宇宙起源於「大爆炸」?那「大爆炸」又是怎麼來的?

2021-01-15 李論科學

「除了名字以外,大爆炸理論並不是一個真正的爆炸理論,它實際上只是一個關於爆炸結果的理論。」——阿蘭·古斯

每當我們談論宇宙起源的時候,都會提到大爆炸理論,這個理論的名字從字面上就給了我們一種宇宙從一點爆炸並誕生的感覺,其實並不是這樣的,在這個理論中沒有「奇點」,也沒有任何東西爆炸,這個理論說的是一個宇宙的狀態,這個狀態在過去溫度更高、密度更大、膨脹速度更快。

也就是說,早期的宇宙所有物質之間的距離離得更近,輻射的波長更短、能量更高,當然溫度也更高。

當我們回溯遙遠的過去,現存的有機分子不會存在,構成有機分子和巖石行星的重元素也不會存在,甚至在某一個階段宇宙中還沒有形成任何的恆星和星系。

如果再往回看,當宇宙達到一定的溫度,中性原子也無法形成,因為高能輻射可以電離任何的中性原子。

在中性原子之前,高溫甚至能將原子核分離,形成一片由質子和中子組成的離子海洋,

甚至宇宙在溫度更高、密度更大的狀態下,質子和中子也會被分解成夸克和膠子,這時宇宙中高能量的輻射粒子碰撞後可以自發的產生等量的物質和反物質對。那麼在這之前的宇宙是什麼樣的?我們還能不斷地往回追溯嗎?

事實上,大爆炸理論告訴我們的宇宙早期狀態是有限的,我們只能回溯到過去有限的時間,因為我們認為「我們的宇宙」並不是從138億年前的奇點開始的,而是在熱大爆炸之前還存在一個狀態:宇宙暴漲階段,這個階段結束以後才誕生了熱大爆炸狀態。

宇宙暴漲是宇宙空間以指數方式膨脹的一個階段。這個階段中,宇宙中的能量不是由物質、反物質、輻射和部分空間本身固有的能量(今天的暗能量)組成,而是完全由空間本身固有的能量所支配。

這時的空間呈指數膨脹,真空能量的量子漲落也被延伸到了整個宇宙中,並導致了能量密度的微小缺陷,

當暴漲結束時,宇宙經過了一個再加熱階段,這些真空能量一部分轉移到了物質/反物質/輻射中,這就是熱大爆炸的起源。

量子漲落引起的物質/反物質/輻射密度分布的輕微不完美,這就是宇宙中所有宇宙結構(星系團、星系、恆星和我們人類)的種子。

那麼問題是,宇宙暴漲是如何發生的?

根據普朗克(測量宇宙微波背景輻射波動的衛星)的數據,最簡單的慢滾動暴漲模型是最受數據支持的模型。我們可以將暴漲表示為一種特定類型的山,當處在山頂時,暴漲就發生了;當從山上滾到山谷裡時,暴漲就結束了,再加熱過程發生,我們已知宇宙大爆炸就開始了。

上面的圖形表示引起宇宙暴漲量子場的勢能(縱軸與能量有關,橫軸任意),但是:

我們不知道這個場是否是一個真正的量子場。如果是,就應該有一個與之相關的粒子:暴漲子,我們還沒有發現。如果它是量子場,我們把暴漲模型表示為標量場。但它不一定是一個標量場;它可以是一個旋量、向量或張量場,但為了簡單起見,我們將它建模為一個標量。一個場沒有理由從平面部分開始;原則上,它可以從任何地方開始。為了使宇宙暴漲達到應有的效果,我們需要它從平坦的部分開始。事實上,為了使宇宙暴漲正常運行,量子場勢能的中心平坦部分需要非常平坦。

上圖是一個上下顛倒的拋物線,用藍色表示,但頂部不夠平坦。因為暴漲需要足夠的時間來拉伸宇宙,把空間曲率拉平,把宇宙拉伸到各處都是相同的溫度,只有這樣才能滾下山,把能量轉換成物質/反物質/輻射,創造出我們所知的宇宙!

