新浪科技訊 北京時(shí)間4月1日消息，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，我們的宇宙誕生于大約137億年前的一次大規(guī)模爆炸中，并像一個(gè)巨大的氣球一樣迅速膨脹。簡(jiǎn)而言之，這就是幾乎所有宇宙學(xué)家和理論物理學(xué)家都認(rèn)可的大爆炸理論。支持這一觀點(diǎn)的證據(jù)是廣泛而令人信服的。我們知道，即使是現(xiàn)在，宇宙仍在不斷加速膨脹。

　　科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了大爆炸理論所預(yù)言的熱力學(xué)印記，一種遍布宇宙的微波背景輻射。此外，我們還沒(méi)有觀察到任何明顯年齡超過(guò)137億年的物體，這表明宇宙是在137億年左右形成的。

　　所有這些結(jié)果都使大爆炸理論建立在一個(gè)極其堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上。宇宙大爆炸是一個(gè)非常成功的理論。那么，這個(gè)理論能告訴我們什么呢？我們的在宇宙誕生時(shí)究竟發(fā)生了什么？它又是如何演變成我們今天所觀察到的模樣？

　　宇宙初開(kāi)

　　傳統(tǒng)的大爆炸理論認(rèn)為，宇宙起源于一個(gè)奇點(diǎn)，即一個(gè)密度和溫度都趨于無(wú)限的點(diǎn)——人類的大腦很難理解這一本質(zhì)。然而，研究人員表示，這可能還無(wú)法準(zhǔn)確地反映現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槲覀儗?duì)奇點(diǎn)的認(rèn)識(shí)都來(lái)源于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論。

　　問(wèn)題是，對(duì)于奇點(diǎn)，沒(méi)有任何理由相信廣義相對(duì)論，這將是錯(cuò)誤的做法，因?yàn)樗鼪](méi)有考慮到量子力學(xué)。一旦進(jìn)入宇宙歷史的這個(gè)階段，量子力學(xué)肯定會(huì)變得非常重要。

　　因此，宇宙的起源問(wèn)題依然撲朔迷離。科學(xué)家們認(rèn)為，他們可以在大爆炸后大約10^-36秒開(kāi)始講述這個(gè)故事。在那個(gè)時(shí)候，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)極其短暫而又戲劇性的暴脹時(shí)期，膨脹速度超過(guò)光速。在極短時(shí)間內(nèi)，宇宙的體積膨脹到原來(lái)的100倍甚至更多。

　　科學(xué)家表示，暴脹似乎違反了狹義相對(duì)論，但事實(shí)并非如此。狹義相對(duì)論認(rèn)為，在空間的兩點(diǎn)之間，任何信息或物質(zhì)的傳播速度都不能超過(guò)光速，但暴脹是空間本身的膨脹。膨脹是宇宙大爆炸中的“大爆炸”，在暴脹之前，宇宙只有一點(diǎn)點(diǎn)，很可能也只膨脹了一點(diǎn)點(diǎn)，需要像暴脹這樣的過(guò)程來(lái)讓宇宙變大。

　　這個(gè)快速膨脹的宇宙幾乎沒(méi)有任何物質(zhì)，但卻蘊(yùn)含著大量的暗能量。暗能量是一種神秘的力量，科學(xué)家認(rèn)為正是它推動(dòng)著當(dāng)前宇宙的加速膨脹。在暴脹期間，暗能量使宇宙變得平滑并加速膨脹，但它并沒(méi)有停留太久。

　　這只是暫時(shí)的暗能量，通過(guò)一個(gè)名為“再加熱”的過(guò)程，轉(zhuǎn)化為普通物質(zhì)和輻射。在所有這些暗能量消失后，宇宙從暴脹時(shí)期的低溫狀態(tài)變成了后來(lái)的高溫狀態(tài)。但科學(xué)家仍不清楚是什么觸發(fā)了暴脹，這依然是大爆炸宇宙學(xué)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

　　大反彈

　　大多數(shù)宇宙學(xué)家都把暴脹理論作為解釋宇宙特征的前沿理論。這里所說(shuō)的宇宙特征，具體來(lái)說(shuō)，就是為什么宇宙相對(duì)平坦而均勻，而且向各個(gè)方向有大致相同數(shù)量的物質(zhì)均勻分布，各種證據(jù)都表明，暴脹過(guò)程是真實(shí)發(fā)生過(guò)的。

　　不過(guò)，暴脹理論并不是試圖解釋宇宙結(jié)構(gòu)的唯一觀點(diǎn)。理論家們提出了另一種模型——循環(huán)模型（cyclic model）。該模型基于一個(gè)更早的概念：火宇宙理論。

