我们现在知道大爆炸理论(可能)不是宇宙如何开始

大爆炸仍然很久以前就发生了,但这并不是我们曾经认为的开始。

所有这些来自哪里?在我们愿意观察的各个方向上,我们发现恒星,星系,气体和灰尘云,脆弱的等离子体以及跨越波长范围的辐射:从无线电到红外,再到可见光到伽玛射线。无论我们在何处或如何看宇宙,它绝对和始终都充满了物质和能量。然而,自然而然地假设一切都来自某个地方。如果您想知道所有最大问题的答案 -我们的宇宙起源- 您必须向宇宙本身提出问题,并聆听它告诉您的内容。

如今,我们看到的宇宙正在扩大,稀有(越来越浓密)和冷却。尽管很容易简单地向前推断,但是当事情变得更大,密度和凉爽时,物理定律使我们能够轻松地向后推动。很久以前,宇宙较小,更密集,更热。我们可以采取多远来推断?从数学上讲,尽可能多地走到远处:一直回到无限大小,无限密度和温度,或者我们所知道的奇异之处。这个想法是一个奇异的开始到空间,时间和宇宙,长期以来被称为大爆炸。

但是从身体上讲,当我们仔细观察时,我们发现宇宙讲了一个不同的故事。我们知道大爆炸不再是宇宙的开始。

大爆炸的理论根源

像科学中的大多数故事一样,《大爆炸》的起源在理论和实验/观察领域都源于其根源。在理论方面,爱因斯坦在1915年提出了他的相对论一般理论:一种新颖的重力理论,试图推翻牛顿的普遍吸引力理论。尽管爱因斯坦的理论更加复杂和复杂,但不久之后就发现了第一个精确的解决方案。

  1. 1916年Karl Schwarzschild找到了尖端质量的解决方案,该质量描述了一个非旋转黑洞。
  2. 1917年威廉·德·保姆找到了具有宇宙常数的空宇宙的解决方案,该宇宙描述了一个指数扩展的宇宙。
  3. 从1916年到1921年,Reissner-Nordström由四名研究人员独立发现的解决方案描述了带电的球形对称质量的时空。
  4. 1921年,爱德华·卡斯纳(Edward Kasner)找到了一种描述一个无关的宇宙的解决方案,该宇宙是各向异性的:在不同方向上不同。
  5. 1922年,亚历山大·弗里德曼(Alexander Friedmann)发现了各向同性(在所有方向上相同)和均匀(在所有位置相同)宇宙的解决方案,其中任何类型的能量(包括物质和辐射)都存在。

最后一个非常引人注目,有两个原因。其中之一是,它似乎在最大的尺度上描述了我们的宇宙,那里的情况平均而言,在各个方向和各个方向上看起来相似。第二,如果您解决了该解决方案的管理方程式(Friedmann方程),您会发现它所描述的宇宙不能静态,但必须扩展或收缩。

这个想法是一个奇异的开始到空间,时间和宇宙,长期以来被称为大爆炸。但是从身体上讲,当我们仔细观察时,我们发现宇宙讲了一个不同的故事。

后一个事实得到了包括爱因斯坦在内的许多人的认可,但直到观察性证据开始支持之前,这并不是特别认真对待。在1910年代,天文学家Vesto Slipher开始观察某些星云,有人认为这可能是我们银河系以外的星系,发现它们的移动速度快:比我们银河系中的任何其他物体快得多。此外,他们中的大多数人都离开了我们,较淡淡的星云通常看起来更快。

然后,在1920年代,埃德温·哈勃(Edwin Hubble)开始测量这些星云中的单个恒星,并最终确定了它们的距离。它们不仅比银河系中的其他任何东西都远,而且距离更远的距离比近距离的距离更快。

宇宙正在扩大。

从大爆炸到现在,在不断扩展的宇宙的背景下,我们的宇宙历史的例证。第一个弗里德曼方程式描述了所有这些时代,从通货膨胀到大爆炸,再到现在,即使在今天,也完全准确地到了未来。(( 信用 :NASA/WMAP科学团队)

