BIGBANG的起源从何而来？
毕昇
创造的爆炸
在宇宙诞生之前，没有时间，没有空间，没有物质，也没有能量。大约6543.8+05亿年前，在这个空无一物的“虚无”中，一个无限小的点爆炸了。从这一刻开始，产生了物质和能量，这就是宇宙创造的大爆炸。
新生的宇宙又热又密。随着宇宙的迅速膨胀，其温度迅速下降。在第一个1秒之后，宇宙的温度下降到大约1000亿度。此时的宇宙是由质子、中子、电子形成的一锅基本粒子汤。随着汤继续变冷，核反应开始发生，产生各种元素。这些物质的粒子相互吸引融合，形成越来越大的团块，逐渐演化成星系、恒星和行星，个别天体上也出现了生命现象。然后，能够理解宇宙的人类终于诞生了。
这张大爆炸的图片是目前关于宇宙起源最可能的解释，被称为“大爆炸模型”。生活大爆炸理论诞生于20世纪20年代，在40年代得到了补充和发展，但一直默默无闻。直到20世纪50年代，人们才开始广泛关注这一理论，但只是觉得好笑，不服气。人们更愿意认为宇宙是稳定永恒的。
但是，越来越多的证据表明，大爆炸模型在科学上是强大的，至少现在没有比它更好的理论了。我们必须相信宇宙有始有终。它来源于“无”，也可能最终回到“无”。
永恒的沉默
在人类历史的大部分时间里，创造的问题总是留给上帝去解决。宇宙起源于哪里？终点在哪里？生命是如何产生的？人类是如何出现的？对于这些问题，很多宗教都能给出系统的答案。至于上帝从哪里来，这种问题不应该问。直到最近几个世纪，人们才开始学会把上帝放在一边，从宗教之外的角度思考世界的起源。这样就有一个重大的原则问题需要解决:宇宙是永远存在的还是有开端的？
这个问题长期困扰着科学家、哲学家和神学家，更不用说普通人了。不同版本的宗教和神话都认为世界是有开端的，并将创世时间设定在不太遥远的过去——通常是几千年前。这当然不可信，因为后来的地质和天文观测表明，地球和其他天体的年龄都有几亿年之久。很难想象这么长的时间，所以很多人倾向于认为宇宙一直存在，在时间上没有起源，也就是宇宙的年龄是无限的。无限的概念让人晕头转向:既然过去了无限的时间，那我们的“现在”是什么？而如果宇宙有一个开端，它是如何从“无”中突然冒出来的？我们真的需要一个创造世界的上帝吗？
以人类短暂一生所获得的知识，很难完全理解这些。但是，我们可以寻求一些科学证据来尽可能地接近真相。大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄是有限的。这种说法令人信服的直接原因来自热力学第二定律，这是物理学中最基本的定律。这个科学史上最可悲最绝望的定律，似乎已经规定了宇宙的命运。
简而言之，第二定律认为热量从热的地方流向冷的地方。对于任何物理系统来说，这都是一个显而易见的特征，并没有什么玄机:沸水冷却，冰淇淋变成糖水。如果你想逆转这些过程，你必须消耗额外的能量。最广义的第二定律认为宇宙的“熵”(无序度)与日俱增。比如机械表的发条总是越来越松；可以拧紧，但是需要一点能量；这种能量来自你吃的一片面包；面包用小麦在生长过程中需要吸收阳光的能量；为了提供这种能量，太阳需要消耗它的氢进行核反应。总之，宇宙每一部分熵的减少，必然是以其他地方熵的增加为代价的。
在一个封闭的系统中，熵总是增加，直到不能再大。此时系统内部达到完全均匀的热动态平衡状态，除非外界给系统提供新的能量，否则不会发生变化。对于宇宙来说，不存在“外界”，所以宇宙一旦达到热力学平衡状态，就会彻底消亡，万劫不复。这一幕被称为“热寂”。
宇宙正缓慢而坚定地走向这不可抗拒的命运，一代又一代的智者怀疑人类的存在是否有意义。让我们抛开这种压抑，做一个简单的推理，就可以发现宇宙不可能有无限的过去。很简单，如果宇宙无限古老，它早就死了。以有限速度进化的事物不可能永远持续下去。换句话说，宇宙一定是在有限的时间之前诞生的。
