在大爆炸发生前，宇宙是什么状态？科学家发现铁证

象棋达人

如果我们的宇宙（让我们只谈论这个可见宇宙）在过去曾经更小，你如何才能证明？真正的时光旅行不是一个选项，但你能够看到过去。

现在，你应该已经习惯于这个事实：当你看到从距离几十亿光年外的恒星上射来的星光时，你看到的是它们在几十亿年前的样子。你看到的是过去。因此你能够检查当时的宇宙是否更小，或者，从到达你处的光线里寻找线索。

然而，这并不容易，特别是要从我们所看到的宇宙边远处理解这些信息。

解决这个问题的最好方式莫过于先找出我们可以预期什么，然后再检查预期与现实是否相符。这就是理论物理学家们的工作（至少，这是他们有时候应该干的活）。

现在，让我们在通过望远镜观察之前，先看看我们能够得到哪些推论。

你回到了热带小岛的沙滩上。

夜已很深，但你没有仰望星辰，你小心谨慎地再次确认沙滩上只有你一个人后，开始自言自语，边说边想，在大脑里创建宇宙过去的画面……“如果宇宙在膨胀，那么它在过去肯定比现在小。”

“行。”

“而且，如果它在过去比现在要小，那么它的引力，或者说那时它在时空所造成的弯曲，要比现在更显著，因为它所有的质量与能量被包含在一个更小的体积里。”

“不管怎样，这是爱因斯坦的方程式告诉我们的。”

“好。”

“那个时候，时空开始膨胀，基于某种原因，宇宙开始膨胀了。它一开始很小，非常致密，充满了质量与能量，然后，经过一百三十八亿年的膨胀，它变成了今天的模样，有了地球，以及你在你小岛上空可以看到的恒星们。”

“如果过去宇宙还小，那就是正确的图景。”

“当时致密的是质量还是能量实际上没有什么差别，因为质量与能量对于时空的几何学有着相同的影响。这也是爱因斯坦说的。”

“至此为止，一切都好。”

“现在，如果所有的能量都集中在一个很小的体积里，那么肯定有很多摩擦或其他事件发生，早期的宇宙肯定非常热。”

听起来还合理？是的，而且你也不是第一次得到这个结论。

接下来，你可以从上面得到两个推论：

第一个是，那时候的宇宙如此致密，就算认为那时候所有的光都无法从中穿过也不算可笑。

“光无法从中穿过……唔……那个听起来就像一道墙……”

的确如此。你是对的。

做得好。

如果宇宙膨胀模型是正确的话，这样一个地方必须存在。现在，这样一个地方的确存在。你见过它的表面：临界最后散射面。它限制了我们所能看到的宇宙。

你所做的一切非常出色。

你刚经历了一个物理学家梦寐以求的经历：从纯粹的逻辑出发，利用爱因斯坦的方程式和你离开沙滩后所见到的宇宙，你得出一个推论：一道光无法透过的墙应该存在于我们的过去，而且能够被看见……而且这道墙的确存在。我们已经通过实验探测到它，你会看到，甚至它已被标记出来。

我理解，读到这里，你并没有觉得自己革命了我们关于宇宙的看法，那是因为你在推理出这道墙之前已经见过它了。你没有为试图证实它的存在而花费二十年工夫，早在任何人见到它之前。对于那些搜寻它的人们来说，这道墙被证实存在让他们欣喜若狂。

如何被证实的呢？

好了，你又开始踱步思索，你意识到一个问题：那道你在当今我们可见宇宙边缘所见到的墙与你刚才想象出来的墙有些不匹配，是不是？那道真实的墙，我们的望远镜所探测到的那道墙，很冷，但它应该是很热的。

