大爆炸的大差距（全文6500字）

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商務咨詢/顧問/請@yellowscholar?作者：黃先生斜杠青年

#深時光#宇宙學#科學史

圖片通過：蓋蒂圖片社

目前關于宇宙起源的理論非常成功，但充滿了解釋漏洞。期待驚喜

宇宙有開始嗎？它最終會結束嗎？宇宙是如何演變成我們今天所看到的樣子：一個由恒星、星系、行星組成的“宇宙網”，至少在一顆淡藍色的星球上，有時會被認為是智慧生命？

不久前，這類存在主義問題還被認為沒有科學答案。然而，科學家們通過一個多世紀的天文觀測和理論發展找到了一些答案，這些觀測和理論發展交織在一起，為我們提供了宇宙學的大爆炸理論。這一非凡的理論得到了廣泛的天文學證據的支持，被科學界廣泛接受，并且（至少在名稱上）已經嵌入了流行文化中。

我們不應該太舒服。盡管它講述了一個非常了不起的故事，但當前的大爆炸理論給我們留下了許多令人不滿意的懸而未決的問題，最近的天文觀測有可能完全破壞它。大爆炸理論可能很快就會陷入危機。

理解為什么，它有助于理解這個理論比大爆炸本身更多。宇宙一定有一個歷史性的開始，這是得出結論認為宇宙中的空間正在膨脹的必然結果。1929年，美國天文學家埃德溫·哈勃和他的助手米爾頓·休馬森對遙遠星系的觀測取得了顯著的成果。他們研究過的絕大多數星系都在遠離我們，其速度與它們的距離成正比。為了了解這些速度，想象一下地球每年以每秒約 30 公里的平穩軌道速度繞太陽朝圣。哈勃和休馬森發現星系以每秒數萬公里的速度遠離，占光速的很大一部分。

哈勃的速度-距離關系在幾年前就由比利時理論家喬治·勒梅特爾（Georges Lema?tre）預見到，如今被稱為哈勃-勒梅特定律。速度和距離之間的比例常數是哈勃常數，它是衡量宇宙膨脹速率的量度。事實上，星系實際上并沒有以如此高的速度遠離，地球在宇宙中心也沒有占據任何特殊位置。星系正在被我們之間空間的膨脹所帶走，就像放氣的氣球上畫的兩個點會隨著氣球膨脹而分開一樣。在一個空間膨脹的宇宙中，一切都被其他一切帶走了。

我是斜杠青年，一個PE背景的雜食性學者！?致力于剖析如何解決我們這個時代的重大問題！?使用數據和研究來解真正有所作為的因素！

大爆炸的故事幾乎和宇宙本身的故事一樣引人入勝

為了掌握這些星系的距離，天文學家利用所謂的造父變星作為“標準蠟燭”，宇宙燈塔在黑暗中閃爍，可以告訴我們它們有多遠。但在 1920 年代后期，人們對這些試金石恒星知之甚少，從它們得出的距離也被大大低估，導致科學家高估了哈勃常數和膨脹率。天文學家花了 70 年的時間才解決這個問題。

顯示造父變星 RS Puppis 的哈勃圖像。圖片通過：歐空局/哈勃

但這些問題與主要結論無關。如果宇宙中的空間正在膨脹，那么使用已知的物理定律和原理在時間上向后推斷表明，一定有一個時刻，宇宙被壓縮到一個異常高的密度和溫度點，代表了一切的熾熱起源：空間、時間、物質和輻射。據我們所知，這發生在近 140 億年前。在 1949 年播出的 BBC 廣播節目中，特立獨行的英國天文學家弗雷德·霍伊爾 （Fred Hoyle） 稱其為“大爆炸”理論。這個名字一直存在。

