什麼是大爆炸理論?大爆炸理論是怎樣發現的?大爆炸理論有何缺陷

幾個世紀以來，人類一直凝視著星星，想知道宇宙是如何發展成今天這個的。它一直是宗教、哲學和科學討論和辯論的主題。試圖揭開宇宙發展奧秘的人包括阿爾伯特·愛因斯坦、埃德溫·哈勃和史蒂芬·霍金等著名科學家。宇宙發展最著名、被廣泛接受的模型之一是大爆炸理論。

那麼，什麼是大爆炸理論？宇宙大爆炸理論是怎樣發現的？大爆炸理論有何意義？大爆炸理論有何缺陷？我將在下面做詳細回答。

雖然大爆炸理論眾所周知，但它也被廣泛誤解。關於這個理論的一個常見誤解是，它描述了宇宙的起源。這不太正確。大爆炸試圖解釋宇宙是如何從一個非常微小的，密集的狀態發展到今天。它並沒有試圖解釋宇宙的產生，或者大爆炸之前出現什麼，甚至宇宙外的東西。

另一個誤解是，大爆炸是一種爆炸。那也不準確。大爆炸描述了宇宙的膨脹。雖然該理論的某些版本指的是難以置信的快速膨脹（可能比光速快），但它在經典意義上仍不是爆炸。總結大爆炸理論是一個挑戰。它涉及的概念與我們看待世界的方式相矛盾。

大爆炸的最初階段集中在一個時刻，在這個時刻，宇宙的所有獨立力量都是統一力量的一部分。你再往後看，科學定律開始分解。最終，你不能對正在發生的事情提出任何科學理論，因為科學本身並不適用。

那麼，簡而言之，大爆炸理論是什麼？

大爆炸

大爆炸理論描述了宇宙從剛一出現到今天的發展。這是幾個科學模型之一，試圖解釋什麼是宇宙。該理論做出了幾種預測，其中許多已經通過觀測數據得到證實。因此，它是關於我們宇宙發展的最流行和公認的理論。

在談論大爆炸時，最重要的概念是膨脹。許多人認為，大爆炸是宇宙中所有物質和能量都集中在一個小點上的時刻。然後這一點爆炸了，在太空中散射物質，宇宙誕生了。事實上，大爆炸解釋了空間本身的膨脹，這反過來又意味著空間內所含的一切正在分散於其他一切。下面的插圖應該會有所幫助。

今天，當我們看著夜空時，我們看到星系被巨大的空曠空間隔開。在大爆炸的最初時刻，我們觀察到的所有物質、能量和空間被壓縮到零體積和無限密度的區域，宇宙學家稱之為奇點。

大爆炸開始時宇宙是什麼樣子的？根據這個理論，它是極其密集和極熱的。在最初的幾分鐘裡，宇宙中有那麼多的能量，正如我們所知，它不可能形成。但是宇宙迅速膨脹，這意味著它變得不那麼密集和冷卻。隨著它的擴大，物質開始形成，輻射開始失去能量。僅僅幾秒鐘，宇宙就形成了一個橫跨太空的奇點。

大爆炸的一個結果是宇宙中四種基本力量的形成。這些力是：

電磁力

強核力

弱核力

引力

在大爆炸開始時，這些力都是統一力的一部分。就在大爆炸開始後不久，力才分裂成今天這樣。這些力如何曾經是一個統一的整體的一部分，對科學家來說是一個謎。許多物理學家和宇宙學家仍在研究形成大統一理論，該理論將解釋這四種力是如何曾經統一的，以及它們是如何相互關聯的。

大爆炸理論從何而來

大爆炸理論是研究宇宙的兩種不同方法的結果：天文學和宇宙學。天文學家使用儀器觀測恆星和其他天體。宇宙學家研究宇宙的天體物理學特性。

在19世紀，天文學家開始試驗稱為光譜儀的工具（也稱為光譜儀）。光譜儀是將光分為其分量波長光譜的裝置。光譜儀顯示，來自特定材料的光，如氫的發光管，總是產生與該材料所特有的波長相同的分布。很明顯，通過觀察光譜儀的波長分布，你可以找出光源中有哪些元素。

與此同時，奧地利物理學家克裡斯蒂安·都卜勒發現，聲波的頻率取決於聲源的相對位置。當一個嘈雜的對象接近你時，它產生的聲波會壓縮。這將改變聲音的頻率，因此您將聲音感知為不同的音調。當物體離開你時，聲波會伸展，音高就會下降。

