宇宙大爆炸理论解释了宇宙从一个早期状态进化至现状的过程。这是银河系中一个星团的美丽景象。 [图片来源：美国航天局，欧洲航天局，哈勃遗产团队（太空望远镜科学研究所/美国大学天文研究联盟），A. Nota（欧洲航天局/太空望远镜科学研究所），Westerlund 2科学团队]
“整个宇宙被‘打包’成一个无限小的点，然后发生了爆炸，将组成如今宇宙的物质散播到空间中。”——天体物理学家会告诉你，这条陈述中的所有内容都错了。
“这完全不是我们认识大爆炸的正确方式，”挪威奥斯陆大学（University of Oslo，UiO）教授、宇宙学和天体粒子物理学者Torsten Bringmann说。UiO的理论物理教授Are Raklev也注意到，许多有关大爆炸理论的描述都描绘了一幅有误导性的图像，与大爆炸理论所描述的不同。他们向我们澄清了一些最普遍的误解。
真实的大爆炸：热而致密
首先，“大爆炸”真正所指的是什么？
“大爆炸理论认为，大约在140亿年前，宇宙处于一个远比今天热且致密的状态，然后发生了大幅膨胀。这就是大爆炸理论，仅此而已。”Raklev说。从那以后，空间继续膨胀，变得越来越冷。
基于大爆炸理论，科学家们更清晰地了解了宇宙历史，例如基本粒子何时形成，原子、恒星和星系何时形成。他们已经很好地了解了宇宙年龄约10-32秒时所发生的事情。也就是0.0000000000000000000000000000000001秒，天体物理学家Jostein Riiser Kristansen在一篇文章中写道。
现在来看误区。
（图片来源：Pixabay）
误区1：“这是场爆炸”
Are Raklev表示，“大爆炸”这个说法让它听起来像是一场爆炸，但这并不是一个准确的描述。你会很快明白原因。
20世纪20年代初，数学家Alexander Friedmann发现爱因斯坦的广义相对论提供了一个不断膨胀的宇宙。比利时神父Georges Lemaître也得到了相同的结论。
很快，Edwin Hubble发现星系的确正在远离彼此。星系正在离我们而去。来自星系的光是红移的，这意味着波长变长，朝着光谱的红色端移动。不仅如此，星系的退行越来越快。
终有一天，几乎所有我们现在能通过望远镜观察到的星系都会离开我们的视野，最终所有的恒星都在夜空中“熄灭”，观察者将望向永恒黑暗的孤寂天空。幸运的是，这离我们还很远很远。
我们也可以反向来看这个故事。星系正在远离，意味着它们曾经靠得很近。“如果你把整个可观测宇宙倒放回去，一切都将出现在一个非常非常小的区域内，”Raklev说。
那么我们就到了大爆炸的时间点。这时发生了什么？
很容易将大爆炸想像成一场爆炸，其中物质被抛出，如同一颗手雷爆炸后飞射的木块。“但在大爆炸中，扩散出去的并不是物质。”Raklev说，“是宇宙本身在膨胀，时空本身在膨胀。”
一场物质向各个方向飞出的爆炸，并不是描述大爆炸的准确图景。
误区2：“宇宙在更大的某物内膨胀”
其实并不是星系在互相远离，而是空间本身在膨胀。我们可以想象一个带有葡萄干的生面团，其中面代表空间，而葡萄干代表星系。随着面团膨胀，葡萄干自然会彼此离得更远，但它们并未在面团中移动。Bringmann用气球的表面举例。在未充气的气球表面画上点，这些点之间的距离也会随着气球的膨胀而增大。
“与此同时，星系也在受万有引力的作用而发生移动——这是另一个效应。”Rakelv说。
少数一些星系是蓝移的，这意味着它们正在向我们靠近。但只有我们附近的少数星系是如此。在较大的距离上，这种效应完全被哈勃定律所覆盖——星系离我们远去的速度与距离成正比。事实上，在相距极远的点之间，距离增长的速度甚至超过了光速。
面团只能在烤箱内的有限空间中膨胀。但宇宙呢？宇宙的“外面”是什么？
宇宙不是在什么东西内部膨胀。科学家不认同宇宙存在边界。我们所称为可观测宇宙的，像是一个直径930亿光年的气泡。其中看起来离我们越远的地方，我们所观测到的实际时间越早。而我们所能观测或测量的范围，不超过光从大爆炸时起向我们传播的距离。
