文/ 聞新

宇宙大爆炸理論（The Big Bang Theory）是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說(shuō)。它認(rèn)為，宇宙是由一個(gè)致密熾熱的奇點(diǎn)于約150億年前一次大爆炸后膨脹形成的。1927年，比利時(shí)天文學(xué)家和宇宙學(xué)家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假說(shuō)。1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃根據(jù)假說(shuō)提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，并推導(dǎo)出星系都在互相遠(yuǎn)離的宇宙膨脹說(shuō)。1946年美國(guó)物理學(xué)家伽莫夫正式提出大爆炸理論。

▲ 藝術(shù)家筆下的宇宙大爆炸

大爆炸理論認(rèn)為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化，如同一次規(guī)模巨大的爆炸。爆炸之初，物質(zhì)只能以中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等基本粒子形態(tài)存在。宇宙爆炸之后的不斷膨脹，導(dǎo)致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，并復(fù)合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星云，星云進(jìn)一步形成各種各樣的恒星和星系，最終形成今天的宇宙。

目前大部分科學(xué)家都支持宇宙大爆炸的理論。宇宙爆炸源于一個(gè)奇點(diǎn)，但有趣的是到目前為止，人類(lèi)對(duì)于這個(gè)奇點(diǎn)還是一無(wú)所知，包括它的形成，以及爆發(fā)的誘因。

奇點(diǎn)理論的誕生

1965年，英國(guó)科學(xué)家彭羅斯發(fā)表著名論文《引力坍塌和時(shí)空奇點(diǎn)》，與霍金共同創(chuàng)立了現(xiàn)代宇宙論的宇宙奇點(diǎn)理論。后來(lái)，霍金與彭羅斯一道將奇點(diǎn)的存在性證明推廣到早期宇宙。

▲ 著名物理學(xué)家霍金

霍金-彭羅斯奇點(diǎn)定理：一個(gè)時(shí)空若充滿以下條件，就必定存在奇點(diǎn)：

1.強(qiáng)能量條件成立。

2.一般性條件成立。

3.滿足時(shí)序條件。

4.以下三個(gè)條件之一成立：

①存在封閉陷獲面；

②存在緊致無(wú)邊非時(shí)序點(diǎn)集；

③存在一點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)的所有未來(lái)（或過(guò)去）方向的類(lèi)光測(cè)地線束的膨脹標(biāo)量最終將變?yōu)樨?fù)值。

宇宙奇點(diǎn)理論指出，宇宙的最初是奇點(diǎn)，然后發(fā)生大爆炸，接著由于大爆炸的能量而形成了一些基本粒子。這些基本粒子又在能量的作用下，逐漸形成了宇宙中的各種物質(zhì)，這就是目前最有說(shuō)服力的宇宙圖景理論。

最著名的奇點(diǎn)是黑洞里的奇點(diǎn)，以及宇宙大爆炸處的奇點(diǎn)。在奇點(diǎn)處，所有定律以及可預(yù)見(jiàn)性都失效。奇點(diǎn)可以看成空間時(shí)間的邊緣或邊界。只有給定了奇點(diǎn)處的邊界條件，才能由愛(ài)因斯坦方程得到宇宙的演化。

用奇點(diǎn)區(qū)分時(shí)間的過(guò)去和未來(lái)

▲ 彭羅斯

彭羅斯認(rèn)為，人們至今還沒(méi)有了解奇點(diǎn)理論，并且認(rèn)為該理論應(yīng)該可以區(qū)分時(shí)間的過(guò)去和未來(lái)。而且，宇宙的創(chuàng)造及結(jié)束，由于時(shí)間參差不齊的情況而有所不同。

最初的時(shí)候，時(shí)空是在整齊均衡、順暢自然的狀態(tài)下產(chǎn)生的；可是到了最后，卻成了滿是黑洞的時(shí)空。它們之間的不同，歸根到底全都是由時(shí)間箭頭造成的，也就是所謂的時(shí)空也是上了歲數(shù)了，逐漸變得老化凋零了。

不管怎樣，時(shí)間箭頭的起源在于，我們的宇宙是在非常特別的狀態(tài)下產(chǎn)生的。至于它的理由究竟是什么，很遺憾，至今仍沒(méi)有完整的答案。

宇宙大爆炸之前的奇點(diǎn)

宇宙是由一個(gè)奇點(diǎn)爆炸而產(chǎn)生的，宇宙還沒(méi)爆炸之前的奇點(diǎn)是什么?

