大爆炸理论是什么？

科学家是怎么解释我们的宇宙起源的

■撰文：伊丽莎白·豪厄尔（Elizabeth Howell）

大爆炸理论是关于宇宙起源的主流解释。简而言之，它提出，我们所知道的宇宙始于一个小奇点，然后在接下来的138亿年里膨胀成我们今天所知道的宇宙。

由于目前的仪器无法让天文学家回溯宇宙的诞生，我们对大爆炸理论的理解大部分来自数学公式和模型。然而，天文学家可以通过一种被称为宇宙背景辐射的现象看到膨胀的“回声”。

虽然天文学界的大多数人都接受这一理论，但除了大爆炸理论，还有一些理论家提出了其他的解释——比如永恒的膨胀或振荡的宇宙。

“大爆炸理论”这个词在天体物理学家中流行了几十年，但在2007年哥伦比亚广播公司播出同名喜剧节目之后，它成了主流。这部剧讲述了几位科学家的家庭和学术生活，其中包括一位天体物理学家。

第一秒，以及光的诞生

据美国宇航局称，宇宙在开始后的第一秒，周围的温度约为100亿华氏度（55亿摄氏度）。宇宙包含了大量的基本粒子，如中子、电子和质子。随着宇宙变冷，这些物质会衰变或结合。

这种早期的混沌物是不可能被看到的，因为光不能在里面传播。“自由电子会导致光（光子）散射，就像阳光从云层中的水滴散射一样。”美国宇航局表示。然而，随着时间的推移，自由电子与原子核相遇，形成了不带电的原子。这使得光在大爆炸大约38万年后才照射出来。这种早期的光——有时被称为大爆炸的“余晖”——更确切地说是宇宙背景辐射（又称“微波背景辐射”）。拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）和其他科学家在1948年首次预测了它，但在近20年后才被偶然发现。

据美国宇航局称，1965年，新泽西州默里山贝尔电话实验室（Bell Telephone Laboratories in Murray Hill, New Jersey）的阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）正在建造一台无线电接收器，他们接收到了高于预期的温度。起初，他们以为这种异常是鸽子和它们的粪便引起的，但即使在清理了粪便并杀死了试图在天线内栖息的鸽子之后，这种异常仍然存在。

与此同时，普林斯顿大学的一个研究团队（由罗伯特·迪克[Robert Dicke]领导）正试图寻找宇宙背景辐射的证据，他们意识到彭齐亚斯和威尔逊偶然发现了它。1965年这两个团队分别在《天体物理学杂志》（ Astrophysical Journal ）上发表了论文。

确定宇宙的年龄

宇宙背景辐射已经在许多任务中被观测到。其中最著名的太空任务之一是美国宇航局的宇宙背景探测者卫星（COBE），该卫星于20世纪90年代发射，用于绘制大片天空。

其他几个项目也跟随宇宙背景探测者的脚步，比如银河系外毫米波辐射和地球物理气球观测项目（BOOMERanG实验）、美国宇航局的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和欧洲航天局的普朗克卫星（Planck）。

普朗克卫星的观测结果于2013年首次发布，它绘制了细节前所未有的背景图，并显示出宇宙的年龄比之前认为的要老：138.2亿年，而不是137亿年。该研究天文台的任务正在进行中，宇宙背景辐射的新地图会定期发布。然而，这些地图也带来了新的谜团，比如为什么南半球看起来比北半球更红（更热）。宇宙大爆炸理论认为，无论你往哪里看，宇宙背景辐射基本上都是一样的。

研究宇宙背景辐射也为天文学家提供了关于宇宙组成的线索。研究人员认为，宇宙的大部分是由传统仪器无法“感知”的物质和能量组成的，这也引出了“暗物质”和“暗能量”的概念。宇宙只有5%是由行星、恒星和星系等我们可以看到和感知到的物质组成的。

引力波争议

天文学家了解了宇宙的起源，与此同时他们也一直在寻找宇宙快速膨胀的证据。理论认为，在宇宙诞生后的第一秒，我们的宇宙膨胀的速度比光速还快。顺便说一下，这并没有违反阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）的光速限制，他说宇宙中最快的速度是光速，但这并不适用于宇宙本身的膨胀。

2014年，天文学家表示，他们在宇宙背景辐射中发现了有关“B模式”的证据，这是宇宙变大时产生的一种极化，会产生引力波。研究团队利用一架设在南极、名为“宇宙河外偏振背景成像”（BICEP2）的望远镜发现了这一证据。

“我们非常有信心，我们看到的信号是真实的，它就在天空中。”哈佛-史密森尼天体物理中心（Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics）的首席研究员约翰·科瓦奇（John Kovac）在2014年3月告诉太空网。

但到了2019年6月，同一个研究团队表示，他们的发现可能是因为星系尘埃挡住了视野而发生了变化。“基本的结论没有改变，我们对我们的结果充满信心。”据《纽约时报》（ New York Times ）报道，科瓦奇在新闻发布会上这样说。“来自普朗克卫星的新信息表明，在普朗克卫星发射之前对尘埃的预测程度似乎太低了。”他补充道。

来自普朗克卫星的结果于9月以预发表的形式被发布在网上。到2015年1月，两个团队的研究人员共同“证实了，“宇宙河外偏振背景成像”发回的信号显示，就算不是全部，大部分也是星际尘埃”，《纽约时报》在另一篇文章中报道说。

另外，在讨论比太阳大几十倍的黑洞的运动和碰撞时，引力波得到了证实。

自2016年以来，激光干涉引力波天文台（LIGO）多次探测到这些波。随着该天文台升级，变得更加敏感，预计人们将会频繁发现与黑洞相关的引力波。

越来越快的膨胀，多元宇宙，绘制起源

宇宙不仅在膨胀，而且膨胀得越来越快。这意味着，随着时间的推移，将无法从地球或银河系内的任何其他有利位置发现其他星系。

“我们将看到本就遥远的星系还在远离我们，而且它们的速度正随着时间的推移而加快，”哈佛大学天文学家阿维·勒布（Avi Loeb）在2014年3月发表于太空网的一篇文章中说，“所以，如果你等待的时间足够长，最终，某个遥远的星系将达到光速。这意味着即使是光也无法弥合星系和我们之间正在打开的鸿沟。一旦那个星系相对于我们的速度超过光速，那个星系的外星人将无法与我们交流，他们发送的任何信号都无法到达我们这里。”

一些物理学家还认为，我们所在的宇宙只是众多宇宙中的一个。在“多元宇宙”模型中，不同的宇宙就像并排躺着的气泡一样共存。该理论认为，在第一次大膨胀中，时空的不同部分会以不同的速度增长。

这可能会分割出具有不同物理定律的不同宇宙。“很难建立出不导致多元宇宙的膨胀模型，”麻省理工学院的理论物理学家艾伦·古斯（Alan Guth）在2014年3月关于发现引力波（古斯没有参与那项研究）的新闻发布会上说，“并非不可能，所以我认为肯定还需要继续研究。但大多数膨胀模型确实导致了多元宇宙，膨胀的证据将推动我们严肃对待多元宇宙。”

虽然我们可以理解我们所看到的宇宙是如何形成的，但有可能大爆炸并不是宇宙经历的第一个膨胀时期。一些科学家认为，我们生活在一个会经历规律膨胀和紧缩周期的宇宙中，我们只是碰巧生活在其中一个阶段。

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