大爆炸的“奇点”之外又有什么？

如果你问别人“宇宙是怎么来的”，并且以科学的角度回答，那么“大爆炸”可能是最常见的答案。然而，从科学发展来看， “大爆炸”其实是个比较新的学说，只要回到几十年前，这个学说还饱受批判，再往前几十年，它甚至被不予置评。今天，我们就说下大爆炸理论的来历？为什么它解释不了奇点之外有什么？

大爆炸来源于一个重要的科学理论和科学观测

在我们证明大爆炸学说，并且目睹它的一次次成功的过程中，许多与之竞争的观点都没能很好地解答关于宇宙与万物的来源问题。大爆炸的全部概念诞生于两个简单的事实：

• 第一，爱因斯坦关于引力的描述，即空间和时间的肌理会受物质、能量的影响，发生弯曲变化；

• 第二，我们测得的河外星系距离与它们的红移幅度之间呈现出的比例关系。

经过多项观测，这两点都对观测事实做出了精准得出奇的解释，而将这两项证据结合在一起，就可以得到结论，说我们生活在一个时间和空间肌理随时间流逝而膨胀的宇宙之中。

当宇宙空间膨胀时，一切事物的能量都会下降。辐射的能量取决于它的波长，它的能量下降直接源于它的波长被拉伸；物质的动能取决于它的运动速度，它的能量损失直接来自它的速度减缓。物质还会遇到一个辐射不会遇到的情况，那就是在随宇宙膨胀而损失能量的同时，其分布密度（单位体积内的物质粒子个数）也在迅速下降，这同样是空间扩张导致的。

这一图景正好能为我们揭示关于宇宙过往的一些精彩的可能性。宇宙随着时间的正向运动而变得更大、更冷、更稀疏、更低能量，意味着很久以前它是小、热、致密、高能的。抓住这种可能性并引申之，就诞生了大爆炸理论。

奇点之外有什么？

由此反向推断下去就会发现，越是看宇宙早期的样子（即越是向宇宙深处观察），星系退离我们而去的速度就越快，而且越是在我们视线的方向上表现出更强烈的红移。同时，也会看到那些星系的形态并未经过很充分的演化，它们彼此的距离在当时也比现在更小，所以更富有成团的特征。

而如果再往更远方（即更远古）看，则会发现星系和星系团的数量又变少了，而且它们的规模也变小了，逐渐趋于根本没有生成的状态。这些会发光的天体，全有赖物质在引力作用下汇聚坍缩成团而诞生。而我们看得越远，就等于看到了更多时间之前的景象。于是，我们可以不断观察到宇宙在发展中更为早先的阶段，看到天体的陈年旧影，进而在更远的地方看见一个连中性原子还都没有形成的、能量很高的童年宇宙，看见一个能最高到可以让物质粒子和反物质粒子成对地自发创生的年代。

原则上讲，在上述阶段之前，应该还有一个危机四伏但无法绕开的阶段；同时把越来越高的密度、越来越高的温度和能量这些条件放进一个越来越小的宇由里，最终将导致空间和时间在物理学意义上超过存在阈限，从而崩溃为一个“奇点”（singularty）。

不难埋解，这个奇点就对应着空间和时间的起始，对应着真正意义上宇宙诞生的时刻。如果要问这个奇点的外边是什么，那么这种问法本身就没有意义，因为它外边根本没有空间，也就没有“哪里”；要问这个奇点之前有什么，也是没有意义的，因为在它之前根本没有时间，“何时”也就无从谈起。广义相对论的论述也只到奇点为止，被认定统率着现有宇宙的物理学定律并不适用于奇点的那种超温度、超密度的无限高能状态，不受限制的回溯必然导致出现难题。

虽然大爆炸理论解释不了时空的来历，但也得到大量的观测证实

先不管这个难题，也不管大爆炸理论看上去多么不可理喻，别忘了到20世纪60年代为止它还被大部分物理学家看作非主流理论，但这个理论实实在在地对宇宙历史上的各阶段及其事件做出了许多成功的预言。它预见了宇宙微波背景辐射即 CMB的存在，这个温度仅比绝对零度高几度的、均匀而微弱的辐射，正是宇宙诞生时的高温与高密度在历经上百亿年的冷却之后残存的光芒。

这些辐射曾被游离态的电子之“海”（也包括一些游离的原子核，但主要部分还是电子）散射过，但在宇宙年龄约38万年时，中性原子形成了，这片“海”也随之消失了，此后这些辐射就没有再被散射。大爆炸理论还预见了宇宙最早具备的原子核大致有 75% 的氢与25%的氦-4（这是质量比，若按数量比算则是92%的氢与8%的氦-4），以及占比很小的氘、氦-3，还有极少的锂-7，它们都是在宇宙温度降到足以容许稳定原子核时出现的，若温度更高，则原子核生成之后会立即因高能粒子的撞击而溃散。

2011年，人们首次侦测到了最早期的气体云，并证实其成分正如大爆炸理论所言。这些气体云是宇宙成分在早到未及有任何一代恒星诞生时的样本，其组成部分来自宇宙年龄不足4分钟的时候。

大爆炸理论还有不少预言可以看作从这些成果引申出来的命题。如最早一批恒星的形成，又如星系际介质的再离子化（有类星体光谱吸收线支持），又如因合并而出现的不同规模级别的星系（有超深空照相证据的支持）。再如，关于很远处的微波背景辐射温度的测定，通过苏尼亚耶夫一泽尔多维奇效应（Sunyaev-Zel'dovich effect）所测出的该温度随距离增加而上升的曲线，与大爆炸理论预计的曲线吻合得很好。

总结：还有很多为解决的问题

每当技术达到可以检验大爆炸理论的某项预言的水平时，该项预言就会被证实，目前大爆炸理论关于宇宙的所有主要预言都已经有了观测结果的佐证。

不过，我们的技术力量尽管很强大，也不是没有极限的。在上述已经得到确认的结果之外，大爆炸理论关于更早期宇宙的一些预言目前还没能被确证，如宇宙的中微子背景（需要回溯到宇宙年龄仅1秒时），又如物质一反物质不对称性的缘起（需要回溯至宇宙年龄从10^-36秒到10^-12秒的阶段），再如，如果我们要验证关于奇点的预言，要证实那个现有物理定律不起作用的阶段，就要回溯到宇宙年龄只有10^-43秒的时候。

当然，将来或许会发现这些关于宇宙特别早期的推论并非全都准确。大爆炸理论虽然有许多预言已被肯定，取得了广泛的成功，但它也带来了更多的重大疑问。而且，随着我们越来越努力地接近宇宙更年轻时候的样貌，这些疑问中有不少看起来都在演变为理论窘境。