假如我們有足夠強大的望遠鏡，能看到宇宙誕生的起點嗎？

你相信我們的宇宙誕生於一次大爆炸嗎？估計人人都會有自己的看法，但不可否認的是，自從哈勃發現了遠方天體的紅移規律，證明它們都在離我們而去開始，經過多年的發展，「大爆炸+暴脹」理論已成為目前被接受程度最高，與觀測數據符合最好的理論，它很好的解釋了紅移、氦的豐度和宇宙微波背景輻射。我們姑且認為它是正確的，那麼宇宙應當起源於138億年前的一次空前絕後的「爆炸」（更準確的說法是138.2億年），在此之後，才陸陸續續有了恆星、星系，直至地球和多姿多彩的生命。

大爆炸和宇宙膨脹

隨著現代科技的發展，強大的天文望遠鏡成為研究宇宙的利器。哈勃太空望遠鏡最遠觀測到了134億光年外的原始星系，由於光速有限，這縷暗弱的光線跋涉了134億年才來到地球，也就是說，我們看到的是大爆炸之後僅僅4億年的場景。而屢屢放鴿子的詹姆斯·韋伯望遠鏡，設計的觀測距離超過136億光年，理論上可以看到大爆炸後1.5億至2億年的樣子。那麼問題來了：如果真的有一臺完美的望遠鏡，觀測距離可以達到138億光年，我們能否看到大爆炸的真實瞬間呢？下面咱們就來聊聊這個很有意思的問題。

哈勃太空望遠鏡

宇宙大爆炸的瞬間，都發生了什麼？

要想知道我們能看到什麼，首先得搞清楚當時到底發生了什麼。大爆炸開始時，宇宙是一個無限小的奇點，時間和空間維度都蜷縮在一起。這個奇點是根據愛因斯坦的場方程推導出來的，到底存不存在奇點，奇點是什麼樣子，到現在都是爭議滿滿。

愛因斯坦最初認為宇宙是穩態，完美錯過大爆炸理論

很多網友會問大爆炸發生之前是什麼樣子？有人說，這個問題與「宇宙之外有什麼」一樣沒有意義，既然時間維度還未展開，就像時鐘還沒有開始跳動，因而不存在「之前」的概念；也有人認為奇點是上一個宇宙坍縮形成的，大爆炸是一種「反彈」。總之，大爆炸發生了，至於它為什麼會發生，同樣也沒個統一的說法（例如超弦理論認為是由於真空中的一次隨機量子漲落），因此，大爆炸理論所能解釋的，是大爆炸之後的演化過程，對於爆炸的時刻和爆炸「之前」的情形，它暫時無能為力。

宇宙會是「脈動」的嗎？

廢話不多說了，讓我們沿著大爆炸的時間線，重溫一下創世的過程：

大爆炸之後10^-43（即10的負43次方）秒之內：普朗克時期，在第一個普朗克時間內，宇宙由一個點擴大到半徑10^-33釐米，這麼小的體積裡包含著全宇宙的質量和能量，會是個什麼樣子？誰也不知道！科學家推測，這個時期各種相互作用是統一的，沒有引力、電磁力、強力和弱力之分，全宇宙只有一種力。隨著宇宙的膨脹和冷卻，引力最先被分離出來，其它三種力還處於統一狀態。

從大爆炸之後10^-35秒起，宇宙突然開始暴脹，一直持續到10^-33秒，在如此短的時間內，宇宙的半徑由10^-28釐米膨脹到了1米，增長了10^30倍，是「大爆炸中的大爆炸」。暴脹理論由阿蘭·古斯創立，解決了大爆炸理論原有的三大難題：平坦性、視界和磁單極子問題，至今仍是研究熱點。

阿蘭·古斯以及他著名的髒亂差辦公室

從大爆炸之後10^-33秒開始，暴脹期結束，宇宙膨脹的速度減緩了，第一批粒子開始形成，它們是夸克、電子、中微子以及它們的反粒子。由於能量極高，這時的夸克處於自由狀態，宇宙就像是一碗「夸克濃湯」。第10^-5秒，夸克開始結合成質子和中子，第10^-4秒，質子和中子開始形成原子核，直到第38萬年，原子核和電子開始結合，形成了第一批原子。