星星离我们很远
第二定律表明宇宙有一个开端。19世纪的一些科学家已经模糊地谈到了这个结论。比如英国哲学家威廉·杰文斯提出1873中应该有一个“创造时刻”。然而，大多数科学家忽略了这一推论，这只是后来成为大爆炸模型的证据之一。这个模型最早的理论基础是爱因斯坦的广义相对论，经验基础是19年末20世纪初的天文观测。
大家都非常熟悉多普勒效应。最常见的例子是火车经过时的汽笛声:当火车快速靠近我们时，汽笛声的音调升高，但当它远去时，音调降低。音调的变化是由于声波相对于我们频率的变化。
多普勒效应不仅适用于声波，也适用于光波。当移动光源的光波到达我们的眼睛时，光波的频率会相应发生变化。如果光源向我们移动，我们看到的光会向光谱的高频端(紫端)偏移；相反，如果光源离我们很远，光波就会向光谱的低频端(红端)偏移。
多普勒效应是奥地利天文学家多普勒在1842年首先发现的。它首先被用来观察太阳和行星的旋转。1968年，英国天文学家w·哈金斯首次应用这一原理测量了天狼星的视速度，并宣布它正以每秒47公里的速度离开我们。这个数字不准确，但基本结论是正确的。此后，世界各地的天文学家对其他恒星甚至河外星系进行了大量类似的观测。发现星系光谱存在普遍的红移。除了最近的星系，所有的星系都在远离我们。
1929年，天文学家埃德温·哈勃提出，这些星系的退行速度是有规律增加的，一个星系的退行速度与它的距离成正比。这个定律被称为哈勃定律，很快就被天文观测所证实。
星系离得越远，速度越快。为什么？想象一个表面有圆点的气球。当气球膨胀时，这些点相互远离。假设有一个小人站在任何一点。在他看来，其他所有的点似乎都在远离它，离它越远，速度越快。不管站在哪里，效果都一样。这也意味着哈勃定律绝不意味着地球是宇宙的中心。
星系的遥远行为让人觉得宇宙在膨胀，就像一个膨胀的气球。天文学家现在大多承认宇宙正在膨胀的事实。而且爱因斯坦广义相对论中“场方程”的解释可以和膨胀的宇宙相一致。
爆炸的起点
由于宇宙一直在不断膨胀，因此有理由想象它过去应该比现在小。如果能把宇宙的电影史倒过来看，应该会发现很久以前的某个时候，所有的恒星都在一起，宇宙本来就是一个致密的物质核心。
1922年，苏联数学家A·A·弗里德曼首先提出了这种可能性。当时还没有提出哈勃定律，弗里德曼完全是通过理论推导得出这个结论的。在此之前，爱因斯坦发现他的方程只能描述膨胀或收缩的宇宙。然而，这位科学大师缺乏预言宇宙不是静态的信心，于是他强行在方程中引入一种排斥力，描述了一个静态的宇宙。
弗里德曼指出，爱因斯坦的静态宇宙极不稳定，不可能维持，一个膨胀的宇宙更合理，尽管这听起来很奇怪。爱因斯坦被说服了。年轻的弗里德曼率先预言了宇宙的膨胀。不幸的是，天才羡慕他，弗里德曼未能看到他的理论被哈勃证实。他于1925年死于伤寒，年仅37岁，功绩鲜为人知。
1927年，比利时天文学家勒迈特独立发展了一个类似的宇宙膨胀理论。因为宇宙一直在膨胀，所以在过去的某个时刻会很小很密。这个东西被勒迈特称为宇宙蛋。他还提出，宇宙一直在膨胀，是从过去的一次超级爆炸开始的；今天的星系是宇宙蛋的碎片；而星系互相撤退，这是很久以前那次爆炸的回声。
勒迈特的成就当时并没有引起人们的注意，直到一位更有声望的英国科学家爱丁顿阐述了膨胀宇宙论，才引起科学界的普遍关注。直到上世纪三四十年代，俄裔美国物理学家加莫夫才真正普及了宇宙起源于爆炸的观点。有趣的是，“大爆炸”这个词是由一个大爆炸理论的反对者创造的。天文学家霍伊尔认为，认同宇宙大爆炸模型就等于“公开邀请创世论”，向上帝妥协，这不是一种严肃的科学态度。