天文學家發現一些恆星落入光譜紅色部分的光比他們預期的要多。他們推測，這意味著恆星正在遠離地球。當恆星移開時，它們發出的光的波長會拉伸。它們轉移到光譜的紅色端，因為那一端的波長較長，宇宙學家稱這種現象為紅移。恆星的紅移表明它離地球的速度有多快。越接近光譜的紅色端，光移越快。

紅移和藍移

在20世紀20年代，一位名叫埃德溫·哈勃的天文學家注意到了一些有趣的事情。恆星的速度似乎與其與地球的距離成正比。換句話說，一顆恆星離地球越遠，它似乎離我們越遠。哈勃推測，這意味著宇宙本身正在膨脹。

哈勃的發現引發了一場曠日持久的爭論，這場辯論今天仍然很激烈：一個遙遠的天體的速度與它與觀察者的距離之間究竟是什麼關係？宇宙學家稱這種關係為哈勃常數，但沒有人同意這種關係是什麼。哈勃推測，它是464公裡/（ 秒·百萬秒差距）。

原來哈勃高估了這個數字。這是因為在哈勃時代，天文儀器不夠靈敏，無法精確測量地球和天體之間的距離。隨著儀器的改進，科學家們完善了哈勃常數，但關於哈勃常數的實際價值的爭論仍在激烈進行。這一切與大爆炸理論有什麼用？

關於大爆炸的更多故事

哈勃推測宇宙會隨著時間的流逝而膨脹。這意味著，數十億年前，宇宙會更小，更密集。如果你回到足夠遠的地方，宇宙就會坍塌成一個密度無限的區域，包含宇宙的所有物質、能量、空間和時間。從某種意義上說，大爆炸理論是落後工程的結果。

有些人對這個理論有真正的問題。其中包括著名的物理學家阿爾伯特·愛因斯坦。愛因斯坦認為宇宙是靜止的，靜態宇宙不會改變。它一直是，而且將永遠是相同的。愛因斯坦希望他的廣義相對論能使他對宇宙的結構有更深入的了解。

完成他的理論後，愛因斯坦驚奇地發現，根據他的計算，宇宙將不得不膨脹或收縮。由於這與他的宇宙是靜止的念信相衝突，他四處尋找一個可能的解釋。他提出了一個宇宙常數——一個在廣義相對論中包括的數字，解釋了宇宙膨脹或收縮的明顯必要性。

當面對哈勃的發現時，愛因斯坦承認他錯了。宇宙似乎正在膨脹，愛因斯坦自己的理論也支持這一結論。理論和觀察產生了一些預測，其中許多已經觀察到。

其中一個預測是，宇宙是同質的和各向異性的。從本質上講，這意味著宇宙看起來一樣，無論觀察者的視角如何。在本地化的級別上，此預測似乎是錯誤的。畢竟，並不是每顆恆星都有像我們這樣的太陽系。並不是每個星系看起來都一樣。但是在跨越數百萬光年的宏觀層面上，宇宙中物質的分布在統計上是均勻的。這意味著即使你橫跨宇宙，你對宇宙結構的觀測也會和地球上的一樣。

另一個預測是，在大爆炸的最初階段，宇宙會非常熱。這一時期的輻射會非常大，而且必須有一些證據來證明這種輻射遺留下來了。由於宇宙必須是同質的和各向異性的，證據應該均勻地分布在整個宇宙中。科學家早在20世紀40年代就發現了這種輻射的證據，儘管當時他們並不知道自己發現了什麼。直到20世紀60年代，兩個獨立的科學家小組才發現我們現在所說的宇宙微波背景輻射（CMB）。CMB是大爆炸中原始火球釋放的強烈能量的殘餘物。宇宙曾經非常炎熱，但現在已經冷卻到2.725度開爾文（-270.4攝氏度或-454.8華氏度）。

這張宇宙微波背景輻射的圖像是由威爾金森微波各向異性探測器拍攝的。美國宇航局這些觀測結果有助於鞏固大爆炸理論作為宇宙演化的主要模型。

宇宙大爆炸的第一秒

由於科學定律的局限性，我們不能對宇宙的產生作出任何猜測。相反，我們可以看看宇宙誕生之後的時期。現在，科學家談論的最早時刻發生在t=1x10^(-43)秒（"t"代表宇宙誕生後的時間）。

劍橋大學將這些最早時刻的研究稱為量子宇宙學。在大爆炸的最初時刻，宇宙太小了，以至於經典物理學並不適用於它。相反，量子物理學正在發揮作用。量子物理學在亞原子尺度上處理物理學。對我們來說，量子尺度上的粒子行為似乎很奇怪，因為這些粒子似乎違背了我們對經典物理學的理解。科學家們希望發現量子物理學和經典物理學之間的聯繫，這將給我們更多的關於宇宙工作原理的信息。

