宇宙奇点大爆炸是以什么样的形状诞生的？

Question

如题所述

Answer 1

宇宙大爆炸是以什么样的形状诞生的呢？

大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）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。
一、简介
“大爆炸宇宙论”（The Big Bang Theory）认为：宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。1927年，比利时天文学家和宇宙学家勒梅特（Georges Lemaître）首次提出了宇宙大爆炸假说。1929年，美国天文学家哈勃根据假说提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。
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。1946年美国物理学家伽莫夫正式提出大爆炸理论，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。
二、产生原理

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。
三、基本假设
大爆炸理论的建立基于了两个基本假设：物理定律的普适性和宇宙学原理。宇宙学原理是指在大尺度上宇宙是均匀且各向同性的。
这些观点起初是作为先验的公理被引入的，现今已有相关研究工作试图对它们进行验证。例如对第一个假设而言，已有实验证实在宇宙诞生以来的绝大多数时间内，精细结构常数的相对误差值不会超过10^（-5）。此外，通过对太阳系和双星系统的观测，广义相对论已经得到了非常精确的实验验证；而在更广阔的宇宙学尺度上，大爆炸理论在多个方面经验性取得的成功也是对广义相对论的有力支持。
假设从地球上看大尺度宇宙是各向同性的，宇宙学原理可以从一个更简单的哥白尼原理中导出。哥白尼原理是指不存在一个受偏好的（或者说特别的）观测者或观测位置。根据对微波背景辐射的观测，宇宙学原理已经被证实在10^（-5）的量级上成立，而宇宙在大尺度上观测到的均匀性则在10%的量级。
四、研究历程
初始阶段
许多人不知道的是，与大爆炸理论已经成为常识的今天相比，在该理论刚刚提出之后的很长一段时间，世界科学界对其的态度是“嗤之以鼻”的。
这种奇怪的现象，是因为当时的科学界受进化论推翻“上帝创造论”的哲学思潮影响，盲目地反对传统理论，不承认如《圣经》所言，宇宙是有一个起点的。这一时期的西方科学界普遍坚持宇宙和物质是恒定不变、无始无终的。因此对于所有涉及说宇宙和万物都“有一个起点”的理论一概不予承认。包括像爱因斯坦这样的大科学家也受其影响。爱因斯坦在总结引力场方程，发现这个Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv的公式将推导出宇宙其实是一个有着从未停止的物质变化的动态宇宙，于是在该公式中又强加了一个“宇宙常数”，以维持静态宇宙的计算结果。也就是说，最初的场方程其实是这样的：∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv，其中常数“∧”为宇宙常数。
验证阶段
但是自从1922年美国天文学家埃德温·哈勃开始观测到到“红移现象”开始，有关“宇宙膨胀”的观点开始形成。
1929年，埃德温·哈勃总结出了一个具有里程碑意义的发现，即：不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去，而近处的星系正在向我们靠近。换言之，宇宙正在不断膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙处于一个密度无限的奇点。
听闻此事的爱因斯坦很快来到哈勃工作的威尔逊天文台，在哈勃的带领下亲自进行了红移现象的观测。访问结束后，爱因斯坦公开承认了自己主观意识影响科学结论的错误，并去掉了场方程中的宇宙常数，于是就有了我们今天所熟知的爱因斯坦场方程（Einstein Field Equation）。
成熟阶段
1948年前后，伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点，然后向四周的空气传播开去的那种爆炸，而是一种在各处同时发生，从一开始就充满整个空间的那种爆炸，爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。“整个空间”可以指的是整个无限的宇宙，或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。
根据大爆炸宇宙论，早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度极高，密度极大，且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志，因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低，使得原子核、原子乃至恒星系统得以相继出现。
爆炸简史编辑
大爆炸开始时：约150亿年前，体积无限小，密度无限大，温度无限高，时空曲率无限大的点，称为奇点。空间和时间诞生于某种超时空——部分宇宙学家称之为量子真空（假真空），其充满着与海森堡不确定性原理相符的量子能量扰动。
大爆炸后10-43秒（普朗克时间）：约1032度，宇宙从量子涨落背景出现，这个阶段称为普朗克时间。在此之前，宇宙的密度可能超过每立方厘米1094克，超过质子密度1078倍，物理学上所有的力都是一种。（超对称）在这个阶段，宇宙已经冷却到引力可以分离出来，开始独立存在，存在传递引力相互作用的引力子。宇宙中的其他力（强、弱相互作用和电磁相互作用）仍为一体。

