宇宙大爆炸开始时有没有粒子

当埃德温·哈勃宣布宇宙是持续膨胀的，爱因斯坦十分不安，据报道，他称他的广义相对论中的宇宙学常数的内容是他一生中最大的失误。这个失误就是他假设宇宙是一个静止不变的地方。宇宙的膨胀意味着它会分开居民，像从捏紧的软管中分开水流，追寻水流的流径，发现水流都会回到一个点。宇宙被构想为从一次爆炸中所诞生，那就是宇宙的第一件大事——宇宙大爆炸。

如果宇宙是无限的、永恒的，那么每一条视线都会出现在一颗恒星的表面上，这样的话，夜空就会像太阳的表面一样光芒四射。当然，事实并非如此，因为星星不能在某一特定的时间之前发光。宇宙有一个开端，大约138亿年前，这一发现是如此的深刻，以至于斯蒂芬·霍金宣称它是“现代宇宙学中最了不起的发现”

图解：大爆炸的艺术表现

然而，人们不禁想知道到底是什么导致了这场大爆炸？换个问法，在大爆炸之前存在着什么？然而，这个问题太模糊了。物理学家只通过仔细观察它的某些方面来缩小它的范围，比如推测什么先前的现象会使我们的宇宙表现出它目前所具有的特性。一个令人费解的特点是宇宙的惊人秩序。宇宙，由于一些神秘的原因，表现出非常低的熵或无序，而且由于熵随时间的增加，宇宙在理论上必然以更小的熵开始。大爆炸之前的理论必须解释为什么它是这样开始的。在所有的理论中，我只列举了两个最重要的理论。然而，这些都是推测，而不是经过验证的事实，但它们背后的天才和严谨却说明了大自然对这些骇人听闻的、特别怪异的可能性的默认，当然，如果数学允许的话。图解：根据大爆炸理论，宇宙是由一个极紧密、极炽热的奇点膨胀到现在的状态。

大反弹一个有开始的宇宙意味着它必须有一个结束。宇宙学家将此称为“大收缩”，这是一个世界末日，宇宙变得过于拥挤，并在自己的质量下瓦解。在这种情况下，在某种程度上，引力收缩强过空间膨胀，把每一个质量都拉向一个点，发展成一个可怕的黑洞。图解：这个叫做“大反弹”的理论预测，我们的宇宙是从一个以前的宇宙的崩溃中诞生的，当时它坍缩成了一个奇点，然后“反弹回来”产生了我们的宇宙。

为这个黑洞提供动力的单点被称为奇点。它是一个零体积和无限密度的区域，因此是无限重力的。少数宇宙学家认为，正是这场灾难孕育了我们的宇宙。奇点是极著名且难以解释的宇宙学现象。目前，物理学中没有一个分支能够解释它们的行为。不仅爱因斯坦的广义相对论在如此微小的尺度无法解释，而且在无限密度下的粒子物理也超出了标准量子物理模型的理解范围。大反弹违反了广义相对论，因为似乎没有明显的理由可以解释黑洞会突然转变为一个白洞。有些人认为，我们的推理是不完整的，必须有一个新的、未被发现的领域，将收缩转化为膨胀。图解：超大质量黑洞宇宙射线的渲染（图片来源：WJ***享资源）

然而，统一的理论可能会有所帮助。所包含的物理，是高度深奥的，是经典物理学和量子物理学的结合，称为量子宇宙学。它巧妙地找到了一种预测“反弹”的方法，而不会与奇点起冲突。量子宇宙学家推测，大收缩不是收缩成一个奇点，而是缩小到有限体积和密度的一个稍大的原始点，引力的量子效应达到它们的顶点，产生极大的排斥力，将宇宙从死亡中反弹回来，因为这种排斥力把一切都推向四方。这一理论是在20世纪60年代提出的，在80年代和90年代初获得了相当大的关注。尽管它无法解释宇宙是如何以低熵开始的，但这个理论可以解释它是如何假定一个平面和均匀的结构的。事实上，它需要向前移动熵降的时间，我已经提到过，这是不可能的。

大反弹理论的支持者们预测，我们宇宙的诞生是膨胀-收缩循环的一部分。不过，一个巨大的收缩似乎不太可能，因为暗能量正在以过高的速率扩展宇宙。热死亡似乎更合理。

多元宇宙20世纪60年代记录的宇宙微波背景辐射(CMBR)是大爆炸发生的不可磨灭的证据。这是余热，从爆炸中发出的第一束光，其波长现在延伸到微波。然而，宇宙学家对宇宙性质的均匀性感到困惑。各向同性给出了宇宙如此有序的原因。图解：CMBR的图片是一张华丽的地图，代表着大爆炸的发生的不可磨灭的证据。人们可以很容易地观察到宇宙的均匀性，这意味着原始宇宙的各向同性。

物体通过将它们的热量传导到附近的物体或周围，达到温度平衡，直到它们降低温度，接收者提升温度，两者温度变得相等为止。然而，宇宙的一致性似乎是不可能的，因为在宇宙尺度上实现这个平衡受到光速的限制-它不可能立即实现。AlanGuth提出，当大爆炸发生后不久，当原子接近时，平衡很快就实现了。根据他的说法，平衡很快就被指数膨胀所实现。我们现在看到的结构，它在不到一秒的时间内就形成了。他称这种现象为宇宙暴胀。宇宙暴胀导致原始空间以超过光速的速度膨胀！这是允许的，因为特殊相对论限制了在太空中运动的物体，而不是空间本身的扩展。它不仅能很好地解释大爆炸是如何发生的，还可以解释是什么导致了大爆炸。根据膨胀，空间不断地经历微小的随机量子涨落，只要它们存在一小段极微小的时间，能量粒子对和反粒子可以突然出现，直到瞬间毁灭它们湮灭。宇宙暴胀使这些粒子在消失之前就被分开了。

然而，20世纪80年代的研究人员发现，暴胀是永恒的-在某些地区超过光速扩张停止，但在另一些地区仍在进行。这意味着形成了一个宇宙网格或多个宇宙，它像连在一起的肥皂泡，我们的宇宙是其中之一，与我们的外界隔绝，不被发现。多元宇宙为像我们这样的低熵宇宙如何挤过高熵宇宙提供了令人信服的论据。孤立的气泡也解释了宇宙常数所假定的刚性数——这个长期困扰着物理学家的问题。多元宇宙意味着膨胀创造了无限宇宙，每个都说明了不同的性质，所有这些诞生于巧合。那么，为什么自然规律如此慷慨地对我们有利。一点点不幸和数字的改变就会产生不同的价值，从而我们也将不复存在。

到目前为止，科学界已经达成***识，认为大爆炸是从一个奇点爆发的，在这个点上，所有的物理定律都会失效，只是粗略地描述了其中的原理。现在，如果没有一个无所不包的理论，一个希望将经典物理学和粒子物理学结合起来的理论，科学只能绕圈子；它无法在没有任何不确定性的情况下预测我们的宇宙是如何开始的。