圖片來源：Pixabay

來源 Science Nordic

撰文 Elise Kjørstad

翻譯 武大可

編輯 戚譯引

“整個(ge) 宇宙被‘打包’成一個(ge) 無限小的點，然後發生了爆炸，將組成如今宇宙的物質散播到空間中。”——天體(ti) 物理學家會(hui) 告訴你，這條陳述中的所有內(nei) 容都錯了。

“這完全不是我們(men) 認識大爆炸的正確方式，”挪威奧斯陸大學（University of Oslo，UiO）教授、宇宙學和天體(ti) 粒子物理學者Torsten Bringmann說。UiO 的理論物理教授 Are Raklev 也注意到，許多有關(guan) 大爆炸理論的描述都描繪了一幅有誤導性的圖像，與(yu) 大爆炸理論所描述的不同。他們(men) 向我們(men) 澄清了一些最普遍的誤解。

真實的大爆炸：熱而致密

首先，“大爆炸”真正所指的是什麽(me) ？

“大爆炸理論認為(wei) ，大約在 140 億(yi) 年前，宇宙處於(yu) 一個(ge) 遠比今天熱且致密的狀態，然後發生了大幅膨脹。這就是大爆炸理論，僅(jin) 此而已。”Raklev 說。從(cong) 那以後，空間繼續膨脹，變得越來越冷。

基於(yu) 大爆炸理論，科學家們(men) 更清晰地了解了宇宙曆史，例如基本粒子何時形成，原子、恒星和星係何時形成。他們(men) 已經很好地了解了宇宙年齡約 10-32 秒時所發生的事情。也就是 0.0000000000000000000000000000000001 秒，天體(ti) 物理學家 Jostein Riiser Kristansen 在一篇文章中寫(xie) 道。

現在來看誤區。

誤區 1： “這是場爆炸”

Are Raklev 表示，“大爆炸”這個(ge) 說法讓它聽起來像是一場爆炸，但這並不是一個(ge) 準確的描述。你會(hui) 很快明白原因。

20 世紀 20 年代初，數學家 Alexander Friedmann 發現愛因斯坦的廣義(yi) 相對論提供了一個(ge) 不斷膨脹的宇宙。比利時神父 Georges Lemaître 也得到了相同的結論。

很快，Edwin Hubble 發現星係的確正在遠離彼此。星係正在離我們(men) 而去。來自星係的光是紅移的，這意味著波長變長，朝著光譜的紅色端移動。不僅(jin) 如此，星係的退行越來越快。

終有一天，幾乎所有我們(men) 現在能通過望遠鏡觀察到的星係都會(hui) 離開我們(men) 的視野，最終所有的恒星都在夜空中“熄滅”，觀察者將望向永恒黑暗的孤寂天空。幸運的是，這離我們(men) 還很遠很遠。

我們(men) 也可以反向來看這個(ge) 故事。星係正在遠離，意味著它們(men) 曾經靠得很近。“如果你把整個(ge) 可觀測宇宙倒放回去，一切都將出現在一個(ge) 非常非常小的區域內(nei) ，”Raklev 說。

那麽(me) 我們(men) 就到了大爆炸的時間點。這時發生了什麽(me) ？

很容易將大爆炸想像成一場爆炸，其中物質被拋出，如同一顆手雷爆炸後飛射的木塊。“但在大爆炸中，擴散出去的並不是物質，”Raklev 說，“是宇宙本身在膨脹，時空本身在膨脹。”

一場物質向各個(ge) 方向飛出的爆炸，並不是描述大爆炸的準確圖景。

誤區 2：“宇宙在更大的某物內(nei) 膨脹”

其實並不是星係在互相遠離，而是空間本身在膨脹。我們(men) 可以想象一個(ge) 帶有葡萄幹的生麵團，其中麵代表空間，而葡萄幹代表星係。隨著麵團膨脹，葡萄幹自然會(hui) 彼此離得更遠，但它們(men) 並未在麵團中移動。Bringmann 用氣球的表麵舉(ju) 例。在未充氣的氣球表麵畫上點，這些點之間的距離也會(hui) 隨著氣球的膨脹而增大。

“與(yu) 此同時，星係也在受萬(wan) 有引力的作用而發生移動——這是另一個(ge) 效應，”Rakelv 說。

少數一些星係是藍移的，這意味著它們(men) 正在向我們(men) 靠近。但隻有我們(men) 附近的少數星係是如此。在較大的距離上，這種效應完全被哈勃定律所覆蓋——星係離我們(men) 遠去的速度與(yu) 距離成正比。事實上，在相距極遠的點之間，距離增長的速度甚至超過了光速。

麵團隻能在烤箱內(nei) 的有限空間中膨脹。但宇宙呢？宇宙的“外麵”是什麽(me) ？

宇宙不是在什麽(me) 東(dong) 西內(nei) 部膨脹。科學家不認同宇宙存在邊界。我們(men) 所稱為(wei) 可觀測宇宙的，像是一個(ge) 直徑 930 億(yi) 光年的氣泡。其中看起來離我們(men) 越遠的地方，我們(men) 所觀測到的實際時間越早。而我們(men) 所能觀測或測量的範圍，不超過光從(cong) 大爆炸時起向我們(men) 傳(chuan) 播的距離。

