯基1980 年和同年，由美国物理学家艾伦·古斯，谁创造了这个名字。

根据观察，膨胀使宇宙变得庞大而均匀。它还迫使宇宙在空间上是平坦的，这在原本上是一种不稳定的情况，但这也已被观测所证实。

此外，膨胀提供了一种自然机制来产生宇宙密度的原始不规则性，这些不规则性对于星系和星系团等结构的形成至关重要。

理论证明是正确的

精确观察宇宙微波背景近几十年来，已经非常壮观证实了预测的通货膨胀。我们也知道宇宙确实可以加速扩张，因为在过去的几十亿年里，它又开始这样做了。

这和时空泡沫有什么关系呢？嗯，事实证明，如果膨胀的条件（偶然地）出现在一块波动的时空中，就像时空泡沫一样，那么这个区域就会膨胀并开始符合经典物理学。

根据一个想法首次提议俄裔美国物理学家安德烈·林德 （Andrei Linde） 认为，膨胀是早期宇宙中混沌初始条件的自然——也许是不可避免的——结果。

关键是，我们的经典宇宙可能是通过经历最初的膨胀而从混乱的状态中出现的，就像时空泡沫中的那些。这会引发宇宙的膨胀。事实上，天文学家对 CMB 的观测表明，最初的提升是爆炸性的，因为膨胀期间的膨胀是指数级的。

2014 年 3 月 20 日，Alan Guth简洁地解释道：“我通常将膨胀描述为大爆炸的'爆炸'理论：它描述了我们称之为大爆炸的推进机制。”

所以，你有它。我们宇宙的 140 亿年历史始于太空中无处不在的灾难性爆炸，我们称之为大爆炸。这一点是毋庸置疑的。

这次爆炸实际上是一个爆炸性膨胀的时期，我们称之为宇宙膨胀。不过，在通货膨胀之前会发生什么？它是时空奇点，是时空泡沫吗？答案在很大程度上是未知的。

事实上，它甚至可能是不可知的，因为有一个数学定理禁止我们访问有关通货膨胀开始的信息，很像阻止我们了解黑洞内部.所以，从我们的角度来看，宇宙膨胀是大爆炸，是这一切的开始。

康斯坦丁诺斯·迪莫普洛斯， 粒子宇宙学教授，兰卡斯特大学

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