普通天文学/大爆炸与宇宙膨胀

大爆炸是一个误称，因为它意味着爆炸。事实上，该模型描述的是宇宙的膨胀，不是膨胀到某个预先存在的空间，而是它在膨胀时创造了空间。宇宙之外什么都没有，所以没有什么可以膨胀到。只是在某个时间点，宇宙中的每个点都彼此非常接近（小于原子大小），在大爆炸的那一刻，它们都开始以极快的速度相互远离。这种膨胀一直持续到今天，事实上似乎还在加速，这可能是由于另一种叫做“暗能量”的力量。根据目前的理论，这种膨胀将永远持续下去，并不断冷却。

这个基本思想可以追溯到20世纪20年代，当时乔治·勒梅特基于爱因斯坦的广义相对论提出了自己的想法。不久之后，哈勃发现所有遥远的星系都在远离我们，这证实了宇宙有一个时间的开端并自那时以来一直在膨胀的基本思想。

根据今天的测量结果——使用我们理解的当前大小和膨胀速度——如果回溯时间，就会得出结论，大约130亿到140亿年前，宇宙被压缩到小于一个原子的体积。通过理解自然力的作用方式，我们可以追溯到更早的时期和更高的温度。这样做的时候，自然法则的性质会发生变化，在大爆炸后10^-43秒（“普朗克时间”）时，我们所知的法则就失效了。因此，我们无法回溯到更早的时间——在这种情况下，不可能看到大爆炸之前的时期。[当然，我们不能排除这些想法将来可能会改变的可能性。]

在普朗克时间及之前，大多数天文学家和物理学家认为宇宙中的所有力——电磁力、两种核力和引力——都合并成了一种力，但我们不知道这种力是如何作用的。在普朗克时间之后，引力从“大统一力”中分离出来，后者由强核力和弱电力量组成。随着事物的进一步冷却，弱电力量分裂成电磁力和弱核力，我们今天所处的状态就诞生了。

在膨胀的前三分钟里，能量冷却，氢和氦形式的物质“冻结”出来。大约三分钟后，膨胀使宇宙冷却到足以不再产生任何元素（“核合成”）。事实上，在第一个恒星形成之前，几亿年内都没有形成新的元素。宇宙中所有的氢，包括你体内的氢，以及大部分氦，都可以追溯到宇宙最初的三分钟。

在那之后，宇宙膨胀了数亿年，直到第一批恒星和星系在高能状态下（以今天的标准来看）形成。从那以后，恒星和星系演化成了今天的模样。

支持大爆炸的有三大证据

首先也是最重要的就是膨胀本身。这是在20世纪20年代通过观测遥远星系的红移发现的。如果今天整个宇宙都在膨胀——这正是证据所显示的——那么将这个过程反过来推断到过去，就可以很容易地得出结论：在更早的时代，宇宙更小。

第二个证据是由乔治·伽莫夫预测的，他被许多人认为是大爆炸的“父亲”，尽管他并不是第一个提出这个想法的人。在20世纪40年代，他进行了计算，表明了元素在大爆炸时是如何形成的。基本上，他说如果大爆炸理论是正确的，那么宇宙应该由大约75%的氢和25%的氦组成（其他元素的含量非常少）。当时无法证实这一点，但随着技术的进步，这一点已经被证实。

第三个也是非常强力的证据也是由伽莫夫在能够证实它之前很久就预测出来的。基本上，他说大爆炸会非常热，随着宇宙膨胀，它会冷却下来。当物质冷却下来时，它会释放出某些类型的辐射。就像一个炽热的火炉冷却下来，颜色发生变化，或者火堆的余烬慢慢熄灭，变成黑色。即使它们可能不发出可见光，它们也会继续辐射红外线。虽然伽莫夫对宇宙年龄的估计是错误的，但他表示，到今天宇宙应该冷却到一定的程度，如果我们有检测它的技术，我们就可以读取辐射，有效地测量宇宙的温度。这种技术在20世纪60年代出现，伽莫夫预测的辐射——经过适当调整，以适应今天更精确的宇宙年龄值——已经被发现。它被称为“宇宙背景辐射”或“宇宙微波背景辐射”，通常缩写为CBR或CMBR。CBR是对大爆炸的有力证据，因为几乎没有什么东西能够充分解释它。