也正是因為(wei) 膨脹，可觀測宇宙的大小才反直覺地超過了 140 億(yi) 光年（宇宙年齡約 140 億(yi) 年）。但科學家計算出這個(ge) 範圍以外的宇宙甚至更大，或許是無限的。

看起來宇宙應該是“平坦的。這意味著兩(liang) 條平行的光束會(hui) 保持平行，永不相交。如果嚐試去往宇宙的盡頭，你永遠也無法到達。宇宙是無窮的。

如果宇宙具有正曲率，則理論上可以是有限的。但這一情況類似於(yu) 三維中的二維球麵。如果試圖到達球麵的“邊界”，無論從(cong) 哪裏出發，你都會(hui) 最終回到起點。就像環遊世界後回到了出發點。

無論哪種情況，宇宙都在膨脹，並且它不是在什麽(me) 東(dong) 西內(nei) 部膨脹。不斷變大的無限宇宙也仍然是無限的。一個(ge) “球形”的宇宙並沒有邊界。

圖片來源：Pixabay

誤區 3：“大爆炸有一個(ge) 中心”

如果我們(men) 把大爆炸想象成一場爆炸，很容易認為(wei) 爆炸是由一個(ge) 中心出發、向外發生的。這確實是一場爆炸的特征。

但大爆炸並非如此。幾乎所有方向的全部星係都在遠離我們(men) ，令人以為(wei) 地球就是宇宙開始的中心。但這並不是事實。其他星係的觀測者也會(hui) 看到同樣的現象，Bringmann 解釋道。

宇宙中的所有部分都在同步膨脹。大爆炸並非在某個(ge) 特定區域發生。“它發生在所有的地方。”Rakelv 說。

誤區 4：“起初，整個(ge) 宇宙都聚集在一個(ge) 小小的點上”

在大爆炸開始時，整個(ge) 可觀測的宇宙的確是被聚集在很小的一塊空間中的。但整個(ge) 宇宙怎麽(me) 可能既是無限的，同時又具有極小的確定尺度呢？

你可能會(hui) 讀到，宇宙最初小於(yu) 一個(ge) 原子大大小，後來小於(yu) 一個(ge) 足球的大小雲(yun) 雲(yun) 。但這樣的類比給出了時空起初存在邊界的錯誤暗示。

Raklev 說：“並沒有什麽(me) 能表明宇宙在大爆炸發生時不是無限的。當時的宇宙更小這一描述的意義(yi) 是，當時一米的尺度通過宇宙膨脹，對應的是如今的數十億(yi) 光年。”

而當我們(men) 在特定場合下討論宇宙的確切大小時，指的實際上是我們(men) 可觀測的宇宙。“整個(ge) 可觀測的宇宙是來自於(yu) 一個(ge) 很小的區域，可以稱其為(wei) 一點。但是這一點旁邊的點也同樣在膨脹，再旁邊的點也是如此。隻是它們(men) 離得太遠了，我們(men) 無法觀測到。”Raklev 說。

誤區 5：“宇宙無限小，高熱而致密”

你或許聽說過宇宙是從(cong) 一個(ge) 奇點開始的。或者說它是無窮小而高熱的。這或許是對的，但很多物理學家不認為(wei) 這是正確的理解方式。

根據宇宙學家 Steen H. Hanse 所說，奇點是一種對數學形式破壞的表達，不能夠被一般的物理學所描述。

Bringmann 總結了大爆炸的意義(yi) ：“今天的宇宙比昨天的要大一些，也比一百萬(wan) 年前的要大一些。大爆炸理論正是將這一過程沿著時間向回推演。而進行這樣的推演需要的理論工具正是廣義(yi) 相對論。”

“如果沿著時間向回如此推演，宇宙會(hui) 越來愈小，越來越致密，溫度越來越高。最終達到一個(ge) 極端小、極端熱、極端致密的狀態。這就是大爆炸理論：整個(ge) 宇宙開始於(yu) 這樣的狀態。而這一推演也隻能到此為(wei) 止。”Bringmann 說。

一直使用廣義(yi) 相對論向回推演，當體(ti) 積變為(wei) 零，理論上密度和溫度都會(hui) 到達無窮。“這隻是純粹的數學上的推論，超出了物理理論實際允許的範圍，”Bringmann 說，“當到達能量密度和溫度都如此之高的地步，我們(men) 所擁有的物理理論已經無法描述了。”

他說，物理學家需要不同的理論來描述這樣的狀態，也有一些人正從(cong) 事這方麵的研究。“我們(men) 需要什麽(me) 來描述這樣的極端條件呢？我們(men) 需要進入一個(ge) 結合了引力和量子理論的領域。暫時沒有人能整合這兩(liang) 種理論。量子引力理論恰恰被預期是無法給出所有東(dong) 西回到同一點的結論的。”

所以至少到目前為(wei) 止，宇宙曆史的最早一點，仍對我們(men) 隱藏。

參考來源：

https://sciencenorway.no/astronomy-astrophysics-physics/five-myths-about-the-big-bang/1831951 


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