#新作者扶植計劃 第二期#

宇宙，這個既熟悉又陌生的詞，彷彿時刻伴隨我們在身邊，卻又如此的遙不可及。宇宙本來是指所有的空間、物質、時間以及事物的總稱，但是隨著人們對宇宙進一步認知與猜測，“宇宙”一詞已經變得模糊了。比如多重宇宙、多維空間是屬於“宇宙”的範圍嗎。接下來所說的宇宙指目前所在的這片大空間，包含各個星系，同時這空間也是有限的，但沒有邊界，這個也不難理解。

———————宇宙大爆炸篇——————

宇宙大爆炸論

宇宙大爆炸論作為現代宇宙學最具有影響的理論。比利時天文學家勒梅特在1927年提出宇宙大爆炸理論假說，認為宇宙是由一個密度非常大的熾熱的奇點，經過爆炸後膨脹，隨著時間的推移形成我們現在的宇宙。當初勒梅特提出來時候，科學界對該理論的態度似乎也不認可。

奇點：我們可以把它看做一個點，密度無限大、熱量無限高、體積無限小、時空曲率無限高的點，一切物理定律在該點都失效。

宇宙大爆炸證據

隨著人們的努力探索，收集到宇宙的更多資訊，讓科學界慢慢的接受宇宙大爆炸論。

1.哈勃紅移：

由於光的多普勒效應，遠離我們的恆星所發出來的光的光譜會向紅色方移動一段距離。

多普勒效應：在生活中，以聲波作為例子，波源向觀察者接近時，觀察者接收到的波頻率高，波長較長，反之波源遠離觀察者時所接收的頻率低，波長較短。多普勒效應不僅適用於聲波，而是適用於所有的波。

由於光具有波粒二象性（簡單理解又是粒子又具有波的性質）適用於多普勒效應。在白光光譜中，紅色光的波長較長，藍色光波長較短，舉個例子一個白色光源，如果飛速遠離我們，我們將看到它顯橙紅色，反之我們看到綠藍色。如下圖所示

1929年，美國天文學家哈勃用望遠鏡觀測河外星系（銀河系外面的星系），細心觀察發現一個現象，遠距離的星系要比近距離的星系顏色稍微紅一些。那些遙遠星系的顏色“紅化”意味著它們光波波長稍長。哈勃經研究多個星系的特徵光譜後，確定星系正以飛快的速度原理我們而去。這個重大發現更加說明了宇宙正在膨脹。

小知識：v = Hd，v為退行速度，d為距離，H為哈勃常數，根據星系普線紅移換算出退行速度，就可以算出距離了。

2.宇宙微波背景輻射：

宇宙微波背景輻射：爆炸時溫度極高而產生的熱輻射，隨著爆炸後空間的膨脹而導致溫度越來越低，至今還遺留的熱輻射。

宇宙論鼻祖勒梅特認為現在的宇宙還遺留著大爆炸後的熱輻射溫度，其溫度大約為6K

K為開爾文溫度，熱力學常用單位。

換算：開氏度 = 攝氏度 + 273.15

二十世紀六十年代，美國科學家彭齊亞斯和威爾遜建立了高靈敏度的接收天線系統。到了1964年，天線系統接收到了來自宇宙的“聲音”，其波長約為7cm的噪聲，經過轉換成溫度和精確修正後為3K。這3K代表宇宙微波背景輻射溫度，雖然和勒梅特預言的值相差一半，但也確定了的確存在宇宙微波背景輻射。

3.氫氦豐富度

根據目前的微波背景輻射溫度可以計算出大爆炸起初溫度為10³²度，一秒後約100億度，就這個溫度而言再加上爆炸因素，那時物質都會被“炸”成最基本的成份，簡單理解為都被炸成非常小的微粒，比如質子、中子、電子等這些，形成一鍋“湯”。隨著空間膨脹溫度冷卻，慢慢的核反應就開始了。