大爆炸后10-35秒：约1027度，暴涨期（第一推动），引力已分离，夸克、玻色子、轻子形成。此阶段宇宙已经冷却到强相互作用可以分离出来，而弱相互作用及电磁相互作用仍然统一于所谓电弱相互作用。宇宙也发生了暴涨，暴涨仅持续了10-33秒，在此瞬间，宇宙经历了100次加倍（2100），得到的尺度是先前尺度的1030倍（暴涨的是宇宙本身，即空间与时间本身，并不违反光速藩篱）。暴涨前宇宙还在光子的相互联系范围内，可以平滑掉所有粗糙的点，暴涨停止时，今天所探测的东西已经在各自小区域稳定下来，而这被称为暴涨理论。
大爆炸后10-12秒：约1015度，粒子期，质子和中子及其反粒子形成，玻色子、中微子、电子、夸克以及胶子稳定下来。宇宙变得足够冷，电弱相互作用分解为电磁相互作用和弱相互作用。轻子家族（电子、中微子以及相应的反粒子）需要等宇宙继续冷却10-4秒才能从与其他粒子的平衡相中分离出来。其中中微子一旦从物质中退耦，将自由穿越空间，原则上可以探测到这些原初中微子。
大爆炸后0.01秒：约1000亿度，光子、电子、中微子为主，质子中子仅占10亿分之一，热平衡态，体系急剧膨胀，温度和密度不断下降。
大爆炸后0.1秒后：约300亿度，中子质子比从1.0下降到0.61。
大爆炸后1秒后：约100亿度，中微子向外逃逸，正负电子湮没反应出现，核力尚不足束缚中子和质子。
大爆炸后10秒后：约30亿度，核时期，氢、氦类稳定原子核（化学元素）形成。当宇宙冷却到109开尔文以下（约100秒后），粒子转变不可能发生了。核合成计算指出，重子密度仅占拓扑平宇宙所需物质的2%~5%，强烈暗示了其他物质能量的形式（非重子暗物质和暗能量）充满了宇宙 。
大爆炸后35分钟后：约3亿度，原初核合成过程停止，尚不能形成中性原子。
大爆炸后1011秒（104年），温度约为105开尔文，物质期。在宇宙早期历史中，光主宰着各能量形式。随着宇宙膨胀，电磁辐射的波长被拉长，相应光子能量也跟着减小。辐射能量密度与尺度（R）和体积（4πR3/3）的乘积成反比例减小，即安1/R4减小，而物质的能量密度只是简单地与体积成1/R3反比例减小。一万年后，物质密度追上辐射密度且超越它，从那时起，宇宙和它的动力学开始为物质所主导。
大爆炸后30万年后：约3000度，化学结合作用使中性原子形成，宇宙主要成分为气态物质，并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块，直至恒星和恒星系统。
量子真空在暴涨期达到全盛，之后便以暗能量的形式弥漫于全宇宙，且随着物质和辐射密度迅速减小，暗能量越来越明显。暗能量可能占据宇宙总能量密度的2/3 ，从而推动了宇宙加速膨胀。
五、观测事实
大爆炸理论的科学性令人不得不信服。最直接的证据来自对遥远星系光线特征的研究。20年代，天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）研究了维斯托·斯里弗（Vesto Slipher）所作的观测。他注意到，远星系的颜色比近星系的要稍红些。哈勃仔细测量了这种红化，并作了一张图。他发现，这种红化（红移）是系统性的，星系离我们越远，它就显得越红。
光的颜色与它的波长有关。在白光光谱中蓝光位于短波端，红光位于长波端。遥远星系的红化意味着它们的光波波长已稍微变长了。在仔细测定许多星系光谱中特征谱线的位置后，哈勃证实了这个效应。他认为，光波变长是由于宇宙正在膨胀的结果。哈勃的这个重大发现就奠定了现代宇宙学的基础。
膨胀中宇宙的性质使许多人困惑不解。从地球的角度来看，好像遥远的星系都正飞快地远离我们而去。但是，这并不意味着地球就是宇宙的中心。平均而言，宇宙不同地方的膨胀图像都是相同的。可以说每一点都是中心，又没有一点是中心（解释得最好的是一幅画：三维空间的切割）。我们最好把它想象成星系间的空间在伸长或膨胀，而不是星系在空间中运动。这一点与我们日常生活中见到的源于一点的爆炸不同。
空间可以伸长这一事实看上去似乎离奇古怪，不过这却是1915年爱因斯坦广义相对论发表以来科学家们早就熟知的概念。广义相对论认为，引力实际上是空间（严格地说是时空）弯曲或变形的一种表现。从某种意义上来说空间是有弹性的，可以按某种方式弯曲或伸长，具体情况取决于物质的排列。这个思想已为观测所充分证实。

