不要相信这5个关于大爆炸的神话

我们今天所知的宇宙，充满了跨越宇宙大奥的恒星和星系，却不是永远存在。尽管我们可以看到大约2万亿个星系，距离达数百亿光年，但我们的观察距离有限。这并不是因为宇宙是有限的，而是因为它有一个在有限时间之前发生的开始：大爆炸。

图注：奇点是传统物理的崩溃点，也是我们所说的是宇宙开始。然而，在宇宙中实现任意的热态和稠密态也有其后果，其中许多都无法维持观测。

我们今天能够看到我们的宇宙，看到它膨胀和冷却，并推断我们的宇宙起源，这是20世纪最令人印象深刻的科学成就之一。宇宙大约在138亿年前从一个热的、致密的、充满物质和辐射的状态开始，此后一直在膨胀、冷却和引力作用。但大爆炸本身并不像大多数人想象的那样起作用。以下是人们对大爆炸的五大神话。

图注：三位一体核试爆炸的最初阶段，爆炸后仅16毫秒，火球的顶部高200米。如果不是地面的存在，爆炸本身不会是一个半球，而是一个近乎完美的对称球体。

1.)宇宙大爆炸是我们宇宙的开始。

每当我们观察宇宙中一个遥远的星系，试图测量它的光在做什么时，我们都会看到同样的模式出现：星系越远，它的光就越明显地系统地转移到越来越长的波长上。我们观察到的这些天体光的红移遵循一种可预测的模式，红移的两倍意味着天体发出光线的移动量是原来的两倍。

因此，遥远的天体似乎正在远离我们。就像一辆警车从你身边疾驰而去时，声音的音调越低，它离开你的速度越快，我们测量一个天体离我们的距离越大，它的光的红移量也就越大。因此，认为距离我们越远的天体以更快的速度离开我们，我们可以追踪我们今天看到的每一个星系，回到过去的一个点上，这是非常有意义的：一次巨大的爆炸。

但这完全是对大爆炸究竟是什么的误解。这并不是说这些星系正在穿越宇宙本身，而是组成宇宙本身的空间结构正在膨胀。就像葡萄干在一团生面团中与它们的距离成比例地退缩一样，随着宇宙的膨胀，星系似乎彼此退避。葡萄干并不是相对于面团运动的；膨胀的面团本身的作用似乎只是把它们分开。

这并不是一个初始的爆炸，导致星系彼此远离，而是由爱因斯坦的广义相对论所控制的膨胀宇宙的物理，这导致空间（星系包含在它里面）膨胀。没有爆炸，只是一种快速膨胀，它是在我们宇宙中所有物质的累积引力作用的基础上进化而来的。

图注：对可观测宇宙的对数尺度概念。请注意，从大爆炸以来的时间来看，我们所能看到的距离是有限的：138亿年，或者（包括宇宙膨胀）460亿光年。任何生活在我们宇宙中的人，在任何地方，从他们的角度看，几乎都会看到完全相同的东西。

2.)太空中有一点我们可以追溯到大爆炸的“事件”。

同样，大爆炸事件也没有“中心点”。你可能最初认为，如果一切事物似乎都在从其他事物向外扩展，那么我们可以将一切推断回它们都起源于同一地点的时候。正如手榴弹有一个中心位置，所有的弹片必须来自它，以此类推，人们认为宇宙一定有一个类似的起源点。

但宇宙并没有爆炸，只是膨胀了。在一个膨胀的宇宙中，当你考虑到足够大的体积时，空间中的每个位置看起来都是一样的。在大尺度的平均值上，宇宙似乎具有相同的密度、相同的温度和相同数量的星系。如果你把宇宙在时间上往回推，它会显得更热更密集，但那是因为空间本身也在演化和膨胀。

图注：从我们的角度来看，可观测到的宇宙可能是460亿光年，但肯定有更多的、不可观测的宇宙，甚至可能是无限的，就像我们的宇宙一样。随着时间的推移，我们将能够看到更多，最终观察到大约2.3倍于我们目前所能看到的星系。

当我们在时间上向后推断宇宙时，我们可以计算出它在过去一定是更小和更密集的，但对于所有的观察者来说，这适用于所有的空间。每一点上的每一个观察者都平等地声称自己处于中心，就像空间的每一个区域都具有与空间的其他类似大小区域相同的大尺度性质一样。

大爆炸不是在一个点上发生的，而是在所有地方同时一次发生，而且是在有限的时间之前发生的。当我们回望宇宙中更遥远的区域时，我们是在回望时间，从宇宙提供的每一个视角来看其他的观察者也是如此。宇宙没有重复的结构，没有可识别的边缘，也没有首选的方向，这些都证明了大爆炸没有特定的起源点：它同时发生在任何地方，根本没有首选的中心位置。

图注：我们今天看到的恒星和星系并不总是存在，而我们越走越远，宇宙就越接近一个明显的奇点，我们进入更热、更密集、更均匀的状态。然而，这种推断是有限度的，因为一路回到奇点就会产生我们无法回答的谜题。

2.)宇宙大爆炸时，我们宇宙中的所有物质和能量都被压缩成一个无限热、稠密的状态。

如果今天宇宙正在膨胀和冷却，那么它在过去一定是更小、更稠密和更热。你可以想象，事实上，一路往回走，尽你的想象所能，直到你达到一个无限小的尺寸，导致任意高的密度和温度。也许那是大爆炸的“瞬间”：一个无限热的稠密状态。

