普通天文學/大爆炸與宇宙膨脹

大爆炸是一個誤稱，因為它意味著爆炸。事實上，該模型描述的是宇宙的膨脹，不是膨脹到某個預先存在的空間，而是它在膨脹時創造了空間。宇宙之外什麼都沒有，所以沒有什麼可以膨脹到。只是在某個時間點，宇宙中的每個點都彼此非常接近（小於原子大小），在大爆炸的那一刻，它們都開始以極快的速度相互遠離。這種膨脹一直持續到今天，事實上似乎還在加速，這可能是由於另一種叫做“暗能量”的力量。根據目前的理論，這種膨脹將永遠持續下去，並不斷冷卻。

這個基本思想可以追溯到20世紀20年代，當時喬治·勒梅特基於愛因斯坦的廣義相對論提出了自己的想法。不久之後，哈勃發現所有遙遠的星系都在遠離我們，這證實了宇宙有一個時間的開端並自那時以來一直在膨脹的基本思想。

根據今天的測量結果——使用我們理解的當前大小和膨脹速度——如果回溯時間，就會得出結論，大約130億到140億年前，宇宙被壓縮到小於一個原子的體積。透過理解自然力的作用方式，我們可以追溯到更早的時期和更高的溫度。這樣做的時候，自然法則的性質會發生變化，在大爆炸後10^-43秒（“普朗克時間”）時，我們所知的法則就失效了。因此，我們無法回溯到更早的時間——在這種情況下，不可能看到大爆炸之前的時期。[當然，我們不能排除這些想法將來可能會改變的可能性。]

在普朗克時間及之前，大多數天文學家和物理學家認為宇宙中的所有力——電磁力、兩種核力和引力——都合併成了一種力，但我們不知道這種力是如何作用的。在普朗克時間之後，引力從“大統一力”中分離出來，後者由強核力和弱電力量組成。隨著事物的進一步冷卻，弱電力量分裂成電磁力和弱核力，我們今天所處的狀態就誕生了。

在膨脹的前三分鐘裡，能量冷卻，氫和氦形式的物質“凍結”出來。大約三分鐘後，膨脹使宇宙冷卻到足以不再產生任何元素（“核合成”）。事實上，在第一個恆星形成之前，幾億年內都沒有形成新的元素。宇宙中所有的氫，包括你體內的氫，以及大部分氦，都可以追溯到宇宙最初的三分鐘。

在那之後，宇宙膨脹了數億年，直到第一批恆星和星系在高能狀態下（以今天的標準來看）形成。從那以後，恆星和星系演化成了今天的模樣。

支援大爆炸的有三大證據

首先也是最重要的就是膨脹本身。這是在20世紀20年代透過觀測遙遠星系的紅移發現的。如果今天整個宇宙都在膨脹——這正是證據所顯示的——那麼將這個過程反過來推斷到過去，就可以很容易地得出結論：在更早的時代，宇宙更小。

第二個證據是由喬治·伽莫夫預測的，他被許多人認為是大爆炸的“父親”，儘管他並不是第一個提出這個想法的人。在20世紀40年代，他進行了計算，表明了元素在大爆炸時是如何形成的。基本上，他說如果大爆炸理論是正確的，那麼宇宙應該由大約75%的氫和25%的氦組成（其他元素的含量非常少）。當時無法證實這一點，但隨著技術的進步，這一點已經被證實。

第三個也是非常強力的證據也是由伽莫夫在能夠證實它之前很久就預測出來的。基本上，他說大爆炸會非常熱，隨著宇宙膨脹，它會冷卻下來。當物質冷卻下來時，它會釋放出某些型別的輻射。就像一個熾熱的火爐冷卻下來，顏色發生變化，或者火堆的餘燼慢慢熄滅，變成黑色。即使它們可能不發出可見光，它們也會繼續輻射紅外線。雖然伽莫夫對宇宙年齡的估計是錯誤的，但他表示，到今天宇宙應該冷卻到一定的程度，如果我們有檢測它的技術，我們就可以讀取輻射，有效地測量宇宙的溫度。這種技術在20世紀60年代出現，伽莫夫預測的輻射——經過適當調整，以適應今天更精確的宇宙年齡值——已經被發現。它被稱為“宇宙背景輻射”或“宇宙微波背景輻射”，通常縮寫為CBR或CMBR。CBR是對大爆炸的有力證據，因為幾乎沒有什麼東西能夠充分解釋它。