一般来说，大爆炸模型是这样的:宇宙在不断膨胀，膨胀的速度会因引力而随时间变化。万有引力作用于宇宙中所有的物质和能量，起到刹车的作用，阻止星系耗尽，从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期，宇宙从高密度状态迅速膨胀。随着时间的推移，宇宙的体积越来越大，膨胀速度越来越小。把这个过程追溯到宇宙产生的那一刻，可以发现宇宙的体积为零，膨胀速度无穷大。这就是大爆炸。
大爆炸是空间、时间、物质和量的起点。在大爆炸之前，这些概念都无法推断。大爆炸之前是什么，是什么导致了大爆炸，在逻辑上是没有意义的。在那之前的一切都只是“虚无”。
这个结论不容易接受。1948年，创可贴和黄金两位奥地利天文学家提出了另一种理论，承认宇宙膨胀，但否认大爆炸。后来，英国天文学家霍伊尔发展并推广了这一理论，称之为“连续创造理论”。该理论认为宇宙是稳定的；在星系弥散的过程中，不断有新的星系从太空中产生；形成星系的物质是无中生有的，其移动速度非常慢，现有技术无法探测到。结论是宇宙始终处于同一状态，在无限的过去和无限的未来中一直是这样，没有开始，也没有结束。
十几年来，宇宙大爆炸和连续创造理论和争论一直很激烈，但没有实际证据来决定哪一个是对的。这期间“大爆炸”一词是贬义词，引申的意思是“不正经”“可笑”。
火焰的余辉
热寂静和宇宙膨胀等理论似乎不足以让大多数人相信大爆炸的存在。如果在过去的某个时间发生了大爆炸，那么如此惊天动地的力量是否给今天的宇宙结构留下了某种印记？既然那么多宗教考古学家热衷于寻找伊甸园旧址和亚当夏娃的文化遗迹，科学家是否应该探索宇宙创造的遗迹？
1948年，加莫夫指导的年轻研究生R·A·阿尔夫在博士论文中提出，宇宙起源于约14亿年前的一次大爆炸，并详细描述了宇宙诞生最初几分钟内基本粒子结合成元素的过程。论文题目是《化学元素的起源》，发表在《物理评论与通讯》杂志上。在这篇文章中，Gamov玩了一个文字游戏，在论文中添加了没有对这项研究做出贡献的物理学家H Bate的名字。这样，论文的三位作者阿尔夫、伯特和加莫夫的名字就和希腊字母表的前三个字母阿尔法、贝塔和伽马颇为相似。这对于一篇关于宇宙起源的论文来说真的很合适。
本文给出了大爆炸理论的第一个数学模型。此后不久，阿尔夫与另一位科学家赫尔曼一起在《自然》杂志上发表了另一篇论文，提出了证明宇宙大爆炸理论的方法。
根据大爆炸理论，在最初的几分钟，宇宙是一个充满光辐射的炽热火球，温度高达几十亿度。由于此时宇宙处于热平衡状态，这种辐射具有独特的光谱特征，称为“黑体光谱”。随着宇宙的膨胀，辐射的温度不断降低，但仍然保留了黑体光谱和整体均匀性的特征。根据计算，现在的宇宙中应该存在温度在5K左右的背景黑体辐射。
这个杰出的预言在当时并没有引起重视，而是被埋没在浩如烟海的物理文献中。1948年，没有电脑和互联网的时候，科学家之间的交流是无法和今天相比的。阿尔夫和赫尔曼不是射电天文学家，所以他们无法设计合适的探测器在太空中搜寻宇宙大爆炸的残余辐射——即使他们愿意那样做，他们当时也没有足够的技术实力。此外，在20世纪40年代和50年代，对于大多数物理学家来说，重现宇宙早期历史的细节并不是一项严肃的学术活动。
许多年以后，在1965年，贝尔实验室的两位无线电工程师A·彭齐亚斯和R·威尔逊在校准一个用于跟踪卫星的非常灵敏的天线时，偶然发现接收机中有一些噪声。这说明宇宙沉浸在一种辐射中，这种辐射相当于电磁波谱的微波波段中波长为7.35厘米的某种无线电信号，以相同的强度从空间的各个方向发射到地球，在大尺度上分布非常均匀。它的温度约为3K，其谱线具有完美的黑体光谱特性。与此同时，由普林斯顿大学的R·迪克领导的科学家团队独立地重新发现了阿尔夫和赫尔曼做出的更早的预测，并着手设计一种探测器来搜索宇宙大爆炸的残余辐射。当他们听说贝尔实验室发现的辐射后，立即将其解读为宇宙大爆炸后宇宙中原始高热的残余，也就是大爆炸火球的最后光芒。
