大爆炸的大差距（全文6500字）

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商务咨询/顾问/请@yellowscholar♥作者：黄先生斜杠青年

#深时光#宇宙学#科学史

图片通过：盖蒂图片社

目前关于宇宙起源的理论非常成功，但充满了解释漏洞。期待惊喜

宇宙有开始吗？它最终会结束吗？宇宙是如何演变成我们今天所看到的样子：一个由恒星、星系、行星组成的“宇宙网”，至少在一颗淡蓝色的星球上，有时会被认为是智慧生命？

不久前，这类存在主义问题还被认为没有科学答案。然而，科学家们通过一个多世纪的天文观测和理论发展找到了一些答案，这些观测和理论发展交织在一起，为我们提供了宇宙学的大爆炸理论。这一非凡的理论得到了广泛的天文学证据的支持，被科学界广泛接受，并且（至少在名称上）已经嵌入了流行文化中。

我们不应该太舒服。尽管它讲述了一个非常了不起的故事，但当前的大爆炸理论给我们留下了许多令人不满意的悬而未决的问题，最近的天文观测有可能完全破坏它。大爆炸理论可能很快就会陷入危机。

理解为什么，它有助于理解这个理论比大爆炸本身更多。宇宙一定有一个历史性的开始，这是得出结论认为宇宙中的空间正在膨胀的必然结果。1929年，美国天文学家埃德温·哈勃和他的助手米尔顿·休马森对遥远星系的观测取得了显著的成果。他们研究过的绝大多数星系都在远离我们，其速度与它们的距离成正比。为了了解这些速度，想象一下地球每年以每秒约 30 公里的平稳轨道速度绕太阳朝圣。哈勃和休马森发现星系以每秒数万公里的速度远离，占光速的很大一部分。

哈勃的速度-距离关系在几年前就由比利时理论家乔治·勒梅特尔（Georges Lemaître）预见到，如今被称为哈勃-勒梅特定律。速度和距离之间的比例常数是哈勃常数，它是衡量宇宙膨胀速率的量度。事实上，星系实际上并没有以如此高的速度远离，地球在宇宙中心也没有占据任何特殊位置。星系正在被我们之间空间的膨胀所带走，就像放气的气球上画的两个点会随着气球膨胀而分开一样。在一个空间膨胀的宇宙中，一切都被其他一切带走了。

我是斜杠青年，一个PE背景的杂食性学者！♥致力于剖析如何解决我们这个时代的重大问题！♥使用数据和研究来解真正有所作为的因素！

大爆炸的故事几乎和宇宙本身的故事一样引人入胜

为了掌握这些星系的距离，天文学家利用所谓的造父变星作为“标准蜡烛”，宇宙灯塔在黑暗中闪烁，可以告诉我们它们有多远。但在 1920 年代后期，人们对这些试金石恒星知之甚少，从它们得出的距离也被大大低估，导致科学家高估了哈勃常数和膨胀率。天文学家花了 70 年的时间才解决这个问题。

显示造父变星 RS Puppis 的哈勃图像。图片通过：欧空局/哈勃

但这些问题与主要结论无关。如果宇宙中的空间正在膨胀，那么使用已知的物理定律和原理在时间上向后推断表明，一定有一个时刻，宇宙被压缩到一个异常高的密度和温度点，代表了一切的炽热起源：空间、时间、物质和辐射。据我们所知，这发生在近 140 亿年前。在 1949 年播出的 BBC 广播节目中，特立独行的英国天文学家弗雷德·霍伊尔 （Fred Hoyle） 称其为“大爆炸”理论。这个名字一直存在。

当然，仅仅理论告诉我们事情何时开始是不够的。我们要求更多。我们还期待大爆炸理论能够讲述我们宇宙的故事，描述宇宙如何从一开始演化，以及它如何成长为我们今天看到的恒星和星系的宇宙网络。理论家们将此简化为一个简单的存在主义问题：恒星和星系为什么存在？为了给出适当的解释，大爆炸理论本身已经从其不那么卑微的开端演变而来，一路上拾取了急需的额外成分，这个故事几乎与宇宙本身的故事一样引人入胜。

大爆炸理论是一种物理宇宙学理论，建立在阿尔伯特·爱因斯坦广义相对论方程（本质上是爱因斯坦的引力理论）的解的基础上，应用于整个宇宙。爱因斯坦本人在 1917 年就开始了这个球。当时，他选择捏造自己的方程，以获得描述一个智力上令人满意的静态、永恒宇宙的解。十年后，勒梅特重新发现了一种描述膨胀宇宙的替代解决方案。尽管爱因斯坦拒绝了这一点，称其为“相当可恶”，但当面对哈勃和休马森提供的证据时，他最终撤回了。