當然，僅僅理論告訴我們事情何時開始是不夠的。我們要求更多。我們還期待大爆炸理論能夠講述我們宇宙的故事，描述宇宙如何從一開始演化，以及它如何成長為我們今天看到的恒星和星系的宇宙網絡。理論家們將此簡化為一個簡單的存在主義問題：恒星和星系為什么存在？為了給出適當的解釋，大爆炸理論本身已經從其不那么卑微的開端演變而來，一路上拾取了急需的額外成分，這個故事幾乎與宇宙本身的故事一樣引人入勝。

大爆炸理論是一種物理宇宙學理論，建立在阿爾伯特·愛因斯坦廣義相對論方程（本質上是愛因斯坦的引力理論）的解的基礎上，應用于整個宇宙。愛因斯坦本人在 1917 年就開始了這個球。當時，他選擇捏造自己的方程，以獲得描述一個智力上令人滿意的靜態、永恒宇宙的解。十年后，勒梅特重新發現了一種描述膨脹宇宙的替代解決方案。盡管愛因斯坦拒絕了這一點，稱其為“相當可惡”，但當面對哈勃和休馬森提供的證據時，他最終撤回了。

1932 年 1 月，阿爾伯特·愛因斯坦和威廉·德·西特在加利福尼亞州帕薩迪納。圖片通過：Google

1932 年，愛因斯坦與荷蘭理論家威廉·德·西特 （Willem de Sitter） 合作，提出了他的理論的新表述。在愛因斯坦-德·西特宇宙中，空間正在膨脹，宇宙被假設包含的物質剛好足以施加溫和的引力制動，確保膨脹在無限長的時間后減慢并最終停止，或者到我們現在不關心的未來。這種物質的“臨界”密度還確保了空間是“平坦的”或歐幾里得的，這意味著我們熟悉的教室幾何形狀占上風：平行線永遠不會交叉，三角形的角度加起來是 180 度。換個角度想。臨界密度提供了一個“金發姑娘”宇宙，這個宇宙最終將恰到好處地適合人類居住。根據定義，愛因斯坦-德西特膨脹宇宙是大爆炸理論的早期版本。它構成了幾十年來宇宙學研究的基礎。

但是，一旦我們試圖使用愛因斯坦-德·西特版本來講述我們自己的宇宙的故事，問題就開始了。它就是行不通。

如果大爆炸后的宇宙膨脹得快一點或慢一點，恒星和星系就不會形成

應用愛因斯坦方程需要做出一些假設。其中之一稱為宇宙學原理，假設宇宙在大尺度上是均勻的（到處都一樣）和各向同性（在各個方向上都是均勻的）。但是，如果我們的宇宙在大爆炸后的最初時刻是這樣，那么物質就會均勻地向各個方向傳播。這是一個問題，因為如果引力均勻地拉動所有方向的所有物質，那么什么都不會移動，因此不會形成恒星或星系。早期宇宙需要的是一點各向異性，即散布的多余物質區域，這些區域將作為恒星和星系形成的宇宙“種子”。這種各向異性在愛因斯坦-德西特宇宙中找不到。那么它從哪里來呢？

事情很快就變得更糟了。理論家們意識到，要了解我們從愛因斯坦-德·西特版本的大爆炸中看到的宇宙需要進行非凡的微調。如果大爆炸后的直接宇宙膨脹得快一點或慢一點，那么恒星和星系就永遠沒有機會形成。這種微調可以追溯到物質的臨界密度或“金發姑娘”密度。偏離僅百億分之一的臨界密度——無論更高還是更低——都會產生與我們自己的宇宙截然不同的宇宙，其中沒有智慧生命可以見證。

情況變得更糟：對螺旋星系形成的理論研究和對其恒星自轉運動的觀測研究得出了另一個明顯令人不安的結論。這兩者都無法通過考慮我們所能看到的所有問題來解釋。僅基于恒星可見物質的計算表明，即使可以滿足允許它們形成的條件，螺旋星系在物理上仍然是不可能的，并且其中恒星的旋轉模式應該看起來非常不同。雪上加霜的是，當天文學家將所有可見恒星和星系中可以識別的物質加起來時，他們只發現了臨界密度所需物質的 5% 左右。宇宙的其余部分在哪里？我們的宇宙顯然比愛因斯坦-德西特版本的大爆炸理論要多。

