大爆炸并非宇宙的起点,而是我们认识宇宙的起点,也就是我们目前的认知仅限于从大爆炸开始,而大爆炸之前是什么样的,一切都只是假说与猜测,比较靠谱的猜测是暴胀理论。实际上,大爆炸理论并非难以理解,它基于几个已经被证实的物理理论,因此大爆炸理论是比较靠谱的,下面聊聊是怎么回事。
宇宙是一锅粥
如果我们把宇宙比作一锅粥,现在就像家里揭不开锅了,星系与星团就像一团团黏在一起的粥,而恒星与行星就像米粒,米团之间离得很远。至于为什么会出现米团,牛顿说是引力在一定范围内的作用,使它们相互牵制形成各自的小团体。
万有引力理论仅仅只是我们了解宇宙如今为什么会这样的基础,如果我们想要知道过去宇宙是什么样的,我们就需要知道宇宙正在干什么?以及宇宙由什么组成的?这两个问题在过去50多年来已经得到解决并拥有确凿的科学证据。
1.锅在变大——哈勃发现宇宙一直在膨胀
2.无论从锅里哪个位置舀一勺,舀出的米粒质量总和都差不多——宇宙微波背景辐射,各向同性
3.各处米粒的营养成分都差不多——各处宇宙早期形成的元素丰度以特定比例存在
4.米团与米团之间离得越来越远——宇宙结构网越来越密集,星系之间空间越来越大
这是奠定宇宙大爆炸理论的四个基石。
宇宙膨胀的发现源于观测,1920年哈勃通过当时最先进、最大的望远镜发现远处恒星的退行速度与距离成正比,因此我们发现了就像吹大的气球一样膨胀,而气球中的被引力束缚住的星团与星团之间彼此远离。由此我们可以反推出过去的宇宙。
光与无线电波都属于电磁波,二十世纪美国科学家的发现“卫星天线”无论如何调整都能接收到信号,也就是我们电视机无论怎么调,即使找不到信号也会出现满屏雪花,这就是宇宙背景微波。而且无论天线朝向哪个方位微波干扰的程度都相同。
图:光在膨胀的宇宙中发生红移
宇宙微波背景辐射是宇宙出现的第一道光,它刚诞生的时候能量极强,频率极高,而随着宇宙不断膨胀、冷却,这道曙光在膨胀的宇宙中不断行进,因此频率降低,无论从哪个朝向,宇宙微波背景辐射所呈现的温度都接近于宇宙最低温度——绝对零度。
除此之外,科学家还发现宇宙各处的恒星主要都是由等比例的元素构成,这就好比春游之前学校发给同学一块面包、2盒饼干、3瓶汽水,全校学生拿的东西都是一样的,并且不同的东西比例都是相等的,不过不同班级年级的人去了不同的地方玩耍,但是我们可以通过这些学生所携带的食物与食物的比例推断出它们来自于同一个学校。
随着时间的流逝,我们发现宇宙空间越来越空旷,星团之间彼此在远离。同时基于对宇宙的观察发现,无论从在哪个朝向上,我们能看到的物质总量几乎都是相等的,也就是无论在哪里,学生总质量都是相同的,因此科学家推断出宇宙的模型应该是各处均匀的、统一的、规则的。那么我们可以反推出来过去的宇宙它应该是一锅米饭,或者说是大家都集中在操场上尚未出发,大量的形成星团相互靠在一起。
物质消失
图:正向过程
如果我们继续往回推,宇宙更加致密,米饭的结构也不复存在,原子与原子之间紧紧相挨。大家撞来撞去,温度极高,因此如果继续往回推,原子的结构也将不存在,因此核外电子吸收了充足的能量将逃离原子核的束缚,形成电离的等离子。
电离的过程实际上就是宇宙微波背景辐射出现的时间,因为正向过程是大量电子的等离子与电子乱成一锅粥,宇宙中不存在中性的原子,而电子与等离子结合的过程就是原子受到原子核束缚,并释放出多余的能量(辐射)的过程,能量以光子的形式释放就形成了我们如今的宇宙微波背景辐射,那也意味着宇宙中的原子开始进入中性时代。
如果再继续往回推,宇宙继续缩小,那么等离子的形态也将消失,原子核破裂,质子与中子相互独立,此时并不存在所谓的元素,而正向过程也就是宇宙的第一次核反应,生成大量的轻元素氢氦等等。
在继续往回就是原子与中子也不复存在,宇宙由组成它们的基本粒子所构成,20~21世纪科学家通过对撞机找到了构成物质的大部分基本粒子。
以上的所有的物质演变过程我们都是可以通过实验与观察证实的。如果继续回推,我们就只能靠猜了,因为接下里宇宙的演化,我们已经无法用观察的客观现象来证实,而且物理定律也将崩溃。
我们不知道的宇宙
当宇宙只存在能量,也就是光子,这些高能光子发生碰撞,从而形成粒子与反粒子对。如今的宇宙都是由物质构成,那么反物质哪去了,这是未解决的问题。
当宇宙更炙热的时候会导致粒子间的相互作用失效(包括希格斯不对称性),此时所有粒子都不具备质量,而我们生存在由静止质量不为零的粒子构成的世界中,我们的粒子对撞机并无法模拟出该模型,也就是说到这里为止已经达到了人类所能测试的物理极限。
在这个时刻一定发生了什么事情,导致物质比反物质多,还有是创造了暗物质,这些我们都无法解决,甚至连暗物质是什么我们都没有弄清楚。因此大爆炸理论始于反物质消失之后,部分粒子具有质量之时,之前的情况我们一概不知,但之后的推断已经被证实。
目前主流的猜测是在这之前宇宙先是发生了剧烈的膨胀,但也仅仅只是猜测,而更早的奇点理论存在更多的问题,还不如暴胀理论解释的完美,因此大爆炸理论只是我们认识宇宙的开始,而非宇宙的真正的开始,但不代表宇宙大爆炸理论是错的。