從歷史上看，大爆炸理論存在一些問題。三大問題被稱為

視界問題。你也可以把它叫做混合問題。如果我們向可觀測宇宙的邊緣任何方向看去，我們發現所有東西看起來都一樣，就好像它們被很好地混合了一樣。但是，一個方向上100億光年的物質不可能與另一個方向上100億光年的物質混合，僅僅是因為宇宙的年齡太短了。可觀測宇宙邊緣的物質對於另一邊的物質來說，是在“視界”之外的。它們無法相互作用。然而，所有東西都很好地混合在一起。它是怎麼變成這樣的？
平坦性問題。宇宙中物質的實際密度太接近臨界密度（即恰好阻止膨脹的密度），不可能是巧合。為了像今天這樣接近，宇宙在膨脹到現在的規模之前，必須是“平坦的”（即臨界密度和觀測到的密度完全相同），精確到60位小數。這太令人驚訝了。它怎麼會如此接近？
平滑性問題。在最初的大爆炸情景中，所有東西都從所有其他東西中向所有方向膨脹。因此，任何兩個物質粒子都永遠不會足夠靠近而相互吸引。因此，就不會有星系、恆星或行星。然而，它們都存在。

大約25年前，一位名叫阿蘭·古斯的物理學家提出了一個現在被稱為宇宙暴脹的想法。想象一下水冷卻下來變成冰。將水保持在液態需要能量（熱量）。當水冷卻並變成冰時，它會將這種能量釋放到環境中。這被稱為“對稱性破缺”。基本上，古斯說，在早期宇宙中，在大爆炸後僅僅一小部分時間，當它膨脹並冷卻時，發生了類似的事情。只是這裡熱能凝結成了物質（透過E=mc^2）。這種對稱性破缺釋放的能量導致膨脹在很短的時間內突然加速，遠遠大於大爆炸本身。這種超級膨脹（暴脹）有助於解決困擾大爆炸模型的三大問題。

在一個簡短的介紹中，我們必須省略細節，但本質上，暴脹解決了視界問題，因為在大爆炸的最初階段，每個地方都足夠接近彼此，以至於它們被很好地混合在一起。突然的暴脹本質上鎖定了這種良好的混合狀態，並在宇宙膨脹到今天時保持了下來。
暴脹解決了平坦性問題，因為暴脹自然會在密度達到正確值時耗盡能量。
它解決了平滑性問題，因為在非常早期的宇宙中，量子漲落導致了嬰兒宇宙中到處都有微小的不規則性（我們知道，這種“不規則性”在今天的空間中一直存在）。你可以把它想象成空間織物中小的密度集中區或“結”。暴脹突然把它們吹到了巨大的尺寸，比最初的大小大了數萬億倍。隨著宇宙膨脹，物質聚集在這些空間“扭結”周圍，最終形成了星系。

雖然也有一些其他的理論，最著名的是穩態理論，但沒有一個能夠以至少半一致和連貫的模型來充分解釋所有證據。其他一些理論只是大爆炸模型的變種。

我們有一個合理的機制來解釋宇宙暴脹以及自大爆炸以來宇宙的變化，但最初的“爆炸”的原因是未知的。雖然有一些建議，但沒有一個能提供最終的解決方案。一個想法是，宇宙完全從虛無中誕生，就像我們在我們今天所知的量子物理學中觀察到的一樣（儘管規模要小得多）。[粒子不斷地從虛無中誕生，但它們存在的時間太短，無法計數。它們被稱為“虛粒子”，有強烈的證據表明它們確實存在，儘管我們通常沒有意識到它們。透過適當的能量應用，我們可以讓一些這樣的粒子存在更長的時間，所以我們知道它們存在。]

是什麼導致了大爆炸？這個問題可能沒有科學答案。它屬於諸如“為什麼存在東西而不是不存在東西？”之類的哲學問題。沒有人知道。