多热？

有人的确利用爱因斯坦的方程式计算过它应有的温度。他们的结论是一个比较大的数字：大约3000°C。他们发现，整个宇宙，在我们的宇宙变得透明时，应该有那么热。

你在天空中看到的那道墙却没那么热。

那是个问题。

你有没有忘了什么？

你是不是想过，你推断出存在着一个很热的过去，是因为有着时空的膨胀，宇宙中可见的部分随着时间长大，如同你的朋友们在天空里证实的一样？那种膨胀会不会对温度产生影响？

是的，不仅仅是会，而是必定。这改变了一切。

去用一下你厨房里的烤炉。将它加热，里面的空气变热了。将火炉关掉，想象这只烤炉突然膨胀，变成一整幢房子那么大。它内部的温度与它在微小体积时相比会大大降低。

美国科学家乔治·伽莫夫(George Gamow)、拉尔夫·阿尔弗(Ralph Alpher)与罗伯特·赫尔曼(Robert Herman)在一九四八年就通过计算得出结论，由于宇宙的膨胀，刚才提到的3000°C高温只有很小一部分遗留下来，从你那道墙上发出，充斥于我们整个可见宇宙。他们所预期的温度是多少？大概在-260°C到-270°C之间，比绝对零度高3°C到13°C。

一九六五年，在伽莫夫与他的同事们作出猜想的十七年后，两位美国物理学家亚诺·彭齐亚斯(Arno Penzias)和罗伯特·威尔森(Robert Wilson)在美国贝尔实验室做着一个特别的工作。他们需要设立一个天线来接收气球卫星的无线电回声信号。这是份简单的好工作，可是他们却碰到了一个相当奇怪的障碍，他们在自己的信号里一直听到有种讨厌的噪声。为了消除这一干扰，对得起自己的工资，他们想出各种聪明的办法检查，寻找各种可能的工程错误，但情况毫无改善。

不管他们采用什么手段，噪声依然还在，一点都没有改善。最后实在找不到原因，他们只能怀疑是不是鸽子或其他什么高飞的鸟类干扰了自己最灵敏的天线。虽然两人都有很高的学术成就，但每天却都将自己最多的时间花费在清洁仪器和咒骂那些会飞的动物上。可是噪音毫无改善的迹象，他们最后打电话给自己的理论物理学家朋友们求助。很快，他们便意识到自己就算尝试一辈子都无法去除这个噪音。他们所听到的噪声不是那些飞鸟的礼物，它甚至都不是来自地球的“噪声”。它是一种信号。一种温度的信号，对应于-270.42°C的温度。并且它们来自太空，来自所有地方。

伽莫夫、阿尔弗与赫尔曼预言过它们的存在，这是爱因斯坦方程式带来的推论。它是我们宇宙最后不透光时刻的温度残留，一百三十八亿年前冻结的留影，那时候我们比现在小许多的宇宙所含的质量与能量如此致密，以至于光线都无法通过。

彭齐亚斯和威尔森用实验证实了那个在当时一些科学家看来如此怪诞不经的理论的预言，要知道大爆炸理论名字本身就是当时最著名的教授之一，英国剑桥大学的弗雷德·霍伊尔(Fred Hoyle)为了嘲笑它而取的。

彭齐亚斯和威尔森在一九七八年获得了诺贝尔物理学奖。他们发现了位于可见宇宙尽头的临界最后散射面所残余的热量。

这种辐射，热大爆炸理论的铁证之一，被称为宇宙微波背景辐射。

彭齐亚斯和威尔森证实了大爆炸理论找对了方向。

那么，为什么这种辐射被称为“微波”？

答案又一次与宇宙的膨胀有关。

当宇宙变得透明时，也就是最后散射时所透出的光实际上是可见的，而且含有各种颜色、能量与频率，但现在它们已经无法被我们的眼睛所见——它们被散射掉了。

你还记得光波的颜色与能量取决于两峰之间的距离吗？经过时空长达一百三十八亿年的拉伸，这束光的颜色开始是靛色，然后变蓝、变绿、变黄、变橙、变红……接着就变得无法被我们的眼睛可见，变成红外线，后来是无线电波，最后是微波。

