Question

宇宙大爆炸是不是奇点爆炸？

Answer 1

138.17亿年前宇宙大爆炸时亦是我们这个宇宙的开端，是时间的起点，空间的起点，万物的起点，以纯能量开始的宇宙从无到有创造了无数宇宙奇迹，当然更奇迹的我觉得莫过于地球生命！几乎每个人都听说过宇宙大爆炸理论的故事，但是如果你问任何人，从一个普通人到一个宇宙学家，会得到很多不同的答案。其中最常见的一种是“奇点”，奇点指的是宇宙中所有物质和能量都集中在一个点上的瞬间。

从宇宙大爆炸到现在，在宇宙膨胀的背景下，宇宙历史的一个例证，在热大爆炸之前，宇宙处于暴胀状态，但所有这些都必须在奇点之前，这一观点已经过时了。图片：NASA / WMAP SCIENCE TEAM
博科园-科学科普：宇宙的温度、密度和能量将是任意的，无限大的，甚至可以与时间和空间本身的诞生相一致。但这（上图）张照片不仅是错的，而且已经快40年了！可以说，并没有出现与大爆炸有关的奇异现象，甚至可能根本就没有空间和时间的诞生，这是我们知道的以及我们是如何知道的。

GOODS-North研究中心在图中展示了迄今为止观测到的一些最遥远星系，其中很多星系我们已经无法到达，当我们观察越来越远的距离时，发现由于宇宙的膨胀，越来越远的星系似乎正以越来越快的速度从我们身边退去。图片：NASA, ESA, AND Z. LEVAY (STSCI)
当观测今天的宇宙时，看到宇宙在各个方向不同的距离上都充满大量的星系。平均来说，也发现星系越远，它就越快从我们这里消失。这不是由于各个星系通过空间的实际运动所致；这是因为空间本身的结构正在膨胀。这是1922年由亚历山大弗里德曼首次提出的广义相对论预测，并在20世纪20年代由埃德温-哈勃和其他人的研究证实。这意味着，随着时间的推移，宇宙内部的物质扩散开来，密度降低，因为宇宙的体积增加了。这也意味着，如果我们回顾过去，宇宙会变得更密集、更热、更均匀。

如果一直往前推断，会得到更早，更热，更密集的状态，这是否最终导致了奇点出现？物理定律本身在奇点中失效？图片：NASA / CXC / M.WEISS
如果把时间推得越来越远，会开始注意到宇宙的一些重大变化：
1、将会进入这样一个时代：引力没有足够的时间把物质拉进足够大的团状物以形成恒星和星系
2、会发现宇宙是如此的热以至于不能形成中性原子
3、在其中甚至原子核都被炸开
4、物质-反物质对会自发形成
5、单个质子和中子会被分解成夸克和胶子

奇点是传统物理学崩溃的地方，然而在宇宙中实现任意的热、密集的状态是有后果的，而且它们中的许多不能满足观测。图片：2007-2016, MAX PLANCK INSTITUTE FOR GRAVITATIONAL PHYSICS, POTSDAM
每一步都代表着宇宙的年轻、更小、密度更大、温度更高的时候。最终，如果继续倒推，会看到这些密度和温度上升到无限的值，因为宇宙中所有的物质和能量都包含在一个点：奇点。正如最初设想的那样，大爆炸不仅是一种炽热、密集、膨胀的状态，而且代表了物理定律崩溃的瞬间。这是空间和时间的诞生：一种让整个宇宙自发形成的方式。这是创造的终极行为：与宇宙大爆炸相关的奇点。

今天看到的恒星和星系并不总是存在的，而我们离得越远，宇宙就越接近一个明显的奇异点，但这种推断是有限度的。图片：NASA, ESA, AND A. FEILD (STSCI)
然而如果这是正确的，并且宇宙在过去已经达到了任意的高温，那么今天就可以观察到一些清晰的信号。在大爆炸余辉中会有温度波动，会有非常大的振幅。波动会受到光速的限制，它们只会出现在宇宙视界的尺度上，而且更小。在早期会有剩余的高能宇宙遗迹，比如磁单极子。然而温度波动仅仅是1/30000，比单一大爆炸预测的小几千倍。超视界的波动是真实的，由WMAP和普朗克证实。磁单极子和其他超高能物质的限制非常紧密。这些缺失的特征蕴含着这样的含义：宇宙从未达到过这些任意高的温度。

