热大爆炸(hot Big Bang)理论是20世纪最伟大的科学成就之一。这个理论认为,我们今天所观察到并存在于其中的宇宙,是从更热、更致密且更均匀的过去演化而来的。
在最初提出时,大爆炸假说是作为一种严肃的替代理论,对宇宙膨胀的一些主流解释加以补充;但在20世纪60年代中期,随着“原始火球”残余——如今所知的宇宙微波背景——的发现,该假说基本被证实了。
在大爆炸的极早期,一切宇宙物质都压缩在一个热而致密的“原始火球”中。
彭罗斯的共形轮回宇宙学假设我们目前的宇宙起源于一个已经存在的宇宙,而这个宇宙会给我们今天的宇宙留下印记。这是一种迷人而富有想象力的假说,试图取代暴胀理论,但并没有得到数据支持。
50多年来,大爆炸理论在宇宙学中逐渐具有了至高无上的地位,被众多科学家用来描述宇宙的起源。
该理论还包括了一段暴胀时期,发生在大爆炸之后的极短时间内。在暴胀之后,宇宙继续膨胀,直到今天,但速度低得多。
多年来,宇宙暴胀和宇宙大爆炸也一直受到天文学家和天体物理学家的挑战,但每一次有新的关键观测结果出现时,那些替代的观点就都消失了。
即使是2020年诺贝尔物理学奖得主罗杰·彭罗斯提出的另一种宇宙观——共形轮回宇宙学,也无法与大爆炸理论的成功相提并论。
与近年来各种新闻标题和彭罗斯的断言相反的是,目前没有证据表明存在某种“大爆炸之前的宇宙”。
空间固有的量子涨落在暴胀期间延伸到整个宇宙,引起了在宇宙微波背景中的密度涨落,这反过来又产生了恒星、星系以及今天宇宙中的其他大尺度结构。这是目前关于整个宇宙如何演变的最好的图片,暴胀就发生在宇宙大爆炸后10^-36秒时,持续到10^-33至10^-32秒之间。
大爆炸通常被认为是一切的开始,包括空间、时间,以及物质和能量的起源。从某种古老的观点来看,这是很合理的。
如果我们现在看到的宇宙正在膨胀,密度越来越小,那就意味着它在过去更小,密度更大。
如果宇宙中存在某种辐射,比如光子,那么这种辐射的波长就会随着宇宙的膨胀而延长,意味着它会随着时间的推移而冷却。
宇宙膨胀的历史可视化图像,包括被称为大爆炸的热而致密的状态,以及随后的结构生长和形成。全套数据,包括对轻元素和宇宙微波背景的观测结果,使大爆炸理论成为对目前我们所看到一切的最有效解释。随着宇宙膨胀,它也逐渐冷却,形成离子和中性原子,并最终形成分子、气体云、恒星和星系。
因此,在某一时刻,如果回溯得足够久远,你就会获得足够大的密度、温度和能量,以至于能够创造出奇点的条件。
当距离尺度足够小,时间尺度足够短,或者能量尺度足够高的时候,物理定律就不再有意义了。
如果我们能让时钟往回拨138亿年,接近传说中的“0”点,这些物理定律会在10^-43秒的时间内失效,这就是普朗克时间,也可以说是时间最早的时刻。宇宙历史中最早的时间阶段便被称为普朗克时期(0至10^-43秒)。
在早期的热宇宙中,中性原子形成之前,光子会以非常高的速率从电子(以及少数质子)中散射出去,从而传递动量。在中性原子形成后,由于宇宙冷却至某个特定的临界阈值之下,光子就会沿直线运动,只在波长上受空间膨胀的影响。
如果这是对宇宙的准确描述——宇宙由此开始变得炙热而稠密,然后膨胀并冷却——那我们就可以预期在过去的宇宙历史中所发生的大量转变,如:
·所有可能产生的粒子和反粒子都会大量产生,当温度太低而无法继续产生它们时,多余的粒子就会湮灭成辐射;
·电弱对称性和希格斯对称性在宇宙冷却至低于恢复这些对称性所需的能量时就会破缺,从而产生四种基本力和静止质量不为零的粒子;
·夸克和胶子凝聚成复合粒子,如质子和中子;
·中微子不再与幸存的粒子有效地相互作用;
·质子和中子聚变形成轻原子核:氘、氦-3、氦-4和锂-7;
·引力会导致密度过高的区域增大,而当密度过高时,辐射压力会扩展这些区域,创造出一组振荡的、依赖于规模的印记;
·大爆炸后大约38万年时,温度降至足以形成中性、稳定的原子。