那麼宇宙暴漲是怎樣發生的?關於這個問題最令人頭疼的是,宇宙暴漲抹去了暴漲之前關於宇宙存在的所有信息。除了10^-36到10^-20秒的暴漲,我們今天對之前發生的事情一無所知。

我們想要談論早些時候發生的事情,例如在暴漲的早期階段,是什麼引起了宇宙暴漲的發生?

當宇宙在暴漲期發生變化時,上圖左是勢能的變化形式。當一個系統的能量隨時間下降時,在物理學的許多分支中都有很多這樣的可能性,(這就是在物質/輻射主導、隨時間變化的宇宙中所發生的事情!)。更有可能的是,當宇宙在更早的時間處於更高的能量時,不同的空間區域有不同的勢能值,但它們是無法區分的。這有點像你讓上圖右側充滿某種液體,一直到虛線。

在大多數地區,如果允許能源水平(虛線的水平)下降,就不會發生通貨膨脹,或者會發生錯誤類型的通貨膨脹。

當宇宙的某個區域經歷指數膨脹時,在每一個指數膨脹的區域都會產生更多的宇宙。以其他方式擴展的區域會被淹沒。舉個例子,如果從一個以輻射為主導的時空區域開始,並擁有一定的能量,它所佔空間的體積就會隨著時間的推移而增加,其順序如下:

1, 2.8, 5.2, 8, 11.2,…

另一方面,如果同一區域是由暴漲主導的時空,且能量完全相同,那麼它所佔空間的體積就會按照這個順序增長:

1、8、64、512、4096…

可以看到這兩個序列都趨於無窮,但其中一個的速度比另一個要快得多!現在讓我們回到暴漲的勢能上。

如果宇宙一開始從暴漲勢能的平坦部分開始,會緩慢地滾動,所以將在高勢能出停留更多的時間,即使最初的宇宙只有很小很小的一部分,但從平坦部分開始,在不到一秒的時間之後,宇宙將被擴展到一個十分廣闊的範圍。

以上是假設暴漲是一個經典場,但暴漲很可能是一個量子場。這就是變得更加有趣。

因為量子場會隨著時間擴散!這意味著,由於量子擴散效應,一些新形成的區域,其膨脹場會比之前的勢能更高!

這就說明暴漲不會在一個地方發生,也不會同時結束。一個地方發生暴漲所創生出的空間,擁有比之前更高的勢能,又會導致新一輪的暴漲。下圖就是由一塊很小的空間開始,不斷創生出新的空間,在這個過程中,有些地區的暴漲結束就產生熱大爆炸,並誕生了一個宇宙,而其他地方依然在發生著暴漲。這就是多元宇宙的來歷。

但是宇宙暴漲真的是永恆存在的嗎?暴漲之前還有其他狀態嗎?是什麼最初創造了誕生宇宙的能量?其實這些問題的答案已經不存在於我們的宇宙中了。

就目前而言,關於大爆炸的起源,這不僅是我們所知道的,也是我們認為我們所能知道的。在宇宙暴漲之前之前的一切,包括暴漲是如何開始的所有信息,都被暴漲本身的性質抹去了。我們宇宙中的信息在數量和時間上都是有限的,無論以前發生了什麼,都會隨著時間的推移永遠的消失在過去。

