以下文章濫觞於中國科學院國度天文台
作者楊躍斌、潘北軍
距2019年諾貝爾物理學獎頒給三位天體物理學家的熱潮已曩昔近兩個月，時候一向向前走，但摸索宇宙的步伐一刻也不克不及停歇。可以說，21世紀註定是天文史上不屈凡的一個時期。佛語有云「須彌納芥子」，浩大宇宙包羅萬物，吞吐日月，孕育我們眇小的人類。當我們驚嘆於宇宙的難以想象時，卻有如許一群又一群孳孳不倦的探索者，不問浮事，從古至今，由東到西，晝夜以繼。他們觀星測地，推演曆法，大胆質疑，究其宇宙的奧義。誰說芥子不能納須彌？眇小的人類，為什麼不行以理解萬物運轉紀律呢？你看SM道具，宇宙就在那裡等著我們去發現。古說話「上下四方曰宇，往古來今曰宙」，我們從何而來？到了今天，也許我們有了一些肯定的謎底！
宇宙從何而來？「天主」說：「要有光！」，事實上，科學研究已經評釋我們今朝的宇宙濫觞於一場大爆炸！
我們暫且稱之為「宇宙大爆炸理論」，這裏面有幾位祖師爺。起首就是喬治·伽莫夫，俄裔美籍人，科學界稱之為「宇宙學之父」。
1948年4月1日，《物理評論》雜誌刊登了伽莫夫等人所寫的論文。由於是愚人節，該祖師爺十分有趣的在作者列表中添加了一個對這篇論文沒有任何進獻的人，漢斯·貝特，並取一筆名「β」。但學生羅伯特·赫爾曼謝絕教員的建議——取一筆名δ，所以這篇論文，事實上少了一名作者赫爾曼，多了一位並沒有介入論文撰寫的作者漢斯·貝特。恰是這篇文章認為我們今朝的宇宙來曆於大爆炸。
隨後，伽莫夫又單獨寫了一篇關於宇宙大爆炸理論的論文，被《天然》雜誌接管揭橥。但沒過量久，學生拉爾夫·阿爾菲和羅伯特·赫爾曼就發現文章有些錯誤，隨即使在《天然》雜誌上揭橥了一篇糾錯論文。在這篇論文里，又介紹了一下本身最新的研究功效——宇宙微波背景的存在。憑據二人估算，其溫度約為5K（絕對溫度），但學術界並沒賜與關注，宇宙學寂靜好久。
但是，15年後泛起另外一批對「宇宙大爆炸」感愛好的人。這群人有一個領袖，名叫羅伯特·迪克。而詹姆斯·皮布爾斯就是他的學生，二人在1964年，合作了一篇論文。文章中，再次預言宇宙微波後臺的存在，而且宇宙微波背景的溫度是3K擺佈。但並未說起15年前伽莫夫團隊的研究，也許是年月久遠，迪克團隊忘記前人已做。事實上科研工作中，假如前人已做研究，後人再做，在撰述論文時該當有引用自慰套。
「理論預言」了宇宙微波後臺。那麼接下來就是搜索宇宙微波佈景輻射的問題了，羅伯特·迪克其時不停向上級申請科研基金，但照樣慢了一步。著實使人惋惜！
事實是這樣，1965年，阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在處置射電望遠鏡噪音問題中被幸運女神眷顧，他們無論若何也想不到一直縈繞心頭揮之不去的背景噪音，本來就是神壇上的宇宙微波背景輻射！終究彭齊亞斯和威爾遜取得了1978年的諾貝爾物理學獎。與此同時羅伯特·迪克團隊與諾獎當面錯過，可是值得慶幸的是，宇宙學的研究從此起頭回暖，愈來愈多進入大眾視野當中。
今天，當皮布爾斯教授手捧諾獎，站於諾獎台時，光陰已悄然過去41個年頭，恩師羅布特·迪克已在歲月的長河裡與世長逝，但探訪宇宙，解開未知的火種，在經歷了幾十年的風雨後，已然輝亮一片天地！諾獎考語上大致這樣說到：「宇宙學已經從猜測性的理論研究改變成為一門相對嚴謹的科學學科」。
介紹完一些舊史，此刻真正來領會一下口中的「宇宙大爆炸」。首先必需一說的是，我們幾近所有宇宙學的理論框架均建立在假定和推理的根蒂根基之上，只有被實踐驗證，結論才會保存下來。
正如宇宙微波背景輻射已經很好的證實我們如今所處的宇宙來自於至少138億年之前的一場爆炸，但是隨著裝備的更新，實行的新發現，理論的修正，我們所理解的爆炸可能不是簡單意義上的雷同我們過年放鞭炮的那種爆炸。
我們知道19世紀末期第一代開爾文伯爵威廉·湯姆森（William Thomson）說到「物理大廈已落成，所剩只是一些潤飾工作。」誰曾想到恰是20世紀的兩朵烏雲導致愛因斯坦相對論和量子力學的降生。（邁克耳遜-莫雷實行導致「以太」說幻滅，黑體輻射與「紫外災害」）
