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宇宙大爆炸是真的吗是否已经盖棺定论的(宇宙大爆炸一定是真的吗)

导语:宇宙大爆炸是真的吗?是否已经盖棺定论?

什么是宇宙大爆炸(1920s - 1980s)

二十世纪二十年代,哈勃等人发现宇宙膨胀。宇宙膨胀的一个自然(但不是逻辑必然)的推论,就是时间越早,宇宙密度越大,所以宇宙可能起源于一个密度无穷大的“奇点”。这就是大爆炸宇宙学。不过,当时还没有大爆炸(Big Bang)这个火爆而个性鲜明的名字。例如,当时勒梅特一会把大爆炸称作“原初原子”,一会又称作“世界起源”,不是太窄就是太宽,抓不住人的关注。所以,要做宣传,能起个 Big Bang 或者 Sleepy Joe 这种喜闻乐见的名字,是非常重要的。

大爆炸这个名字的由来也有一番曲折。1949 年,Hoyle 在 BBC 的广播中第一次使用了大爆炸这个词来描述宇宙起源。Hoyle 本人是大爆炸宇宙学的反对者。他认为,宇宙膨胀的时候,宇宙中物质不断产生出来(稳恒态宇宙学),宇宙没有开始。他提出“大爆炸”这个名字,或许是想说明宇宙“bang”的一声炸出来,听起来很荒谬。无怪乎,“大爆炸”这个来自黑粉的名字,70 多年来反复被人误解。

那么,大爆炸究竟是什么呢?前面讲到宇宙极早期,密度无穷大的“奇点”,是大爆炸一个非常粗略的定义。说粗略,是因为“无穷大”并不是一个当前物理学可以检验的物理概念。我们只能描述有限的密度。所以,用现代的观点,“大爆炸”就是宇宙密度太大,再往前发生过什么,当时(二十至八十年代)的物理不能描述了而已。

所以“大爆炸”其实很普通,但是当时的科学家或许比较自信,确实往往把大爆炸讲成宇宙起源。

大爆炸的三大证据

既然物理上还不知道大爆炸“奇点”的性质,怎么用物理宇宙学去“验证”大爆炸呢?

全靠同行衬托。

我们没必要推到“奇点”去验证大爆炸,只要推到宇宙相对比较早期,比较一下大爆炸和与其竞争的理论就好了。与其竞争的稳恒态宇宙学认为,宇宙一成不变,早期和现在是一样的。所以,只要“证明”宇宙早期更密更热,也就“证明”了大爆炸宇宙学。宇宙学观测发现了在宇宙由热转冷过程中元素起源的证据 (BBN)、宇宙从不透明转向透明的证据 (CMB),以及高红移天体更年轻。这标志着大爆炸宇宙学被广为接受。

至于暗能量发现后,大爆炸宇宙学在宇宙未来这个问题上,逐渐活成了自己讨厌的样子,与本题无关,就不展开讲了。

大爆炸“奇点”,是说空间起源于一个点吗?

不是。宇宙空间很可能是无限大的(严格说来,第一,最简单的宇宙模型中空间是无限大的;第二,没有证据表明空间有限;第三,空间即使有限,也应该远远大于我们目前的可观测宇宙,所以可以很好近似为无限的)。所以,这里按最简单的理论,假设宇宙空间无限大来讨论。

所谓大爆炸,只不过是在无限大空间里,因为宇宙膨胀,宇宙越早期,密度越大。“大爆炸”就是宇宙密度大到了物理学家没有理论可以解释的时候。

也就是说,宇宙膨胀是在无限大的空间里,各个点之间的距离在膨胀。现在的宇宙空间无限大,早期的宇宙空间也是无限大,“大爆炸的时候”空间仍然是无限大 (只是当时密度过大,无法描述而已)。宇宙的“奇点”不是空间中的一个点,一般来说也不是一个很小的体积。也就是说,“奇点”这个词是误导人的。严格说来应该叫“奇面”(此处“面”不代表意大利面),“奇超曲面”,“奇 codimension-1 spacelike 超曲面”。宇宙的奇点不是一个空间点,也不是一个时空点。

注:奇点的英文“singularity”并没有讲是一个点。我没有查为什么历史上中文翻译成“点”。或许是从黑洞那边的研究来的?(不过即使黑洞,翻译成“点”以后,也要忍受“环奇点”这种奇奇怪怪的写法。)

大爆炸之前有时间吗?

既然“大爆炸”只是说,之前发生过什么,密度太大,物理学现在还研究不了。那么,要问大爆炸之前有没有时间,就只有假说,没有靠谱的答案了。至于从古至今各种奇葩假说,这里不赘述。

什么是大爆炸(1980s 至今)

自从八十年代暴胀理论提出以来,“大爆炸”这个概念发生了分裂。

这是因为,暴胀理论(极早期宇宙的膨胀速度像踩了油门一样,是加速的)相当于给八十年代以前的大爆炸理论加了个“前传”。暴胀理论告诉我们,八十年代以前本来认为是“奇点”的时候,发生了什么。既然我们对宇宙早期的认知推进了,有了暴胀这个前传,那么“大爆炸”这个时刻,应该放到暴胀之前呢,还是暴胀之后呢?都可以。所以,就有了两个版本的“大爆炸”的定义。

暴胀之后大爆炸发生:意思是,宇宙像踩了油门一样加速膨胀一段时间过后,油箱爆了(仅为类比),宇宙变热,这就是大爆炸。这种大爆炸一点都不神秘。大爆炸之前有时间,并且大爆炸之前的理论我们已经基本理解了(暴胀),大爆炸只是宇宙发展中的一个常规阶段而已。

大爆炸代表宇宙“起源”,先发生“大爆炸”,然后再暴胀。这种说法里面,大爆炸自然更热辣火爆光鲜亮丽吸引眼球,但是仍然是一笔糊涂账——大爆炸到底有没有发生,是怎么发生的,之前有没有时间……目前全都不知道。

以上两个版本,只是定义不同,没有高低贵贱之分。但是大家读相关科普文章,需要留意区分。否则把不同文章的不同定义一起装到脑子里,就乱了。

什么是盖棺定论?

讲到这儿,又开始不是物理问题了。上次不小心提到科学哲学,被骂了一头包,这里斗胆说说。这一小节的内容包含个人观点,并不是盖棺定论的内容,欢迎理性批评。

我认为科学中是有盖棺定论的,就是“科学事实”。例如量子力学、相对论、量子场论这样的科学框架,以及宇宙膨胀这样的科学现象。尽管科学源于归纳法,在休谟的意义上,无法认定这些现象一定是对的。但是在(由科学的有效性和有用性支撑的)科学的框架下,这些“科学事实”的置信度如此之高,以及在其适用范围内没有理论与之竞争,即使有少数问题,也往往很快被发现可以在理论框架内解决。所以,我认为如果一个理论可以达到这个程度,就可以称为“盖棺定论”了。

大爆炸是否已经盖棺定论?

(一) 对于同行衬托出来的“大爆炸宇宙学”,即宇宙由热密变冷稀的过程,则大爆炸宇宙学已经盖棺定论了。其“三大证据”都是盖棺定论的事情。

(二) 对于大爆炸如何发生,如果按“暴胀之后大爆炸发生”的定义,则大爆炸已接近盖棺定论。但是由于暴涨本身还没有盖棺定论,大爆炸受到连累,恐怕一时半会还盖不上。

(三) 对于大爆炸如何发生,如果按先大爆炸后暴胀的定义,则大爆炸远未盖棺定论,甚至连谱都没有。

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