宇宙之初：大膨胀①大爆炸之前就已膨胀？

对于宇宙的起源，千百年来，科学家们孜孜不倦地探索……宇宙大爆炸，是现代宇宙学中最有影响的一种学说。但是，宇宙膨胀论，在不断地撼动着它的地位。

受欢迎的大爆炸理论

今天，当我们观察宇宙时，看到的许多事实都需要合理的解释。例如：

1、为什么许多遥远的星系，离我们越远，后退的速度越快？

2、为什么更远的星系看起来会更小、更蓝、更年轻，且演化得更少？

3、为什么距离越远，宇宙越像一个整体，产生的积聚（星云星团等）越少？

4、为什么在最远距离处，重元素（比氢、氦重的原子）的占比渐近为零？

这些事实，宇宙大爆炸理论能够给予较好的回答。该理论认为，138亿年前，宇宙最初只是一个点（宇宙学家称之为“奇点”），它具有超高温度、超高密度和超高能量，并随着时间的流逝而膨胀和冷却。通过不断扩展和冷却，并在引力作用下逐渐形成一个巨大的宇宙网络，演变成今天的状态。随着时间的推移，它的空间结构本身会不断扩展，从而导致身处其中的光子的波长拉伸，大粒子的动能减少，引力变得不均衡。

按照这个观点，上述提到的事实都逐一得到解释了：

1、遥远的星系发生了红移现象，这是因为宇宙的扩展拉伸了光的波长，导致星系离我们越远，后退的速度越快；

2、更远的星系，其星光是从遥远的过去刚刚抵达地球观察者这里的，看起来更年轻，演化也更少；

3、距离越远，意味着越接近宇宙的最初时期，扩展和冷却没有足够多的时间产生更多的集群；

4、原始原子里近75％是氢，25％是氦，0.00000007％是锂。最遥远处，可认为是宇宙最早产生原子的地方，重元素占比为零也就不奇怪了。

在众多讨论宇宙起源的理论中（例如宇宙大反弹理论、多元宇宙理论、全息论等），“大爆炸”正是凭借着对这些事实近乎完美的解释，备受欢迎，成为家喻户晓的宇宙起源故事。

大爆炸未解决的问题

20世纪的20年代至70年代，科学家们认为，他们已经较为成功地解释了宇宙的起源，除了以下几个问题尚未解决：

1、如果宇宙诞生自“大爆炸”，那么，大爆炸本身又来自哪里呢？“奇点”是从理论物理学允许的范围一直倒推不断膨胀和冷却的宇宙而得出的，本质上，是将宇宙中的所有物质和能量打包到一个点中。但是，在奇点处，物理学定律就失效了，那么“奇点”的性质是什么样的？

2、为什么宇宙在空间上是完全平坦的，它的总物质和能量密度完美地平衡了初始膨胀率？

3、宇宙并没有足够的时间让不同区域热化并达到平衡状态，但为什么宇宙在各个方向上都具有完全相同的温度（达到99.997％的精度）？

4、如果宇宙很早就达到了这些超高能量，为什么没有找到预测中的高能远古粒子，如磁单极子的存在？

5、因为系统中的熵总是在增加的，那么由宇宙今天的结构推断，宇宙诞生时是属于低熵构型的。但是事实是这样吗？

这几个问题都有一个共同点，那就是：为什么宇宙是从这样一组特定的属性开始，而不是从其他属性开始？

膨胀理论的诞生

在物理学中，关于初始条件（即，为什么我们的宇宙以这些特定条件而不是其他任何条件开始）的处理方法，通常有两种：

一种是简单粗暴地断言，初始条件就是它们的初始状态，不需要任何解释。

另一种是尝试构想一种理论机制，将任意初始条件转换为我们观测到的初始条件。例如，以大爆炸理论为基础，提出新的预测。这将使我们能够在不对大爆炸理论做任何更改的情况下，将新理论与之进行对比。

第一种方法通常被相信“景观宇宙理论”或“多元宇宙理论”的人所推崇，但这明显是不科学的。第二种方法的采用产生了“宇宙膨胀理论”，由艾伦·古斯于1980年提出，这是迄今为止更为宏伟的构想。

一个宏伟的构想

在宇宙的早期阶段，所有能量都不是在粒子或辐射中，而是在空间本身的结构中，这些能量导致空间结构产生一种特殊的指数性膨胀。在这种状态下，宇宙所包含的一切都会：

1、在短时间内，其拓扑结构被拉伸到观察者从任意角度看都难以区分（它会变得无限大，以至于你无论从什么角度看，它都是平的）；

2、处处都是相同的初始条件（宇宙中每一点密度都相同，每一点温度都一样），直到量子涨落的大小都叠加在统一的背景上；

3、当膨胀结束并过渡到为大爆炸的“高热、高密度、均匀、膨胀和冷却”这种状态时，最高温度也明显低于普朗克标度（10¹⁹GeV能级）；

4、从低熵状态（膨胀期间）变为较高熵状态（大爆炸期间），并且熵将继续增加。

以上就是膨胀理论的构想，自从它被提出来后，不断得到完善。它解决了大爆炸本身无法解决的几个难题，还对宇宙今天应具有的属性做出了六项新颖的预测（其中四项通过观察已验证，另两项无需充分测试就已被肯定）。如今，该理论已越来越受到研究早期宇宙的人们所重视。

先大爆炸还是先膨胀

综上所述，这对我们的宇宙起源意味着什么？从时间角度来看，首先发生的是大爆炸还是膨胀？

从这张图我们可以得到答案。红线代表物质，蓝线代表辐射，它们构成我们的宇宙。如果将它们倒推回去，则会回到t=0，这是“奇点”。

但是，如果在早期，宇宙不是由物质和辐射主导，而是由空间本身固有的能量主导，那么就如黄线所示。由于这条黄线是指数曲线，因此即使时光无限倒流，它的大小也不会达到零，而只能接近零。膨胀的宇宙并非像物质和辐射主导的宇宙那样以“奇点”开始。所以，可以肯定的是，大爆炸是在膨胀之后才出现的。

实际上，我们整个可观测的宇宙在大爆炸前没有任何痕迹。只有在膨胀最后10^-32秒（左右），才有了明显的印记。但是，我们不知道膨胀的状态从何而来。它可能来自一个已经存在的“奇点”，它可能永远以膨胀形式存在，或者宇宙自身本质上是不断循环的。

无论如何，大爆炸是无法回推至“奇点”的，只能推到位于大爆炸之前的膨胀阶段的结束。所以在今天，当提到大爆炸的时候，我们不能认为还存在“奇点”。

当然，我们也不能把“宇宙膨胀理论”当成宇宙起源的最终解释，毕竟，我们还不知道，膨胀阶段到底发生了什么。“膨胀”是否有一个“奇点”？也许有，但即使这样，也与大爆炸无关。