大爆炸理論在所有現代科學中是最偉大、最成功、最具革命性的觀點之一。為什麼如此的肯定和確定呢？因為大爆炸理論給出的預測與我們對宇宙的觀察是一致的。

儘管如此，還是有很多人會保留懷疑態度，不確定大爆炸是否正確的。下面就說下，大爆炸理論咋來的？根據什麼提出來的？

銀河系之外的宇宙島嶼，以及空間的膨脹

關於大爆炸理論可以追溯到20世紀40年代的科學史。廣義相對論在這個時期大約30年前就已經提出來了，愛因斯坦用一幅更完整、更全面、更幾何化的時空圖景取代了絕對的空間、時間和牛頓引力。

時空不是固定不變的，而是一種由於物質和能量的存在而彎曲的幾何實體，所有的粒子，無論是質量大小，都根據時空的曲率在運動。

1923年，埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）在仙女座星系中發現了可變恆星（變星），並利用變星的周光關係特性推斷出仙女座星系以及後來許多其他螺旋和橢圓星系遠在銀河系之外，是宇宙中獨立的星星島。至此人類的視野也從自己所在的星系擴張到了銀河系之外。

哈勃對變星的研究不僅知道了星系離我們有多遠，而且透過結合這些星系的光譜資料，哈勃發現了一個更為奇怪的星系光譜和距離的關係：平均來說星系離我們越遠，遠離我們的速度就越快。

在廣義相對論的背景下，這完全符合宇宙膨脹中的時空概念！如果我們把星系想象成粘在氣球表面的硬幣，或者一個更加形象的3D類比，像生麵糰裡的葡萄乾，那麼當你給氣球充氣、或者烤麵包時會發生什麼？

每一個星系看起來都在互相遠離，而且星系之間離的越遠，退行的速度就越快！

而星系並沒有相對自己周圍的空間發生運動，任何一個星系都是同樣的情況，說明空間在膨脹！這是在20世紀20年代末勒馬特和30年代羅伯遜和托爾曼等人得出的結論。

這就是大爆炸理論的起點；上世紀40年代的喬治·伽莫夫（George Gamow）有了一個非常重要的認識，宇宙中不只是充滿了物質。

宇宙的能量形式：物質和輻射，以及根據膨脹的宇宙推匯出的早期宇宙

隨著宇宙的膨脹，物質質量總數保持不變，而體積卻在增加，這意味著隨著時間的推移，物質的密度會被稀釋。這也意味著過去宇宙的密度更大。

但是宇宙中也充滿了輻射：來自恆星的光，來自熱等離子體的光，以及來自粒子碰撞產生的光。光是無質量輻射的一種形式，它隨著空間的膨脹表現的和物質有所不同。

隨著宇宙的膨脹，光子的數量保持不變，因此能量密度也會像物質一樣被稀釋。但是對於能量由波長決定的輻射來說，當宇宙膨脹時，根據廣義相對論，光的波長也會拉伸！

波長越長意味著能量越低，所以隨著時間的推移，相對於以物質形式存在的能量，輻射中的能量減少的更快。但是在過去，事實恰恰相反！

在過去輻射相對於物質的能量更大，對宇宙來說也更重要。輻射的能量大於物質，在宇宙的早期這對物質有一些非常重要的影響

我們都知道物質是由原子組成的，而原子又是由電子和原子核組成的。在我們今天的宇宙中，只有少數特定的空間區域，光子的能量高到足以將電子踢出原子：活躍的恆星形成區域，最熱的、最年輕的恆星可以使周圍的中性原子電離。