因为这种背景辐射的频率集中在微波波段，所以称为微波背景辐射。大多数天文学家认为它的发现为大爆炸理论提供了确凿的依据。所以大部分人接受大爆炸曾经发生过，抛弃了连续创造论。因为这个发现，彭齐亚斯和威尔逊获得了1978诺贝尔物理学奖。然而，最早预言微波背景辐射的阿尔夫和赫尔曼并没有因此获得荣誉，甚至在许多总结大爆炸理论发展史的文献中被遗忘。
还需要提到的是，1983年，人们开始了解到苏联射电物理学家西蒙诺夫可能早在1958年就发现了这种辐射，并用俄语宣布了这一事实。Shimanov建造了一个对微波信号敏感的天线，并报告说他在天空的各个方向上探测到了某种均匀的信号，相应的辐射的温度在1K到7K之间。当时，他和其他任何人都不知道这个发现的重要性。事实上，直到1983，希曼诺夫才听说了宇宙大爆炸的预言，以及彭齐亚斯和威尔逊的发现，那是他们获得诺贝尔奖之后的五年。和阿尔夫、赫尔曼一样，西蒙诺夫也没能得到应有的荣誉，科学史上也常有很多这样的遗憾。
前三分钟
大爆炸是什么时候发生的？因为红移很容易测量，所以我们相当准确地知道星系回归的速度。但是要确定宇宙的年龄，还必须确定星系之间的距离。距离越长，星系回到现在位置的时间就越长。但是距离不好确定。关于宇宙的年龄，科学界众说纷纭。一般来说是在100-2000亿年之间，比较流行的观点是150亿年。我们不知道宇宙大爆炸到底过去了多久，但我们更了解宇宙大爆炸后1秒到几分钟内发生了什么。
第一个1秒是宇宙历史的分水岭。在这一瞬间之后，宇宙的温度下降到了一定程度，可以用我们现有的物理知识来描述，从而获得一个大致准确的宇宙鸟瞰图。1秒之前，稠密、炙热的宇宙是一堆人类无法理解的粒子，现有的物理定律无法描述它们的行为。这是1秒的黑盒类型。
在1秒之前，宇宙中应该有等量的质子和中子，因为弱相互作用会使质子和中子相互转化，维持它们数量的平衡。但在1秒，膨胀速度变得过大，弱相互作用不再能维持质子和中子数的平衡。因为中子比质子略重，所以质子转化为中子需要更多的能量，这比中子转化为质子更困难。然后，弱相互作用停止，中子和质子不再大量相互转化，剩下一定比例的中子和质子的相对数量——大约1比6。
在最初的1秒后，3分钟内，中子和质子发生剧烈聚合，形成氘、氦和锂原子核，主要是氦原子核。这个过程耗尽了所有的中子，剩余的质子变成了氢原子核。3分钟后宇宙温度降到100亿度以下，物质密度也迅速下降，于是这种核反应就停止了。计算表明，在最初的三分钟内，约有22-24%的物质形成氦4，剩下的物质几乎都以氢的形式存在，只有十万分之几的部分变成氦3和氘，百亿分之几的部分变成锂。
所以大爆炸模型预测宇宙中22-24%的物质应该是氦，其余大部分是氢。前三分钟形成的氢和氦构成了宇宙中99%以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素，只占宇宙总质量的不到1%，大部分形成于大爆炸后很久。
对全宇宙氦、氘等元素的观测证明了上述丰度值的普适性。简单的大爆炸模型和严格的天文观测之间有着奇妙的一致。这个预言是大爆炸最大的成功。
时空的尽头
大爆炸模型并不是终极真理。它只是现有的宇宙起源理论中最好的，但仍有许多未解决的问题。比如前三分钟之后的很多年，物质如何聚集成团形成星系和恒星，仍然是一个模糊的过程。另外，把“大爆炸前是什么”简单归类为逻辑上不合理的问题而不去回答，似乎有点不负责任，虽然很聪明。
对于大爆炸模型，科学界的一个主要分歧是宇宙是“开放的”还是“封闭的”。这个问题关系到宇宙的终结。
