宇宙起源假说“大爆炸理论”的起源与谢幕

经典热大爆炸理论提出不满百年，但如今已是一个通行全球的文化符号。人们痴迷于探索这个世界的发端，无论TA自己是或不是科学家。大爆炸理论告诉我们，我们如今身处的这个不断膨胀、冷却的宇宙，曾有一个更加致密、炽热的过去。而一场开天辟地的大爆炸，成为了一切的发端。这是许多人心目中对宇宙起源的模糊认知，但它其实早已遭遇挑战。

要探寻宇宙的开始，科学家认为必须从解释我们身边的世界着手。在这个近乎浩渺无垠的宇宙里，在人们能够观察到的每个方向上，从磅礴星云到稀薄等离子体，从可见光到伽玛射线。无论我们以何种方式看待宇宙，它都充满着物质和能量。从这一点想，人们推理这些物质和能量都是来源于一处，似乎也是冥冥中的必然。更何况，这样的推论是绚丽而诱人的。

大爆炸理论宣称，一种被称作奇点的状态，它表现为无穷小的尺寸、无穷大的密度和温度，它是大爆炸理论所推想的宇宙原始状态。但由这种模型推演，并不能解释宇宙中的许多现象。毫无疑问，经典热大爆炸理论取得了很多成就，但在科学家们的论证和推演下，它已经逐渐成为理论的过去式。

大爆炸理论的诞生

与多数理论推想类似，经典热大爆炸理论也具有理论和实验观察两个源头。在理论方面，爱因斯坦1915年提出的广义相对论为其提供了基石。广义相对论超越了以牛顿代表的经典物理学体系。尽管爱因斯坦的理论要复杂得多，但物理学家们马上开始着手寻找精确解，构建能够认识宇宙的庞大理论。

• 1916 年，仅在广义相对论发表后的数周，德国天体物理学家Karl Schwarzschild就找到了一个数学解，它描述了一个不旋转的黑洞，解释大质量物质如何弯曲时空；
  
• 1917 年，Willem de Sitter找到了一个呈指数形式膨胀的解，但当时并没有明确的观测证据表明宇宙在膨胀，这个在当时看起来荒谬不经的数学解，已经开始指向一个膨胀的宇宙；
• 从1916年到1921年，由四名研究人员独立发现的 Reissner-Nordström 解描述了一个球对称带电时空；
• 1921年，Edward Kasner找到了一个解，该解描述了一个无物质和无辐射的宇宙，而该宇宙是各向异性的；
• 1922 年，Alexander Friedmann发现了各向同性的均质宇宙的解，其中容纳所有类型的能量，包括物质和辐射。

Friedmann的发现是如此重要，它容纳了物质、辐射、空间曲率、宇宙学常数等一切宇宙学里的重要元素，推动广义相对论向前迈进了一大步。Friedmann也揭示了，静态宇宙是不稳定的，它要么膨胀要么收缩。

“宇宙非静态”这一推论为许多科学家所认可，包括爱因斯坦本人。但它仍缺乏直接的观测证据。不过这已不遥远，上世纪二十年代，Edwin Hubble开始测量星云中的单个恒星，并最终确定了它们之间的距离。他发现，这些恒星不仅比银河系中的任何其他物体都远得多，而且距离较远的物体比距离较近的物体移动得更快。同时，比利时的教士、宇宙物理学家Georges Lemaître也开始思索宇宙动态膨胀的可能。这一成果被后人命名为哈勃-勒梅特定律（Hubble-Lemaître Law），它描述到：遥远星系的退行速度与它们和地球的距离成正比。

大爆炸理论至此已是呼之欲出。Georges Lemaître是第一个认识到这一点的人。在发现宇宙的膨胀现象后，他反应过来，宇宙应是可回溯的。他意识到，宇宙的开端可能是一个炽热、致密、快速膨胀的物质、辐射集合体，我们周围的一切都是从这种原始状态中诞生的。Lemaître本人也成为了大爆炸理论的首次提出者。

（左）Friedmann；（中）爱因斯坦；（右）Lemaître

后来的物理学家让经典热大爆炸理论走得更远。他们推论分析：在太空中看得越远，所看景象在时间上也就离我们更遥远，因此，我们观测到的遥远景象应该要质量更小、重元素更少、引力更小，那里的宇宙应该“更年轻”；在某个阶段，宇宙温度仍然过高，热辐射会致使中性原子无法稳定形成，随着宇宙的膨胀和冷却，辐射能量再也无法阻止原子核的形成，此时一些氢元素才会诞生（如氢、氦等）；大爆炸的热辐射也应当遗留至今，这就是宇宙微波背景辐射（CMB）。

宇宙尺度的结构观测、单个星系以及这些星系中恒星群的生长演化都证实了大爆炸理论的预测。对宇宙微波背景辐射的观测研究更是为大爆炸理论提供了力证，它推动大爆炸理论击败其他竞争对手一跃成为最具可能性的假说。而科学家们对轻元素及其比率研究和测算，则不仅揭示了恒星形成之前发生了哪种类型的核聚变，还估计出了宇宙中存在的正常物质总量。