大爆炸理论的基石

乔治·莱玛特(GeorgesLemaître)是1927年第一个认识到这一点的人。发现扩展后,他像任何有能力的数学家一样向后推断,理论化,您可以追溯到自己想要的远处:他所谓的原子原子。他一开始意识到,宇宙是一个炎热,密集且迅速扩大的物质和辐射集合,我们周围的一切都来自这种原始状态。

后来,其他人开发了这个想法,以做出一系列其他预测:

  1. 正如我们今天看到的那样,宇宙比过去更具发展。我们在太空中看到的距离越远,我们也及时越远。因此,当时我们看到的物体应该年轻,重力块较少,质量较小,重元素较少,结构较少。甚至应该有一个点,没有恒星或星系存在。
  2. At some point, the radiation was so hot that neutral atoms couldn’t stably form, because radiation would reliably kick any electrons off of the nuclei they were attempting to bind to, and so there should be a leftover — now cold and sparse — bath of cosmic radiation from this time.
  3. 在非常早的时候,它会很热,即使是原子核也会被爆破,这意味着有一个早期的遗前阶段会发生核融合:大爆炸核合成。由此,我们希望至少有一系列光元素及其同位素在任何恒星形成之前遍布整个宇宙。

与扩大的宇宙一起,这四个点将成为大爆炸的基石。

危险的游戏

在这些星系中发现的宇宙,单个星系和恒星种群的大规模结构的增长和演变都证实了Big Bang的预测。

在绝对零以上〜3 k的辐射浴中发现的是验证大爆炸并消除了许多最受欢迎的替代方案的主要证据。光元素及其比率的发现和测量(包括氢,氘,氦3,氦4和锂-7)不仅揭示了在形成恒星之前发生了哪种类型的核融合,还揭示宇宙中存在的正常物质总数。

但是,推断超出可测量证据的限制是一种危险的,尽管很诱人,但可以玩。

回到您的证据可以带给您的情况下,这对科学来说是一个巨大的成功。在热爆炸的最早阶段发生的物理学将自己印在宇宙上,使我们能够从那个时候测试我们的模型,理论和对宇宙的理解。实际上,最早可观察到的烙印是宇宙中微子背景,其效果在宇宙微波背景(大爆炸的剩余辐射)和宇宙的大规模结构中都显示出来。这种中微子的背景从大爆炸中大约1秒起就出现在我们身上。

但是,推断超出可测量证据的限制是一种危险的,尽管很诱人,但可以玩。After all, if we can trace the hot Big Bang back some 13.8 billion years, all the way to when the universe was less than 1 second old, what’s the harm in going all the way back just one additional second: to the singularity predicted to exist when the universe was 0 seconds old?

令人惊讶的是,答案是造成了巨大伤害。这是有问题的原因是因为从奇异性开始 - 在任意高温,任意高的密度和任意小的体积上 - 将对我们的宇宙产生后果,不一定得到观察的支持。

例如,如果宇宙从奇点开始,那么它必须以“物质和能量合并在一起”中的“物质”的正确平衡而形成,以精确平衡扩展率。如果只有一点问题,那么最初扩展的宇宙现在已经回想起了。而且,如果少一点,事情就会很快扩展,以至于宇宙将比今天大得多。

这是有问题的原因是因为从奇异性开始 - 在任意高温,任意高的密度和任意小的体积上 - 将对我们的宇宙产生后果,不一定得到观察的支持。

但是,相反,我们正在观察到的是,宇宙的初始扩展率以及其内部的物质和能量的总量尽可能完美地平衡。

为什么?

如果大爆炸是从奇点开始的,那么我们就没有解释。我们只需要断言“宇宙是这样诞生的”,或者,正如物理学家对Lady Gaga一无所知的那样,“最初的条件”。

同样,预计达到任意高温的宇宙将拥有剩余的高能量遗物,例如磁性单极,但我们没有观察到任何。预计宇宙将是在因果关系彼此之间脱节的区域的不同温度 - 即,在我们的观察限制下,在空间的相反方向上,但观察到宇宙在各地的温度等于99.99%+精度。

宇宙通货膨胀

我们总是可以自由地呼吁最初的条件作为任何事物的解释,并说:“嗯,宇宙是这样诞生的,就是这样。”但是,作为科学家,如果我们可以对我们观察到的属性做出解释,我们总是会更加感兴趣。

