宇宙之初：大膨脹①大爆炸之前就已膨脹？

對於宇宙的起源，千百年來，科學家們孜孜不倦地探索……宇宙大爆炸，是現代宇宙學中最有影響的一種學說。但是，宇宙膨脹論，在不斷地撼動著它的地位。

受歡迎的大爆炸理論

今天，當我們觀察宇宙時，看到的許多事實都需要合理的解釋。例如：

1、為什麼許多遙遠的星系，離我們越遠，後退的速度越快？

2、為什麼更遠的星系看起來會更小、更藍、更年輕，且演化得更少？

3、為什麼距離越遠，宇宙越像一個整體，產生的積聚（星雲星團等）越少？

4、為什麼在最遠距離處，重元素（比氫、氦重的原子）的佔比漸近為零？

這些事實，宇宙大爆炸理論能夠給予較好的回答。該理論認為，138億年前，宇宙最初只是一個點（宇宙學家稱之為「奇點」），它具有超高溫度、超高密度和超高能量，並隨著時間的流逝而膨脹和冷卻。通過不斷擴展和冷卻，並在引力作用下逐漸形成一個巨大的宇宙網絡，演變成今天的狀態。隨著時間的推移，它的空間結構本身會不斷擴展，從而導致身處其中的光子的波長拉伸，大粒子的動能減少，引力變得不均衡。

按照這個觀點，上述提到的事實都逐一得到解釋了：

1、遙遠的星系發生了紅移現象，這是因為宇宙的擴展拉伸了光的波長，導致星系離我們越遠，後退的速度越快；

2、更遠的星系，其星光是從遙遠的過去剛剛抵達地球觀察者這裡的，看起來更年輕，演化也更少；

3、距離越遠，意味著越接近宇宙的最初時期，擴展和冷卻沒有足夠多的時間產生更多的集群；

4、原始原子裡近75％是氫，25％是氦，0.00000007％是鋰。最遙遠處，可認為是宇宙最早產生原子的地方，重元素佔比為零也就不奇怪了。

在眾多討論宇宙起源的理論中（例如宇宙大反彈理論、多元宇宙理論、全息論等），「大爆炸」正是憑藉著對這些事實近乎完美的解釋，備受歡迎，成為家喻戶曉的宇宙起源故事。

大爆炸未解決的問題

20世紀的20年代至70年代，科學家們認為，他們已經較為成功地解釋了宇宙的起源，除了以下幾個問題尚未解決：

1、如果宇宙誕生自「大爆炸」，那麼，大爆炸本身又來自哪裡呢？「奇點」是從理論物理學允許的範圍一直倒推不斷膨脹和冷卻的宇宙而得出的，本質上，是將宇宙中的所有物質和能量打包到一個點中。但是，在奇點處，物理學定律就失效了，那麼「奇點」的性質是什麼樣的？

2、為什麼宇宙在空間上是完全平坦的，它的總物質和能量密度完美地平衡了初始膨脹率？

3、宇宙並沒有足夠的時間讓不同區域熱化並達到平衡狀態，但為什麼宇宙在各個方向上都具有完全相同的溫度（達到99.997％的精度）？

4、如果宇宙很早就達到了這些超高能量，為什麼沒有找到預測中的高能遠古粒子，如磁單極子的存在？

5、因為系統中的熵總是在增加的，那麼由宇宙今天的結構推斷，宇宙誕生時是屬於低熵構型的。但是事實是這樣嗎？

這幾個問題都有一個共同點，那就是：為什麼宇宙是從這樣一組特定的屬性開始，而不是從其他屬性開始？

膨脹理論的誕生

在物理學中，關於初始條件（即，為什麼我們的宇宙以這些特定條件而不是其他任何條件開始）的處理方法，通常有兩種：

一種是簡單粗暴地斷言，初始條件就是它們的初始狀態，不需要任何解釋。

另一種是嘗試構想一種理論機制，將任意初始條件轉換為我們觀測到的初始條件。例如，以大爆炸理論為基礎，提出新的預測。這將使我們能夠在不對大爆炸理論做任何更改的情況下，將新理論與之進行對比。

第一種方法通常被相信「景觀宇宙理論」或「多元宇宙理論」的人所推崇，但這明顯是不科學的。第二種方法的採用產生了「宇宙膨脹理論」，由艾倫·古斯於1980年提出，這是迄今為止更為宏偉的構想。

一個宏偉的構想

在宇宙的早期階段，所有能量都不是在粒子或輻射中，而是在空間本身的結構中，這些能量導致空間結構產生一種特殊的指數性膨脹。在這種狀態下，宇宙所包含的一切都會：

1、在短時間內，其拓撲結構被拉伸到觀察者從任意角度看都難以區分（它會變得無限大，以至於你無論從什麼角度看，它都是平的）；

2、處處都是相同的初始條件（宇宙中每一點密度都相同，每一點溫度都一樣），直到量子漲落的大小都疊加在統一的背景上；

3、當膨脹結束並過渡到為大爆炸的「高熱、高密度、均勻、膨脹和冷卻」這種狀態時，最高溫度也明顯低於普朗克標度（10¹⁹GeV能級）；

4、從低熵狀態（膨脹期間）變為較高熵狀態（大爆炸期間），並且熵將繼續增加。

以上就是膨脹理論的構想，自從它被提出來後，不斷得到完善。它解決了大爆炸本身無法解決的幾個難題，還對宇宙今天應具有的屬性做出了六項新穎的預測（其中四項通過觀察已驗證，另兩項無需充分測試就已被肯定）。如今，該理論已越來越受到研究早期宇宙的人們所重視。

先大爆炸還是先膨脹

綜上所述，這對我們的宇宙起源意味著什麼？從時間角度來看，首先發生的是大爆炸還是膨脹？

從這張圖我們可以得到答案。紅線代表物質，藍線代表輻射，它們構成我們的宇宙。如果將它們倒推回去，則會回到t=0，這是「奇點」。

但是，如果在早期，宇宙不是由物質和輻射主導，而是由空間本身固有的能量主導，那麼就如黃線所示。由於這條黃線是指數曲線，因此即使時光無限倒流，它的大小也不會達到零，而只能接近零。膨脹的宇宙並非像物質和輻射主導的宇宙那樣以「奇點」開始。所以，可以肯定的是，大爆炸是在膨脹之後才出現的。

實際上，我們整個可觀測的宇宙在大爆炸前沒有任何痕跡。只有在膨脹最後10^-32秒（左右），才有了明顯的印記。但是，我們不知道膨脹的狀態從何而來。它可能來自一個已經存在的「奇點」，它可能永遠以膨脹形式存在，或者宇宙自身本質上是不斷循環的。

無論如何，大爆炸是無法回推至「奇點」的，只能推到位於大爆炸之前的膨脹階段的結束。所以在今天，當提到大爆炸的時候，我們不能認為還存在「奇點」。

當然，我們也不能把「宇宙膨脹理論」當成宇宙起源的最終解釋，畢竟，我們還不知道，膨脹階段到底發生了什麼。「膨脹」是否有一個「奇點」？也許有，但即使這樣，也與大爆炸無關。