宇宙起源的另一種假設——宇宙大膨脹

速紅斌

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0 引言

宇宙是空間、時間、物質和能量構成的統一體，它從何而來，有多大，如何演化，求知的欲望迫使人類在不停地探索。從古代的神話傳說到地心說、日心說和著名物理學家勒梅特、伽莫夫提出的宇宙大爆炸理論。人類對宇宙的認識越來越深刻，特別是近百年來，隨著科學技術的進步，通過望遠鏡我們可以看到100多億光年的天體，看到數千億的星系，能從更深的領域、層次和科學的角度去探索宇宙的奧秘。目前，大多數的人都同意宇宙大爆炸理論，但仍存在很多讓人迷惑的地方，如奇點的產生和大爆炸，反物質是什么，暗物質和暗能量之秘等。宇宙大膨脹假設是宇宙起源的另一種解釋，該假設對宇宙的誕生、宇宙加速膨脹等提出了不同的觀點，為我們探索宇宙打開了一扇新的窗子。

1 宇宙的起源

宇宙大膨脹假設認為在宇宙誕生之前是太初世界，太初世界無限大，空無一物，沒有物質、沒有能量、沒有光、沒有溫度、沒有時間，是一切都為零的世界。由于太初世界什么也沒有，要討論太初世界空間有多大，存在多長時間是無意義的，如果真要定個大小和時間，那就是無限大和無窮長。我們的宇宙將在太初世界中誕生。

宇宙的誕生開始于在太初世界出現了物質，物質的產生經過了漫長的等待，是在偶然情況下出現的，這雖然是一個偶然事件，但是從太初世界存在時間的無窮長和空間上的無限大來看，物質的出現是必然的。由于在太初世界要產生物質是非常困難的，因此最初產生的物質結構非常簡單和弱小，它的大小可能只有一個粒子大，或者比粒子還要小，所擁用的能量也非常的微弱。可把它叫做始粒子，始粒子的出現是宇宙從無到有的開端。

始粒子雖然很微小，但對于一切為零的太初世界，再小也是無限的大，它在太初世界中不可能平靜的存在，它出現后隨即在太初世界發生激烈反應而發生爆炸。始粒子在太初世界的爆炸和目前已知的爆炸完全不同，爆炸將始粒子撕裂，分裂成多種物質，物質有正物質和反物質，正反物質產生后不是簡單的相互湮滅，而是向四周擴散，這些物質進入太初世界，發生新的爆炸，產生更多的物質。物質進入到太初世界再發生爆炸，爆炸產生更多的物質進入太初世界而引發了連續不斷的爆炸并產生更多的物質。每次爆炸后，未進入太初世界而進入宇宙空間的物質間發生著相互作用和變化，隨著溫度的降低，形成能量、氫元素氦元素等，隨著溫度的進一步下降，演化形成恒星，再經過一系列的演化，從而組成星系。爆炸從宇宙誕生時一直在持續著，經過了上百億年，目前我們的宇宙邊緣仍在爆炸，宇宙在永不停息地爆炸和膨脹，產生更多的物質，形成無數的星系，現在宇宙已形成了上千億的星系。

2 膨脹中的宇宙

大膨脹假設認為宇宙加速膨脹的原因是是物質進入太初世界引發連續爆炸，經過無數次爆炸的加速使宇宙加速膨脹，沒有暗能量的存在。

始粒子的爆炸產生了第一批的新物質，這批新物質以始粒子所在位置為球心向外運動并爆炸，宇宙從一開始就在膨脹。而后，連續的爆炸形成大量物質向各個方向擴散，向外擴散進入太初世界的物質在爆炸的作用下加速運動并引發下一次的爆炸，每一次爆炸都使向外運動的物質加速，從而使宇宙在不斷加速膨脹，膨脹的速度有可能會超過光速。

而每一次爆炸后向內進入宇宙世界的物質組成了宇宙中的物質。因為爆炸是在向外加速運動中發生的，所以這些物質也在向外加速膨脹，但膨脹的速度低于宇宙膨脹的速度。

根據科學家的研究，另外一個影響宇宙膨脹速度的是重力，它會減低宇宙的膨脹速度。早期宇宙形成的物質受重力影響時間長，膨脹速度慢一些，而在宇宙后期形成的物質受重力影響時間短，膨脹速度相對要快一些。

3 宇宙的物質

始粒子出現后，隨著不斷的爆炸，宇宙有了物質、能量、空間、溫度和時間等。同時宇宙空間在不斷的膨脹增大，時間經過了上百億年。物質的數量在增加并通過相互作用在發生演化。