　　這種觀點(diǎn)認(rèn)為，宇宙并不是從一個(gè)單一的點(diǎn)或任何類似的點(diǎn)出現(xiàn)的。相反，它是從一個(gè)已經(jīng)存在，但一直在收縮的宇宙反彈回膨脹狀態(tài)——其速度比暴脹理論預(yù)測(cè)的要平穩(wěn)得多。如果這個(gè)理論是正確的，那我們的宇宙很可能已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)無(wú)數(shù)次的爆炸和擠壓。

　　火宇宙理論的提出者之一、美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)的伯特·奧夫魯特說(shuō)：“宇宙的起源可能是很美好的，而且是有限的。”

　　循環(huán)模型假設(shè)我們的宇宙由11個(gè)維度組成，只有4個(gè)維度我們可以觀察到，包括3個(gè)空間維度和1個(gè)時(shí)間維度。宇宙的四維部分被稱為“膜”（brane）。該模型還認(rèn)為，在11維空間中可能潛伏著其他的膜。兩個(gè)膜之間的碰撞可能使宇宙從收縮到膨脹，產(chǎn)生了我們今天所看到的宇宙大爆炸證據(jù)。

　　我們所知的宇宙如何成形？

　　但首先，我們所處的宇宙是如何從無(wú)到有的呢？宇宙學(xué)家猜測(cè)，支配宇宙的四種力——引力、電磁力和強(qiáng)、弱核力——在宇宙誕生之初由于極端的溫度和密度而相互擠壓在一起，統(tǒng)一成一種力。

　　而隨著宇宙的膨脹和冷卻，情況發(fā)生了變化。在暴脹時(shí)期，強(qiáng)核力可能分離了出來(lái)。在大爆炸后大約10萬(wàn)億分之一秒的時(shí)候，電磁力和弱核力也各自獨(dú)立。在暴脹之后，宇宙很可能充滿了熾熱稠密的等離子體。但研究人員認(rèn)為，在大爆炸后大約1微秒（百萬(wàn)分之一秒）左右，宇宙已經(jīng)冷卻到足以形成第一批質(zhì)子和中子。

　　在大爆炸后的前三分鐘，這些質(zhì)子和中子開(kāi)始聚變，形成氘（也被稱為重氫）。之后氘原子相互結(jié)合，形成氦-4。

　　復(fù)合：宇宙變得通透

　　這些新產(chǎn)生的原子都帶正電，因?yàn)橛钪嫒匀惶珶幔焕诓东@電子。但這一切在大爆炸發(fā)生38萬(wàn)年后發(fā)生了改變。在這段被稱為“復(fù)合”（recombination）的時(shí)期，氫離子和氦離子開(kāi)始捕獲電子，形成電中性原子。光對(duì)自由電子和質(zhì)子的散射很顯著，但對(duì)中性原子的散射則小得多。于是，此時(shí)光子就可以更自由地在宇宙中漫游了。

　　復(fù)合極大地改變了宇宙的面貌；原來(lái)一團(tuán)不透明的霧，現(xiàn)在變得通透了。我們今天觀察到的宇宙微波背景輻射就是從這個(gè)時(shí)代開(kāi)始的。不過(guò)，在復(fù)合時(shí)期之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，宇宙還是相當(dāng)黑暗的，只有到大爆炸后大約3億年時(shí)，第一批恒星開(kāi)始發(fā)光，宇宙才真正亮起來(lái)。這些恒星在很大程度上抵消了復(fù)合所取得的效果。早期恒星——或許還有其他一些神秘的來(lái)源——釋放出足夠的輻射，將宇宙中的大部分氫分裂成組成質(zhì)子和電子。

　　這個(gè)過(guò)程被稱為“再電離”，似乎在大爆炸后10億年時(shí)就結(jié)束了。今天的宇宙已經(jīng)膨脹得如此之大，不會(huì)再像復(fù)合之前那么不透明。科學(xué)家認(rèn)為，宇宙的物質(zhì)非常稀薄，因此光子的散射相互作用相對(duì)罕見(jiàn)。

　　隨著時(shí)間的推移，恒星聚集在一起形成星系，導(dǎo)致宇宙中形成越來(lái)越大的結(jié)構(gòu)。行星聚集在一些新形成的恒星周圍，就像我們的太陽(yáng)系。38億年前，生命在地球上萌芽。

　　大爆炸之前？

　　目前，關(guān)于宇宙最初若干時(shí)刻的許多問(wèn)題仍然只停留于推測(cè)，而另一個(gè)更加神秘且難以解決的問(wèn)題是：大爆炸之前發(fā)生了什么？