在t = 1 x 10^(-43)秒，宇宙是令人難以置信的小，密集和熱。宇宙的這個同質區域跨度只有1 x 10^(-33)釐米。今天，同樣的空間跨越了數十億光年。在這個階段，大爆炸理論家認為，物質和能量是分不開的。宇宙的四種主要力量也是一個統一的力。這個宇宙的溫度是1 x 10^32開爾文。隨著一秒的微弱時間流逝，宇宙迅速膨脹。宇宙學家將宇宙膨脹稱為膨脹。宇宙在不到一秒鐘內大小翻了幾倍。

隨著宇宙的膨脹，它冷卻了。在大約 t = 1 x 10^(-35) 秒時，物質和能量分離。宇宙學家稱這種重子成因——重子物質是我們能夠觀察到的物質。相反，我們不能觀察暗物質，但我們知道暗物質的存在方式是它影響能量和其他物質。在重子成因期間，宇宙中充滿了幾乎相等的物質和反物質。物質多於反物質，因此，雖然大多數粒子和反粒子相互毀滅，但有些粒子倖存下來。這些粒子後來會結合形成宇宙中的所有物質。

粒子宇宙學的一個時期遵循了量子時代。此周期從 t = 1 x 10^(-11 )秒開始。這是一個階段，科學家可以在實驗室條件下用粒子加速器重新創建。這意味著我們有一些關於宇宙在這個時候一定是什麼樣子的觀測數據。統一分成了部分。電磁力和弱核力的力分裂。光子的數量超過了物質粒子，但宇宙太密集，光無法在其內發光。

接下來是標準宇宙學時期，在大爆炸開始後開始0.01秒。從這一刻起，科學家們認為對這一階段的宇宙進化掌握得很好。宇宙繼續膨脹和冷卻，在巴約成因過程中形成的亞原子粒子開始結合在一起。它們形成了中子和質子。到一秒鐘過去時，這些粒子可以形成光元素的原子核，如氫（以其同位素、鈾、氦和鋰的形式）。這個過程被稱為核合成。但是宇宙仍然過於密集和炎熱，電子無法加入這些原子核並形成穩定的原子。那是忙碌的第一秒。接著我們將了解未來 130 億年發生了什麼。

未來130億年

大爆炸的第一秒發生了很多事。但這僅僅是故事的開始。100秒後，宇宙的溫度冷卻到10億開爾文（10億攝氏度，18億華氏度）。亞原子粒子繼續結合。按質量，元素的分布約為75%的氫核和24%的氦核（其他百分比由鋰等其他光元素組成）。

宇宙的溫度仍然太高，電子無法與原子核結合。相反，電子與其他稱為正電子的亞原子粒子相撞，產生更多的光子。但是宇宙太密集了，不能讓光在它裡面發光。

宇宙繼續膨脹和冷卻。大約56，000年後，宇宙冷卻到9，000開爾文（8，726攝氏度，華氏15，740度）。此時，宇宙中物質分布的密度與輻射密度相匹配。又過了324，000年，宇宙已經膨脹到3000度開爾文（2727攝氏度，4940華氏度）。最後，質子和電子可以結合形成中性氫原子。

正是在這個時候，在最初的事件38萬年之後，宇宙變得透明。光可以照耀整個宇宙。人類後來鑑定為宇宙微波背景輻射的輻射鎖定到位。今天，當我們研究CMB時，我們可以推斷出宇宙當時的樣子。

在接下來的一億年左右，宇宙繼續膨脹和冷卻。小的引力波動導致物質粒子聚集在一起。引力使宇宙中的氣體坍塌成密密心。隨著氣體的收縮，它們變得越來越稠密和熱。宇宙最初誕生約1億至2億年後，恆星由這些氣體區形成。

恆星開始聚集在一起形成星系。最終，一些恆星成為超新星。當恆星爆炸時，它們在宇宙中噴出物質。這件事包括我們在自然界中發現的所有較重的元素（一切到鈾）。星系反過來形成了自己的星團。我們自己的太陽系形成於大約46億年前。

今天，宇宙的溫度是2.725開爾文，僅比絕對零度高出幾度。我們可以理論的宇宙中的同質部分達到1 x 10^29釐米寬。這比我們使用最先進的天文儀器進行物理觀測要大。