我们现在就在这个阶段。当光可见时，那里很热，现在可见光已经变成——经过一百三十八亿年的膨胀之后——-270.42°C的微波冷光。

随着这个证据被发现，大爆炸理论突然不再是一个笑话了。

但这个理论意味着什么呢？是不是可以理解成我们的宇宙被创造于临界最后散射面？

不是的。

在上一章里你已看到，那个表面，作为在地球上的我们所见到的宇宙尽头，对于不在地球上的观察者来说没有什么特别意义：他们有他们自己的临界最后散射面。

那么对于我们来说呢？

如果宇宙并不是诞生在那里，它后面就一定还会有东西。

那会是什么东西呢？我们知道吗？就是大爆炸吗？

从某种意义上说，是的。

大爆炸位于那个表面之后。

但并不紧贴着临界最后散射面。

它发生在三十八万年之前。

比宇宙变得透明早三十八万年。

临界最后散射面的另一边（或者之外，或者之前），后来变成我们可见宇宙的东西可被形容为一团由物质、光、能量与曲率混合在一起的汤，越来越致密，越来越热。很快你就会去那里旅行，亲眼看看。但现在，就让我们先相信你进入那道墙后面越远，到达我们宇宙的更早部分，所有一切会变得越极端化。走到太远之后，你的周围一切都已不符常理。就连时间与空间都过于纠缠，连爱因斯坦的方程式都已不再适用，无法描述那里所有的一切是什么以及是怎么发生的。

在这种情形下，理论物理学家们就到了一个对于所有一切都无话可说的地方，这个时间点被认为是我们所认识的时间与空间的诞生点。根据我们将在本书中使用的定义，这个点在大爆炸之外。

到达这个地点并找出大爆炸究竟是什么，是你在本书第五部分中的任务。

在第七部分，作为你最后的旅程，你将走得更远，前往时间与空间诞生之前。

为什么不现在就去看看？

那是因为现在，你需要停下来花几秒钟调整你的呼吸，并祝贺一下你自己。

从你第一次登上月球以来，你已收获许多，你学到了关于宇宙的许多事实，那些你的祖辈们绝对无法想象的事实。

你知道了我们宇宙的构造是空间与时间的混合，它不仅被自己所包含的东西所塑形，还能随着自己的几何学及内容物一起演化。

你了解了它体现在各种标准上的巨大，甚至大过了我们所能看见，我们无法知道它的形状，也无法知道它的广度。

我们可见的现实世界现在的确很大，但并非一直如此。

你知道我们的宇宙有着自己的历史，还很可能有着自己的开端，大约在一百三十八亿年前，隐藏在一个不透光的表面之后。

你还知道它从一开始就一直在膨胀，每分钟都会变得更大一些。

你应该为自己弄清了这一切感到自豪。

那为什么不直接进到我们宇宙的开端呢？

一个理由是你或许应该试图先搞清楚我们宇宙所包含的到底是什么。没有这个知识，你就没有机会揭示我们宇宙最深的秘密，既无法了解它的开端，也无法了解它的最终命运。

“好吧，让我们马上开始！”你对自己喊道，大睁双眼。

海洋上吹过一阵微风。月正圆，它圆形的表面反射着阳光，给你的小岛罩上一层银光和暗影。几只海龟从海里小心翼翼地爬上岸，在沙滩度过它们的夜晚，如果时机恰好的话，或许还会下蛋。

你感觉很妙。

“我会回去的！”你对着星星们大声说道。

但你现在有了同伴。

你听到自己身后的窃窃私语，转过头去，眼前是正与你的阿姨争论着的你的朋友们。

他们听见你一个晚上都在沙滩上自言自语，决定最好让你提前离开，最早回家的飞机再过几小时就要起飞，他们说，你应该回去整理行李，再休息一下。

你的喊叫、抗议、冷静的反对及关于自由的演讲并不能让他们改变主意。

你要被送回家了。

不过，尽管你对自己不得不离开海洋、小鸟、清风感到悲伤，但让我告诉你：你在现代科学中的旅途才刚刚开始。




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原文地址：今日头条

馥琳

宇宙最初阶段的外面是什么？

心太乱

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