在持續的爆炸中產生的物質和能量在宇宙中相互作用，有的相互湮滅，有的生成質子、電子、中子等一些基本粒子形態的物質。而后隨著溫暖降低，中子與質子結合形成最簡單的氫元素和氦元素，氫元素和氦元素目前是占宇宙物質總量的99%以上。其它化學元素的形成是通過恒星不同演化的八個階段而合成的，即霍伊爾和伯比奇夫婦、福勒四人提出的B2FH理論。化學元素生成之后，隨著溫度的進一步降低，氣態物質逐漸凝聚成氣云，而后逐漸形成各種各樣的恒星體系。

從始粒子出現后，宇宙以始粒子所在位置為球心向外連續爆炸并膨脹，空間不斷擴大。由于爆炸是連續性的，早期爆炸生成的物質演化成大量星系，而后期爆炸生成的物質由于距爆炸后時間較短，物質間相互作用的時間短，還處在星系形成的早期，尚未形成星體或者是數量稀少。如果把宇宙看成一個氣球，這個氣球在膨脹，氣球的中心星體較多，由中心向外星體越來越少，因此從觀測中發現宇宙深處星體較為稀少。

4 宇宙大膨脹的證據

宇宙大膨脹的最直接的證據是能觀測到宇宙邊緣物質在太初世界的爆炸。但由于宇宙膨脹的速度太快，可能超過光速，在膨脹速度大于等于光速的情況下，在任何天體上都不可能觀測到物質在太初世界爆炸的圖像，而要在實驗室模擬太初世界環境，制造爆炸，目前還做不到。這樣宇宙大膨脹的只能通過觀測的證據來證明。

哈勃定律是著名天文學家哈勃經過多年觀測得出的定律，是指河外星系的視向退行速度與距離成正比，即距離越遠，遠離我們的速度越快，宇宙在加速膨脹。大膨脹假設認為這是因為宇宙在連續爆炸和加速的膨脹過程中，物質不斷加速運動導致距離越遠的恒星遠離的速度越快。

宇宙微波背景輻射是兩位美國科學家彭齊亞斯和威爾遜發現的宇宙背景輻射，這是一種充滿整個宇宙、來自宇宙空間背景上的各向同性的微波輻射，溫度為3K。宇宙大膨脹假設認為微波背景輻射是宇宙物質在太初世界發生連續爆炸后遺留的。物質進入太初世界發生的爆炸具有相同屬性，每次爆炸都產生相同的溫度，從而在觀測中發現宇宙微波背景輻射。近來的測量表明，背景微波輻射在宇宙中有0.1%的變化。這是由于宇宙空間太大，爆炸雖然屬性相同，但因爆炸的時間和區域的不同產生了一定強弱。另外在宇宙的演化過程中微波輻射也會受到波動，這就有了背景微波輻射在宇宙中有0.1%的變化。還有科學家們在分析了宇宙中一個遙遠的氣體云在數十億年前從一個類星體中吸收的光線后發現，其溫度確實比現在的宇宙溫度要高，背景溫度約為-263. 89℃，比現在測量的-273.33的宇宙溫度要高。宇宙大膨脹假設認為這是因為爆炸是連續性的，早爆炸的區域溫度下降經過了很長時間，降到了低點，后爆炸的區域由于時間短，溫度還沒降到低點，溫度相對較高。

目前科學家的研究發現宇宙中的元素氫和氦占據了99.99%。宇宙大膨脹假設認為這是物質在太初世界中發生連續的爆炸，每一次的爆炸強度和性質是相同的，所生成的物質、溫度相同，經過一系列的反應最終形成氫和氦。而更重的碳、氧、硅、鐵等元素是在恒星的演變過成中合成的。

5 結論

宇宙大膨脹假設是在大爆炸理論基礎上設想出來的，它們的共同之處在于宇宙不是穩恒態的，由非常小的尺寸爆炸膨脹而成的，爆炸產生了物質、能量、空間、時間、溫度等，目前宇宙仍在加速膨脹中。不同之處主要在于大爆炸理論認為宇宙是密度極大、溫度極高的奇點爆炸而誕生，爆炸時間非常長，目前宇宙仍在爆炸的過程中。大膨脹假設認為宇宙由非常微弱的始粒子出現后引發爆炸而誕生，爆炸由中心向外連續發生，每一次爆炸時間很短，爆炸的位置在宇宙邊緣物質與太初世界交匯處，經過膨脹到達今天的狀態。

宇宙大膨脹是宇宙起源的另一種假設，對宇宙起源的提出了新的解釋，特別是始粒子的提出相比大爆炸理論的奇點讓人更容易理解。但是此假設還存在很多問題和疑問，如物質在太初世界如何爆炸、宇宙如何膨脹、暗物質之秘、宇宙的未來等需要我們進一步的深入探索。

[1]史蒂芬·霍金著.果殼中的宇宙[M].吳忠超，譯.湖南：湖南科學技術出版社，2008.

[2]邁克·佩里康著.宇宙大爆炸[M].郭威，譯.上海：上海科學技術文獻出版社，2010.

[3]袁岳編著.宇宙進化史[M].北京：中國廣播電視出版社，2011.