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  • 宇宙是否真的起源於一場大爆炸?
    直到上世紀三十年代比利時天文學家喬治·勒梅特(Georges Lematre)首次提出「宇宙起源於一場大爆炸」的假說,這在當時簡直是一場「大霹靂」,顛覆了所有人的認知。該假說認為整個宇宙最初聚集在1個「原始原子」中,大約在138億年前的某一時刻發生了大爆炸,碎片向四面八方散開,形成了我們現在的宇宙。美籍俄國天體物理學家喬治·伽莫夫(George Gamow)第一次將廣義相對論融入到宇宙理論中,提出了大爆炸宇宙學模型,宇宙開始於高溫、高密度的原始物質,最初的溫度超過幾十億度。這兩人是「大爆炸理論」的創始者,大爆炸是當代最有影響力的宇宙學說。
  • 宇宙大爆炸是什麼?宇宙大爆炸是怎麼發現的?
    科學家加莫夫於20世紀中葉提出了宇宙大爆炸的學說,他為什麼會如此奇思異想呢?最合理的解釋就是宇宙曾經發生過大爆炸,1948年的4月加莫夫與天體物理學家阿爾弗貝特共同撰寫了一篇關於宇宙起源的文章,文章說,在2000億年前,我們的宇宙的空間極其的微小,其中所有的物質都緊緊地擠在宇宙蛋或者是原始火球內,其溫度高達10^12次方攝氏度。
  • 宇宙起源於一場大爆炸,那科學家可以模擬出這場大爆炸嗎?
    本文參加百家號科學#了不起的天文航天# 系列徵文根據大爆炸理論:數十億年前,整個宇宙體積為零,密度為無限大,然後在不到一秒鐘內,它的面積突然擴大了數百倍,於是有了我們現在的宇宙。在初期,宇宙間充滿了能量,其中大部分是以強烈的熱的形式存在的。
  • 什麼是宇宙大爆炸?我們怎麼發現的?是什麼為大爆炸提供動力?
    大爆炸是宇宙中最早的已知事件。我們可以追溯約138億年的宇宙歷史,直到一個被稱為「大爆炸」的火熱時期。當時,宇宙非常炎熱和密集。實際上,我們今天觀察到的所有事物包括我們能看到的最遠的星系,都被裝在比葡萄柚小的空間中。自從大爆炸以來,我們的宇宙一直在膨脹和冷卻,使星系、恆星、行星和生命得以形成。如果沒有人記錄宇宙,那麼我們怎麼知道當時的宇宙呢?
  • 若宇宙起源於大爆炸,那大爆炸之前有什麼?這個問題為何無解?
    在諸多關於宇宙起源的假說之中,最被廣泛接受且證據最為充分的就是宇宙大爆炸理論了。宇宙大爆炸理論認為宇宙起源於138億年以前的一次大爆炸,宇宙間所有的物質,包括宇宙本身都是在大爆炸之後產生的。最初的宇宙物質高度密集,且空間相對有限,但在隨後的138億年之中,宇宙始終在不斷膨脹,且邊緣的膨脹速度遠超光速,所以宇宙逐漸冷卻且愈發稀疏。而關於宇宙大爆炸最直接的證據就是宇宙微波背景輻射了,它被認為是宇宙大爆炸的餘波與迴響。
  • 若宇宙起源於大爆炸,那大爆炸之前有什麼?這個問題為何無解?
    宇宙大爆炸理論認為宇宙起源於138億年以前的一次最初的宇宙物質高度密集,且空間相對有限,但在隨後的138億年之中,宇宙始終在不斷膨脹,且邊緣的膨脹速度遠超光速,所以宇宙逐漸冷卻且愈發稀疏。而關於宇宙大爆炸最直接的證據就是宇宙微波背景輻射了,它被認為是宇宙大爆炸的餘波與迴響。宇宙大爆炸理論可以完美解釋迄今為止在宇宙中所觀測到的一切現象,然而卻在一個問題上卡了殼,這個問題就是「宇宙大爆炸之前有什麼」?
  • 宇宙起源於一場大爆炸,可信度有多高?
    直到上世紀三十年代比利時天文學家喬治·勒梅特(Georges Lematre)首次提出「宇宙起源於一場大爆炸」的假說,這在當時簡直是一場「大霹靂」,顛覆了所有人的認知。該假說認為整個宇宙最初聚集在1個「原始原子」中,大約在138億年前的某一時刻發生了大爆炸,碎片向四面八方散開,形成了我們現在的宇宙。
