如果大爆炸描述了宇宙的起源,那空间和时间是怎么来的?
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发布时间：2023-10-10 15:09
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时间：2024-12-12 10:58
“这些理论的基础是基于这样一种假设，即宇宙中所有的物质都是在遥远的过去，某一特定时间发生的一次大爆炸中产生的。”——弗雷德·霍伊尔
当我们从科学的角度思考宇宙的起源问题时，有一个理论可以解释我们目前所看到的一切，那就是大爆炸！但并不是所有人都同意“大爆炸”的真正含义。
特别是，有些人认为：也许根本就没有宇宙大爆炸。这个说法正确吗？如果是，这到底是什么意思？为了理解这一问题，让我们回到100多年前，也就是我们第一次观察天空中微弱的螺旋和椭圆星云的时候。
速度异常的模糊"星云"
今天，我们看到上图时，很容易会说：“恩，那些是星系！”但一个世纪以前，情况就不那么明朗了。因为那时的望远镜不管是从口径还是光学系统上都不能和今天的相提并论。当时人们只能看到明亮的星系核心，而且成像还很模糊，更不能看到组成星系的单个恒星。所以我们现在认为的星系，在当时被简单地当作是一种星云。但有一件事非常奇怪，不符合常理：它们的运行速度。
当时人们已经知道了，每一种元素都有它自己的特征光谱，也就是特定的吸收线或发射线。而这些谱线都有特定的波长。例如，氢的谱线总是在656、486、434和410纳米处，每一处都对应一个特定的原子能跃迁。
在这些螺旋和椭圆星系中（当时认为是星云）均出现了特定的吸收线，但吸收线的波长明显偏离正常范围。
上图可以看到，最下方的星星就代表了元素吸收线的标准光谱，越往上星系离我们越远就红移的越厉害。
这怎么解释？当然，并不是这些星云中有某种类型的新元素或某种类型的新物理定律（组成和物理定理是通用的），而是这些星云在快速地移动，或者靠近我们，或者远离我们。下面也要的物理学远离大家很清楚，就是多普勒效应！就像警笛靠近我们或远离我们时，会发生音调变化一样，一个遥远的物体的波长也会根据它是向我们移动还是远离我们而发生改变。
如果它向我们移动，光就会向光谱蓝端移动；如果它远离我们，光就会向红端移动。20世纪初，韦斯图·斯利弗发现，宇宙中绝大多数的螺旋星云都向光谱的红端移动，而且移动速度比当时已知的任何物体都要快！所以当时人们就已经意识到了，这些“星云”应该不是银河系中的物体。
一个膨胀的宇宙
这个问题直到20世纪20年代，才有人真正解开了这个谜团。著名的哈勃望远镜是以埃德温·哈勃的名字命名的，他当时正在观察这些螺旋星云，偶然间发现了一颗变星。当时人们已经了解了变星的周光关系，哈勃也通过这一发现算出了这个螺旋星云和我们距离，并得出结论：它远在我们的银河系之外。
当然，哈勃并没有就此止步。他继续测量了到其他几十个星系的距离，当他把这些距离数据和斯莱弗的速度数据结合起来时，哈勃发现了一个不同寻常的现象：平均来说，一个星系离我们越远，它远离我们的速度就越快。于是膨胀的宇宙就此诞生了。
在广义相对论的背景下，一个充满物质和辐射的时空并不能很好地保持静止状态。这就是爱因斯坦往方程里加宇宙常数原因！宇宙要么膨胀，要么收缩，这取决于其中有多少能量。而我们观察到的是，我们的宇宙从过去密度更高的状态膨胀到了今天这个更加稀疏的状态。
因为光（辐射）拥有的能量取决于它的波长，这就意味着，如果宇宙在过去更小，那么它在过去也更热，能量更高。
回到宇宙的过去，看看都发生了什么
其实宇宙的起源就是我们根据今天的膨胀反推出来的！想象一下，我们让宇宙在过去变得更小、更热、更密集。会发生什么呢？