Answer 2

我们一般认为，大爆炸是宇宙的开始。但是讲述这个故事，也许要从更久远前，即宇宙诞生之前说起。那么，宇宙大爆炸之前是什么样子呢？

科学的目的，并不是要打开一扇通往无限智慧的门，而是要防止人们无穷无尽地犯错。

宇宙大爆炸是个非凡的设想，理应如此，它是基于我们对宇宙的观测结果之上的，今天我们所观测到的宇宙是在膨胀之中，且不断冷却，而在过去，它比今天更热，更稠密，也更小。因此如果倒推宇宙的历史到极其久远的时代，其结果自然会令人兴奋。

过去，宇宙是如此之热，以致于每一个原子都会被辐射所击碎。这同时也意味着会存在这样一个时间点，即宇宙中所有的原子核和电子首次结合成稳定中性原子的时间点。

而在此之前，宇宙是如此之热，以致于所有的原子核会被击碎。由此你可能会认为，这意味着宇宙的温度可以任意高、密度可以无穷大、体积可以任意小。你可能会认为宇宙中的一切都可以追溯到一个奇点，在那里时空已经坍缩，所有的物质和能量都包含在这个温度无穷高、密度无穷大的点中。

确实，这是一件非常让人想去尝试着思考的事，这也是我们大概在 1980 年之前所认为的宇宙演化方式。

但是在物理学上，这是不完整的。（许多优秀的科学家和科学研究机构也已经证明了这一点。）根据我们今天对宇宙的早期历史，也就是当中性原子首次出现时的那个阶段所进行的观测细节，我们已经知道，在那个时候，情况并非如此。

我们发现，在宇宙的早期历史上，温度有一个上限。尽管温度已经相当高，相当于大型强子对撞机所产生温度的 10 万亿倍——那种能力其实微不足道——但它与奇点相比，仍不是一个级别的（奇点的温度要比它高大约 1000 倍）。此时量子引力/弦理论将开始变得重要，因为这已经到了常规物理学法则（广义相对论和量子场理论）失效的级别。

我们得出这一结论的依据，是一幅反映了宇宙早期温度起伏整体分布情况的快照，也就是“宇宙微波背景”。

这些温度的起伏所告诉我们的是，在宇宙极早期的某些阶段——我们可以用大爆炸式的理论模型，来对这个炽热、致密，充满了辐射的阶段进行精确描述——在所有可计量的级别上，整个宇宙遍布微小的温度起伏（10 万分之几），且每个观测到的级别所拥有的起伏模式，幅度都是相同的。