一樣在20世紀或說21世紀物理學在理論與嘗試上存在亟待解決的幾大烏雲：量子力學與引力的矛盾；暗物資和暗能量的摸索；正反物資差池稱的緣由。固然還有其它一些烏雲。但終究問題逃不開哲學上最終鞠問「我是誰？我從哪裡來？我到哪裡去？」
20世紀天文學一系列的發現，人們將眼光起頭投向暗物資，暗能量的摸索進程當中。1998年高紅移超新星的發現，人們熟悉到我們的宇宙仿佛在存在的前段時候，由於重力的影響，所以膨脹速度遲緩，後來暗能量跨越重力，一腳踩在宇宙加快器上，宇宙加快膨脹。1997年11月和12月兩隻國際研究組，一支基地在美國加利福尼亞州勞倫斯伯克利國度實行室；另外一支基地位於澳大利亞的斯壯羅山天文台和賽丁泉天文台。兩個研究小組均對IA型超新星觀測，花了大約十年時間試圖驗證宇宙減速膨脹，但效果註解：宇宙膨脹並不是減速，反而加速進行。
為解決熱大爆炸宇宙學中的視界和平展性等問題，1980年，美國理論科學家宇宙學家阿蘭·固斯（Alan Guth）提出宇宙暴脹理論（inflation theory）。透露表現宇宙甚初期時，發生過暴脹。最早提出的暴脹模型存在嚴重的的暴脹退出機制問題，現在普遍接管和採用的的是「慢滾暴脹模型」。
宇宙暴脹模子， 簡而言之是，tc在約等於10-35-10-32s內宇宙産生了暴脹、相變， 宇宙不按H（t） ∝t1/2的紀律膨脹， 而是按指數規律産生暴脹：
關於暴脹理論的物理根蒂根基，人們是起首把真空相變從大統一平分離出來，抽象引入帶自感化的標量場，也就是暴脹場（inflation）。也就是說這裏的暴脹是由真空引發的。什麼真空引發的？沒聽錯，在場論中把能量密度最低的狀況叫做基態或說真空，真空並非我們之前所理解的什麼都沒有。
值得一說的是天然界是不是有含自感化標量場的存在，仍是不清晰，從這層意義上講，「暴脹理論」是一種摸索性研究。對比下面兩幅圖我們來進行進一步的理解：
前期我們知道宇宙處於一種高溫高密的狀況，而與此同時宇宙處在真空場如許一種物理情況下，那麼這類物理情況的影響機制在什麼時辰觸發呢？眾所周知，在爆炸的過程當中溫度下降，尺寸變大，必定與溫度逃走不了關係，可以用一個溫度來默示這類機制的時標。也就是特徵溫度TC（TC代表的是真假真空具有不異自由能的溫度時標）。
若何理解？
前面我們對真空並非什麼都沒有有了必然的概念，真空是具有一定能量的。在介質溫度T高於TC，真空場處於真空態，能量最低，用我們簡單的高中數學常識來理解，以真空場自由能為縱坐標，真空場為橫坐標，其數學圖象可以理解為最簡單的偶函數圖像，只有一個極小值點，且極值點就是坐標原點。此時標準模子依然成當即宇宙的膨脹正比於時候的二分之一次方，不需斟酌真空場的作用啪啪啪情趣用品。
溫度趨近TC，乃至等於TC時，真空自由能産生轉變（它是一個溫度和場的函數關係）。用量子力學來講真空自由能此時處於簡併態，一個真空自由能對應兩個本徵真空場值，以剛剛的數學圖像來理解，此時有三個不異極小值點，真空場自由能（縱坐標相同），我們稱此時的狀況為真假真空態。
在T<tc，此時極小值點的縱坐標已進一步産生變化即小於0，物理上就是說能量已經從0降至更低。學過量子力學，應對能級躍遷有必然印象，隨同著溫度的轉變，真空態産生躍遷，産生相變，那麼就會有能量釋放出來，能量便對宇宙介質做功，所以才有先前所說的宇宙迅速暴脹（像又踩了一腳油門），我們稱此時的狀態為真空過冷態，宇宙的總密度來自真空的進獻。< p=「」>
當宇宙溫度降至一定，理論講明，從過冷真空向對稱破缺真空相變總要發生。隨著真空態相變潛熱的放出，終究氣體達到熱平衡。此時溫度遠高於相變前溫度，但按照能量守恆定律，照舊略低於TC，我們稱此時的宇宙進行了從頭加熱進程。重加熱以後，真空能影響又可疏忽，爾後的宇宙膨脹紀律恢復原始即H（t） ∝t1/2。
理論研究表明，真空為主延續的時候10-33s，而期間宇宙尺度因子R增大1043倍。
