別被專家誤解了，研究發現宇宙大爆炸學說只是起點？

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前言

自從宇宙微波背景輻射被發現以來，宇宙已經被證實源於137億光年
以前的一場大爆炸，竟然宇宙結構具有開端，那宇宙是否有邊緣呢？或者說在邊緣之外就一無所有？

望遠鏡拍攝到星系一直延伸到我們所能探測到的範圍……沒有減少的跡象，沒有證據表明宇宙有邊緣。我們可以從地球觀察到的宇宙部分星系或多或少地從各個方向延伸——超過了100
億光年。

我們知道星系必須延伸到我們所能看到的範圍之外，但我們不知道宇宙是否是無限的。當天文學家有時提到“靠近宇宙邊緣
”的星系時，他們只指的是可觀測宇宙的邊緣——即我們可以看到的部分。

你可能會問：既然宇宙在膨脹，那星系是否排列在球體表面呢？
星系實際上並沒有排列在球體的表面上。也許多人錯誤地認為宇宙中的星系排列在一個球體的表面上，而這種誤解的一個起源是一些學者試圖用吹氣球來模擬宇宙膨脹的常見示範。

另一個是錯誤的信念是在大爆炸期間，物質從一個點擴展到空間。研究人員發現許多星系團似乎排列在宇宙的“氣泡狀
”空隙外部中，但在天文學家觀察到的最大尺度上，每一塊空間似乎都與任何其他等效塊一樣多。

為什麼我們看不到整個宇宙？

我們幾乎可以看到大自然允許我們看到的範圍，有兩件事阻止我們看得更遠。首先宇宙一直在隨著時間演化，恒星和星系並不總是存在，因此來自宇宙中大多數星系的光還沒有來得及到達我們這裏。其次宇宙一直在隨著時間的推移而膨脹，再一次使來自宇宙大部分地區的光還沒有來得及到達我們身邊。

如果你能在宇宙的任何地方突然凍結一段時間，並細心地觀察參照系中所有的物體，你會發現星系延伸到我們今天所能看到的範圍之外，但範圍的極限到底有多遠，誰也不知道。

“宇宙
”一詞究竟是指空間，還是指其中的物質，還是兩者兼而有之呢？就在一百年前，科學家們從物質的角度思考宇宙，空間只是物質賴以生存的“空虛”。

現如今情況發生了逆轉，在20世紀中後期科學家們了解到空間並不是“虛無
”，首先愛因斯坦證明了空間是有結構的：它是靈活的，可以拉伸的。

後來科學家們發現了空間的其他特性，例如物質和反物質通常是在實驗室中從空間本身中產生的，可以存在的粒子種類反映了空間的結構。實際上有證據表明，空間本身可能擁有一些自己以前未知形式的微量能量
存在，如果是這樣空間可能自帶有重量！

發現空間的特性仍然是現代科學中最深刻和最重要的問題之一。

宇宙的演化

有種誤解比宇宙學中的任何其他誤解都造成更多的混亂。之前許多學生、教師和科學家，錯誤地將“大爆炸”想象成發生在太空中某個位置的爆炸，將物質向外噴射。

事實上從一開始整個空間就充滿了能量，擴張的位置沒有中心，也沒有物質從哪裏向外沖出的位置點。造成這種混亂的部分原因是宇宙的可觀察部分曾經被壓縮成一個被稱為所謂奇點
的驚人結論。

原始物質和能量顆粒並沒有被虛空包圍……而是被更多的物質和能量包圍，如果整個宇宙現在無限大，那麼它總是無限的，包括在大爆炸期間。

換句話說目前的證據僅表明早期宇宙——整個宇宙——非常密集——但不一定非常小，因此大爆炸發生可以在空間的任何地方，而不是空間中的某個特定點。

那麼宇宙早期曾經是一個奇點的想法是從哪裏來的呢？

在 20 世紀的大部分時間裏，天文學家和物理學家都認為空間可能不會無限大——也就是說，空間實際上可能會圍繞自身彎曲形成一個“封閉的宇宙
”。這種不尋常的三維形狀是在1800年代中期由偉大的數學家伯恩哈德·黎曼
(Bernhard Riemann) 發現的，這種形狀後來被愛因斯坦推崇為宇宙的可能形狀。

