许多有关大爆炸理论的描述都描绘了一幅有误导性的图像。

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来源 Science Nordic

撰文 Elise Kjørstad

翻译 武大可

编辑 戚译引

“整个宇宙被‘打包’成一个无限小的点，然后发生了爆炸，将组成如今宇宙的物质散播到空间中。”——天体物理学家会告诉你，这条陈述中的所有内容都错了。

“这完全不是我们认识大爆炸的正确方式，”挪威奥斯陆大学（University of Oslo，UiO）教授、宇宙学和天体粒子物理学者Torsten Bringmann说。UiO 的理论物理教授 Are Raklev 也注意到，许多有关大爆炸理论的描述都描绘了一幅有误导性的图像，与大爆炸理论所描述的不同。他们向我们澄清了一些最普遍的误解。

真实的大爆炸：热而致密

首先，“大爆炸”真正所指的是什么？

“大爆炸理论认为，大约在 140 亿年前，宇宙处于一个远比今天热且致密的状态，然后发生了大幅膨胀。这就是大爆炸理论，仅此而已。”Raklev 说。从那以后，空间继续膨胀，变得越来越冷。

基于大爆炸理论，科学家们更清晰地了解了宇宙历史，例如基本粒子何时形成，原子、恒星和星系何时形成。他们已经很好地了解了宇宙年龄约 10-32 秒时所发生的事情。也就是 0.0000000000000000000000000000000001 秒，天体物理学家 Jostein Riiser Kristansen 在一篇文章中写道。

现在来看误区。

误区 1： “这是场爆炸”

Are Raklev 表示，“大爆炸”这个说法让它听起来像是一场爆炸，但这并不是一个准确的描述。你会很快明白原因。

20 世纪 20 年代初，数学家 Alexander Friedmann 发现爱因斯坦的广义相对论提供了一个不断膨胀的宇宙。比利时神父 Georges Lemaître 也得到了相同的结论。

很快，Edwin Hubble 发现星系的确正在远离彼此。星系正在离我们而去。来自星系的光是红移的，这意味着波长变长，朝着光谱的红色端移动。不仅如此，星系的退行越来越快。

终有一天，几乎所有我们现在能通过望远镜观察到的星系都会离开我们的视野，最终所有的恒星都在夜空中“熄灭”，观察者将望向永恒黑暗的孤寂天空。幸运的是，这离我们还很远很远。

我们也可以反向来看这个故事。星系正在远离，意味着它们曾经靠得很近。“如果你把整个可观测宇宙倒放回去，一切都将出现在一个非常非常小的区域内，”Raklev 说。

那么我们就到了大爆炸的时间点。这时发生了什么？

很容易将大爆炸想像成一场爆炸，其中物质被抛出，如同一颗手雷爆炸后飞射的木块。“但在大爆炸中，扩散出去的并不是物质，”Raklev 说，“是宇宙本身在膨胀，时空本身在膨胀。”

一场物质向各个方向飞出的爆炸，并不是描述大爆炸的准确图景。

误区 2：“宇宙在更大的某物内膨胀”

其实并不是星系在互相远离，而是空间本身在膨胀。我们可以想象一个带有葡萄干的生面团，其中面代表空间，而葡萄干代表星系。随着面团膨胀，葡萄干自然会彼此离得更远，但它们并未在面团中移动。Bringmann 用气球的表面举例。在未充气的气球表面画上点，这些点之间的距离也会随着气球的膨胀而增大。

“与此同时，星系也在受万有引力的作用而发生移动——这是另一个效应，”Rakelv 说。

少数一些星系是蓝移的，这意味着它们正在向我们靠近。但只有我们附近的少数星系是如此。在较大的距离上，这种效应完全被哈勃定律所覆盖——星系离我们远去的速度与距离成正比。事实上，在相距极远的点之间，距离增长的速度甚至超过了光速。

面团只能在烤箱内的有限空间中膨胀。但宇宙呢？宇宙的“外面”是什么？

宇宙不是在什么东西内部膨胀。科学家不认同宇宙存在边界。我们所称为可观测宇宙的，像是一个直径 930 亿光年的气泡。其中看起来离我们越远的地方，我们所观测到的实际时间越早。而我们所能观测或测量的范围，不超过光从大爆炸时起向我们传播的距离。