需要強調的是，在第38萬年之前，宇宙中充斥著由自由質子和電子構成的密度極高的等離子體，即使有光波發出，也會立即被散射和吸收，這個時候的宇宙是不透明的，光無法傳播。從第38萬年開始，隨著中性原子的形成，光子不再被抑制，終於可以自由的穿行於空間中，這時的宇宙開始變得「透明」。不過後來由於中性氫和氦原子大量形成，瀰漫在空間內，宇宙又進入了長達數億年的「黑暗時期」，直到第一縷星光出現，電離了星際空間中的中性原子，才再次照亮了宇宙。此後恆星和星系陸續形成，逐漸演化為我們現在所熟悉的樣子。

由大爆炸理論得出的宇宙演化全過程

望遠鏡最遠能看多遠？能看到138億光年之外嗎？

前面介紹了大爆炸早期的過程（只是理論推斷），現在讓我們探討一下怎麼才能看到這些。當我們在地球上使用望遠鏡觀察宇宙時，接受到的是遠方天體發出的電磁波，這種電磁波可以是可見光，也可以是X射線、紫外光、紅外光，甚至微波。由於光速是有限的，傳播需要時間，我們看到的其實是光剛剛發出時的景象，比如哈勃看到的最遠星系GN-z11，報導的距離是134億光年，這意味著它在134億年前發出的光，現在才到達地球，我們看到的是134億年前的樣子。由於宇宙在膨脹，遠方的星系正在加速離我們遠去，現在這個星系和我們的真實距離，已經遠遠不止134億光年，實際上已經達到了320億光年。

目前看到的最遠星系GN-z11

根據哈勃定律，當距離足夠遙遠時，天體離我們越遠，退行速度越快，甚至可以超過光速。實際上並非是天體本身的運動超過了光速，而是空間膨脹的速度超光速，這在廣義相對論中是允許的。對于越遠就跑的越快這一點，很多文章都用氣球膨脹來形象的說明：宇宙的膨脹並不像一個球體的體積膨脹，而更像是一個球體的表面在膨脹，在球面上每兩個點的距離都在增大，產生的效果就是相距越遠的點，互相之間的距離增長的越快。

球面的膨脹

而由於宇宙是由一個點膨脹開來，因此我們無論朝哪個方向看，都是在向最初的那個「點」回溯，我們在兩個相反的方向看到的天體和空間，無論現在相距多麼遙遠，在宇宙誕生之初，都是緊緊靠在一起的。現在回到文章開頭所提的問題：在理論上的最極端情況下，如果我們觀測到了138億光年處發出的光，就豈不是意味著它就是在宇宙剛剛誕生時產生的，不就能看到宇宙大爆炸的起點了嗎？答案很令人失望：不能。原因主要有以下兩個方面：

在宇宙的起點發出的光，紅移將是無窮大：越遙遠的天體，由於宇宙膨脹造成的退行速度越快，發出的光的紅移就越大。所謂紅移，是指當天體遠離我們而去時，它的光譜會向紅端移動，通俗的說，就是光波的波長被拉長了（此處的紅移指宇宙學紅移，適用於特別遙遠的天體）。這裡給出一個宇宙膨脹造成紅移的公式：

其中的a是宇宙的尺度因子，我們現在的宇宙尺度因子設為1，越早期的宇宙，尺度因子越小。顯然，在大爆炸的瞬間a=0，於是紅移量z將是無窮大。這意味著無論光的頻率有多高，波長有多短，都會被展成完全平的狀態，波長無限長，能量為0，無論如何也觀測不到了。當然，這只是想像出的極端情況，事實上不會發生，因為光線總是在大爆炸之後一段時間才能自由的傳播。