从历史上看，大爆炸理论存在一些问题。三大问题被称为

视界问题。你也可以把它叫做混合问题。如果我们向可观测宇宙的边缘任何方向看去，我们发现所有东西看起来都一样，就好像它们被很好地混合了一样。但是，一个方向上100亿光年的物质不可能与另一个方向上100亿光年的物质混合，仅仅是因为宇宙的年龄太短了。可观测宇宙边缘的物质对于另一边的物质来说，是在“视界”之外的。它们无法相互作用。然而，所有东西都很好地混合在一起。它是怎么变成这样的？
平坦性问题。宇宙中物质的实际密度太接近临界密度（即恰好阻止膨胀的密度），不可能是巧合。为了像今天这样接近，宇宙在膨胀到现在的规模之前，必须是“平坦的”（即临界密度和观测到的密度完全相同），精确到60位小数。这太令人惊讶了。它怎么会如此接近？
平滑性问题。在最初的大爆炸情景中，所有东西都从所有其他东西中向所有方向膨胀。因此，任何两个物质粒子都永远不会足够靠近而相互吸引。因此，就不会有星系、恒星或行星。然而，它们都存在。

大约25年前，一位名叫阿兰·古斯的物理学家提出了一个现在被称为宇宙暴胀的想法。想象一下水冷却下来变成冰。将水保持在液态需要能量（热量）。当水冷却并变成冰时，它会将这种能量释放到环境中。这被称为“对称性破缺”。基本上，古斯说，在早期宇宙中，在大爆炸后仅仅一小部分时间，当它膨胀并冷却时，发生了类似的事情。只是这里热能凝结成了物质（通过E=mc^2）。这种对称性破缺释放的能量导致膨胀在很短的时间内突然加速，远远大于大爆炸本身。这种超级膨胀（暴胀）有助于解决困扰大爆炸模型的三大问题。

在一个简短的介绍中，我们必须省略细节，但本质上，暴胀解决了视界问题，因为在大爆炸的最初阶段，每个地方都足够接近彼此，以至于它们被很好地混合在一起。突然的暴胀本质上锁定了这种良好的混合状态，并在宇宙膨胀到今天时保持了下来。
暴胀解决了平坦性问题，因为暴胀自然会在密度达到正确值时耗尽能量。
它解决了平滑性问题，因为在非常早期的宇宙中，量子涨落导致了婴儿宇宙中到处都有微小的不规则性（我们知道，这种“不规则性”在今天的空间中一直存在）。你可以把它想象成空间织物中小的密度集中区或“结”。暴胀突然把它们吹到了巨大的尺寸，比最初的大小大了数万亿倍。随着宇宙膨胀，物质聚集在这些空间“扭结”周围，最终形成了星系。

虽然也有一些其他的理论，最著名的是稳态理论，但没有一个能够以至少半一致和连贯的模型来充分解释所有证据。其他一些理论只是大爆炸模型的变种。

我们有一个合理的机制来解释宇宙暴胀以及自大爆炸以来宇宙的变化，但最初的“爆炸”的原因是未知的。虽然有一些建议，但没有一个能提供最终的解决方案。一个想法是，宇宙完全从虚无中诞生，就像我们在我们今天所知的量子物理学中观察到的一样（尽管规模要小得多）。[粒子不断地从虚无中诞生，但它们存在的時間太短，无法计数。它们被称为“虚粒子”，有强烈的证据表明它们确实存在，尽管我们通常没有意识到它们。通过适当的能量应用，我们可以让一些这样的粒子存在更长的时间，所以我们知道它们存在。]

是什么导致了大爆炸？这个问题可能没有科学答案。它属于诸如“为什么存在东西而不是不存在东西？”之类的哲学问题。没有人知道。