其中一些問題的解決方案只能通過回顧宇宙故事的開端才能找到，而且由于這不是天文學家可以理解的時刻，理論家們再次需要弄清楚可能發生了什么。

在 1980 年代初期，一群理論家得出結論，在最早的時刻，大爆炸后的宇宙應該小到足以受到隨機量子漲落的影響——空間中特定位置存在的能量的暫時變化，受維爾納·海森堡的不確定性原理控制。這些波動在某些地方產生了微小的多余物質濃度，而在另一些地方則留下了空隙。然后，這些各向異性會通過稱為宇宙膨脹的瘋狂指數膨脹爆發印在更大的宇宙上。

通過這種方式，微小的物質濃度將生長為恒星和星系以后涌現的種子。在一定程度上，宇宙膨脹也固定了微調問題的某些方面。它就像一個鈍器：無論一開始可能是什么條件，宇宙膨脹都會將宇宙錘成想要的形狀。

理論家們還推斷，熾熱、年輕的宇宙會表現得像一個帶電等離子體球，比氣體更流暢。它將包含被剝離回其基本成分的物質，只有在溫度因進一步膨脹而充分冷卻時才會組裝原子核和電子。他們明白，在大爆炸后僅僅幾十萬年，就會有一個奇異的時刻，當時溫度已經降到足夠低，允許帶正電的原子核（質子和氦核）和帶負電的電子結合形成中性氫和氦原子。這一刻稱為重組。

本應在等離子體球中的帶電粒子之間來回舞動的光被釋放出來，通過空間向各個方向傳播，宇宙變得透明：字面意思，是一個“讓光”的時刻。其中一些光線是可見的，盡管周圍顯然沒有人看到它。這是宇宙中最古老的光，被稱為宇宙背景輻射。

就像宇宙犯罪現場的血跡一樣，它在天空中留下了溫度變化的模式

隨著宇宙的不斷膨脹，這種輻射會進一步冷卻：1949 年的估計表明，它今天的溫度將比絕對零度高出約 5 度（或 -268oC），對應于微波和紅外輻射。這一估計在很大程度上被遺忘了，直到 1964 年才被重新發現。一年后，當物理學家爭先恐后地建造一種設備來尋找它時，美國射電天文學家阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜偶然發現了它。這一發現改變了一切。宇宙背景，宇宙處于起步階段時發生的事件的見證者，正準備作證。

宇宙 370,000 萬歲時印在天空上的宇宙微波背景輻射圖顯示了與密度略有不同的區域相對應的微小溫度波動。圖片通過：歐空局和普朗克合作組織

量子漲落產生的微小物質濃度并通過宇宙膨脹印在更大的宇宙上，會使某些地方的宇宙背景比其他地方稍微熱一些。這在天空中的宇宙背景中留下了溫度變化的模式，就像宇宙犯罪現場的血跡一樣。

這些微小的溫度變化是由美國宇航局宇宙背景探測器衛星上的儀器檢測到的，并于 1992 年報告。領導探測它們項目的喬治·斯穆特 （George Smoot） 努力尋找最高級的詞語來傳達這一發現的重要性?！叭绻阌凶诮绦叛?，”他說，“就像看到上帝一樣。證據就在。我們的存在歸功于大爆炸早期宇宙中量子漲落產生的物質分布的各向異性，宇宙膨脹給更大的宇宙留下了深刻的印象。

但宇宙膨脹無法解決星系形成物理學和恒星自轉帶來的問題，也無法解決密度缺失帶來的問題。奇怪的是，暴躁的瑞士天文學家弗里茨·茨威基 （Fritz Zwicky） 在 1933 年就已經提出了部分解決方案。他的努力被遺忘了，直到 1970 年代才被重新發現。星系比看起來大得多，這表明一定存在一種僅通過其引力相互作用的無形物質。茲威基稱之為 dunkle Materie：暗物質。每個螺旋星系，包括我們自己的銀河系，都籠罩在暗物質光環中，這對其形成至關重要，并解釋了為什么這些星系中的恒星會以這種方式旋轉。