這樣一個封閉的宇宙將有一個有限的體積，但沒有邊界或邊緣。雖然封閉的宇宙不能從外部可視化，但它們可以從內部可視化。例如下圖給出了一個微小的封閉宇宙可能是什麼樣子的想法。（在一個真正的封閉宇宙中，就像你看不到你身後的後腦勺一樣）如果縮小在這樣的一個空間裏，那麼封閉宇宙的體積會越來越接近於零，在觀察的空間內部仍然無法看到宇宙邊緣。

目前的證據表明，我們所在的宇宙部分似乎不是彎曲的。這告訴我們，要麼宇宙無限大，要麼大到我們無法從我們可以觀察到的微小部分中檢測到它的曲率——就像如果我們的測量參照系
僅限於沙箱，我們就無法判斷地球是彎曲的！

如果宇宙開始時如此密集，為什麼它沒有坍縮成黑洞？如果有足夠大質量的物質團塊確實會坍縮形成一個黑洞，但前提是它被（相對）空的空間包圍。在大爆炸期間沒有所謂虛空的空間，所有的空間都或多或少地均勻地充滿了物質和能量，在這種情況下，奇點不會形成宇宙級黑洞。

為什麼在太空中眺望意味著回望過去？

因為來自遙遠物體的光到達我們需要時間，而光的時間線不同，讓我們看到的太陽大約是幾分鐘前的樣子……其他恒星則是幾年前的樣子……以及遙遠星系幾百萬甚至幾十億年前的樣子。

數據顯示宇宙的膨脹可能正在加速，是否存在一種有“反重力”的暗能量？目前對遙遠爆炸恒星的研究使天文學家得出結論，宇宙不僅在膨脹——膨脹可能隨著時間的推移而加速。這不是由於“空間本身
”在作用，而是由於一股未知的暗能量在推動，根據愛因斯坦的引力理論，這種效應被預測為一種參數調節的可能性。

物質引力既可以“排斥
”又可以吸引周圍的物體，這似乎很奇怪。秘密就在於膨脹適用於空間本身的結構 - 而不是其中的物質；空間的行為與物質非常不同。

比如沒有塊的物質可以以光速穿過空間，然而空間本身可以比光速膨脹得更快。同樣地雖然物質被引力吸引到其他物質，但空間的行為不同：空間可以膨脹或收縮作為獲得重力的結果。

已證明的宇宙微波背景輻射，讓我們知道了宇宙大爆炸發生的時間

通過確定宇宙現在膨脹的速度，然後使用愛因斯坦的萬有引力理論“放映宇宙電影
”般在時間上倒退，結果是空間在大約137億年前開始膨脹，或者需要幾十億年的時間。但這個數字是不確定的，原因是我們目前對宇宙膨脹的速度、有多少物質、能量，甚至宇宙中還有什麼樣的能量都存在不確定性。

人們普遍誤解大爆炸是奇點使“爆炸
”發生在太空某處的空間位置，但大爆炸本身就是空間的擴張，空間的每一部分都參與其中，例如地球、太陽和我們的銀河系占據的那部分空間曾經也在大爆炸期間非常地炎熱和密集，這樣我們可以看到的宇宙的其他部分也是如此。

我們怎麼知道真的發生了大爆炸？

如上所述，我們觀察到星系正以大爆炸情景預測的方式向外膨脹。天文學家在整個宇宙中探測到兩種只能在大爆炸期間產生的化學元素“氫
和氦”
。

除此之外，觀察到的這些元素的比例（大約75%
的氫，25%
的氦）是在大爆炸期間產生的，這一預測是基於我們對核反應的成熟理解——獨立於愛因斯坦的引力理論。

其次通過我們的哈勃望遠鏡可以探測到大爆炸前期遺留下來的光，但是在大爆炸之後的數十億年，來自宇宙遙遠部分的光才剛剛到達地球，據觀察這種光具有大爆炸情景和我們對熱學和光學的理解所預期的所有特征。

總論：

認為大爆炸是宇宙的起源是一種普遍的誤解。大爆炸情景並沒有說明宇宙最初是如何形成的，事實是如果越接近時間和空間誕生的點，我們就無法確定發生了什麼，因為物理學定律的描述還不適用於這種極端的自然現象。

宇宙大爆炸只是假設空間、時間、物質和能量已經存在的一種情景，但它沒有告訴我們它們來自哪裏 - 或者為什麼宇宙一開始是熱而稠密的。

#愛因斯坦#