  • 關於宇宙大爆炸,沒有人親眼目睹,那科學家又是怎麼知道的?
    然而,如果140億年前沒有人活著,我們怎麼知道大爆炸是否真的發生了呢?「大爆炸」簡介簡單地說,大爆炸理論認為我們生活在一個不斷膨脹的宇宙中,這個宇宙大約有140億年的歷史,在宇宙誕生的最初時刻,宇宙中的所有物質都從一個被稱為奇點的無限密度點爆發出來。
  • 宇宙起源於大爆炸,那麼宇宙中心在哪?
    大家好,我是鵬鵬,今天又到了跟大家一起探索宇宙奧秘的時間,今天我們來講一講到底宇宙有沒有中心呢?宇宙是否存在中心?其實我們知道任何物體上都有中心店,城市有市中心,國家有首都,太陽系圍著太陽轉,那麼宇宙有沒有物理意義上的中心點?首先我們不知道宇宙是一個什麼物體,因為不是宇宙不是一維二維三維物體,而是四維或者更高維度的物體,我們也不知道他到底是什麼形狀的。
  • 宇宙起源於138億年前的宇宙大爆炸,在這之前還有別的宇宙嗎?
    其實關於宇宙起源的終極思考由來已久,幾千年來什麼樣子的答案都有。當然,也會有人去思考這麼一個問題,那就是我們這個宇宙之前還有沒有一個宇宙? 這其實是一個很有趣的問題,真的有點宗教裡那種輪迴的味道,那在科學領域當中,又是如何看待這個問題的呢?今天,我們就來聊一聊這個問題。
  • 宇宙「大爆炸」能量是怎麼來的呢?
    宇宙起源在現有的理論中是來自「奇點」的「大爆炸」。那麼大爆炸的能量又是怎麼來的呢?宇宙大爆炸之後,「爆炸後的能量」最終形成了包括地球在內的所有天體,還有人類所需的各種元素。爆炸所產生的的能量最終轉化成為物質。
  • 牛津教授:宇宙起源或並非大爆炸,人類可能生活在低維空間宇宙
    宇宙是怎麼來的?人類實在太想知道這個問題了,因為如果人類知道這個問題的答案,那麼很多問題都將迎刃而解,比如人類是怎麼來的、地球是怎麼來的、宇宙有沒有外星人......儘管人類非常想知道宇宙是怎麼來的,但是由於文明發展程度太低,人類至今無法拿出宇宙誕生的確切證據。
  • 宇宙是怎樣產生的?只是因為宇宙大爆炸嗎?
    宇宙是各種天體和物質的統稱,它廣袤無際無法測量,它不是一位靜止的老人,而是處在不斷的運動中。善於求知的人們會產生疑問了,我們知道人類是由母體受精後產生的,植物是由植株培育產生的,那宇宙是如何來的呢?科學家們主流觀點宇宙起源於大爆炸不是憑空想像的,而是由無數的理論來進行支撐的
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    自從人類能用智慧武裝自己時,就未停止過對宇宙的思考。我們從哪裡來,我們的宇宙怎麼誕生的,它的未來又會怎麼樣?大爆炸、大坍縮、大反彈等等。各種理論似乎都有存在的理由。當前,最被廣泛接受的,當然是宇宙大爆炸理論。它是現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點認為,宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個過程中,宇宙在不斷地膨脹,使物質密度從密到稀地演化,如同一次規模巨大的爆炸。
  • 宇宙起源於一次大爆炸,但我們如何向十歲孩子解釋大爆炸?
    大爆炸(Big Bang)是描述宇宙源起與演化的宇宙學模型,這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛、最精確的支持。宇宙學家通常所指的大爆炸觀點為:宇宙是在過去有限的時間之前,由一個密度極大且溫度極高的太初狀態演變而來的。