这正是宇宙通货膨胀给我们的,还有更多。通货膨胀说,可以肯定的是,将热的大爆炸推回了一个非常早,非常热,非常密集,非常统一的状态,但是请停下来,然后再回到奇异之处。如果您希望宇宙具有扩展率以及它的总量和能量的平衡,则需要某种方式以这种方式进行设置。同样的适用于各处具有相同温度的宇宙。从稍有不同的角度来看,如果您想避免使用高能遗物,则需要某种方法来摆脱任何先前存在的文物,然后避免通过禁止宇宙再次变得太热而避免创建新的文物。

通货膨胀通过在热爆炸之前假设一个时期来实现这一目标,在大爆炸之前,宇宙是由巨大的宇宙常数(或表现相似的东西)主导的:De Sitter在1917年发现的相同解决方案。这个阶段延伸了宇宙Flat,到处都具有相同的属性,摆脱了任何先前存在的高能量文物,并通过在通货膨胀结束后盖住最高温度和随之而来的最高温度来防止我们产生新的遗物。此外,通过假设在通货膨胀期间在整个宇宙中产生和伸展量子波动,它对宇宙将开始的哪种缺陷进行了新的预测。

由于它在1980年代就被认为是通货膨胀已经测试以各种方式反对替代方案:从奇异性开始的宇宙。当我们堆积记分卡时,我们会发现以下内容:

  1. 通货膨胀再现了热爆炸的所有成功;Hot Big Bang无法解决通货膨胀也无法解释。
  2. 通货膨胀为我们只需要在热爆炸中说“初始条件”的难题提供了成功的解释。
  3. 在通货膨胀和没有通货膨胀的热爆炸的预测中,其中四个经过了足够的精度来区分两者。在这四个方面,通货膨胀为4比4,而热爆炸是4比4。

但是,如果我们回顾一下“开始”的想法,事情就会变得非常有趣。尽管有物质和/或辐射的宇宙(我们从热爆炸中获得的东西)总是可以推断回到奇异性,而通货膨胀宇宙则不能。由于其指数性的性质,即使您将时钟延长了无限的时间,空间也只会接近无限的大小以及无限的温度和密度。它永远不会达到它。这意味着通货膨胀绝对不能使您自己成为一个人,而不是不可避免地导致奇点。The idea that “the universe began from a singularity, and that’s what the Big Bang was,” needed to be jettisoned the moment we recognized that an inflationary phase preceded the hot, dense, and matter-and-radiation-filled one we inhabit today.

The idea that “the universe began from a singularity, and that’s what the Big Bang was,” needed to be jettisoned the moment we recognized that an inflationary phase preceded the hot, dense, and matter-and-radiation-filled one we inhabit today.

这张新图片为我们提供了有关宇宙开头的三个重要信息,与我们大多数人学到的传统故事相反。首先,热爆炸的原始概念是宇宙从无限的热,浓密和小的奇异性中出现的,并且一直在扩展和冷却,从那以后充满了物质和辐射。图片仍然在很大程度上是正确的,但是我们可以推断它可以推断出来的距离有一个截断。

其次,观察结果已经很好地确定了在热爆炸之前发生的国家:宇宙通货膨胀。在热爆炸之前,早期的宇宙经历了指数级增长的阶段,在这种阶段,任何宇宙的先前成分实际上都“膨胀了”。当通货膨胀结束时,宇宙将温度重新加热至高温但任意高的温度,使我们成为我们今天所居住的炎热,密集和扩展的宇宙。

最后,也许最重要的是,我们无法再对宇宙本身开始如何(甚至是是否)对任何形式的知识或信心进行交谈。从通货膨胀的本质上讲,它删除了最后几个时刻之前发生的任何信息:它结束并引起了我们的热爆炸。通货膨胀本来可以持续到永恒的,它可能是在其他一些非义相的之前,或者可能是在奇异性中出现的相位。直到一天,我们发现如何从宇宙中提取更多信息,而不是目前的可能性,我们别无选择,只能面对我们的无知。大爆炸仍然很久以前就发生了,但这并不是我们曾经认为的开始。

这篇文章最初发表在我们的姊妹网站Big Think上。阅读原始文章这里。

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