只是，我们有几种方法来验证这个假设！首先，我们今天看到的，在宇宙微波背景中留下的温度波动，会有与普朗克能量尺度相比最大温度的波动。这些波动只会出现在宇宙视界的范围内（而且更小）。甚至应该有剩余的遗物，只出现在高能量，像磁单极子，充满我们的宇宙。

图注：宇宙微波背景中的波动幅度如此之小，模式如此特殊，它们强烈地表明宇宙是从各地相同的温度开始的，只有三万分之一的波动，这一事实与任意热的大爆炸是不可调和的。

在1990年代、2000年代和2010年代，人类分别从COBE、WMAP和普朗克任务中获得了主要成果。它们探测了宇宙大爆炸后余辉的波动：宇宙微波背景，并帮助寻找这些精确的信号。它们的发现以及其他实验（如直接搜索磁单极子）证明，宇宙从未达到超过普朗克能量标度0.03%的温度。

温度波动仅为30000分之一，比无限热态预测值小数千倍。波动出现在比宇宙视界更大的尺度上，由WMAP和普朗克有力地测量。而对磁单极子和其他超高能遗迹的限制，强烈反对超高能进入我们的宇宙。结论呢？宇宙在过去曾有过一个温度截止点，从未超过临界值。

图注：我们的整个宇宙历史在理论上是很清楚的，但这仅仅是因为我们理解了它的基础引力理论，而且因为我们知道宇宙目前的膨胀率和能量组成。光将一直在这个不断膨胀的宇宙中传播，我们将继续在遥远的未来任意地接收光，但它将在时间上被限制在我们所能到达的范围内。关于我们的宇宙起源，我们仍然有未回答的问题，但宇宙的年龄是已知的。

4）大爆炸使我们的宇宙不可避免地从奇点开始。

即使宇宙在热大爆炸的早期阶段达到了最高温度，仍然需要一个先期和建立热相的阶段。为了与我们观察到的一致，它必须有：

伸展宇宙，使其与平面无法区分，

创造了横跨宇宙的量子波动，包括超视界尺度，

其中波动幅度也很小：我们前面提到的30000分之一，

其中波动具有恒定的熵（即，是绝热的），

然后创造了一个充满粒子和反粒子的炽热稠密状态，相当于我们的大爆炸。

为大爆炸建立所有这些初始条件的理论被称为宇宙膨胀，并已被许多证据证实。

图注：蓝线和红线代表了一个“传统的”大爆炸场景，一切都从时间t=0开始，包括时空本身。但在膨胀的情况下（黄色），我们永远不会到达奇点，在那里空间会变成一个奇异的状态；相反，它只能在过去变得任意的小，而时间却永远在倒退。只有最后一个微小的一秒，从膨胀结束，印记自己在我们今天可观测的宇宙。Hawking-Hartle无边界条件和Borde-Guth-Vilenkin定理一样，挑战了这种状态的寿命，但两者都不是确定的。

但膨胀带来的一个关键惊喜是，人们意识到：如果通胀先于大爆炸，那么它不会导致宇宙在过去的有限点上达到无穷小的尺寸。宇宙在膨胀过程中呈指数膨胀，这意味着如果你把时钟向前运行，它在某个时间尺度上的大小将翻倍，但如果你向后运行，它在同一时间尺度上的大小只会减半和减半。不管你怎么减半，你永远也达不到零。

在宇宙膨胀发生之前，仍然存在一个独立的阶段，如果是这样的话，也许宇宙确实是从奇点开始的。但我们只能根据现有的观测证据，声明膨胀至少持续了一小部分秒，并没有导致奇点本身或在大爆炸开始时出现，我们也不知道膨胀开始前会发生什么。

图注：暗能量进化到未来的不同方式。暗能量保持不变或增加（变成一个大裂口）可能会使宇宙重新焕发活力，而相反的迹象可能会导致宇宙大挤压。在这两种情况下，时间可能是周期性的，而如果两者都没有实现，时间可能是有限的，也可能是无限的。

5）在大爆炸之前，空间、时间和物理定律是不存在的。

如果到达了一个真正的奇点，或者一个你到达了无限稠密和温度的地方，物理定律就会崩溃。在广义相对论中，奇点是时空可以进入或退出存在的空间，没有时空，甚至不一定有规则支配可能存在于其内的物理宇宙。

但这些法则肯定是在建立大爆炸本身的膨胀阶段存在的。然而，随着我们对膨胀的了解以及对其预测的观察证实，新的问题出现了。其中包括：

膨胀是一个持续的状态吗？

膨胀是否持续了无限的时间，永恒的过去？

膨胀是否与暗能量有关，因为两者都会导致宇宙以指数速度膨胀？

事实上这是可能的，但我们不确定。只有一秒中的最后一秒的膨胀才会在我们的宇宙中留下印记，而在那一刻之前发生的任何事情，其可观察到的特征实际上都被膨胀掉了。即使理论上试图论证膨胀时空的完整性或不完整性也不是具体的；有可能膨胀不会永远持续下去，并且有一个单一的开始，但也有可能它要么永远持续下去，甚至有一个周期性的特征，空间和时间最终会自我循环。

几千年前，时间的开始有三种可能性：它总是存在，它在过去开始有限的持续时间，或者是自然界的周期性。即使我们已经了解了大爆炸的一切以及大爆炸的起因，也不可能得出一个有力的结论。我们在可观测的宇宙中，没有足够的信息来知道时间是有限的还是无限的；它是周期的还是线性的。但即使在大爆炸之前，我们也可以肯定，空间、时间和物理定律本身是绝对存在的。