夸克：物質構成的基本單元。

核反應：原子核與入射粒子（或原子核）碰撞導致原子核發生變化或者形成新原子核。

氦元素是氫元素的核聚變反應產生，需要極高的溫度，比如太陽是這樣核聚變釋放出大量能量。

根據大爆炸理論，爆炸後10秒，溫度降到30億度時，開始有核力束縛中子和質子結合形成穩定的氦元素，而質子和電子合成氫元素（氕），於是宇宙中會含有大量的氫和氦元素。

大爆炸理論計算出約1/4的品質合成氦原子核，餘下的質子合成氫原子核，這跟目前天文學家測量的結果差不多。

4.原始引力波

廣義相對論中預言宇宙誕生之初，產生一種時空波動，簡單理解就是“空間在顫抖”，科學家說原始引力波如同大爆炸後留下來的“餘響”。而廣義相對論的光線彎曲、水星近日點進動、引力紅移等現象都被證實，只剩下這個引力波了。宇宙誕生時間約138億年了，空間無比巨大，引力波如果真的存在，也是微乎其微了，基本難以檢測到。

在2016年，LIGO合作組宣佈，他們探測到了兩個黑洞在13億年前的併合產生的引力波。雖然證實了引力波的存在，但宇宙大爆炸所產生的引力波還待檢測。

宇宙大爆炸總結

由一個熾密的奇點爆炸後，物質以微粒子形式存在，質子、中子、電子及光子等粒子，隨著溫度降低慢慢形成原子、分子，然後產生了氣體。氣體逐漸凝聚成了星雲，星雲進一步演化成各種恆星和星系，這個過程空間不斷地膨脹，最後形成現在的宇宙。

星雲：由稀薄氣體和塵埃構成的天體之一，主要成分是氫和氦。

恆星：能自發光的星體，如太陽，夜空中能看見的星星大多數是恆星。

大爆炸理論簡單反思星系加速退離現象（紅移），雖然已被證實，但是一定代表空間在膨脹嗎？所謂的奇點聽起來似乎太誇張化了，奇點一直都是個迷。

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———————宇宙大反彈篇——————

在宇宙大爆炸的角度，開始前時空都被擠壓扭曲在一個奇點，爆炸後時空開始膨脹，那麼爆炸前奇點的“外面”是沒有時空的。這套想法讓人有點摸不著頭腦，我們假設時空固然存在，那麼這個時空又是怎麼來的？

時空：時間和空間，簡單理解為時間是由空間內物質運動所產生，因為運動需要時間嘛，聯絡一起成為時空。

暴漲需要滿足條件

宇宙大爆炸理論必須滿足兩個條件，物理定律的普適性和宇宙學原理，就個人而言認為這兩個條件存在的可能性不大。在發生爆炸一段時間後，必須有一片空間滿足廣義相對論方程的適用，也代表了量子漲落已經平息，其次是這片空間足夠平坦和能量均勻分佈，這個能量能使暴漲速度加快，只有這樣才能“暴漲”成現在的空間。

物理定律普適性：表示物理學上的定律（方程）在空間各個局域都能適用。

宇宙學原理：目前科學探測的宇宙尺度為150億光年，在大於一億光年的空間範圍內，物質的空間分佈均勻和各向同性，應用於建立標準的宇宙學模型。

廣義相對論方程：主要用於推導空間彎曲，物質運動。把時間、空間、物質、運動這四個自然界常用物理量聯絡起來，經科學驗證其準確性。

量子漲落：量子力學裡面空間任意位置的能量暫時變化。可以理解為在一定範圍內，能量出現位置不確定性，似乎有概率性出現很快又消失。

廣義相對論的失效

目前宇宙中的星系隨著時間推移相互遠離，把時間逆流回去，那麼這些下星系在138億年前都是彙集在一起，成了一個密度和溫度無限大的奇點，而廣義相對論中恰好允許有奇點的存在。無限大密度的說法太過於不可思議，也不現實，標誌著廣義相對論也不夠完善。

宇宙微波背景輻射

歐洲空間局公佈了發射的普朗克衛星得到的宇宙微波背景圖譜（CMB），這張圖是為我們提供了宇宙初期影象。藍色部份代表宇宙背景溫度較低的區域，紅色部分代表宇宙背景溫度較高區域。

根據上面的宇宙微波背景圖和歷史上研究的一些背景圖譜，可以看出熱點和冷點分佈的模式幾乎是一樣的，這個性質被科學家稱為“標度不變性”。圖中的冷點和熱點的溫度相差不大，也有可能非常大，或者居中都有可能。