　　首先，這個(gè)問(wèn)題本身可能毫無(wú)意義。如果像一些理論家認(rèn)為的那樣，宇宙是從無(wú)到有，那么大爆炸就標(biāo)志著時(shí)間本身開(kāi)始的那一刻。卡羅爾指出，在這種情況下，就不會(huì)有“以前”這回事了。

　　關(guān)于宇宙誕生的另一些概念或許可以提供答案。例如，循環(huán)模型表明，收縮的宇宙先于膨脹的宇宙，它可能只是在大爆炸發(fā)生之前存在的虛空，然后由一些量子漲落產(chǎn)生了像我們所處的這種宇宙，你可以想象成一個(gè)空間小氣泡通過(guò)波動(dòng)被壓縮，并充滿了非常小的能量塊，然后這些能量塊可以長(zhǎng)成經(jīng)過(guò)暴脹所形成的宇宙，宇宙的時(shí)間是從大爆炸開(kāi)始的，但同時(shí)也屬于一個(gè)前身，一個(gè)母宇宙開(kāi)始的波動(dòng)。

　　我們會(huì)知道答案嗎？

　　歐洲空間局的普朗克（Planck）衛(wèi)星任務(wù)從2009年到2013年環(huán)繞地球運(yùn)行，幫助宇宙學(xué)家更準(zhǔn)確理解了宇宙的本質(zhì)及其起源。倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的天體物理學(xué)家戴夫·克萊門茨表示，該任務(wù)生成的宇宙微波背景詳細(xì)地圖顯示，我們的宇宙，即使有可能從一個(gè)前身發(fā)展而來(lái)，也不太可能在未來(lái)再次收縮。

　　普朗克任務(wù)不能完全排除宇宙大反彈的概念，但考慮到目前的宇宙學(xué)參數(shù)值，我們的宇宙不會(huì)再次收縮，目前正在加速宇宙膨脹的暗能量成分必須改變，才能逆轉(zhuǎn)這種膨脹并引發(fā)大收縮。

　　利用普朗克空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，科學(xué)家們得以微調(diào)他們對(duì)宇宙年齡的估計(jì)，以及宇宙中可見(jiàn)物質(zhì)、暗物質(zhì)和暗能量的比例。克萊門茨表示，這次任務(wù)其實(shí)并沒(méi)有帶來(lái)任何驚喜，而且基本上證實(shí)了現(xiàn)有的理論。普朗克任務(wù)的研究結(jié)果也提出了一些新的問(wèn)題。例如，對(duì)于描述宇宙膨脹速率的哈勃常數(shù)，普朗克衛(wèi)星在遙遠(yuǎn)宇宙中測(cè)量到的值與哈勃太空望遠(yuǎn)鏡在近宇宙中測(cè)量到的值略有不同。

　　所有這些信息都有助于宇宙學(xué)家更好地模擬宇宙的演化，并更接近于回答有關(guān)萬(wàn)物起源的重大問(wèn)題。歐洲空間局即將進(jìn)行的歐幾里得（Euclid）衛(wèi)星任務(wù)預(yù)計(jì)將于2023年發(fā)射，將在這一方向上邁出重要的一步。

　　接下來(lái)是什么？

　　歐幾里得任務(wù)將觀察星系團(tuán)和星系如何在大尺度上分散于宇宙中，從而幫助天文學(xué)家更好地理解暗能量的影響。它還將研究天文學(xué)家所謂的弱引力透鏡效應(yīng)，即由超大質(zhì)量物體的引力牽拉引起的光扭曲現(xiàn)象。由于宇宙中超過(guò)80%的物質(zhì)是不可見(jiàn)的，引力透鏡效應(yīng)的強(qiáng)度可以給天文學(xué)家提供暗物質(zhì)分布的線索。歐幾里得衛(wèi)星能夠做的就是在更大的尺度上展開(kāi)測(cè)量，可能包括銀河系外近一半或更多的天空。

　　破解這個(gè)宇宙謎題的更多線索可能來(lái)自對(duì)引力波的研究。引力波是超大質(zhì)量物體（如黑洞和中子星）碰撞時(shí)產(chǎn)生的時(shí)空漣漪。

　　暴脹時(shí)期一定會(huì)產(chǎn)生引力波，這是宇宙存在之初一段快速膨脹的時(shí)期。因此，探測(cè)這些早期的引力波并破譯它們的特征，可能會(huì)為我們了解宇宙的誕生提供前所未有的洞見(jiàn)。

　　這將告訴我們一些推動(dòng)宇宙早期快速膨脹的物理過(guò)程，我們也能回到宇宙最早期的階段。如果我們能更好地理解暴脹，就有希望了解大爆炸是否的確是一個(gè)單獨(dú)的事件，抑或宇宙反彈的觀點(diǎn)才是正確的。（任天）