宇宙怎么形成的

宇宙怎么形成的

宇宙是怎么诞生的？

图注：这代表了宇宙从大爆炸到现在的时间线。左边是宇宙的“诞生事件”，被称为“大爆炸”。

宇宙是怎么诞生的？这是一个科学家和哲学家在历史上一直在思考的问题，因为他们看着天上的繁星。天文学和天体物理学的工作就是提供答案。然而，这不是一个容易解决的问题。

图注：一个艺术家对大爆炸可能是什么样子的概念，如果有人在附近看过的话。

1964年，天空中出现了第一个重要的答案。那时天文学家阿诺?彭齐亚斯和罗伯特?威尔逊发现了一个微波信号，这个信号隐藏在他们用来寻找回声气球卫星反射信号的数据中。他们当时认为这只是不需要的噪音，并试图过滤掉信号。

图注：彭齐亚斯和威尔逊偶然发现来自宇宙背景辐射的信号，预示着宇宙的诞生时使用的天线。

然而，事实证明，他们探测到的是宇宙诞生后不久的一段时间产生的信号。尽管他们当时并不知道，但他们已经发现了宇宙微波背景（CMB）。宇宙微波背景辐射是由一种叫做大爆炸的理论预测出来的，该理论认为宇宙最初是空间中一个密集的热点，然后突然向外扩展。这两个人的发现是那个原始事件的第一个证据。

大爆炸

宇宙的诞生是什么开始的？根据物理学，宇宙从一个奇点开始存在，这是物理学家用来描述空间的物理定律的一个术语。他们对奇点知之甚少，但已知这些区域存在于黑洞的核心中。它是一个区域，所有被黑洞吞噬的物质都被挤压到一个微小的点上，无限大，但也非常非常小。想象一下把地球塞进一个针尖那么大的东西里，而奇点会更小。

但这并不是说宇宙是从黑洞开始的。这样的假设会引发大爆炸之前存在的问题，这是非常投机的。根据定义，在开始之前没有任何东西存在，但是这个事实产生的问题多于答案。例如，如果没有出现在大爆炸之前，是什么导致了奇点首先被创造出来？这是一个天体物理学家仍在试图理解的“问题”。

然而，一旦奇点被创造出来（不管它发生了什么），物理学家对接下来发生的事情有了一个很好的了解。宇宙处于一种炽热、稠密的状态，并开始通过一个叫做膨胀的过程膨胀。它从非常小，非常密集，到非常热的状态。然后，它随着膨胀而冷却。这个过程现在被称为“大爆炸”，这个词最早是由弗雷德?霍伊尔爵士在1950年英国广播公司（BBC）的广播节目中创造的。

虽然这个词意味着某种爆炸，但实际上并没有爆发或爆炸。这是时空的快速膨胀，把它想象成吹气球：当有人吹入空气时，气球的外部向外膨胀。

大爆炸后的瞬间

早期的宇宙（在大爆炸开始后的几秒钟内）不受我们今天所知的物理定律的约束。所以，没有人能非常准确地预测当时的宇宙是什么样子的。然而，科学家已经能够构建宇宙演化的近似表示。

首先，婴儿宇宙最初是如此的热和稠密，以至于甚至质子、中子等基本粒子也不可能存在。相反，不同类型的物质（称为物质和反物质）碰撞在一起，产生纯能量。当宇宙在最初几分钟开始冷却时，质子和中子开始形成。慢慢地，质子、中子和电子聚集在一起形成氢和少量氦。在接下来的数十亿年里，恒星、行星和星系形成了当前的宇宙。

大爆炸的证据

所以，回到彭齐亚斯、威尔逊和CMB。他们所发现的（并为此获得诺贝尔奖），通常被描述为大爆炸的“回声”。它留下了自己的特征，就像在峡谷中听到的回声代表了原始声音的“特征”。不同的是，大爆炸的线索不是一个可听见的回声，而是贯穿整个空间的一个热信号。宇宙背景探测器（COBE）和威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）专门研究了这一特征。他们的数据为宇宙诞生事件提供了最清晰的证据。