那麼它是怎麼解決了這個視界疑難的呢，圖中十分直觀的告訴我們，如果沒有暴脹，現今的可觀測宇宙在宇宙初期比視界要大很多，因此當今宇宙的分歧區域沒法經由過程相互感化達至平均。若是存在暴脹，當今的可觀測宇宙在暴脹前實際上是在統一個視界以內，其不同區域可以經由過程物理進程殺青溫度和密度的均勻。今天的可觀測宇宙在暴脹過程當中衝出視界，但在暴脹竣事后逐步回落到視界中，保證了的微波配景輻射的各向平均性。
標準的宇宙模子是以兩條假定為條件，第一條：把宇宙當作佈滿全空間的平均，各向同性的（宇觀）介質；第二條：宇宙介質的動力學行為堅守廣義相對論。但卻面對著四個問題：「大爆炸奇點問題，視界問題，平展性問題，磁單極問題。」
「宇宙暴脹理論」公道的诠釋了后三個問題，但對奇點問題诠釋仍有一段距離。光榮的是在「JBD引力理論」中的宇生模子是可以诠釋奇點問題。
依照標準宇宙學來講，我們的宇宙一定有一個開端，我們稱之為奇點，其能量密度和溫度無窮大。廣義相對論下這類狀況致使的後果則是時空曲率變得無限大，現有物理規律全然失效。而自生宇宙模子則很好的繞開了奇點問題，它指出：宇宙發源於一個有限的愛因斯坦靜態宇宙而非奇點。可是，「天主」說了「要有光！」，它要炸啊！所以在某一時刻，在各類漲落的擾動下，靜態宇宙進入暴脹階段隨後與我們現已知的大爆炸理論相銜接。這樣一種觀念下，可能加入了很多的主觀色采，暫且豈論對錯，那麼隨之而來的一個問題就是，愛因斯坦靜態宇宙模型可否長時保持不變狀況相當主要。若是該靜態模子極不不變，易燃易爆炸，效果不言而喻。時至本日，「Jordan-Brans-Dicke（JBD）引力理論」已經很好的滿足如許一個要求，它假定其物資組分均為抱負流體和標量場，了局計算均表白，不管遭到的擾動是不是平均，存在這樣一個穩定解，可以或許從穩定愛因斯坦初態退出，進入暴脹階段。
現在我們可以依照經典理論，對宇宙大爆炸進行一個描畫：
當t趨近於0時，宇宙的溫度密度趨於無限，這便稱為奇點疑問。經驗表白，物理中常把無限量是把引申到利用範圍之外的後果，以下為猜想：經典宇宙是由量子宇宙轉化而來，引力場與其它物資場素質上是量子的（然則目前還沒有有實行表白這是事實，經典引力場量子化摸索性理論良多，但是離成功還有一段距離）不難想像，如果引力場量子化成立，經由過程量綱分析，量子引力起的能量對應為Planck能量，對應的時間為Planck時候，約10-43s。我們今天所說的經典宇宙的膨脹就是從此刻開始，所以我們的經典宇宙可以猜想是由量子宇宙轉化而來，在霍金《宇宙大爆炸》封面中便有這樣一句話，「我們的宇宙是初期量子漲落的產物」。
當t從10-43s到10-4s，宇宙溫度T從1019GeV降至0.1GeV，經典宇宙處於粒子宇宙學階段，此時的宇宙夸克，輕子等規範粒子構成，可是對於能量高於103GeV的情形，粒子物理還沒有把握，所以今朝按現有研究，該階段産生的過程有真空相變引發的暴脹，正反重子不等量的產生，冷暗物資的構成，和最後夸克轉化成強子等。這些進程的研究含有摸索性，有待於粒子實驗和天文觀測進行驗證。
在t為10-4s時，宇宙介質完成從夸克到強子的相變，爾後宇宙氣體中有了質子和中子，其數密度比光子低至9至10個數目級，再往後就是原子核的合成。
在t大於1s時，溫度T降至1Mev以下，宇宙進入核物理領域，其物理紀律已十分清晰，宇宙學理論入手下手有了靠得住基礎，在t從3到30分鐘以內，原初核合成，然後我們宇宙入手下手實現化學元素的合成，首要是氫，氦，含少少鋰，鈹，硼。
在t約等於1012s，物理規律加倍清楚，宇宙的化學元素由等離子態最先向中性原子進軍，當溫度降至以下，大約在，原子核和自由電子連系為中性原子，宇宙介質成為中性原子氣體。熱光子從此落空熱碰撞對象，作為配景輻射光子存留下來，這就是所說的宇宙微波後臺輻射。
那麼當今的宇宙佈局又是若何形成？我們可以如許理解，宇宙模子只是它的零級近似，而佈局構成的種子可能就是宇宙甚早期，以什物為主階段的細小密度擾動。最早結團大約産生在10億年閣下，然後構造的面貌就最先跟著時候的轉變到了現在。
宇宙浩大無邊，摸索宇宙的道路一刻也不克不及休止，最後以「路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索」共勉。