也正是因为膨胀，可观测宇宙的大小才反直觉地超过了 140 亿光年（宇宙年龄约 140 亿年）。但科学家计算出这个范围以外的宇宙甚至更大，或许是无限的。

看起来宇宙应该是“平坦的。这意味着两条平行的光束会保持平行，永不相交。如果尝试去往宇宙的尽头，你永远也无法到达。宇宙是无穷的。

如果宇宙具有正曲率，则理论上可以是有限的。但这一情况类似于三维中的二维球面。如果试图到达球面的“边界”，无论从哪里出发，你都会最终回到起点。就像环游世界后回到了出发点。

无论哪种情况，宇宙都在膨胀，并且它不是在什么东西内部膨胀。不断变大的无限宇宙也仍然是无限的。一个“球形”的宇宙并没有边界。

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误区 3：“大爆炸有一个中心”

如果我们把大爆炸想象成一场爆炸，很容易认为爆炸是由一个中心出发、向外发生的。这确实是一场爆炸的特征。

但大爆炸并非如此。几乎所有方向的全部星系都在远离我们，令人以为地球就是宇宙开始的中心。但这并不是事实。其他星系的观测者也会看到同样的现象，Bringmann 解释道。

宇宙中的所有部分都在同步膨胀。大爆炸并非在某个特定区域发生。“它发生在所有的地方。”Rakelv 说。

误区 4：“起初，整个宇宙都聚集在一个小小的点上”

在大爆炸开始时，整个可观测的宇宙的确是被聚集在很小的一块空间中的。但整个宇宙怎么可能既是无限的，同时又具有极小的确定尺度呢？

你可能会读到，宇宙最初小于一个原子大大小，后来小于一个足球的大小云云。但这样的类比给出了时空起初存在边界的错误暗示。

Raklev 说：“并没有什么能表明宇宙在大爆炸发生时不是无限的。当时的宇宙更小这一描述的意义是，当时一米的尺度通过宇宙膨胀，对应的是如今的数十亿光年。”

而当我们在特定场合下讨论宇宙的确切大小时，指的实际上是我们可观测的宇宙。“整个可观测的宇宙是来自于一个很小的区域，可以称其为一点。但是这一点旁边的点也同样在膨胀，再旁边的点也是如此。只是它们离得太远了，我们无法观测到。”Raklev 说。

误区 5：“宇宙无限小，高热而致密”

你或许听说过宇宙是从一个奇点开始的。或者说它是无穷小而高热的。这或许是对的，但很多物理学家不认为这是正确的理解方式。

根据宇宙学家 Steen H. Hanse 所说，奇点是一种对数学形式破坏的表达，不能够被一般的物理学所描述。

Bringmann 总结了大爆炸的意义：“今天的宇宙比昨天的要大一些，也比一百万年前的要大一些。大爆炸理论正是将这一过程沿着时间向回推演。而进行这样的推演需要的理论工具正是广义相对论。”

“如果沿着时间向回如此推演，宇宙会越来愈小，越来越致密，温度越来越高。最终达到一个极端小、极端热、极端致密的状态。这就是大爆炸理论：整个宇宙开始于这样的状态。而这一推演也只能到此为止。”Bringmann 说。

一直使用广义相对论向回推演，当体积变为零，理论上密度和温度都会到达无穷。“这只是纯粹的数学上的推论，超出了物理理论实际允许的范围，”Bringmann 说，“当到达能量密度和温度都如此之高的地步，我们所拥有的物理理论已经无法描述了。”

他说，物理学家需要不同的理论来描述这样的状态，也有一些人正从事这方面的研究。“我们需要什么来描述这样的极端条件呢？我们需要进入一个结合了引力和量子理论的领域。暂时没有人能整合这两种理论。量子引力理论恰恰被预期是无法给出所有东西回到同一点的结论的。”

所以至少到目前为止，宇宙历史的最早一点，仍对我们隐藏。