首先宇宙会变得又热又稠密，在早期原子本身都无法形成；一切都是炽热的电离等离子体。因为中性原子会被电离，这很好理解。
在往前呢？原子核也无法形成；质子和中子结合的原子核会高能辐射粒子炸开，这时的宇宙是一个除了氢之外没有其他元素的自由粒子的海洋。
在往前呢？这时的宇宙能量之高，会让两个光子自发的产生物质和反物质对，从而产生了宇宙中所有已知的（甚至一些迄今为止尚未发现的）粒子。
最后，如果我们回到一个任意，甚至是无限热和稠密的时代，我们会到达一个奇点：一个所有时间，空间和能量都凝聚成一个点的地方。
这一观点，即：一切都起源于一个“宇宙蛋”、一个“原始原子”或一个“任意高温、稠密状态”，就是我们今天所说的热大爆炸。
大爆炸是否描述了宇宙的起源？
这是大爆炸的最初定义。自从这个想法被提出以来，我们已经了解了很多关于宇宙的事情。特别是，我们已经了解到，宇宙中除了物质和辐射，还包含了大量的空间本身固有的能量，或暗能量，或宇宙常数，或真空能量（都是同义词）。现在宇宙包含的暗能量相对较少，但在早期它包含了大量的暗能量。
宇宙在被物质和辐射主导之前，宇宙是由空间本身固有的能量主导的，这一理论在20世纪70年代末和80年代初首次提出，并在90年代初首次通过观测得到证实。当你听说宇宙暴胀（或宇宙加速膨胀）时，这就是我们所说的：宇宙不是由物质或辐射主宰的时代，而是由空间本身固有的能量主宰的时代。
以真空能量或暴胀为主导的宇宙，与以物质或辐射为主导的宇宙演化方式不同。
宇宙的比例（y轴）与时间的关系。
上图就是真空能量主导宇宙和物质以及辐射主导宇宙的区别，看起来这些不同的宇宙只是在大小细节上有所不同，但它们都以一定的速率从某一起点开始膨胀。让我们仔细看一看“最开始”的时刻。
蓝线和红线代表一种“传统的”大爆炸场景，即一切从时间t=0开始，包括时空本身。在暴涨的情况下(*)，我们永远不会到达奇点，在奇点中空间会变成奇异状态；空间只会在过去变得任意小，而时间却会永远向后走
一个由物质或辐射主导的宇宙，实际上，将来自一个奇点，来自空间和时间首次出现的时刻，但对于一个暴胀的宇宙来说，没有这样的时刻。因为宇宙中的暗能量一直存在，宇宙一开始就在暴胀。
换句话说，如果宇宙在一开始就已经处在一个暴胀阶段了，我们认为这个阶段一直存在！那么我们凭直觉知道的（没有理论依据）：空间和时间在某个地方首先出现！这个想法现在想来，就有点不可逻辑了。
当宇宙学家谈论大爆炸时，他们指的是以下两种情况之一：
我们可以观测到的宇宙从高温、稠密、膨胀的状态中诞生，膨胀、减速、冷却，并产生了元素、原子、恒星、分子、行星，最终形成了我们。
最初的奇点代表了空间和时间的诞生。
唯一的问题是，虽然这两种解释在上世纪60年代是可以互换的，但现在已经不一样了。
第一种解释：热的、稠密的、膨胀的状态作为“大爆炸”仍然有意义，但第二种解释不再有意义了。事实上，关于空间和时间从何而来的问题，各方仍有很多争论，目前并没有理论依据。
其实我想说的是，我们心中有个起源也好，至少有个答案。虽然“大爆炸”代表了我们在宇宙中看到的一切事物的起源，但它不再是宇宙的起源、不再是时间和空间的起源。
那大爆炸真的发生了吗？根据第一个定义，绝对发生了。如果根据第二个定义，我们可能需要重新考虑使用“大爆炸”这个术语了。它只代表了，一部分起源，并不能完整的描述宇宙的起源。
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时间：2024-12-12 10:59
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时间：2024-12-12 11:00
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