笼罩在大爆炸理论的乌云

在证据支撑范围内做出有效推论，才是真正科学意义上的成功。宇宙最早阶段发生的物理过程已经将痕迹留在了宇宙之中，令人们能够测试热大爆炸理论的理论假说是否合理。这些痕迹之中，能观测到的最早的现象是宇宙中微子背景（ CNB / CνB），它的影响同时出现在宇宙微波背景和宇宙的大尺度结构中。值得注意的是，宇宙中微子背景发生于宇宙大爆炸发生后的大约1秒。也就是说，如果想对宇宙起源追根溯源，人们手中的证据只能支撑他们观测到这大爆炸发生后的1秒。

换言之，虽然经典热大爆炸理论已经穿越138亿年，回到了宇宙的开端，但由于缺失了这1秒的根据，整个推论就瞬时失去了立足之地，变成了“超出证据范围之外的”危险臆想。而热大爆炸本身也面临着致命疑难：如果宇宙起源于一个至热至密至小的奇点，那么宇宙中的一些现象是无法解释的。

第一个是平坦性疑难。如今可观测范围内的宇宙已经足够平坦，如果进一步反演到宇宙初始时刻，宇宙还要更“平坦”几十个数量级。因为哪怕空间曲率稍正一点，则宇宙早已坍缩回奇点；而空间曲率稍负一点，那么宇宙早已暴胀得空无一物，原始状态的奇点必须维持一个绝妙的平衡，才能精确地平衡膨胀率。

第二个是磁单极子疑难。根据经典热大爆炸理论，宇宙中应该存在大量的磁单极子。但实际上人们在宇宙中或实验室从未找到过任何磁单极子。曾有一些成果宣称“发现磁单极子”，但都未能复现或最终证实。

第三是因果性疑难（视界疑难）。在大爆炸前的初始状态，有大量因果不连通的区域。这些区域互不关联，彼此独立演化。但138亿年后的今天，人们观测到的宇宙在各个方向都呈现出均匀分布（比如宇宙微波背景辐射各处都接近3K）。如果要接受热大爆炸理论，这将成为一个难以解释的“碰巧”。

暴胀理论与宇宙起源

当然，热大爆炸理论的支持者可以坚称“情况就是这么碰巧”，但科学家绝不喜欢这么做。于是暴胀理论应运而生。1979至1981年Alexi Starobinsky、Alah H.Guth、Andrei Linde等人先后提出了宇宙暴胀理论。暴胀理论认为宇宙在大爆炸时期经历了一个短暂的加速膨胀过程(随时间接近指数加速长大)。暴胀理论解决了大爆炸模型无法解决的困难，例如：它可以解释为什么宇宙在大尺度上呈各向同性，为什么宇宙微波背景辐射会大致均匀分布，为什么宇宙空间现今如此平坦，为什么现在宇宙中探测不到磁单极子，等等。鉴于此，早期宇宙演化经历暴胀阶段这一假说被广泛接受。

但是是什么力量推动了这样的暴涨呢？科学家们此后提出的各种暴胀模型，大多都假设早期宇宙中存在一个或者多个标量场，他们称这些标量场的能量推动了早期宇宙的暴胀。不过这些暴胀模型的正确性目前也是无从验证的，但它们至少在理论上克服了大爆炸理论的主要弊端。

理论天体物理学家Ethan Siegel对暴胀理论和大爆炸理论做了大量研究。他表示，热大爆炸理论给予我们的一个有物质或辐射的宇宙，总是可以反演回到一个奇点，而暴胀宇宙则不能。由于暴胀的指数性质，即使将时间倒转无限量，空间也只会接近无限小的尺寸和无限高的温度密度，而永远不会到达终结。

蓝线和红线代表“传统”大爆炸场景，其中一切都从时间 t=0 开始，包括时空本身。但是在暴胀情景中（黄色），我们永远不会到达奇点，它只能在过去无限变小，而时间将永远倒退。

图片来源：Ethan Siegel

Siegel有着一个特别的观点，他认为宇宙暴胀发生在热大爆炸之前——在暴胀阶段，宇宙中任何预先存在的成分都被“膨胀掉了”，而当暴胀结束时，宇宙重新加热到一个很高的温度（但不是无限高的温度），经历大爆炸并最终成长为我们今天居住的地方。Siegel认为暴胀在结束前抹去了一切信息，如果人们找不到其他方法从宇宙中提取出有用的信息，那么人们将对宇宙的起源一无所知。

不过，人们近年在宇宙观测技术上的进展十分可观。我们有理由相信，根据宇宙微波背景辐射的偏振观测、脉冲星阵列、空间激光干涉引力波天文台这些技术手段，我们能够对宇宙起源有更加深刻的认识。