暴漲帶來的多重宇宙

我們假設爆炸後產生了空間，這個時候物質仍是被壓縮成高密度狀態，在這種狀態中物質以粒子形式存在，那麼可以用量子物理來解釋。在1983年理論科學家們就意識到一個問題，在暴漲場中量子跳躍雖然稀少但還是能夠改變暴漲過程。

量子跳躍：即粒子在有限機率下“穿越隧道”來到另一個空間，可以穿過不可滲透的障礙物。跟量子漲落一樣。

假設暴漲場強度在空間內均衡，但是考慮到量子跳躍效應，局域空間暴漲強度不一樣了。假設有一個量子跳到正常膨脹的局域空間，那麼帶來的能量足以改變該局域空間的暴漲能量，讓該空間暴漲持續時間更久，空間膨脹越大。停止暴漲的局域空間將會被（“身邊的”）暴漲局域的所擠壓導致萎縮，萎縮後量子跳躍性質又跳到某些已結束暴漲局域使其繼續暴漲。這樣的進行下去，產生很多個結束的暴漲空間，這些空間都能創造出一個小宇宙，這就是多重宇宙說法的來源，簡單理解就是多個空間，但不是多維空間。

由於量子不確定性隨機漲落，這些空間的物理性質也會不一樣，物質分佈也不會均勻，按理來說宇宙微波背景輻射的冷點和熱點分佈模式也不會遵守標度不變性。究竟是什麼原因呢？

宇宙大反彈取代大爆炸

由於各種疑問，部分宇宙理論學家們重建了“大爆炸歷史”，有一種可能情況是，宇宙中由於引力作用使所有物質匯聚，當密度增長到足夠高時，由於斥力的作用使物質再度“擴散”，宇宙學家稱這現象為反彈。

大反彈理論可以說是迴圈了，引力作用擠壓再反彈，再擠壓再反彈……

宇宙大反彈總結

這個大反彈理論能解釋紅移現象，宇宙微波背景輻射標度不變，擠壓到一定密度時，物質被碾壓至微粒化，溫度也足夠造成氫氦的豐富度，至於爆炸產生的時空引力波，至今還未探測到。拜託了空間的膨脹理論同時也免去了量子物理上的複雜，物理定律在各個局域空間有效，滿足兩大條件，簡單易懂的物極必反道理，似乎比大爆炸理論更好解釋當前宇宙性質。

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————————思考總結———————

宇宙大反彈理論真的取代大爆炸理論了嗎？大反彈理論只是對於當前宇宙性質更好的描述，但是有一個問題，宇宙是怎麼來的？大反彈的理論是基於空間和物質都存在的基礎上解釋當前宇宙性質。

換一個角度考慮，它們兩個說的都對，由於宇宙大爆炸創造了宇宙，暴漲出來的一片大空間，當然可能包含多個宇宙，這片大空間的各個局域宇宙空間根據量子性質使所有局域空間結合成了整個穩定大空間，類似於泡沫結合原理（幾個泡沫堆在一起，會結合成一個大泡沫，洗衣服時候常看到）。形成這個穩定大空間經歷長時間誕生了各種星系。

再根據大反彈的理論，過程可能反彈了1次，也可能反彈了N次，誕生了我們現在的宇宙。別忘了宇宙計算的年齡是由星系退行速度基礎上算出來的，只能說是當前宇宙誕生年齡，但不代表這個大空間的年齡，宇宙還有不知道多少個“前世”呢。

拋開奇點這個疑問，如果按照M/弦理論，真可能會有奇點，雖然M/弦理論夠科幻。此猜想的結果得到目前只有一個宇宙，並無多重宇宙的存在，至於外星文明呢？去別的星系找找看有沒有。

————————宇宙外界———————

那麼宇宙外界是什麼？我們暫時拋開宇宙的有限無界說法，假如到了宇宙的邊界，我們會碰到“無形的牆”，明明什麼都沒有，就有一個類似於牆的東西擋住了去路。

有限無界：比如地球，體積是有限的，但沒有邊界，怎麼走都走不完。

那麼這無形的牆外面又是什麼？如果這麼想下去那就永無止境了，永遠找不到答案，直接轉化思維，牆的外面是裡面，裡面不就是我們宇宙嗎？對，確實是。有限無界來源於三維球體例子，那麼宇宙會不會是來源於四維球體呢？這個答案只能等待以後的思考和探索揭曉了……