光的膨脹宇宙中的紅移

第一束能夠傳播開的光，產生於大爆炸之後38萬年：前面已經提到過，從宇宙誕生一直到第38萬年，由於自由電子和質子對輻射的抑制作用，光子還不能自由傳播，只有等它們開始結合為中性原子後，光線才陸續被解除了限制。因此，宇宙中的第一束能夠傳播開的光，是在大爆炸之後38萬年才出現的。而望遠鏡，無論是可見光的、紅外的還是射電的，接收的都是電磁波，也就是光，因此，它們能看到的最古老的光，也只能產生於大爆炸之後38萬年，根據這一時間，可以認為所有望遠鏡的最大可能的觀測距離（光行距離），是138億光年減去38萬光年，如果換算成實際距離的話，大約是461億光年，這就是現在「可觀測」宇宙的半徑。

從地球向四面八方觀測的視野，止步於大爆炸之後38萬年

當然，有網友說我們也可以用引力波，因為引力至少在大爆炸後10^-35秒後分離了，理論上我們可以探測到此時發出的引力波，從而使可觀測宇宙的半徑再增大4億光年，達到465億光年，不過，引力波探測太難了，想利用它來成像就更難，況且引力波也有「紅移」，越早發出的引力波，波長就被拉的越長。也許我們可能通過探測引力波來感受到宇宙誕生之初的一些「脈動」，但卻很難看出它的「容貌」。

意外之喜：能被看到的最早期宇宙，我們其實已經看到了！

文章開頭曾經提到過，哈勃望遠鏡費盡全力，最遠只看到了134億光年（光行距離），更強大更昂貴的韋伯太空望遠鏡，也只能看到136億光年左右，如果想看到大爆炸之後發出的第一束光，是不是需要更大更強更燒錢的巨型望遠鏡呢？

耗費巨資仍未發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡

如果您這樣想的話，那就跑偏啦！因為哈勃韋伯這類望遠鏡界的明星，所關注的都在紫外、可見光和紅外波段，而宇宙誕生初期所發出的光，無不經歷了巨大的紅移，即使當時發出的是可見光，等傳到地球也變成了紅外線，甚至比紅外線頻率更低的微波。這也是為什麼韋伯望遠鏡非常強調紅外觀測能力的原因。而大爆炸之後38萬年發出的光，在經歷了超大的紅移之後，連紅外線也算不上了，所以就算韋伯能力再強也看不到。那麼這些最古老的光變成了什麼呢？

答案已經呼之欲出了，那就是瀰漫在宇宙空間裡的微波背景輻射！這種輻射在太空中無處不在，它的特徵溫度只有2.7K，意思是波長分布相當於溫度為2.7K的黑體輻射。這些波長在幾釐米級的輻射，在最初被探測到時，曾經一度被誤認為是射電望遠鏡的噪聲，後來才驀然發現，它們竟是百億年前那次大爆炸的餘溫，是古老光線的「化石」。這些光子經歷了百億年的歲月之後，在這個已經膨脹了許多倍的宇宙中，化為看不見摸不著的微波「噪聲」，只有工作在微波波段的射電望遠鏡才能察覺到它的存在。而前面所說的宇宙的年齡：138.2億光年，也是通過對微波背景輻射的測量所得出的。

最精確的宇宙微波背景輻射圖像

上圖是歐洲航天局「普朗克」衛星繪製的迄今為止最精確的宇宙微波背景輻射圖像，已經消除了地球、太陽系乃至銀河系運動所產生的都卜勒效應，是一幅純淨的宇宙背景圖像。很明顯，在第一束光發出的時候，宇宙已經不再均勻，而是呈現出些許的密度漲落，正是這些原始的漲落，後來演化為現在的各種宏大的宇宙結構。

結語

經過以上枯燥乏味的分析，為什麼無法看到大爆炸的瞬間這個問題，我想已經有了比較清晰的答案。雖然冷酷的數學公式限制了人類的視野，但通過宇宙微波背景輻射，我們依然可以感受宇宙少年時期的樣子。如果異想天開一下，想像某種神秘的力量把我們傳送回大爆炸之後第38萬年，還是在現在這個位置，我們所看到的場面，也許和上面的圖片也差不了太多呢！

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