相信在每個人的生命當中，都會在某些時刻思考過以下類似的問題。我們身處的宇宙到底有多大？它是無邊無際的嗎？如果不是無邊無際的，那麼它的邊界在哪裡？它邊界的外面又會是什麼？它是一直存在的嗎？

這些問題已經困擾人類數千年了，許多哲學家與科學家都曾對這些問題做出過解釋。雖然現在我們還無法準確回答全部問題，但是經過了無數人的努力和奉獻，我們已經可以解答其中一部分問題，其他問題的答案也離我們越來越近。

宇宙是在膨脹的

在1917年，

愛因斯坦

發表了一篇名為

《關於廣義相對論的宇宙學》

的文章。

愛因斯坦

認為宇宙是一個由於重力形成的閉合彎曲空間，該空間是穩定不變的。這個觀點得到了當時科學界的廣泛支援。為了抵消因重力產生的相互吸引，他在方程中加入了一個“宇宙常數”。

R_uv-1/2*R*g_uv+∧*g_uv=(8πG/c^4)*T_uv（∧為宇宙常數）

在1922-1924年間，一位名叫

亞歷山大·佛裡德曼

的人曾寫信給愛因斯坦，他是蘇聯著名的數學家和氣象學家。他在信中說他在求解方程的過程中，分式的分母中會出現0導致解不合理的無限大。他嘗試在計算中放棄掉方程中的“宇宙常數”，結果得出了幾個不同的解，但這幾個解都同時表明宇宙在膨脹。

喬治·勒邁特

在1927年，

一位比利時的牧師兼天文學家喬治·勒邁特提出宇宙是從"原生爆炸"開始的。那時的宇宙裡只存在密度極高的"原生原子"，也就是些超重的"中子"。雖然後面的結論與現在的研究結果不太一致，但是後世還是公認他為"大爆炸"的理論之父。

大爆炸理論的提出

在1934-1948年間，大爆炸理論被

喬治·伽莫夫

等人完善了很多。

喬治·伽莫夫

不僅在天文學上有很大貢獻，在氫彈原理上也有著開創性的貢獻。在弱相互作用方面還有伽莫夫-泰勒定則。他不僅做著基礎科學研究，同時還熱衷於做科普工作，出版了大量的科普書籍。

在1940年，喬治·伽莫夫建立了現代宇宙大爆炸理論。

他們認為早期的宇宙是一個大火球，兩個質子和兩個中子會在高溫作用下生成氦，這個過程會有質量損耗，同時會釋放出大量的能量。

喬治·伽莫夫

在1948年時，英國的

弗雷德·霍伊爾

提出了不同理論。他們不認為宇宙是由大爆炸產生的，他們認為宇宙是恆定的，穩定的。他們為此爭吵了10多年，

弗雷德·霍伊爾

還公開諷刺稱大爆炸為“

Big Bang

”，有趣的是現在大家都用

Big Bang

來稱呼宇宙大爆炸。後來經過分析測出宇宙中約有3/4的氫和1/4的氦，氦氣的大量佔比無法用

弗雷德·霍伊爾

的理論來解釋。

宇宙微波背景輻射的發現

伽莫夫預計大爆炸後宇宙膨脹的各階段所發的熱波溫度大概可低到7K，後來經過確認更改為2。7K。1964年，美國貝爾公司的兩位工作人員

阿爾諾·彭齊亞斯

和

羅伯特·威爾遜

在公司的天線站工作時，觀測到了非常細微的“微波”吱吱聲。開始他們以為是裝置的問題，經過檢查後確認無誤。

威爾遜和彭齊亞斯

這件事情被美國普林斯頓大學的物理學家

羅伯特·迪克

得知，他正在透過射電望遠鏡尋找宇宙初期殘留的輻射。當他得知彭齊亞和威爾遜探測到的微波只有2。7K時，他確認這就是他要尋找的證據。他們的這一發現使人類對宇宙的演化的理解向前邁進了一大步，因此，二人獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。現在稱為2。7K的“宇宙微波背景”在徘徊了上億光年之後在我們的地球上出現了。

二人的工作站

時至今日，雖然也有一些不同於大爆炸的理論，如火宇宙和前大爆炸理論等，該觀點認為宇宙不是由大爆炸產生的，它是早已存在的。但是大多數科學家還是認可大爆炸理論的，發展到現在，已經有大量的理論和資料支撐大爆炸理論了。既然接受了大爆炸的理論，隨之而來另一些問題，比如大爆炸使宇宙膨脹是一直持續的嗎？現在的宇宙大致是一個什麼結構？我們對這些問題做了深入的研究。

困擾人們的三個問題

當宇宙的密度處在某個臨界值上時，那麼宇宙將會一直膨脹下去。反之，宇宙膨脹到一定程度就會開始收縮，最終收縮回大爆炸的奇點。透過大量的資料觀測和計算，我們的宇宙是一個平坦的空間，我們的宇宙是會一直膨脹下去的。而且在1998年的觀測中發現，宇宙正在加速膨脹過程中，這個過程已經持續了50億年。