1932 年 1 月，阿尔伯特·爱因斯坦和威廉·德·西特在加利福尼亚州帕萨迪纳。图片通过：Google

1932 年，爱因斯坦与荷兰理论家威廉·德·西特 （Willem de Sitter） 合作，提出了他的理论的新表述。在爱因斯坦-德·西特宇宙中，空间正在膨胀，宇宙被假设包含的物质刚好足以施加温和的引力制动，确保膨胀在无限长的时间后减慢并最终停止，或者到我们现在不关心的未来。这种物质的“临界”密度还确保了空间是“平坦的”或欧几里得的，这意味着我们熟悉的教室几何形状占上风：平行线永远不会交叉，三角形的角度加起来是 180 度。换个角度想。临界密度提供了一个“金发姑娘”宇宙，这个宇宙最终将恰到好处地适合人类居住。根据定义，爱因斯坦-德西特膨胀宇宙是大爆炸理论的早期版本。它构成了几十年来宇宙学研究的基础。

但是，一旦我们试图使用爱因斯坦-德·西特版本来讲述我们自己的宇宙的故事，问题就开始了。它就是行不通。

如果大爆炸后的宇宙膨胀得快一点或慢一点，恒星和星系就不会形成

应用爱因斯坦方程需要做出一些假设。其中之一称为宇宙学原理，假设宇宙在大尺度上是均匀的（到处都一样）和各向同性（在各个方向上都是均匀的）。但是，如果我们的宇宙在大爆炸后的最初时刻是这样，那么物质就会均匀地向各个方向传播。这是一个问题，因为如果引力均匀地拉动所有方向的所有物质，那么什么都不会移动，因此不会形成恒星或星系。早期宇宙需要的是一点各向异性，即散布的多余物质区域，这些区域将作为恒星和星系形成的宇宙“种子”。这种各向异性在爱因斯坦-德西特宇宙中找不到。那么它从哪里来呢？

事情很快就变得更糟了。理论家们意识到，要了解我们从爱因斯坦-德·西特版本的大爆炸中看到的宇宙需要进行非凡的微调。如果大爆炸后的直接宇宙膨胀得快一点或慢一点，那么恒星和星系就永远没有机会形成。这种微调可以追溯到物质的临界密度或“金发姑娘”密度。偏离仅百亿分之一的临界密度——无论更高还是更低——都会产生与我们自己的宇宙截然不同的宇宙，其中没有智慧生命可以见证。

情况变得更糟：对螺旋星系形成的理论研究和对其恒星自转运动的观测研究得出了另一个明显令人不安的结论。这两者都无法通过考虑我们所能看到的所有问题来解释。仅基于恒星可见物质的计算表明，即使可以满足允许它们形成的条件，螺旋星系在物理上仍然是不可能的，并且其中恒星的旋转模式应该看起来非常不同。雪上加霜的是，当天文学家将所有可见恒星和星系中可以识别的物质加起来时，他们只发现了临界密度所需物质的 5% 左右。宇宙的其余部分在哪里？我们的宇宙显然比爱因斯坦-德西特版本的大爆炸理论要多。

其中一些问题的解决方案只能通过回顾宇宙故事的开端才能找到，而且由于这不是天文学家可以理解的时刻，理论家们再次需要弄清楚可能发生了什么。

在 1980 年代初期，一群理论家得出结论，在最早的时刻，大爆炸后的宇宙应该小到足以受到随机量子涨落的影响——空间中特定位置存在的能量的暂时变化，受维尔纳·海森堡的不确定性原理控制。这些波动在某些地方产生了微小的多余物质浓度，而在另一些地方则留下了空隙。然后，这些各向异性会通过称为宇宙膨胀的疯狂指数膨胀爆发印在更大的宇宙上。

通过这种方式，微小的物质浓度将生长为恒星和星系以后涌现的种子。在一定程度上，宇宙膨胀也固定了微调问题的某些方面。它就像一个钝器：无论一开始可能是什么条件，宇宙膨胀都会将宇宙锤成想要的形状。

理论家们还推断，炽热、年轻的宇宙会表现得像一个带电等离子体球，比气体更流畅。它将包含被剥离回其基本成分的物质，只有在温度因进一步膨胀而充分冷却时才会组装原子核和电子。他们明白，在大爆炸后仅仅几十万年，就会有一个奇异的时刻，当时温度已经降到足够低，允许带正电的原子核（质子和氦核）和带负电的电子结合形成中性氢和氦原子。这一刻称为重组。

本应在等离子体球中的带电粒子之间来回舞动的光被释放出来，通过空间向各个方向传播，宇宙变得透明：字面意思，是一个“让光”的时刻。其中一些光线是可见的，尽管周围显然没有人看到它。这是宇宙中最古老的光，被称为宇宙背景辐射。

