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？在過去的一個世紀中，三個主要證據證實了「大爆炸」事件確實發生了：

我們觀察到星系正在遠離我們。

我們知道我們自己的銀河系星系只是充滿可觀測宇宙的無數恆星系之一。我們可能會期望所有這些星系，包括我們自己的星系，由於彼此的引力而相向而行，這樣它們離我們距離就會越來越近，我們就能近距離地觀察它們。但是在1929年，天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）意外發現了遙遠的星系正在遠離地球。實際上，星系越遠，它離我們移動的速度就越快。

天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）

由於星系彼此分開，所以它們過去一定距離很近。根據星系運動的速度和方向，天文學家得出結論，所有星系都起源於大約138億年前的同一地點。嬰兒宇宙本來就密密麻麻地堆滿了物質！許多其他證據也證實了這一結論。

我們觀察到大爆炸中產生的化學元素。

在1940年代，物理學家喬治·加莫夫（George Gamow）和他的同事們意識到，早期的宇宙一定既熱又密。科學家才剛剛開始理解，在高熱量和高密度下，化學元素可以從一種轉變為另一種。加莫夫和他的同事計算得出，對於一個熱、稠密和膨脹的宇宙，大約四分之一的最簡單的化學元素氫將被「煮熟」成氦元素。天文學家已經測量了散布在我們宇宙中的氫和氦的比例，它與預測值完全吻合。這有力的證據表明早期的宇宙既熱又密。

我們觀察到來自大爆炸的光。

根據「大爆炸」模型，「大爆炸」發生在太空中的每一個地方（不僅是一個點）。大爆炸之後的數千年裡，所有空間都充滿了如此熾熱的物質，像發光的陶爐一樣發光。今天，大爆炸的餘輝仍然應該充滿整個宇宙。

大爆炸

實際上，一束穩定的光從遙遠的太空區域不斷到達地球，已經走了數十億年才到達地球。用肉眼不再可見的光-隨著宇宙的膨脹和冷卻而變暗和變紅-但可以用特殊儀器檢測到。

1964年，射電天文學家亞諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）成為最早發現大爆炸餘輝（宇宙微波背景輻射）的人。然後在1991年，NASA的COBE太空飛行器捕獲了來自天空各個方向的古老光的第一張圖像，證實了大爆炸的情景。該成就被譽為科學探索的最大勝利之一。

宇宙餘輝（宇宙微波背景輻射）

愛因斯坦的思想和大爆炸。

今天，我們根據愛因斯坦的革命性引力理論理解了大爆炸，他於1917年左右完成了該理論。愛因斯坦是第一個意識到空間有其自身屬性的人，空間不僅僅是"虛無"。愛因斯坦的理論幫助我們從空間拉伸的角度來描繪宇宙的膨脹。也就是說，星系之間不斷出現新的空間。因此，宇宙——或者至少是宇宙中的空間——是一個仍在發生膨脹的連續過程。

偉大物理學家愛因斯坦

這些奇妙的想法，和他們的確認，是兩個奇妙事情的結果。一個是人類想像力的力量（當想像力與科學探索相結合時）。另一種是大自然顯然願意與我們分享其古老的秘密——例如，通過讓大自然從遠至大爆炸本身收集證據。

但更深層的秘密是隱藏的。宇宙在大爆炸之前是什麼樣子的——就在物質粒子爆發之前？為大爆炸提供的最初動力是什麼？

一種新的能源為大爆炸提供了動力。

儘管天文學家了解大爆炸後僅幾秒鐘的宇宙是什麼樣的，但尚無人知道大爆炸發生時發生的事情或之前發生的事情。是什麼推動了大爆炸？宇宙中所有東西最初是從哪裡來的？大爆炸之前的宇宙是什麼樣的？

科學家們對推動宇宙大爆炸的動力提出了許多新想法。他們還創建了大膽的新太空任務，以檢驗這些想法。

膨脹的宇宙

最主要的想法稱為「膨脹宇宙」模型。該模型的主要假設是，在宇宙大爆炸之前，空間中充滿了一種不穩定的能量，其性質尚不清楚。在一瞬間，這種能量被轉化為基本粒子，由此產生了我們今天觀察到的所有物質。那一刻標誌著我們所謂的大爆炸。

宇宙演化四種模型

該模型的顯著結果是，即使是一個空間的精確點都包含了這種原始形式的能量，空間的精確點也會非常迅速地擴展，並會產生更多的同類能量。實際上，宇宙中的所有物質都可能源於僅重於豌豆的一點原始能量。這種驚人的情況是將愛因斯坦的引力理論應用於膨脹宇宙模型的結果。因此，已知的自然定律原則上可以解釋宇宙中物質和能量的來源，前提是至少要有很小的能量種子。

模型只有在做出可以用證據檢驗的預測時才有用。膨脹模型做出了一些可檢驗的預測。最重要的一個是，原始能量本來是「塊狀」的，即在宇宙中不均勻地散布，這是由於宇宙極小時產生的一種量子幹擾。這種模式本來可以轉移到在大爆炸期間突然存在的粒子上。結果，充滿整個宇宙的物質就不會被均勻地散布開來。有些地區的物質會稍微多一些，有些會少一些。嬰兒宇宙的這種笨拙對我們來說是幸運的：如果宇宙被物質均勻地充滿，那麼恆星和行星將永遠不會形成，我們也不會在這裡。

宇宙膨脹模型的證據。

如果膨脹宇宙模型是正確的，那麼我們應該在「大爆炸」的餘輝中看到這種塊狀模式。天文學家在2003年由美國國家航空航天局（NASA）的WMAP太空探測器拍攝的大爆炸餘輝的壯觀照片中，恰好觀察到了這種預測模式。圖片向我們展示了大爆炸發生後約30萬年的宇宙。

WMAP太空探測器拍攝的大爆炸餘輝

膨脹宇宙模型之所以重要，是因為它第一次使我們瞥見了自然可能如何安排創造了宇宙中的所有物質：只有很小的「種子」數量的空間和能量就足夠了。

但是這種原始的能量形式是什麼？首先，空間和能量的「種子」來自哪裡？整個宇宙是如何開始的？這些問題科學家們正在通過各種思想實驗和實際探測尋找答案，我們期待科學家們能夠揭示宇宙起源的這些問題。