宇宙的演化，从大爆炸开始，红色箭头代表时间的箭头。（© NASA/GSFC）
在所有的概念中，或许没有一个理论像“宇宙大爆炸”一样备受争议。宇宙大爆炸的想法要追溯回1940年代，但是直到1960年代越来越多的观测证据表明宇宙有一个开始，大爆炸才被确立成现代宇宙学的规范。我们说宇宙有一个开始，也就是说在那一天是没有“昨天”的——所有的物质、辐射以及膨胀的宇宙在那某一刻之前都是不存在的。经历了100多亿年的演化，宇宙中众多的行星之一出现了人类，他们拥有独立的思考能力，每当他们仰望星空的时候就会对宇宙产生巨大的兴趣。今天我们要解决的是其中一些最令人困惑的问题：
“根据大爆炸开始的点，我们能否从理论或者实验中推测出我们在宇宙中的位置？为什么我们认为大爆炸是在三维时空中的一个点开始的？为什么我们认为宇宙是一个球形的呢？”
这些都是很好的问题，但是这些问题的表述正确吗？
宇宙大尺度结构的演化：从早期均匀而一致的状态到今天看到的纤维状结构。（© Angulo et al. 2008）
【宇宙大爆炸】
我们通常认为宇宙大爆炸是一次“巨响”或一次剧烈的“爆炸”。的确，宇宙在最开始的时候就类似是一个巨大的、激烈的、膨胀的火球。它充斥了各种各样的粒子和反粒子，以及辐射；它们之间又随着宇宙的膨胀相互远离；膨胀也使宇宙的温度逐渐降低，粒子的运动速度也变得缓慢。这听起来的确像是一次“爆炸”。事实上，假设你有办法身处在早期的宇宙，并良好的受到保护，你就会听到来自大爆炸的声音：
但是，注意，我用了“膨胀”这个词，而不是用“爆炸”来描述这个现象。爆炸是发生在空间中的某一个地点的，假如一颗炸弹在某一处爆炸，那么炸弹的碎片就会从那个点向所有方向往外辐射。例如，恒星演化晚期的超新星是一种爆炸；伽马射线爆也是一种爆炸。
超新星1993J，在M81星系中一颗爆炸的恒星。（© NASA/ESA/G.Bacon）
但是宇宙大爆炸并不是一次上述定义的爆炸事件。当我们谈及热大爆炸的时候，我们指的是宇宙在其诞生的初期，充满了高能粒子、反粒子和辐射。在这个状态下，宇宙开始膨胀并且冷却。首先，物质在与反物质的较量中，本应期待它们全部湮灭，但或许是基于某种不对称，物质主导了整个宇宙。紧接着，原子核和中性原子开始诞生，这为恒星的形成埋下了种子。随着宇宙的不断演化，星系和大尺度结构逐渐产生，才构成了我们今天所看到的宇宙。
宇宙早期的夸克-胶子浆。（© Brookhaven National Lab）
【宇宙是从一个点开始的吗？】
宇宙大爆炸并不是从某个特定点开始的。也就是说宇宙并没有一个“起源”。虽然有点违反常识，但所有的证据都指向一个结论：大爆炸是在所有地方、同时进行的。支持这一观点的证据是压倒性的，并且来自宇宙本身。基于对大尺度结构、星系团的分布、微波背景辐射等等的一些观测，我们会发现两个重要的事实：在足够大的尺度上，宇宙是均匀（宇宙各处的特性都一样）而各向同性（每个方向看起来都一样）的。
宇宙的一小部分，每一个像素都代表了一个星系。在大尺度上，宇宙在所有方向以及所有位置都是一样的。（© SDSS III，DR8）
假如宇宙是从传统意义上的爆炸中诞生的，那么它就不会有这两个特点。我们就会发现我们在宇宙中有一个优先的位置，并且会观测到不同的密度围绕着这个位置，从不同的方向观测宇宙也会显得不同。在爆炸中，分离的越快的物质，它最后离爆炸点就越远，也就会越分散；换句话说，如果宇宙从爆炸而来，那么在越远的地方，在每个体积单位内的星系数量就越少，但事实并非如此。
宇宙是均匀并且各向同性的事实告诉我们，在138亿年前，大爆炸必须是在宇宙各处同时发生的。我们不可能同时看到宇宙的所有地方，我们只能在我们所处的位置去观察宇宙，这也是为什么我们通常看到对宇宙的描述是以我们为中心的，比如下图：
【宇宙的形状？】
但这并不意味着宇宙是球形的！事实上，如果我们想知道宇宙的形状，我们可以通过它本身的几何特征来得知。现在，想象一下你站在某个空旷的地方，并且让你的两个朋友前往不同的两个方向，要保证你们三个人可以相互看到对方，你们三个人最终的站位形成一个三角形。并且你们要测出自己相对于其他两个人的角度。一旦你们知道了三个角度就把它们加起来，根据欧式几何，你会期待三个内角相加的和为180度。这在平直时空中的确如此。
空间曲率的不同，三角形内角相加的和也会不同。（© NASA/WMAP）
但事实是，空间并不一定必须是平直的！空间也可以被弯曲。它可以拥有负曲率，就像是马鞍的表面，三个内角和相加会小于180度。或者它也可以是正曲率，就像是球的表面，三个内角和大于180度。现在，如果你在站在北极，你的两个朋友分别在南美洲的赤道和非洲的赤道，此时，你会得到一个接近270度的三角和，而不是180度。但问题是，我们要如何得知在广袤的宇宙空间的曲率？幸运的是，宇宙本身提供了一个很好的方法来测量空间曲率：微波背景辐射的扰动——不同的空间曲率对它造成不同程度的影响。换句话说，空间的几何特征会反映在宇宙微博背景辐射上。
左：假如宇宙是闭合的，在宇宙微波背景中的“热点”会比理论预测的值更大；中：假如宇宙是平直的，这些“热点”看起来就会不大也不小；右：在开放宇宙中，“热点”看上去会比理论值小。（© Smoot group at Lawrence Berkeley Labs）
通过对微波背景辐射的测量，我们可以得出一个结论：宇宙是平坦的。普朗克卫星与SDSS的最新联合数据告诉我们，如果宇宙是弯曲的——不管是正曲率或负曲率——它也是在比可观测宇宙大400倍的范围之外。我们能观测的范围大约是920亿光年。
这是我们可以看到的宇宙范围。理论指出，在我们观测不到的范围内，很有更能有更多的宇宙存在。（© E.Siegel）
现在我们知道，在138亿年前，宇宙大爆炸从每一个点同时开始的，目前我们所能测量的最高精度显示宇宙的平坦的。所以，如果你宣称大爆炸是从你所在的位置开始的，你是整个宇宙的中心，没有人会说你是错的。因为，散落在宇宙中各个角落的人，都可以有相同的观点。
发表于 2017-7-9 02:47
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