[科普中国]-大爆炸并非宇宙的开始？并未延伸到炽热稠密状态

宇宙的诞生并不像婴儿出生的呜咽抽噎过程，而是在一声巨响中形成的！这就是人们常说的宇宙和一切事情诞生于大爆炸。空间、时间，以及所有的物质和能量都开始于一个奇点，然后逐渐膨胀和冷却，在数十亿年时间里，向原子、恒星、星系和星系团扩散，构成我们现今的宇宙。这是一幅令人信服的美丽图像，能够解释我们所观测到的宇宙，从当前宇宙2万亿个星系，至渗透任何宇宙事物的辐射残留。不幸的是，以上观点可能是错误的，科学家研究这个问题已有90年时间了。二十世纪20-30年代科学家首次提出大爆炸理论，当我们观察遥远星系时，发现一些奇特的现象：离我们越远的地方，其远离我们的速度就越快。依据爱因斯坦广义相对论的预言，静止宇宙的引力是不稳定的，如果空间结构遵循其法则，宇宙每个事物需要彼此远离或者朝向彼此崩溃。对于这种明显衰退的观测结果告诉我们当前宇宙仍处于不断膨胀之中，同时，如果随着时间的流逝，宇宙事物彼此远离，将意味着在遥远的过去它们曾保持更近的距离。现今宇宙处于膨胀和冷却状态，我们推测其过去是炽热和密集的，最初，大爆炸被认为是炽热、密集状态出现的一个奇点，目前，科学家研究表明，大爆炸并非是宇宙的开始！一个不断膨胀的宇宙并不意味随着时间的推移，事物会变得越来越远，同时意味着宇宙存在的光随时间的推移而不断地扩展。由于波长决定能量（波长更短能量越充沛），这意味着宇宙将越来越冷却，过去的宇宙温度更高。依据这个观点推断非常遥远的宇宙区域，你就会追溯至一个非常炽热的区域，这里甚至中性原子都无法形成。如果这种推测是正确的，我们就会观测到所有方向上的辐射残留冷却至绝对零度以上几度。1964年，科学家亚诺·彭齐亚斯（ArnoPenzias）和鲍勃·威尔逊（Bob Wilson）发现了宇宙微波背景，这是大爆炸的创新证据。这是一项极具诱惑力的发现，因此当宇宙变得更热、密度更大、更紧凑时，人们继续追溯过去，将发现一些秘密：一是宇宙过去存在一个特殊时期，温度太高无法形成原子核，辐射太热，任何质子和中子结合都将爆炸性分离，这一时期物质和反物质可以自发地成对形成，当宇宙能量充沛时，成对的粒子/反粒子将自发形成；二是当质子和中子分解成夸克-胶子等离子体的时期，由于宇宙密度比原子核内部密度更大，其温度和密度会非常高；三是最终当密度和温度上升至无限值的时期，宇宙中所有物质和能量都聚集在单一的点——“奇点”。这个最终点的奇点代表着物理法则的瓦解，也被理解为空间和时间的起源，它是大爆炸的终极观点。当然，除了最后一点之外的任何事物被证实都是真实的！我们在实验室创造了夸克-胶子等离子体，并且创造了成对的物质-反物质，我们还计算分析了宇宙早期阶段光元素的形成及其丰度，结果发现这与大爆炸的预测相符合。我们更进一步地测量了宇宙微波背景下的波动，并观察了恒星和星系如何形成和生长的引力束缚结构。我们发现理论和观测数据之间存在一个巨大的共识，大爆炸理论就像一个“胜利者”。然而，以下3种特殊情景是不会在大爆炸中发生的：一是宇宙在不同方向上不会存在温度差异，即使在一个方向上数十亿光年之遥的区域，也不会出现大爆炸之后与相反方向数十亿光年之遥的区域相互作用或者信息交换。二是宇宙没有可测量的空间曲率，尽管宇宙完美的空间水平度需要内部膨胀和物质-辐射密度之间的理想平衡。三是宇宙并不存在最早时期的任何超高能量残留，即使宇宙非常炽热的情况下，具备形成超高能量残留的条件。理论学家认为，这些问题让他们开始考虑到了大爆炸的“奇点”，而不是避免这些问题的能够重现炽热、稠密、膨胀和寒冷的状态。1979年12月，科学家艾伦·古斯（AlanGuth）偶然间找到了一个解决方案。宇宙本可以从一个没有物质、没有辐射、没有反物质、没有中微子，也没有粒子的状态开始，而不是一个任意炽热、稠密的状态。宇宙中存在的所有能量都将束缚在空间自身结构之中，一种真空能量的形式，会使宇宙以指数级的速度进行膨胀。在这个宇宙速度下，量子波动仍然存在，因此随着空间的膨胀，这些波动将在宇宙中被拉伸，形成比平均能量密度更小的区域。最后，在宇宙膨胀时期结束时，能量会转化为物质和辐射，创造出一个与大爆炸同义的炽热、稠密状态。这被认为是一种引人关注但又具有推测性的观点，但是有一种方法可以进行检验，如果我们能够测量大爆炸残留辉光中的波动，并且它们表现出与膨胀预测一致的特定模式，那将是宇宙膨胀的“确凿证据”。此外，这些波动幅度必须非常小，小至宇宙永远无法达到创造高能量残留的温度条件，而且要比从一个奇点形成空间和时间的温度和密度更小。上世纪90年代，本世纪初和2010年前后，科学家详细测量了这一波动幅度，并精确地发现了这一点。最终结论表明，大爆炸肯定发生过，但是并没有延伸到一个非常炽热和稠密的状态。相反，宇宙最早期经历了一个特殊时期，所有现今进入物质和辐射的能量都被束缚在空间结构之中。这一时期被称为“宇宙膨胀”，它结束了并引发了炽热大爆炸，但是该过程并未形成非常炽热、稠密的状态，也没有创造出一个奇点。宇宙膨胀之前发生了什么？或者是否宇宙膨胀在过去经常出现？这仍是富有争议的问题，但是有一点：大爆炸可能并非宇宙的开始！（编辑：p_vhehwang）