在年輕的宇宙中，光子/輻射就有足夠的能量來阻止中性原子的形成！這個時期的宇宙熾熱、稠密，以至於無法形成中性原子，整個宇宙都處在電離狀態。

宇宙的密度需要比今天高10億倍，光子的波長需要比今天短1000倍，如果廣義相對論和宇宙的膨脹是正確的，那麼宇宙必然會經歷這樣的狀態。

如果我們回到更早的時代，更小的宇宙，更高的密度，曾經有一段時間，由於輻射的能量甚至原子核都不能形成。宇宙的高溫會把原子核炸成單個質子和中子！

如果質子和中子中有更基本的物質狀態，也就是夸克，回到宇宙更早的時期，中子和質子也會在高溫下分裂！

因此伽莫夫認為宇宙是從熾熱、稠密的狀態開始的，稱之為原始火球，隨後宇宙一直在膨脹和冷卻！幾分鐘後原子核形成，38萬年後，中性原子最終形成。

宇宙微波輻射印證了大爆炸起源說

對宇宙熱大爆炸或原始火球最明確預測是：在天空所有方向上都存在著一種殘餘的輻射，溫度相同並且只比絕對零度高几度，並符合黑體光譜。

在20世紀60年代中期，宇宙殘留的輻射被檢測到了！

阿爾諾·彭齊亞斯(Arno Penzias)和鮑勃·威爾遜(Bob Wilson)利用上圖霍爾姆德爾角天線(Holmdel Horn Antenna)發現了原始火球遺留的輻射特徵。上世紀90年代初，COBE衛星準確地測量了輻射的整個光譜，以確定微波輻射是否符合黑體光譜，或者溫度是否存在較大的波動。

微波輻射完美符合大爆炸的預測！隨後大量的其他預測，如大爆炸的核合成，結構形成的細節，早期宇宙中原始氣體的存在，都被觀察到與伽莫夫理論的預測相一致。

廣義相對論與量子場論的共同推論

牛頓引力定律是GR的近似表述，精密的引力問題需用GR求解。但由於愛因斯坦方程的非線性，使得GR對幾乎所有存在引力相互作用的非孤立物理問題（如兩體、多體問題）都沒有嚴格解。從而不得不用弱場線性近似法、引數化後牛頓(PPN)近似法等來求解。現實中不存在孤立物體，因此，真實的引力問題從未有過真正的嚴格解。由於四個Bianchi恆等式，愛因斯坦方程組有十個未知數卻只有六個獨立方程，導致解不具唯一性。在解引力問題時則是各人加上各自的附加條件（如諧和條件等），這種不確定性使得各學派（如愛因斯坦-英菲爾德學派、福克-周培源學派等）長期爭論不休。經過近百年的磨合，主流的引力理論學界似乎取得了九大共識：‘存在丟失質量’、‘存在暗物質’、‘存在暗能量’、‘存在無限大物質密度的奇性黑洞’、‘存在先峰號飛船的非模型反常加速度’‘引力波是四極輻射’、‘路途中的引力場對電磁波的紅移沒有貢獻’、‘宇宙正在膨脹’、‘宇宙起源於一次大爆炸’。未達成共識的還有‘存在第五種力’、‘日蝕時出現引力反常’等。

從QFT和從GR推匯出的新引力公式 f = f QFT= f GR則不存在不確定性。它用物理質量變化的引力不可線性疊加，取代愛因斯坦方程的數學上的非線性。使得引力問題終於能嚴格求解了，而且對於確定問題所得到的解是唯一的。其重要的實際意義在於：許多現在的和歷史上的引力疑難能得以澄清，而且這種澄清是由GR和QFT一致推論出的，其結果是雙保險的確切結論。

論文《緊密星強引力場的非線性疊加》[12]中，QFT‘質量重整化’的質量可變和GR‘感應能量轉移’的質量可變共同得出引力不遵從力的線性迭加原理，引力自遮蔽效應的非線性迭加公式為：

f = – G∞ (1 – q ) m M r / r 3

其中：q = k M / r 2 = k ρ L S / r 2 = k ρ L Ω.

式中G∞是無遮蔽或r無限大的引力常數,遮蔽係數q表示引力偏離線性疊加的程度。k為單位質量截面。ρ、L和S分別是質量M的密度、厚度和橫截面積。Ω是M對m的立體角。q的計算結果為：

1．對實驗室尺寸的質量，q的範圍為從10– 12至10– 10：用以解釋了上世紀七、八十年代Long、Panov & Frontov、陳應天等和Hoskins等用扭秤法檢驗平方反比定律偏差的測量結果。

2．對地球物理實驗尺寸的質量，q約為10– 6：解釋了Stacey等用岩層、Ander等用冰層和Eckhandt等在塔上用重力儀探測第五種作用力的地球物理實驗結果。

上述實驗結果的q都折算成單位質量屏面k，則各實驗的k數值接近一致，並符合於1920年Majorana實驗得出的k：Majorana用真空天平測量真空管中1274g鉛球的重量，當104kg的水銀在真空管外形成8.4cm厚的遮蔽層時，鉛球減輕了0.00097±0.00016毫克。