大爆炸告訴我們什麼？

一些宇宙學家使用大爆炸理論來估計宇宙的年齡。但由於測量技術不同，並非所有宇宙學家都同意實際年齡。

事實上，範圍跨越超過十億年！宇宙正在膨脹的發現導致了另一個問題。它會永遠擴展嗎？會停止嗎？會逆轉嗎？根據廣義相對論，這一切都取決於宇宙中有多少物質。

它歸結為引力。引力是物質粒子之間的引力。一個物體對另一個物體施加的引力量取決於兩個物體的大小和它們之間的距離。如果宇宙中有足夠的物質，引力最終將減緩膨脹，導致宇宙收縮。宇宙學家將這個指定為具有正曲率的封閉宇宙。但是，如果沒有足夠的物質來扭轉膨脹，宇宙將永遠膨脹。這樣的宇宙要麼沒有曲率，要麼沒有負曲率。

根據大爆炸理論，宇宙沒有中心。宇宙中的每一個點都和每個其他點一樣，沒有集中的位置。這是難以想像的，但它是一個既均勻又各向異性的宇宙的要求。從我們的角度來看，宇宙中的一切似乎都在以大爆炸所暗示的方式移開。另一種理論是地球本身是宇宙的中心，這將解釋為什麼其他一切都在移動。宇宙學家否定了這個理論，因為我們幾乎不可能佔據整個宇宙的中心點。

還有一些非常大的問題，大爆炸理論沒有解決：

大爆炸前發生了什麼？根據我們對科學的理解，我們不能知道。當我們接近t = 0秒時，科學定律就打破了。事實上，由於廣義相對論告訴我們空間和時間是耦合的，時間本身就不復存在了。由於這個問題的答案不在科學可以解決的參數之外，我們不能真正假設它。宇宙之外有什麼？同樣，這是科學無法解決的問題。這是因為我們不能觀察或測量任何位於宇宙邊界之外的東西。宇宙可能在其他結構內膨脹，也可能不在擴展，但我們不知道這兩種方式。宇宙的形狀是什麼？關於宇宙可能具有什麼形狀，有許多理論。一些人認為宇宙是無限的，沒有形狀的。其他人認為宇宙是有界的。大爆炸理論沒有具體解決這個問題。

不是每個人都贊同大爆炸理論。為什麼他們不同意這個理論，我們的宇宙的一些替代模型是什麼？繼續閱讀，看看懷疑論者怎麼說。

大爆炸理論的問題

自從科學家首次提出大爆炸理論以來，許多人質疑和批評了這一模型。以下是對大爆炸理論的一些最常見的批評：

它違反了熱力學的第一定律，即你不能創造或破壞物質或能量。批評者聲稱，大爆炸理論表明宇宙是一無所有。大爆炸理論的支持者說，這種批評是沒有道理的，原因有二。第一，大爆炸不涉及宇宙的產生，而是宇宙的演化。另一個原因是，由於科學定律隨著宇宙的創造而崩潰，沒有理由相信熱力學的第一定律會適用。一些批評家說，恆星和星系的形成違反了熵定律，這表明隨著時間的推移，變化系統變得不那麼有條理。但是，如果你認為早期的宇宙是完全同質和各向異性的，那麼目前的宇宙顯示出遵守熵定律的跡象。一些天體物理學家和宇宙學家認為，科學家曲解了天體紅移和宇宙微波背景輻射等證據。一些人引用說，根據這個理論，這些天體應該不是大爆炸的產物。大爆炸的早期通脹時期似乎違反了這樣的規則，即沒有什麼比光速更快。支持者對這種批評有一些不同的反應。其一，在大爆炸開始時，相對論並不適用。因此，旅行速度高於光速沒有問題。另一個相關的反應是，空間本身的膨脹速度可以快於光速，因為空間不屬於引力理論的範疇。有幾個替代模型試圖解釋宇宙的發展，儘管沒有一個模型有比大爆炸理論那麼廣泛的接受：

宇宙的穩定狀態模型表明，宇宙總是有並且將永遠具有相同的密度。該理論通過暗示宇宙以與宇宙膨脹速度相稱的速度產生物質來調和宇宙正在膨脹的明顯證據。Ekpyrotic模型表明，我們的宇宙是兩個三維世界在隱藏的第四維度上碰撞的結果。它與大爆炸理論並不完全衝突，因為經過一段時間後，它與大爆炸理論中描述的事件一致。大反彈理論表明，我們的宇宙是一系列宇宙之一，首先膨脹，然後再次收縮。幾十億年後，這個循環會重複。等離子體宇宙學試圖用宇宙的電動力學特性來描述宇宙。等離子體是一種電離氣體，這意味著它是一種具有自由漫遊電子的氣體，可以導電。

還有其他幾種型號。這些理論之一（或其他我們甚至沒有想到的理論）有一天會取代大爆炸理論作為宇宙的公認模型嗎？這是完全可能的。隨著時間的流逝，我們研究宇宙的能力也提高了，我們將能夠對宇宙的演化做出更準確的模型。