也正是因为膨胀，可观测宇宙的大小才反直觉地超过了140亿光年（宇宙年龄约140亿年）。但科学家计算出这个范围以外的宇宙甚至更大，或许是无限的。
看起来宇宙应该是“平坦的。这意味着两条平行的光束会保持平行，永不相交。如果尝试去往宇宙的尽头，你永远也无法到达。宇宙是无穷的。
如果宇宙具有正曲率，则理论上可以是有限的。但这一情况类似于三维中的二维球面。如果试图到达球面的“边界”，无论从哪里出发，你都会最终回到起点。就像环游世界后回到了出发点。
无论哪种情况，宇宙都在膨胀，并且它不是在什么东西内部膨胀。不断变大的无限宇宙也仍然是无限的。一个“球形”的宇宙并没有边界。
误区3：“大爆炸有一个中心”
如果我们把大爆炸想象成一场爆炸，很容易认为爆炸是由一个中心出发、向外发生的。这确实是一场爆炸的特征。
但大爆炸并非如此。几乎所有方向的全部星系都在远离我们，令人以为地球就是宇宙开始的中心。但这并不是事实。其他星系的观测者也会看到同样的现象，Bringmann解释道。
宇宙中的所有部分都在同步膨胀。大爆炸并非在某个特定区域发生。“它发生在所有的地方。”Rakelv说。
一个由数千个独立星系组成的星系团，距地球21亿光年。我们能看到的宇宙大得难以置信，并可能一直无限延伸。
（图片来源：美国航天局，欧洲航天局，Johan Richard/加州理工学院）
误区4：“起初，整个宇宙都聚集在一个小小的点上”
在大爆炸开始时，整个可观测的宇宙的确是被聚集在很小的一块空间中的。但整个宇宙怎么可能既是无限的，同时又具有极小的确定尺度呢？
你可能会读到，宇宙最初小于一个原子大大小，后来小于一个足球的大小云云。但这样的类比给出了时空起初存在边界的错误暗示。
Raklev说：“并没有什么能表明宇宙在大爆炸发生时不是无限的。当时的宇宙更小这一描述的意义是，当时一米的尺度通过宇宙膨胀，对应的是如今的数十亿光年。”
而当我们在特定场合下讨论宇宙的确切大小时，指的实际上是我们可观测的宇宙。“整个可观测的宇宙是来自于一个很小的区域，可以称其为一点。但是这一点旁边的点也同样在膨胀，再旁边的点也是如此。只是它们离得太远了，我们无法观测到。”Raklev说。
宇宙大爆炸，膨胀及发展示意图。 （图片来源：美国航天局/威尔金森各向异性探测器科学团队）
误区5：“宇宙无限小，高热而致密”
你或许听说过宇宙是从一个奇点开始的。或者说它是无穷小而高热的。这或许是对的，但很多物理学家不认为这是正确的理解方式。
根据宇宙学家Steen H. Hanse所说，奇点是一种对数学形式破坏的表达，不能够被一般的物理学所描述。
Bringmann总结了大爆炸的意义：“今天的宇宙比昨天的要大一些，也比一百万年前的要大一些。大爆炸理论正是将这一过程沿着时间向回推演。而进行这样的推演需要的理论工具正是广义相对论。”
“如果沿着时间向回如此推演，宇宙会越来愈小，越来越致密，温度越来越高。最终达到一个极端小、极端热、极端致密的状态。这就是大爆炸理论：整个宇宙开始于这样的状态。而这一推演也只能到此为止。”Bringmann说。
一直使用广义相对论向回推演，当体积变为零，理论上密度和温度都会到达无穷。“这只是纯粹的数学上的推论，超出了物理理论实际允许的范围。”Bringmann说，“当到达能量密度和温度都如此之高的地步，我们所拥有的物理理论已经无法描述了。”
他说，物理学家需要不同的理论来描述这样的状态，也有一些人正从事这方面的研究。“我们需要什么来描述这样的极端条件呢？我们需要进入一个结合了引力和量子理论的领域。暂时没有人能整合这两种理论。量子引力理论恰恰被预期是无法给出所有东西回到同一点的结论的。”
所以至少到目前为止，宇宙历史的最早一点，仍对我们隐藏。
作者：Elise Kjørstad
翻译：武大可
审校：戚译引
引进来源：Science Nordic
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