大爆炸理論是這樣描繪的：宇宙是由“奇點(diǎn)”誕生而來(lái)?！捌纥c(diǎn)”是一個(gè)溫度和密度奇高的神奇小點(diǎn)，在約150億年前，“奇點(diǎn)”突然爆發(fā)，從而形成了現(xiàn)在這個(gè)宇宙。這個(gè)“奇點(diǎn)”被描繪成體積為零、時(shí)間停頓的“點(diǎn)”。

按照彭羅斯的觀點(diǎn)，我們的宇宙膨脹就意味著所有的質(zhì)量最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為能量，到那個(gè)時(shí)候，時(shí)間和空間的概念就蕩然無(wú)存了。因此，一個(gè)無(wú)限大的宇宙可能只是下一個(gè)宇宙的起源時(shí)一個(gè)無(wú)限小的點(diǎn)。如此不斷循環(huán)，周而復(fù)始。

目前很多科學(xué)家持有這樣的觀點(diǎn)：時(shí)間和空間并不是在大爆炸后才存在的，大爆炸只是開(kāi)啟了收縮發(fā)生前的一段紀(jì)元，宇宙的演化可能是循環(huán)的，由擴(kuò)張和收縮這兩種周期在規(guī)律地重復(fù)著。

▲ 時(shí)間箭頭形成了宇宙的最初圖景

▲ 不斷循環(huán)和周而復(fù)始的宇宙

按照霍金的觀點(diǎn)，大爆炸以前沒(méi)有時(shí)間和空間。在“大爆炸”之前的瞬間，宇宙是一個(gè)“豌豆”狀的微小物體，它懸浮于一個(gè)沒(méi)有時(shí)間的空間內(nèi)，這個(gè)空間經(jīng)歷了迅速擴(kuò)張，這種擴(kuò)張被稱(chēng)作“膨脹”的時(shí)期。這種擴(kuò)張發(fā)生在宇宙“大爆炸”之前極為短暫的一瞬間。

高密度下的爆炸

宇宙創(chuàng)生的那一時(shí)刻，即奇點(diǎn)存在的那一時(shí)刻，宇宙體積為零，也是就是說(shuō)，在那樣的宇宙初期還沒(méi)有出現(xiàn)星系，即使是星系都重疊在一起我們也很難想象。在宇宙初期，非常小的領(lǐng)域內(nèi)確實(shí)存在超出人類(lèi)想象力的高密度狀態(tài)。

宇宙就是在這種高密度的狀態(tài)下發(fā)生爆炸的，也就是“Big Bang”。宇宙大爆炸理論，是根據(jù)天文觀測(cè)研究后得到的一種設(shè)想。大約150億年前，宇宙所有的物質(zhì)都高密度集在一點(diǎn)，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。大爆炸后，物質(zhì)開(kāi)始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。

▲ 大爆炸宇宙模型

關(guān)于宇宙大爆炸有兩種假設(shè)：第一是愛(ài)因斯坦提出的，能正確描述宇宙物質(zhì)的引力作用的廣義相對(duì)論；第二是所謂宇宙學(xué)原理，即宇宙中的觀測(cè)者所看到的事物既同觀測(cè)的方向無(wú)關(guān)也同所處的位置無(wú)關(guān)。這個(gè)原理只適用于宇宙的大尺度上，而它也意味著宇宙是無(wú)邊的。宇宙的大爆炸源不是發(fā)生在空間的某一點(diǎn)，而是發(fā)生在同一時(shí)間的整個(gè)空間內(nèi)。有這兩個(gè)假設(shè)，就能計(jì)算出宇宙從某一確定時(shí)間起始的歷史，而在此之前，何種物理規(guī)律在起作用至今還不清楚。

▲ 宇宙就像膨脹的氣球，但人類(lèi)的思維只能停留氣球的表面上，而不能進(jìn)入到氣球里面去

宇宙膨脹就是空間膨脹

我們把現(xiàn)在的宇宙假設(shè)成一個(gè)三維的立方體，其邊長(zhǎng)為1000萬(wàn)光年。在這個(gè)立方體的長(zhǎng)、寬、高三邊上每隔100萬(wàn)光年放置一個(gè)星系，這樣每邊就可以放置10個(gè)星系。這個(gè)立方體之中就含有1000個(gè)星系。

空間膨脹的概念，就是指立方體中含有的星系的個(gè)數(shù)不變，立方體體積變大。那么宇宙是現(xiàn)在的1/8大小的時(shí)候，立方體的邊長(zhǎng)是500萬(wàn)光年，星系的間隔是50萬(wàn)光年。宇宙是現(xiàn)在的1/1000大小的時(shí)候，立方體的邊長(zhǎng)變成100萬(wàn)光年，星系的間隔是10萬(wàn)光年。

這樣再往過(guò)去追溯，星系會(huì)越來(lái)越集中，星系分布的密度會(huì)越來(lái)越高。最終，所有的星系都相互重疊在一起。

大爆炸仍然是一個(gè)假說(shuō)

宇宙奇點(diǎn)是指宇宙引力大坍縮滅亡的點(diǎn)，也是宇宙大爆炸誕生點(diǎn)。奇點(diǎn)是一個(gè)密度無(wú)限大、熱量無(wú)限大、溫度無(wú)限高、壓力無(wú)限大、時(shí)空曲率無(wú)限大、體積無(wú)限小的“點(diǎn)”。奇點(diǎn)理論的基礎(chǔ)理論是宇宙大爆炸，大爆炸是介紹諸多宇宙物理現(xiàn)象的好理論，但目前仍然是一個(gè)假說(shuō)?！?/p>