3．對月球和地球，q分別約為10– 3和10– 2：歷史上Allais和Saxl & Allen等觀察到的引力異常現象，能用Stacey等人實驗定出的遮蔽截面k = 9.4×10– 13cm2/g給出定量的解釋。

4．對於太陽或單個恆星，q約為10– 1：由星系中恆星連成一線的機率和一串恆星的疊加層的q比串中各恆星q之和更小，估算得出星系的q在0.90~0.95的範圍。符合於實際觀測到的976個星系的轉速-距離曲線的所謂“反常”。當認為引力肯定滿足線性迭加原理，就會得出976個星系的轉速-距離曲線存在真實反常的結論，並引入比星系的光度質量大十至二十倍的‘暗物質’來解釋。

5．對於總星系，q無限接近於1：臨界半徑之外的星體不再貢獻引力。即使宇宙無限大，也不存在引力佯謬。

6．對於中子星, 1Km厚的中子星外殼的遮蔽層q =1：核物理實驗測得的電子中微子對核子的散射截面為1.1×10– 43cm2,其單位質量截面k為6.6×10–20 cm2/g。Stacey等實驗定出的k = 9.4×10– 13cm2/g，是虛中微子對原子散射的單位質量截面。因為截面正比於德布羅依波長的平方，電子與核子的截面之比為3.4×106 ，虛中微子對核子散射的單位質量截面k就為2.8×10–19 cm2/g。由q = k ρ L Ω，取中子星的密度2×1014至1×1015 g/cm3的最小值，立體角Ω取1，則q=1.3~5.6×10–5 cm– 1 L。當L不到105cm，就有q = 1。中微子和虛中微子能輕易穿過太陽和和地球，卻穿不過1Km厚中子星的外殼。實際上，取球面Ω= 4π，則100m厚的中子星外殼就能完全隔絕中微子和虛中微子，當然更能隔絕光子。中子星內部是一個對外沒有資訊交流也沒有引力作用的黑洞。中子星對外界等效於一個乒乓球般的空殼，它可以快速旋轉，它的質量與半徑也不受限制。這個結論將影響到脈衝星、類星體以及冷的和/或快速轉動的緊密星的表面產生X射線的機制。

論文《愛因斯坦方程非線性效應引起的中子星內部黑洞》[13]還指出：星系中心的中子星形成時對外引力作用的突然減小，星系中心對邊緣星體的引力約束以及星系間引力就大為減弱，這正好表現為觀測到的星系轉速-距離曲線反常的‘暗物質’和宇宙加速膨脹的‘暗能量’現象。引力的自遮蔽效應使得中子星內部引力不可能超過中子氣的簡併壓力，中子星決不可能進一步塌縮形成無限大密度、無限大引力的奇性黑洞。

論文《星際的和星系際的介質引起的大尺度高紅移》[14]得出：由新引力公式質點 A（質量m）繞質點B（質量M）運動一圈的閉合迴路積分的能量損失率為：

η = ΔE / E = ∮f ·d s / m c2

= ∮f P ·d s / m c2 +∮f C·d s / m c2

= ∮f C·d s / m c2

= – 4π2 G M / c3T.

這正是引力的偶極輻射公式。直接證實了國際引力與相對論天體物理學會主席 C.W.Will [15]的猜測：引力波是偶極輻射而非四極輻射。

η redshift = ΔE / E i = (E–E i ) / E i =∫f·d s / E i = – 4 G M / c2D

宇宙的大爆炸，從比較公認的角度來說，大致有以下三個證據。

其一是星系的普遍紅移現象，其數值平均為0.1；其二是存在著宇宙的微波背景輻射溫度，該溫度約為絕對溫度2.7k；其三是宇宙中的元素丰度符合宇宙大爆炸的理論模型。

由於我們人類認識的有限性，對於同一個現象可以有多種不同的解釋。比如瞎子摸象，就區域性而言，象腿的確像柱子，象耳朵被猜測為扇子也並不為過。

只是，由於每個區域性的猜想是相互矛盾或割裂的，所以我們才否定了瞎子們的結論，需要明眼人給出一個有機統一的解釋，告訴我們剛才所摸到的，是一頭具有生命力的大象。

哈勃認為，星系之所以具有普遍的紅移，是因為所有天體的相互遠離，是光的運動紅移。光速為了保持與作為物理背景的量子空間的速度不變性，當光子脫離了作為光源的天體時，會改變其運動速度，使光子的部分勢能轉化其動能。