图注：由七年的WMAP数据创建的婴儿宇宙的详细全天图像。该图像揭示了137亿岁的温度波动（显示为色差），对应于生长成星系的种子。大爆炸理论的替代品

虽然大爆炸理论是解释宇宙起源的最广为接受的模型，并得到了所有观测证据的支持，但也有其他模型使用相同的证据来讲述稍有不同的故事。

图注：爱因斯坦。

一些理论家认为，大爆炸理论是建立在一个错误的前提之上的----宇宙是建立在一个不断膨胀的时空之上的。他们提出了一个静态宇宙，这是爱因斯坦广义相对论最初预测的。爱因斯坦的理论后来才被修改以适应宇宙膨胀的方式。膨胀是故事的一个重要部分，特别是它涉及暗能量的存在。最后，重新计算宇宙质量似乎支持大爆炸事件理论。

虽然我们对实际事件的理解还不完全，但CMB数据有助于形成解释宇宙诞生的理论。没有大爆炸，就没有恒星、星系、行星或生命存在。

快速事实大爆炸是宇宙诞生事件的名称。人们认为，宇宙大爆炸是在大约138亿年前，一个微小的奇点开始膨胀时发生的。大爆炸后不久发出的光可以被探测为宇宙微波辐射（CMB）。它代表了大爆炸发生约38万年后新生宇宙点燃时的光。

宇宙是怎么诞生的？

创世纪：物质战胜了反物质

0秒

宇宙诞生

138亿年前，大爆炸发生，宇宙从中诞生。那时的时间、空间、能量处于一种目前物理学无法描述的不可分的纠缠状态。

10^-40秒

基本力开始作用

第一种力----引力----开始出现。接下来是另外三种力：电磁力、强力和弱力，它们将支配粒子的行为。

10^-30秒

物质和反物质出现

空间突然暴胀，在其内部形成物质粒子和反物质粒子（完全相同，但携带的电荷相反）。当物质颗粒遇到与它对应的反物质时，二者湮灭在一道光束里。

10^-27秒

中微子打破宇宙平衡

日本一项实验的首批数据表明，一些粒子衰变时可能发生了微弱的不平衡，它们就是重中微子。这种作用使轻子（电子、μ介子、τ介子）或反轻子诞生，但比例不对称：对应着100000个反轻子，形成了100001个轻子。所以物质略多于反物质。这个微弱差异将成为关键。

我们的世界诞生

10^-11秒

这种不平衡被传递给夸克

轻子转化为夸克，反轻子转化为反夸克……中微子导致的不平衡被传递下去：夸克略多于反夸克

10^-6秒

再传给质子和中子

温度降到足够低，使夸克能够转化为质子（p）和中子（n），即原子核的组成成分。反夸克则形成反质子和反中子……不平衡一直传递下去。

10^-4秒

发生大湮灭

物质和反物质湮灭（发光）。中微子不对称反应产生的多余量成为决定性因素：剩下了一丁点物质。更精确地说，每10立方米的宇宙有1个核子（质子或中子），而在湮灭以前，每立方厘米有1040个核子。

10^-3秒

只剩下物质

所有反粒子被摧毁。只剩下物质颗粒，它们逐渐形成原子，然后形成恒星、行星……

如果没有发生反应大爆炸可能形成数量完全相等的粒子和反粒子。它们相遇、湮灭，每次施放一道光。宇宙的历史可能短暂结束：大爆炸过后10-3秒，宇宙就完全不存在任何物质，只留下光，而光也将随着宇宙膨胀逐渐减弱。一个无聊的世界……

如果反应有利于反物质

或将形成一个反世界，即我们世界的完美镜像：反原子、反分子、反恒星……不过，如果反物质是“反引力”的呢？因为我们今天还无法得知，反物质是否像物质一样陷入时空，还是产生相反结果。反粒子可能不会相互吸引，而是相互排斥。如果情况如此，在反物质组成的宇宙中，粒子可能相互远离。比起没有反应也好不了多少……

撰文 Mathieu Grousson

编译 周佩琼