随着宇宙的扩张和冷却，引力开始起作用，它试图将物质和能量拉回来，使密度高的地方越来越多，密度低的地方越来越少。而与此同时，辐射压会试图将这些起伏抹平。普通物质（质子、中子和电子）与光子及它们自身在一起相互作用，在起伏模式中制造出“充满活力”的特征；同时暗物质能够感知到辐射压与引力的拖曳，但是与普通物质、光子和它自身却并没有相互联系。

我们从中能够获知宇宙是由哪些不同要素构成的。

从中也可以获得两项重要的观测结果，一是，随着曲线的延伸，宇宙在空间上会趋向于扁平，而不是正向曲线（像个球形）或负向曲线（像马鞍）；另一个是，在宇宙的所有方向上，都拥有相同的温度参数，即使是在那些从未有机会与其他部分进行信息交换（或光子传递）的区域也是如此。

这两件事情非同寻常，可能是微妙的巧合（或者说，就是这么巧），但是也可能是某些大爆炸之前事件所留下的迹象。而宇宙呈指数级膨胀的那个阶段——也就是宇宙的暴胀——也有可能会使这两件事情成真。

宇宙暴胀同时也带来一系列预言：如不会有来自大一统理论的磁单极子或其他残留物、宇宙的大尺度结构内不会有拓扑学缺陷（如宇宙弦，磁畴壁），以及宇宙微波背景中的温度起伏会遵循一种特殊的分布方式。

事实上，我们不仅找到了强有力的证据，能够证明这些残留物和拓扑学缺陷不存在，而且早在 20 世纪 90 年代，就已经极其精确地测得了 Harrison-Zel’dovich 频谱，这可是暴胀理论在其被观测到之前十多年便已经作出的预言！换句话说，这一与起伏有关的频谱与宇宙暴胀理论的预言完全一致！

暴胀理论——这个能够解决大爆炸前事件的最好科学理论——针对“大爆炸之前是什么”这个问题，所能告诉我们的答案，也许是十分令人震惊的。

如上图所示，假如宇宙充满了物质（橙色）或辐射（蓝色），则必然会存在一个能够达到温度和密度都无限的点，即奇点。但是在暴胀理论中（黄色），一切都不同了。首先，我们并不需要一个奇点，而且我们也已经不需要我们之前所认为的“大爆炸时刻”。取而代之的，是一个与“过去”类似的、不完整的时空。

换句话说，我们不仅无法知道暴胀是产生于极其遥远的、位于暴胀之前年代中的一个奇点，还是其本身是持续的；而且我们甚至还无法知道暴胀是在不到1个遥刻托秒（10^-24 秒）内发生的，还是（在大爆炸之前）已经持续了和我们现在宇宙年龄一样长的时间！

要找到答案的希望极其渺芒——由于其本身的性质——几乎所有宇宙暴胀的理论模型都把暴胀结束前最后十亿分之一遥刻托秒，亦即宇宙开始之前的信息抹去了。

那么，在宇宙变得炽热、致密，开始膨胀，开始冷却，开始充满物质和反物质之前呢？那时候的宇宙处于暴胀状态，那是一个呈指数级扩张的宇宙，宇宙因而被拉伸至平坦，因而在所有的方向上都有相同的平均温度，所有的超大质量残余粒子和拓扑学缺陷都被抹去，产生的温度起伏最终形成了今天所见的大尺度宇宙结构，这一过程结束于138亿年前，并将大爆炸的表像植入了我们今天所知、所爱的可观测宇宙中。而假如这个能够影响我们今天可观测宇宙的暴胀持续时间比 1 遥刻托秒的十亿分之一秒长，且所知的物理定律仍然适用，那么几乎可以确定，我们今天生活的宇宙必然是一个多重宇宙，而我们的可观测宇宙只是许多宇宙中的一个而已。

Answer 3

多数科学家认为宇宙是在一次大爆炸中产生的,不过至于是什么形状,因为时间太过遥远,基本上是无法观测到的。