這是朝著正確方向邁出的重要一步，但這還不夠。即使據估計，宇宙中暗物質的數量是普通可見物質的五倍，但宇宙中約 70% 的物質仍然缺失。

斯特羅諾默現在擁有宇宙歷史上最早時刻的證據，以及這段歷史中更晚的物體的證據。宇宙背景輻射的年齡約為 138 億年。但附近的星系可以使用造父變星測量距離，則要年輕得多。我們可以通過承認光不會瞬間從一個地方傳播到另一個地方來了解這一點。這需要時間。光從太陽表面到達我們需要八分鐘，所以我們看到的是八分鐘前出現的太陽，稱為“回溯”時間。但造父變星是單獨的恒星，因此它們作為標準蠟燭的用途僅限于附近的星系，回溯時間短達數億年。為了重建宇宙的故事，天文學家必須以某種方式找到一種方法來彌合其歷史上這些點之間的巨大鴻溝。

可以研究更遙遠的星系，但只能通過觀察其中包含的所有恒星發出的光的總和。天文學家意識到，當一顆恒星在一顆壯觀的超新星中爆炸時，它可以在短時間內照亮整個星系，向我們展示星系的位置以及它被膨脹帶走的速度有多快?；厮輹r間可以從數百年延長到數千萬年。某類超新星將自己作為標準蠟燭，可以通過研究附近擁有一顆或多顆造父變星的星系中的超新星來校準到其宿主星系的距離。

人們的預期是，在大爆炸之后，宇宙的膨脹速度會隨著時間的推移而放緩，達到我們今天使用哈勃-勒梅特定律測量的速度。根據愛因斯坦-德·西特爾的版本，它將在未來繼續減速，最終停下來。但當天文學家在 1990 年代后期開始使用超新星作為標準蠟燭時，他們的發現確實令人驚訝。擴張的速度實際上正在加快。

進一步的數據表明，大爆炸后的宇宙確實已經減速，但大約 50 億年前，這已經轉變為加速。具有諷刺意味的是，愛因斯坦在 1917 年在他的方程中引入并在 1932 年放棄的軟糖現在不得不被放回原處。愛因斯坦在他的方程中添加了一個額外的“宇宙學術語”，由“宇宙學常數”控制，它為空曠的空間注入了神秘的能量。解釋加速膨脹的唯一方法是將愛因斯坦的宇宙學術語恢復為大爆炸理論。虛空的神秘能量被稱為暗能量。

我喜歡把這看作是宇宙在歌唱的時期

1905年，愛因斯坦通過他的方程E = mc證明了質量（m）和能量（E）的等價性2，其中 c 是光速。當物質的臨界密度被表示為質能的臨界密度時，暗能量占宇宙缺失的 70%，這可能并不奇怪。它也可能注定了它最終的命運。隨著宇宙的不斷膨脹，越來越多的宇宙將從視野中消失。而且，隨著宇宙變得越來越冷，仍然觸手可及的物質可能會無情地走向“熱死亡”。

我們怎么知道？在宇宙背景輻射中可以找到更多答案。理論家們進一步推斷，重力與大爆炸后等離子體球中巨大的輻射壓力之間的競爭會引發聲振蕩——聲波——只要物質過多。這些聲音波以光速的一半以上傳播，所以即使周圍有人可以聽到，這些聲音也是聽不到的。盡管如此，我仍然喜歡將此視為宇宙歌唱的時期。

聲振蕩在宇宙背景的溫度和宇宙中星系的大規模分布中留下了明顯的印記。如果不首先假設特定的宇宙學，在這種情況下是包括暗物質和暗能量在內的大爆炸理論，就無法對這些印記進行建模。2013 年報告的建模結果告訴我們我們生活在什么樣的宇宙中——它的物質和能量的總密度、空間的形狀、暗物質的性質和密度、愛因斯坦宇宙常數的值（以及暗能量的密度）、可見物質的密度以及今天的膨脹率（哈勃常數）。這就是我們知道的方式。

