大爆炸理论:宇宙是如何开始的


宇宙大爆炸理论代表了宇宙学家根据今天可见的存在条件重建140亿年宇宙故事的最佳尝试。

不同的人以不同的方式使用“大爆炸”这个词。最常见的是,它描绘了可观察宇宙的弧线,它从最初密集的热状态变薄并冷却下来。这种描述归结为宇宙正在扩张的观点,这是一个类似于生物学中适者生存的广泛原则,很少有人会认为这是有争议的。

更具体地说,大爆炸也可以指可观察宇宙本身的诞生 – 一刻发生了变化,启动了导致今天发生的事件。数十年来,宇宙学家一直在争论这一小部分的细节,今天的讨论仍在继续。 [From Big Bang to Present: Snapshots of Our Universe Through Time]

在人类历史的大部分时间里,天空观察者认为它是永恒不变的。埃德温·哈勃在20世纪20年代对这个故事进行了实验性的打击,当时他的观察显示银河系外的星系存在,并且他们的光线看起来很紧张 – 这表明他们正在远离地球。

当代比利时物理学家乔治·勒马特(GeorgeLemaître)将哈勃和其他人的数据解释为宇宙膨胀的证据,这是爱因斯坦最近公布的广义相对论场方程所允许的。向后思考,Lemaître推断今天的分离星系必须在他所谓的“原始原子”中一起开始。

Lemaître的想法首次公开使用现代术语实际上来自一位评论家 – 英国天文学家Fred Hoyle。 1949年3月28日,霍伊尔在捍卫他偏爱的永恒宇宙理论的过程中创造了这句话,这种理论产生了抵消扩张稀释的物质。霍伊尔说,“宇宙的所有问题都是在遥远的过去的特定时间在一次大爆炸中创造出来的”这一概念是不合理的。在后来的采访中,霍伊尔否认故意发明了一个诽谤性的名字,但这个绰号卡住了,这让一些人感到沮丧。

普林斯顿大学的宇宙学家保罗斯坦哈特说:“大爆炸是一个非常糟糕的术语。 “Big Stretch将抓住正确的想法。” Steinhardt认为,爆炸的心理形象会引起各种混乱。它意味着一个中心点,一个不断扩大的前沿,以及一个光弹片比较重的块快飞的场景。但他说,一个不断扩大的宇宙看起来并非如此。没有中心,没有边缘,大大小小的星系都以相同的方式滑动(虽然在宇宙最近的暗能量影响下,更遥远的星系移动得更快)。

无论它的名字如何,宇宙大爆炸理论都因其无与伦比的能力来解释我们所看到的东西而广泛接受。例如,在前3分钟内光与诸如质子和中子之类的粒子的平衡使得早期元素以预测氦和其他光原子的当前量的速率形成。

纽约大学宇宙学家格伦尼斯法拉尔说:“有一个小窗口可以形成原子核。” “在那之后,宇宙不断扩大,他们之前找不到彼此 [the window] 太热了。“

在接下来的378,000年中,浑浊的等离子体充满了宇宙,直到进一步冷却,让电子和质子形成中性氢原子,雾就消失了。在这个过程中发出的光已经延伸到微波中,是研究人员可以直接研究的最早的已知对象。被称为宇宙微波背景(CMB)的辐射,许多研究人员认为它是大爆炸的最有力证据。

但随着宇宙学家们进一步深入宇宙的第一时刻,这个故事就被揭开了。广义相对论的方程式提出了无限热量和密度的初始斑点 – 奇点。除了没有多少物理意义之外,单一的起源与光滑,扁平的CMB不匹配。斑点的强大温度和密度的波动会产生具有不同特性的天空,但CMB的温度只有一小部分变化。时空的曲率看起来也很平坦,这意味着最初几乎完美的物质和曲率平衡,大多数宇宙学家认为这是不可能的。

艾伦·古斯(Alan Guth)提出了20世纪80年代第一部分时间的新图片,表明宇宙最早的时刻比现在快得多。在某些时候,这个过程停止了,并且刹车会产生一个密集而热的(但不是无限的)混乱的颗粒,取代了奇点。 “在我自己的脑海里,我认为这是大爆炸,当宇宙变热时,”法拉尔说。

正如所谓的通货膨胀理论,现在有许多竞争模型。虽然没有人知道是什么让宇宙如此迅速地膨胀,但该理论因其解释看似不可能的无特征CMB的能力而变得流行:通货膨胀保留了微小的波动(发展成今天的星系团),同时使主要的波动变平。 “这是一个非常甜蜜的故事,”斯坦哈特说,他帮助发展了这个理论。 “这是我们告诉孩子的那个。”

最近的研究在通货膨胀理论的宇宙叙事中引入了两个皱纹。 Steinhardt和其他人的工作表明,通货膨胀在一些地区(例如我们可观察到的宇宙)已经停止,但在其他地区继续存在,产生了一系列具有“可以想象的一系列宇宙学特性”的独立地区,正如Steinhardt所说的那样。许多物理学家发现这种“多元宇宙”图片令人反感,因为它产生了无数的不可预测的预测。

在实验方面,宇宙学家预计通货膨胀应该在CMB产生星系跨越引力波,就像产生轻微的温度和密度变化一样。目前的实验应该足够敏感以找到它们,但原始的时空涟漪没有显现出来(尽管2014年有一个误报)。

许多研究人员正在等待更精确的CMB测量,这些测量可以杀死或验证仍然存在的许多通货膨胀模型。然而,其他物理学家并不认为宇宙的平滑性是一个问题 – 它开始是统一的,不需要解释。

虽然实验主义者力求达到新的精确度,但一些理论家已经远离通货膨胀,寻求其他方式来压制宇宙。例如,斯坦哈特正在研究一种“大弹跳”模型,它将起始时钟推回到更早的收缩时期,这种收缩使时空变得平滑,并为爆炸性扩张奠定了基础。他希望,在不久之后,除了缺乏原始引力波之类的问题之外,新的签名将使宇宙学家们了解一个新的创作故事。 “还有其他可观察的功能吗?”斯坦哈特说:“几年后再问我一次,我希望得到答案。”

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