据推断，宇宙的形成大约是10-200亿年前。天文观测表明，各种天体的年龄都不到200亿年，这与宇宙大爆炸理论非常吻合。我们的地球大约形成于50亿年前，人类出现的历史太短，无法提及。宇宙还年轻，担心末日对一个单身的人来说是很无聊的。但是，为了全人类的命运，有必要思考这个问题。
根据大爆炸模型，宇宙诞生后不断膨胀，同时物质间的引力约束了膨胀过程。如果宇宙总质量大于某个值(临界质量)，那么总有一天宇宙会在自身引力的作用下收缩，造成与大爆炸相反的“大坍缩”，这样的宇宙就是“封闭的”。如果宇宙总质量小于这个值，引力不足以阻止膨胀，宇宙将永远膨胀，也就是“开放”。
开放宇宙理论和封闭宇宙理论都很流行，而且相持不下。这是因为衡量宇宙太难了，无论从实际观测还是理论推导都不容易做到。近年来的天文观测似乎更支持开放理论，即宇宙总质量太轻，达不到引起收缩的临界质量；甚至有人声称发现了导致宇宙加速膨胀的“反引力”。然而，这些结果都不是决定性的。
有趣的是，科学家发现无论宇宙是开放的还是封闭的，都必须非常接近临界质量。如果质量太大导致引力太大，宇宙膨胀后很快就开始收缩，活不长。这样一来，恒星形成都来不及了，更别说生命和人类了。如果宇宙的质量太小，宇宙就会膨胀得太快，物质很快就会变得太稀薄而无法聚集成恒星和星系，生命也就无法诞生。在这两种宇宙中，不会有人类寻找宇宙起源这种麻烦事。在某些地方可能存在一个远离临界质量的宇宙，但既然我们存在于这个宇宙中，那么它的质量一定与临界质量相差不大。这个事实无形中增加了确定宇宙是开放还是封闭的难度——我们需要非常精确的数据来确定宇宙的质量是大于还是小于临界质量。
因此，我们必须对两种未来做出预测。
如果宇宙永远膨胀，在非常遥远的未来——比如6543.8+亿年后，所有的恒星都已经燃尽，在茫茫黑暗中潜伏着一些黑洞、中子星等天体。宇宙的规模已经膨胀到今天的65438+亿倍，而且还在膨胀。在这个系统中，引力不足以阻止膨胀，但它悄悄地消耗了系统的能量，使宇宙慢慢衰退。黑洞在霍金效应下发出微弱的辐射，最终全部以光和热的形式蒸发。经过足够长的时间后，即使是质子这样稳定的基本粒子也会衰变并消亡，宇宙最终成为一个难以置信的稀汤，其中包含光子、中微子以及越来越少的电子和正电子。这些粒子运动缓慢，彼此距离越来越远，不会有基本的物理过程。这是一个寒冷、黑暗、荒凉、空虚的宇宙。它已经走完了自己的路程，正面临永生或者永恒的死亡。这种场景和传统的“热寂”不太一样，但荒凉程度很相似。
如果宇宙的质量大于临界质量，有一天开始收缩怎么办？在大尺度上，收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的。就像一部上下颠倒的电影，收缩过程一开始很慢，然后越来越快。从膨胀到收缩的转折点之后，宇宙体积开始缩小，背景辐射温度上升。黑暗冰冷的宇宙变成了越来越热的大熔炉，生命无处可逃，一切都被煮熟烤焦。最后行星恒星毁灭，分布在当今浩瀚宇宙空间的物质被挤压成一个小体积，最后的三分钟来了。
温度变得很高，连原子核都被撕裂了，宇宙变成了一锅基本粒子汤。但是，这种状态只能维持几秒钟。最后1秒，质子和中子分不清，被挤成一堆由夸克组成的等离子体。在最后时刻，引力成为主导力量，毫不留情地碾压物质和空间，时空曲率不断增大。在这场“大坍缩”中，所有的物质都不复存在，存在的一切，包括时间和空间本身，都被消灭了。剩下的只是时间和空间的奇点。
这就是结局。这是一切的终结。大爆炸中在虚无中诞生的宇宙现在也是虚无。亿万年的辉煌，连一丝回忆都不会留下。
毕升注:我曾经给《环球》杂志写过一篇同主题的短文，到处被网友转载。后来又补充成了现在的这篇，算是2.0版本。但是还是有一些地方经不起推敲，比如热寂问题，宇宙的终结。我正在努力学习，也许有一天我会拿出一个更好的版本。
乡间将长满野草，雨雪交加，胡将泥中。