就像宇宙犯罪现场的血迹一样，它在天空中留下了温度变化的模式

随着宇宙的不断膨胀，这种辐射会进一步冷却：1949 年的估计表明，它今天的温度将比绝对零度高出约 5 度（或 -268oC），对应于微波和红外辐射。这一估计在很大程度上被遗忘了，直到 1964 年才被重新发现。一年后，当物理学家争先恐后地建造一种设备来寻找它时，美国射电天文学家阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊偶然发现了它。这一发现改变了一切。宇宙背景，宇宙处于起步阶段时发生的事件的见证者，正准备作证。

宇宙 370,000 万岁时印在天空上的宇宙微波背景辐射图显示了与密度略有不同的区域相对应的微小温度波动。图片通过：欧空局和普朗克合作组织

量子涨落产生的微小物质浓度并通过宇宙膨胀印在更大的宇宙上，会使某些地方的宇宙背景比其他地方稍微热一些。这在天空中的宇宙背景中留下了温度变化的模式，就像宇宙犯罪现场的血迹一样。

这些微小的温度变化是由美国宇航局宇宙背景探测器卫星上的仪器检测到的，并于 1992 年报告。领导探测它们项目的乔治·斯穆特 （George Smoot） 努力寻找最高级的词语来传达这一发现的重要性。“如果你有宗教信仰，”他说，“就像看到上帝一样。证据就在。我们的存在归功于大爆炸早期宇宙中量子涨落产生的物质分布的各向异性，宇宙膨胀给更大的宇宙留下了深刻的印象。

但宇宙膨胀无法解决星系形成物理学和恒星自转带来的问题，也无法解决密度缺失带来的问题。奇怪的是，暴躁的瑞士天文学家弗里茨·茨威基 （Fritz Zwicky） 在 1933 年就已经提出了部分解决方案。他的努力被遗忘了，直到 1970 年代才被重新发现。星系比看起来大得多，这表明一定存在一种仅通过其引力相互作用的无形物质。兹威基称之为 dunkle Materie：暗物质。每个螺旋星系，包括我们自己的银河系，都笼罩在暗物质光环中，这对其形成至关重要，并解释了为什么这些星系中的恒星会以这种方式旋转。

这是朝着正确方向迈出的重要一步，但这还不够。即使据估计，宇宙中暗物质的数量是普通可见物质的五倍，但宇宙中约 70% 的物质仍然缺失。

斯特罗诺默现在拥有宇宙历史上最早时刻的证据，以及这段历史中更晚的物体的证据。宇宙背景辐射的年龄约为 138 亿年。但附近的星系可以使用造父变星测量距离，则要年轻得多。我们可以通过承认光不会瞬间从一个地方传播到另一个地方来了解这一点。这需要时间。光从太阳表面到达我们需要八分钟，所以我们看到的是八分钟前出现的太阳，称为“回溯”时间。但造父变星是单独的恒星，因此它们作为标准蜡烛的用途仅限于附近的星系，回溯时间短达数亿年。为了重建宇宙的故事，天文学家必须以某种方式找到一种方法来弥合其历史上这些点之间的巨大鸿沟。

可以研究更遥远的星系，但只能通过观察其中包含的所有恒星发出的光的总和。天文学家意识到，当一颗恒星在一颗壮观的超新星中爆炸时，它可以在短时间内照亮整个星系，向我们展示星系的位置以及它被膨胀带走的速度有多快。回溯时间可以从数百年延长到数千万年。某类超新星将自己作为标准蜡烛，可以通过研究附近拥有一颗或多颗造父变星的星系中的超新星来校准到其宿主星系的距离。

人们的预期是，在大爆炸之后，宇宙的膨胀速度会随着时间的推移而放缓，达到我们今天使用哈勃-勒梅特定律测量的速度。根据爱因斯坦-德·西特尔的版本，它将在未来继续减速，最终停下来。但当天文学家在 1990 年代后期开始使用超新星作为标准蜡烛时，他们的发现确实令人惊讶。扩张的速度实际上正在加快。

进一步的数据表明，大爆炸后的宇宙确实已经减速，但大约 50 亿年前，这已经转变为加速。具有讽刺意味的是，爱因斯坦在 1917 年在他的方程中引入并在 1932 年放弃的软糖现在不得不被放回原处。爱因斯坦在他的方程中添加了一个额外的“宇宙学术语”，由“宇宙学常数”控制，它为空旷的空间注入了神秘的能量。解释加速膨胀的唯一方法是将爱因斯坦的宇宙学术语恢复为大爆炸理论。虚空的神秘能量被称为暗能量。