然而，光的運動紅移僅只是數種紅移之一。而且，由於光子的質量很小，由速度的增大導致頻率的減小，是非常有限的。因此，星系平均百分之十光速的遠離，不足以產生平均0.1的紅移。所以，星系的普遍紅移並不能證明宇宙的膨脹。

實際上，在各種光的紅移中，只有耗散紅移是可以隨著光的傳播而積累，從而遠大於其他的紅移；只有耗散紅移可以用來說明天體的普遍紅移現象，說明宇宙中存在著由無數個量子構成的物理背景，該背景部分地消耗了光子的能量。

對於宇宙微波背景輻射溫度的解釋，也是如此。其既可以被想象為是宇宙的膨脹結果，使早年的高能量子失去了能量；也可以被認為宇宙原本就是如此，作為最小粒子的量子始終都只有這麼一點能量，即宇宙始終是一成不變的。

至於宇宙中元素的丰度，即各種元素的存在比例，的確可以由現有的粒子理論推論出宇宙的大爆炸。但是，任何理論都僅只是相對於已有的現象關於自然界的同構系統。其遲早會因為發現新的現象而不再與自然界同構，為新的理論所取代。

總之，上述三個證據並不充分，沒有使我們形成有機統一的認識，沒有讓我們看到“大象”的整體面貌，它們不足以證明我們的宇宙起源於極速的膨脹。

那麼，宇宙是否始終都是以穩定的靜止狀態存在的呢？當然不是！因為，從哲學上來說，只要宇宙是一個具體的物體，其必然是運動和變化的。否則的話，就無法維持其耗散結構，就不可能成為一個有機的整體。

那麼，是否存在著物理上的宇宙膨脹證據呢？我認為，物質的存在就是宇宙早年極速膨脹的最為有力的證據。

根據愛因斯坦的質能公式，能量與質量是可以相互轉化的。然而，考慮到熵增原則，質能轉換的方向，只能是由封閉的質量（物質）轉化為離散的能量。

在現實世界中，也的確如此。恆星的發光，就是質量轉化為能量的過程。此外，我們只看到原子的衰變以及透過核反應釋放能量，卻並沒有觀察到大規模的能量轉化為物質的現象。

因此，由質量轉化為能量，說明在很早以前，一定存在著能量產生質量的過程。只是環境的改變，使能量生成物質的條件不再具備，從而改變了質能互換的方向。

根據耗散理論，只有當局部遠離平衡態時，才有可能使該區域性形成熵減的耗散結構，使離散的能量聚集為封閉的物質。

對於宇宙而言，其若想使區域性遠離平衡的狀態，只有以大爆炸的方式來實現。當宇宙的膨脹速度遠大於其內部的傳播速度時，宇宙的內部量子空間就會越來越不平衡，導致了局部的高能區域，從而形成了作為耗散結構的各種基本粒子。

這就好比是，只有攪動清水，才能使水產生大小不一的氣泡。而當我們停止攪動清水時，各種已經形成的氣泡會逐漸地消失，還原為離散的水分子，成為水的一部分。

總之，由於物質的存在，由於作為耗散結構的物質正在逐漸地消失，轉化為能量；要求我們的宇宙，在早年並不是像現在這樣相對的平靜，其必然有一個極速膨脹的過程。

所以，物質的存在以及物質正在轉化為能量，證明了宇宙早期的大爆炸。而宇宙的微波背景輻射溫度，目前其之所以僅有2.7k，相當於攝氏零下270度的低溫，是緣於宇宙的膨脹和對外的做功。

由此，使我們對宇宙獲得了一個有機統一的認識。宇宙是由無數個不可再分的最小粒子構成的。

離散的基態量子構成物理背景，受到激發的量子為光子屬於能量的範疇，而由高能量子組成的封閉體系就是各種基本粒子屬於物質的範疇。

而能量與質量的相互轉化，就是我們宇宙演化的最為基本的形式。所以，宇宙是變化的，其有一個由極速的膨脹到相對穩定的變化過程。