宇宙微波背景波动是如此之小，如此特别的模式，它们强烈地表明宇宙开始时各处的温度都是一样，只有1 / 30000的波动，这一事实与任意的热大爆炸是不协调的。图片：ESA AND THE PLANCK COLLABORATION
相反，一定有一个界限，我们不能武断地推后到遥远的地方，到一个热和稠密的状态，达到所能预想的任何能量，有多远仍然有效地描述宇宙是有限度的。在20世纪80年代早期，有理论认为，在宇宙还没有热、稠密、膨胀、冷却、充满物质和辐射之前，宇宙就在暴胀。宇宙暴胀的一个阶段意味着宇宙是：
1、充满了空间本身固有的能量
2、导致了快速的，指数级的膨胀
3、使宇宙变得平坦
4、赋予了在任何地方都有相同的属性
5、小振幅的量子涨落
6、延伸到所有尺度(甚至超级视界)
最后宇宙暴胀结束。

宇宙暴胀使空间呈指数增长，这很快就会导致任何预先存在的弯曲或非光滑的空间显得平坦。如果宇宙是弯曲的，它的曲率半径至少比我们所观测到的要大上百倍。图片：E. SIEGEL (L); NED WRIGHT’S COSMOLOGY TUTORIAL (R)
当发生的时候，会把之前空间固有的能量转化成物质和辐射，从而导致热大爆炸。但不会导致一个任意的热大爆炸，而是一个达到了最大温度的最大值，比奇点可能出现的尺度要小上百倍。换句话说，导致了一场由宇宙暴胀状态产生的大爆炸，而不是一个奇点。
在可观测宇宙中存在的信息，可以获取和测量，只对应于最后10^-33秒的暴胀，以及随后发生的一切。如果你想问暴胀持续了多久，那我们根本不知道。它至少持续了10-^33秒，但它是否持续了更长的时间，或者是无限长的时间，这不仅是未知的，而且是不可知的。

整个已知宇宙的历史表明，我们应该知道宇宙中所有物质的起源，以及所有的光，最终是暴胀的结束和热大爆炸的开始。从那时起宇宙经历了138亿年的宇宙演化，这一图景得到了多种来源的证实。图片：ESA AND THE PLANCK COLLABORATION / E. SIEGEL (CORRECTIONS)
那么引发暴胀原因是什么呢？关于它有大量的研究和推测，但是没有人知道。没有证据可以证明；没有我们能观测到的观测结果；没有我们能做的实验。有些人(错误地)说了类似的话：在了解通货膨胀之前，有了一个巨大的爆炸奇点，形成了一个热，稠密，膨胀的宇宙，而暴胀仅仅代表了一个中间阶段。因此顺序是这样的：先奇点，中间暴胀，最后热大爆炸。甚至有一些由顶级宇宙学家制作非常著名的图表来解释这幅图景，但这并不意味着这是正确的。

这是由暴胀结束引起的密度（标量）和引力波（张量）波动的图解。但注意，假设在暴胀之前存在一个奇点并不一定有效。图片：NASA, JPL, KECK FOUNDATION, MOORE FOUNDATION, RELATED
事实上，有很好的理由相信这是不对的！可以从数学上证明，一个暴胀的状态是不可能由奇点产生。原因如下：在暴胀期间，空间以指数速度扩张。想想指数是如何运作的：在一段时间后，宇宙的大小会翻倍。如果时间是原来的两倍，它翻了两倍，是原来的四倍大。再等三倍的时间，它翻了三倍，是原来的八倍大。
如果是原来10到100倍的时间，那些不确定的东西会使宇宙的大小是2^10或2^100倍。也就是说，如果我们以同样的量，或者两倍，或者三倍，或者10倍或100倍……回到过去，宇宙会变得更小，但永远不会达到0。分别是一半，四分之一，八分之一，2^-10，或2^-100倍……于原来的大小。但无论如何缩小，都无法达到奇点。