我喜欢把这看作是宇宙在歌唱的时期

1905年，爱因斯坦通过他的方程E = mc证明了质量（m）和能量（E）的等价性2，其中 c 是光速。当物质的临界密度被表示为质能的临界密度时，暗能量占宇宙缺失的 70%，这可能并不奇怪。它也可能注定了它最终的命运。随着宇宙的不断膨胀，越来越多的宇宙将从视野中消失。而且，随着宇宙变得越来越冷，仍然触手可及的物质可能会无情地走向“热死亡”。

我们怎么知道？在宇宙背景辐射中可以找到更多答案。理论家们进一步推断，重力与大爆炸后等离子体球中巨大的辐射压力之间的竞争会引发声振荡——声波——只要物质过多。这些声音波以光速的一半以上传播，所以即使周围有人可以听到，这些声音也是听不到的。尽管如此，我仍然喜欢将此视为宇宙歌唱的时期。

声振荡在宇宙背景的温度和宇宙中星系的大规模分布中留下了明显的印记。如果不首先假设特定的宇宙学，在这种情况下是包括暗物质和暗能量在内的大爆炸理论，就无法对这些印记进行建模。2013 年报告的建模结果告诉我们我们生活在什么样的宇宙中——它的物质和能量的总密度、空间的形状、暗物质的性质和密度、爱因斯坦宇宙常数的值（以及暗能量的密度）、可见物质的密度以及今天的膨胀率（哈勃常数）。这就是我们知道的方式。

但故事还没有结束。天文学家通过使用哈勃太空望远镜进一步研究造父变星和超新星，继续加深对宇宙历史的理解。因为这些研究是基于使用标准蜡烛测量速度和距离的研究，所以它们提供了对哈勃常数和宇宙历史后期膨胀率的测量，不需要特定宇宙学的假设。从声振荡分析中推断出的哈勃常数和膨胀率必然是一个依赖于模型的预测，因为它源自宇宙历史上更早的事件。有一段时间，预测和测量非常一致，大爆炸理论看起来很稳健。

然后从 2010 年左右开始，事情又开始出错。随着观测精度的提高，预测和测量分道扬镳。差异很小，但似乎很显着。它被称为哈勃张力。宇宙的膨胀速度似乎比我们通过模拟它在婴儿期经历的声振荡来预测的要快一些。想象一下，建造一座横跨宇宙年龄的桥梁，在鸿沟的“早期”和“晚期”两侧同时开始。地基、桥墩和桥梁支架已经完成，但工程师们现在沮丧地发现，双方在中间并没有完全相遇。

由于不同种类的标准蜡烛的开发，事情变得复杂，这些蜡烛比造父变星更容易分析，竞争对手的天文学家团队目前正在争论细节。我们应该在几年后知道紧张局势是否真实存在。如果它是真实的，那么修复它的一种方法是再次调整大爆炸理论，假设暗能量随着时间的推移而减弱，相当于假设爱因斯坦的宇宙常数实际上不是恒定的。今年 3 月公布了一些初步证据。

前面还有更多的麻烦。詹姆斯·韦伯太空望远镜于 2021 年圣诞节发射升空，可以看到回溯时间超过 130 亿年的星系，可以追溯到大爆炸后仅几亿年的时间。我们基于当前理论对物理学的理解表明，在这些回顾时间，我们可能会期望看到第一批恒星和星系正在形成。但望远镜看到的是已经完全形成的星系和星系团。现在判断这是否是一场危机还为时过早，但有理由产生相当大的不安。

一些宇宙学家已经受够了。大爆炸理论在很大程度上依赖于几个概念，尽管在过去 20 到 30 年中付出了大量努力，但除了对它们的基本需求之外，我们还没有获得额外的经验证据。该理论非常成功，但充满了解释漏洞。宇宙膨胀、暗物质和暗能量都是必需的，但都伴随着严重的警告和疑虑。想象一下，试图用法西斯主义和某产某义的社会力量来解释 20 世纪的（人类）历史，却无法解释这些术语的含义：从根本上来说，却没有真正知道它们是什么。

在 2004 年发表在《新科学家》杂志上的一封公开信中，一群叛逆的宇宙学家宣称：

在物理学的其他领域，这种对新的假设物体的持续诉求不会被接受为弥合理论与观察之间差距的一种方式。至少，它会引发关于基本理论有效性的严重问题。

这简直就是科学事业在起作用。关于宇宙和我们在宇宙中的位置的一些最深层次的问题的答案有时显得令人沮丧地不完整。不可否认，尽管存在种种缺陷，但目前的大爆炸理论继续主导着宇宙学科学，这是有充分理由的。但历史的教训警告不要变得太舒服。毫无疑问，关于我们宇宙的故事还有更多有待发现。还会有更多的惊喜。

挑战一如既往，是在面对难以捉摸的宇宙时保持谦逊感，并保持开放的心态。正如爱因斯坦曾经说过的那样：“一个理论的真实性永远无法被证明，因为人们永远不知道未来的经验是否会与它的结论相矛盾。

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