大爆炸并非宇宙的开端
宇宙开始并非低声的呜咽，而是大爆炸！至少这就是你们常说的：宇宙和它内部所有的东西都是在大爆炸的时候就存在的。空间，时间和所有的物质和能量都是从一个奇点开始，然后逐渐扩大和冷却，在数十亿年的时间中由原子逐步形成恒星，星系和星系团，它们散布在数十亿光年之内形成了我们今天所看到的宇宙。这是一个令人着迷而又美丽的画面，它解释了我们所看到的很多现象，从目前宇宙的两万亿个星系的大规模结构到所有现存物质因辐射渗透而产生的残余的辉光。不幸的是，这也是错误的，而这个知识我们已经掌握了近40年。
大爆炸的猜想诞生于二十世纪二三十年代。当我们观察遥远的星系时，我们发现了一些奇特的现象：离我们越远的东西，看起来它们离开我们的速度也会越快。根据爱因斯坦广义相对论的预测，一个静止的宇宙引力是不稳定的; 如果空间结构遵循这个法则，一切物体都需要远离对方或彼此塌缩。这次明显的衰退现象告诉我们，宇宙正在膨胀，随着时间的推移，宇宙中的物体会相隔越来越远，这意味着宇宙在遥远的过去比今天更为致密。 一个不断膨胀的宇宙不仅意味着随着时间的推移，物体之间变得越来越远，也意味着宇宙中存在的光线会随着时间的推移而不断延伸。由于波长决定能量（波长越短，能量越高），这意味着宇宙随着时间的推移会逐渐变冷，因此在过去，宇宙比现在更热。如果把时间推移的足够远，你会到达一个极为炽热的时刻，甚至中性原子都无法形成。如果这张照片是正确的，我们今天在所有方向上观测到的残余辐射已经冷却到仅仅比绝对零度高了几度。1964年阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊观测到了这个宇宙微波背景辐射，这是对令人惊叹的大爆炸的证实。 因此，随着时间推移的推移，当宇宙变的更炽热，更致密，更紧凑时，如果你继续向前推移，你会发现： 这时的温度太高以至于不能形成原子核，那里的辐射太炎热了，任何结合的质子和中子都会被分开。 因为宇宙中充满能量，所以在这个时刻物质和反物质对可以自发形成。此时会自发地产生成对的粒子/反粒子。 当单个质子和中子分解成夸克 - 胶子等离子体时，温度和密度如此之高使得宇宙变得比原子核的内部更加致密。 最后，一个密度和温度上升到无穷大的时候，宇宙中的所有物质和能量都包含在一个单一的点内：一个奇点。 最后的这一点——这个奇点宣告了物理学定律的瓦解——也可以理解为空间和时间的起源。这是大爆炸的最终概念。 当然，除了最后一点之外的一切都被证实是真的！我们在实验室里创造了夸克——胶子等离子体; 我们创造了物质——反物质对; 我们已经做了计算，在宇宙的早期阶段，应该形成哪些光元素以及它们的丰度。结果证实它们符合大爆炸理论的预测。更进一步来说，我们测量了宇宙微波背景下的波动，并观察了恒星和星系如何形成和增长的引力结构。无论我们观测什么地方，我们总能在理论与观测结果之间找到极好的一致性。大爆炸理论看起来是很成功的。 除此之外，还存在几个方面的问题。你满怀期待想要在大爆炸过程中看到的三件事并没有发生。特别是： 1. 宇宙在不同的方向上温度相同，尽管在一个方向上几十亿光年远的地方，没有时间（自大爆炸以后）与相反方向一个数十亿光年的区域相互作用或交换信息。 2. 宇宙没有一个可测量的空间曲率，但这并不意味着其空间曲率为零。即使宇宙空间完全平坦，仍需要在初始膨胀和物质和辐射密度之间实现完美的平衡。 3. 宇宙尽管没有任何剩余的超高能量遗迹，即使宇宙的温度反复无常，创造这些遗迹的温度也应该存在。 考虑到这些问题的理论学家们开始思考“大爆炸”和“奇点”的替代方案，而不是什么创造了那种炽热，致密并不断膨胀的冷却状态，同时避免这些问题。在1979年12月，阿兰·古斯找到了解决方案。 宇宙本可以从一个没有物质，没有辐射，没有反物质，没有中微子，也没有粒子的状态开始，而不是一个温度忽高忽低、十分密实的状态。宇宙中所有能量都被束缚在空间自身的结构中：一种真空能量的形式，它会使宇宙以指数速度膨胀。在这个宇宙状态中，量子涨落仍然存在，因此，随着空间的膨胀，这些波动将在整个宇宙中被延伸，形成比平均能量密度或大或小的区域。最后，当宇宙的这个阶段——这段时间的膨胀——结束时，能量将被转化为物质和辐射，形成一个炽热、稠密的状态，这与大爆炸同义。 这是一个夺人眼球却有些投机的想法，我们有一种方法可以检验它。如果我们能够测量大爆炸的残余热量的波动，并且它们符合宇宙暴胀理论的预测，这将是宇宙膨胀的“确凿证据”。此外，这些波动幅度必须非常小：足够小，以至于宇宙永远不可能达到创造高能遗迹所需要的温度，而且要比温度和密度小得多，因为时间和空间是从一个奇点诞生的。在20世纪90年代，2000年和2010年，我们对这些波动进行了详细的测量，并证实了这一点。 结论是确凿无误的：热大爆炸确实发生了，但并没有延伸到一个温度任意和密集的状态。相反，早期的宇宙经历了一段时间，在这个时期，所有能够融入现在的物质和辐射的能量都被束缚在空间的结构中。这一时期被称为“宇宙膨胀”，但从未创造出温度反复无常，而又致密的状态，也没有创造出奇点。在膨胀之前发生的事情——或膨胀是否永远是过去的——仍然是一个悬而未决的问题，但有一件事是确定的：大爆炸并非宇宙的开端！你可能想看：