據國外媒體報道，約138億年前，如今的可觀測宇宙還僅有一個桃子大小，且溫度超過1萬億攝氏度。這話聽起來簡單，但非常大膽，做出這樣的論斷也並非易事。就在一百年前，人們還認為這種說法極為荒謬。而如今我們說出這樣的話，卻覺得稀鬆平常。但正如科學界常態一般，像這樣的論斷看似簡單，其實包含了無數證據。這些證據相互獨立，卻都指向同一個結論——在本文中便是“宇宙大爆炸”，即宇宙起源的模型。
大爆炸理論是宇宙起源的主導理論。本質上，這個理論認為宇宙起源於初始點或奇點，它已經擴展了數十億年，形成了我們現在所知道的宇宙。
早期擴展的宇宙發現
1922年，俄羅斯宇宙學家和數學家亞歷山大·弗裡德曼發現，解決愛因斯坦的廣義相對論場方程導致宇宙膨脹。作為一個靜止的，永恆的宇宙的信徒，愛因斯坦在他的方程中加入了一個宇宙學常數，“糾正”這個“錯誤”，從而消除了擴張。他後來稱這是他生命中最大的錯誤。實際上，已有觀測證據支持不斷擴大的宇宙。1912年，美國天文學家維斯托斯里弗觀察螺旋星系被認為在當時是一個“螺旋星雲”，因為天文學家還不知道，有星系超出了銀河系，和記錄其紅移，光源變速時的變速朝向光譜的紅色端。他觀察到所有這樣的星雲都遠離地球。這些結果在當時頗具爭議，並未考慮其全部影響。
1924年，天文學家埃德溫·哈勃能夠測量到這些“星雲”的距離，並發現它們距離很遠，以至於它們實際上並不是銀河系的一部分。他發現銀河系只是眾多星系中的一個，這些“星雲”本身就是星系。
大爆炸的誕生
爆炸之初，物質只能以中子、質子、電子、光子和中微子等基本粒子形態存在。宇宙爆炸之後的不斷膨脹，導致溫度和密度很快下降。隨著溫度降低、冷卻，逐步形成原子、原子核、分子，並複合成為通常的氣體。氣體逐漸凝聚成星雲，星雲進一步形成各種各樣的恆星和星系，最終形成我們如今所看到的宇宙。1927年，羅馬天主教神父和物理學家勒梅特獨立計算了弗裡德曼解決方案，並再次暗示宇宙必須在擴張。這個理論得到了哈勃的支持，1929年，他發現星系的距離與該星系光線中的紅移量之間存在相關性。遙遠的星系正在快速移動，這正是勒梅特解決方案所預測的。
1931年，勒梅特進一步推測他的預測，及時向後推斷髮現宇宙的物質在過去的有限時間內將達到無限的密度和溫度。這意味著宇宙必須始於一個令人難以置信的小而密集的物質點，稱為“原始原子”。勒梅特 是一位羅馬天主教神父，因為他提出的理論為宇宙提供了一個“創造”的確定時刻。在20世紀20年代和30年代，像愛因斯坦這樣的大多數物理學家都傾向於相信宇宙一直存在。從本質上講，大爆炸理論被許多人視為太宗教了。
大爆炸宇宙論認為：宇宙是由一個緻密熾熱的奇點於137億年前一次大爆炸後膨脹形成的。1927年，比利時天文學家和宇宙學家勒梅特（Georges Lemaître）首次提出了宇宙大爆炸假說。1929年，美國天文學家哈勃根據假說提出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，並推導出星系都在互相遠離的宇宙膨脹說。
現代宇宙學中最有影響的一種學說。它的主要觀點是認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裡，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化，如同一次規模巨大的爆炸。該理論的創始人之一是伽莫夫。1946年美國物理學家伽莫夫正式提出大爆炸理論，認為宇宙由大約140億年前發生的一次大爆炸形成。上世紀末，對超新星的觀測顯示，宇宙正在加速膨脹，因為宇宙可能大部分由暗能量組成。
大爆炸與穩態
雖然一段時間內提出了幾種理論，但實際上只有弗雷德霍伊爾的穩態理論為勒邁特的理論提供了真正的競爭。具有諷刺意味的是，霍伊爾在20世紀50年代的無線電廣播中創造了“大爆炸”這一短語，意圖將其視為勒邁特理論的一個嘲弄術語。穩態理論預測，新物質的產生使得宇宙的密度和溫度隨著時間的推移保持不變，即使在宇宙膨脹時也是如此。霍伊爾還預測，通過恆星核合成過程，由氫和氦形成更緻密的元素，這與穩態理論不同，已被證明是準確的。
弗裡德曼的學生之一喬治·加莫（George Gamow）是大爆炸理論的主要倡導者。他與同事拉爾夫·阿爾弗和羅伯特·赫爾曼一起預測了宇宙微波背景（CMB）輻射，這種輻射應該作為大爆炸的殘餘存在於整個宇宙中。隨著原子在重組時代開始形成，它們允許微波輻射（一種光）穿過宇宙，Gamow預測這種微波輻射今天仍然可以觀察到。
宇宙暴脹
關於大爆炸理論仍存在某些擔憂。其中之一是同質性問題。科學家們問道：為什麼宇宙在能量方面看起來一模一樣，無論從哪個方向看？大爆炸理論並沒有給早期宇宙時間達到熱平衡，因此整個宇宙中的能量應該存在差異。1980年，美國物理學家阿蘭·古斯正式提出暴脹理論來解決這個問題和其他問題。這個理論說，在大爆炸之後的早期，由“負壓真空能量”（可能在某種程度上與當前的暗能量理論相關）驅動的新生宇宙極度迅速擴張。或者，通貨膨脹理論在概念上類似但具有略微不同的細節，自那時以來，其他人已經提出了這些理論。
雖然大爆炸理論被絕大多數物理學家所接受，但仍有一些小問題。然而，最重要的是理論甚至無法回答的問題：大爆炸之前存在的是什麼？造成大爆炸的原因是什麼？我們的宇宙是唯一的嗎？這些問題的答案可能存在於物理學領域之外，但它們仍然令人著迷，而多元宇宙假說等答案為科學家和非科學家提供了一個有趣的推測領域。
最早由比利時天文學家勒梅特在 1927年首次提出；到1929年，美國天文學家哈勃根據其理論提出哈勃定律，並推導出宇宙膨脹說；1946年，美國物理學家伽莫夫正式提出宇宙大爆炸理論，至此這個理論已經很成熟了。宇宙大爆炸理論可不僅僅解釋宇宙的起源，它還揭示了宇宙的發展。
根據宇宙大爆炸理論，現在宇宙中的所有東西全都來自於138億年前的宇宙大爆炸。不僅如此，在宇宙產生之前，時間和空間也是不存在的，可以說，宇宙大爆炸是真正的“造物主”。大爆炸之前，有一個存在又不存在的點，一個質量無限大、密度無限大、溫度無線高的點，也就是我們熟知的奇點。奇點是無法用現代的物理公式計算的，一切物理定律在奇點都是無效的，而這個神奇的奇點在138億年前發生了爆炸，並在極短時間內急速膨脹。有多急速呢？每一億億億分之一秒，空間就擴展一億億億倍，打個比方就是，宇宙在不到一億億億分之一秒的時間內，從一個氫原子的大小擴展到了棒球的大小，又在同樣的時間內，從一個高爾夫球的大小，擴展到地球的大小！
閱讀更多 竹間風鈴 的文章