宇宙微波背景輻射圖

根據宇宙動力學得到的宇宙有三種可能的發展趨勢，

如果空間曲率是正值，那麼會是閉合宇宙。

如果空間曲率是負值，那麼會是一個開放型的宇宙。

如果空間曲率等於零或者接近零，我們的宇宙會是一個平坦的宇宙。

經過天文觀測可以表明，我們的宇宙空間是大家熟知的歐幾里得空間。

閉合宇宙、開放宇宙、平坦宇宙

大爆炸的理論在很多方面都得到了證實，但是存在三個問題困擾著當時的天文學家們。

現在的宇宙為什麼會如此平坦。

從宇宙微波背景輻射可以看出當時的宇宙各個區域的溫度都極為接近，這從整個宇宙尺度上來看是不太可能的。

宇宙早期存在對稱性破缺。宇宙最初正反物質的數量比不會差很多，但是現在我們幾乎只能觀測到正物質。科學家們認為會有磁單極子存在，但是至今也沒有發現，這叫做磁單極子問題。

暴漲理論

在1979年，一位名叫

阿蘭·古茲

的粒子理論物理學家在聽了迪克關於大爆炸的演講後想到：

宇宙初期應該和水到冰相互轉變的物理學相變類似，相變時都會發生某種狀態的突變，

在之後他提出了暴漲理論。

阿蘭·古茲

該理論大概的思路是這樣的，各種作用力依次從溫度逐漸降低的大統一力裡分離出來，粒子間的相互作用突然轉變。當新作用力形式應該在某種程度上保持住的時候，舊的形態因故僥倖保持了一段時間。具體一點說：當宇宙爆炸開始後的10^-35秒時，溫度在10^17K以下，這時的強相互作用力應該分離了出來。但宇宙的某些部分還按老的大統一力作用，超冷對稱性裡的量子小泡會滲入周圍真空裡而膨脹。當這些特殊的小泡膨脹的時候，它產生出新的空間和相應的能量密度。為擺脫這不停的劇烈能量聚積，它以超過光速的速度膨脹。古茲把它叫做暴漲，它使小泡增大了10^50倍。最後，超冷的強力作用區“記憶起”自己是不穩定的，與此同時產生大量多餘的能量，把宇宙重新加熱到10^27K併產生出許多粒子。此後，宇宙開始慢慢膨脹。

迄今為止的11個階段

大爆炸的各個階段

宇宙大爆炸開始的第一秒雖然對我們來說很短，對於現在的宇宙來說更是微不足道。但是對於整個宇宙的意義至關重要。我們可以把宇宙大爆炸大概分為11個階段。

10^-43秒：宇宙活動的序幕真正開始拉開，從此以後時間和空間才開始真正的有意義。此時宇宙的尺度為10^-32釐米，此時的溫度維持在10^32K，正反物質在此過程中湮滅。重力從大統一力中分離出來形成了單獨的力。此次分離是眾多分離中的一個，之後會隨著溫度的降低，各種力都會從大統一力中分離出來。

10^-35秒：開始暴漲，強作用力試圖從大統一力裡分離出來，量子泡進入到周圍的真空中。隨後量子泡迅速開始暴漲，我們的宇宙急劇膨脹，這時已經達到網球的大小了。對稱的真空由於強作用力的分離放出大量的能量 ，產生出大量的物質。

10^-32秒：暴漲結束，膨脹的速度變慢，但速度依然很快。這時出現了夸克和具有電弱作用的輕子。

10^-11秒：電弱分離。溫度降低到10^15K時，電弱作用分離為弱作用與電磁作用。弱作用傳播比較重的W子和Z子，而電磁作用傳播沒有質量的“光子”。

10^-6秒：夸克屠殺。當溫度降低到10^13K時，大量正反夸克湮滅，夸克含量持續降低。

10^-4秒：重子形成。溫度持續降低，低至10^11時，夸克停止了湮滅，剩餘的夸克結合成了質子和中子等重子。大量的介子也衰變掉了，此時的宇宙已經相當於現在太陽系的大小了。

10^-2~1秒：中微子逃逸。因為弱作用的減弱，活躍的中微子脫離了束縛，可以在宇宙中自由的活動，至今宇宙中還有他們的身影。

1~100秒：將溫度降低到10^10~10^9K時，第一個氦元素出現了，它由質子和中子組成。在之後的1萬年，宇宙中只有氫、氦幾種輕核和電子、電磁輻射。

9。6x10^12秒（30萬年）：“宇宙放晴”。電子因電磁作用附在核子周圍形成原子，原子物質開始出現。能量高的光子因光電離而消失，輻射光子能量的減弱不再能夠打碎原子，原子因而也不再吸收輻射，這些低能輻射就是可見光的範圍，它的自由使宇宙透光，宇宙變的透明且充滿光亮。

3。2x10^16秒（10億年）：因萬有引力的作用，宇宙中開始形成星系。主要以氫、氦等為主體逐漸形成宇宙近似當前的形態。

4。5x10^17秒（138億年）：時至今日我們瞭解和觀察到的宇宙形態。

我們現在輕易獲得的知識是經過一代又一代科學家不斷的計算與觀測總結出來的，感謝他們讓我們瞭解百億年前宇宙的誕生，這是一件多麼神奇而有趣的事情。我們比歷史上任何時刻都更瞭解宇宙，我們又比未來的人們更不瞭解宇宙。

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