蓝色和红色的线代表了“传统的”大爆炸场景，所有的一切都从时间t=0开始，包括时空本身。但是在暴涨的情况下(黄色)，永远不会到达一个奇异点，在这个奇异点上空间会变成一个奇异的状态；相反它只能在过去变得任意小，而时间则是无限。图片：E. SIEGEL
宇宙学有个著名的理论，表明暴胀状态是不完整的。很明显这意味着，如果有任何粒子存在于膨胀的宇宙中，如果回溯时间，它们最终会相遇。然而这并不意味着一定有一个奇点，而是说，通货膨胀并不能描述宇宙历史中发生的一切，就像它的诞生一样。我们也知道，例如暴胀不能从单一状态产生，因为暴胀区域必须总是从有限的大小开始。

时空本身在量子尺度上的波动在暴胀期间在宇宙中被拉伸，导致密度和引力波的缺陷。暴胀是否起源于最终的奇点，目前还不得而知。图片：E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH
每当你看到一个图表、一篇文章或一个故事谈论“大爆炸奇点”或任何一种在暴胀之前存在的大爆炸/奇点，你就会知道你正在处理的是一种过时的思维方式。大爆炸奇点的概念在我们意识到有一个不同的状态（暴胀状态）之前并建立了热大爆炸早期的，热和密集的状态之后就消失了。可能在空间和时间的一开始就有一个奇点，之后就会出现宇宙暴胀，但这并不能保证。在科学中，有一些我们可以测试、测量、预测、确认或反驳的东西，就像一个引发热大爆炸的宇宙暴胀状态，还有其他的吗？

Answer 2

宇宙起源于奇点大爆炸的假设，已被学界普遍接受。物理学家根据已有强有力的观测和实验证据，把时间逆向推演后认为，大约138亿年前，我们的宇宙（时间和空间）开始于大爆炸瞬间。那个时刻宇宙只是空间尺度无穷小，温度、质量密度和曲率均为无穷大的一点，即称之为奇点。科学家一直试图寻觅这个被假设的奇点在现今宇宙中的位置。由于大爆炸后的宇宙是向四面八方膨胀的，科学家已在空间各个方向上都探测到了大爆炸后微弱的剩余热量，温度比绝对零度略高几度。这是在宇宙中存在的独一无二的各向同性辐射，辐射温度总保持在绝对温度3K，变化细微，来自空间所有方向。直接的实验证据来自美国NASA“宇宙背景探索者COBE”卫星（1989），卫星捕捉到了准确无误的宇宙背景辐射的观测数据及图像。这个结果使得奇点大爆炸理论再次得到实验的支持。但是，正是由于宇宙背景辐射数据显示的各向同性，宇宙膨胀在各个方向上都是均匀的，剩余热量也同时来自各个方向上，并非来自空间的某个点。因此，我们今天仍然不能确定宇宙大爆炸的奇点（始点）位于何处。有学者认为，宇宙空间是由体积无穷小的奇点爆炸和膨胀出来的，没有边界，那么我们所见到的宇宙任何一点的位置都可看成大爆炸时的奇点位置，也服从实验数据结论（譬如，把银河系视作宇宙起始点是可行的）。显然，奇点位置问题只能是另一个哲学问题，因为我们无法对其观测并用自然科学方法判断它的真伪。我们应当服从人择原理，有了现在的宇宙才有智慧的人类。当其实在真正形容宇宙诞生的科学家眼里，却是一个彻头彻尾的错误，宇宙诞生并非是一场爆炸，而是一个致密空间的极速膨胀，而包裹在这个空间内的物质才有了施展拳脚的机会，得以形成宇宙中无比灿烂的各式天体。

Answer 3

是现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸
现代宇宙学中最有影响的一种学说。它的主要观点是认为宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系在不断地膨胀，使物质密度从密到稀地演化，如同一次规模巨大的爆炸。该理论的创始人之一是伽莫夫。认为宇宙由大约140亿年前发生的一次大爆炸形成。上世纪末，对Ia超新星的观测显示，宇宙正在加速膨胀，因为宇宙可能大部分由暗能量组成。
爆炸之初，物质只能以电子、光子和中微子等基本粒子形态存在。宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度很快下降。随着温度降低、冷却，逐步形成原子、原子核、分子，并复合成为通常的气体。气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。
宇宙并非永恒存在，而是从虚无创生”的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性，但是，所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。

Answer 4

宇宙大爆炸是奇点爆炸。