但故事還沒有結束。天文學家通過使用哈勃太空望遠鏡進一步研究造父變星和超新星，繼續加深對宇宙歷史的理解。因為這些研究是基于使用標準蠟燭測量速度和距離的研究，所以它們提供了對哈勃常數和宇宙歷史后期膨脹率的測量，不需要特定宇宙學的假設。從聲振蕩分析中推斷出的哈勃常數和膨脹率必然是一個依賴于模型的預測，因為它源自宇宙歷史上更早的事件。有一段時間，預測和測量非常一致，大爆炸理論看起來很穩健。

然后從 2010 年左右開始，事情又開始出錯。隨著觀測精度的提高，預測和測量分道揚鑣。差異很小，但似乎很顯著。它被稱為哈勃張力。宇宙的膨脹速度似乎比我們通過模擬它在嬰兒期經歷的聲振蕩來預測的要快一些。想象一下，建造一座橫跨宇宙年齡的橋梁，在鴻溝的“早期”和“晚期”兩側同時開始。地基、橋墩和橋梁支架已經完成，但工程師們現在沮喪地發現，雙方在中間并沒有完全相遇。

由于不同種類的標準蠟燭的開發，事情變得復雜，這些蠟燭比造父變星更容易分析，競爭對手的天文學家團隊目前正在爭論細節。我們應該在幾年后知道緊張局勢是否真實存在。如果它是真實的，那么修復它的一種方法是再次調整大爆炸理論，假設暗能量隨著時間的推移而減弱，相當于假設愛因斯坦的宇宙常數實際上不是恒定的。今年 3 月公布了一些初步證據。

前面還有更多的麻煩。詹姆斯·韋伯太空望遠鏡于 2021 年圣誕節發射升空，可以看到回溯時間超過 130 億年的星系，可以追溯到大爆炸后僅幾億年的時間。我們基于當前理論對物理學的理解表明，在這些回顧時間，我們可能會期望看到第一批恒星和星系正在形成。但望遠鏡看到的是已經完全形成的星系和星系團?，F在判斷這是否是一場危機還為時過早，但有理由產生相當大的不安。

一些宇宙學家已經受夠了。大爆炸理論在很大程度上依賴于幾個概念，盡管在過去 20 到 30 年中付出了大量努力，但除了對它們的基本需求之外，我們還沒有獲得額外的經驗證據。該理論非常成功，但充滿了解釋漏洞。宇宙膨脹、暗物質和暗能量都是必需的，但都伴隨著嚴重的警告和疑慮。想象一下，試圖用法西斯主義和某產某義的社會力量來解釋 20 世紀的（人類）歷史，卻無法解釋這些術語的含義：從根本上來說，卻沒有真正知道它們是什么。

在 2004 年發表在《新科學家》雜志上的一封公開信中，一群叛逆的宇宙學家宣稱：

在物理學的其他領域，這種對新的假設物體的持續訴求不會被接受為彌合理論與觀察之間差距的一種方式。至少，它會引發關于基本理論有效性的嚴重問題。

這簡直就是科學事業在起作用。關于宇宙和我們在宇宙中的位置的一些最深層次的問題的答案有時顯得令人沮喪地不完整。不可否認，盡管存在種種缺陷，但目前的大爆炸理論繼續主導著宇宙學科學，這是有充分理由的。但歷史的教訓警告不要變得太舒服。毫無疑問，關于我們宇宙的故事還有更多有待發現。還會有更多的驚喜。

挑戰一如既往，是在面對難以捉摸的宇宙時保持謙遜感，并保持開放的心態。正如愛因斯坦曾經說過的那樣：“一個理論的真實性永遠無法被證明，因為人們永遠不知道未來的經驗是否會與它的結論相矛盾。

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