前沿:宇宙學及其他
大霹靂(Big Bang)
把膨脹中的宇宙像影片一樣倒著放,一切便擠在一起:星系合併、空間收縮,整個宇宙愈來愈熱、愈來愈密,直到約 138 億年前,它被壓縮到幾乎難以想像、熾熱灼人。那卷倒放的影片就是大霹靂。它回答了膨脹逼著我們去問的問題:如果如今萬物都在四散飛離,那麼當它們全都緊挨在一起時,又是什麼光景?這個名字容易誤導:它並不是在一個既有空間中某一點的爆炸,而是空間本身處處同時開始膨脹的起點。
大霹靂並不是單一事件,而是關於宇宙整部熱歷史的一個模型,建立在廣義相對論與觀測到的膨脹之上。隨著尺度因子 a(t) 增長,溫度大致按 T 正比於 1/a 下降,於是早期宇宙隨溫度降低走過一連串階段:先是夸克湯,接著是質子與中子,然後在最初的幾分鐘裡鍛造出第一批原子核(大霹靂核合成),再到約 38 萬年時原子首次形成、釋放出宇宙微波背景。三大支柱支撐著它:膨脹本身、輕元素豐度,以及那束殘餘輻射。
對最起初要格外小心。天真地外推到 t = 0 會得到無限大的密度,也就是奇異點,但這只表示古典廣義相對論已經失效、需要一套量子重力理論;大霹靂模型從極短的一瞬之後就值得信賴,而不是真的在時間為零的那一刻。此外,在任何尋常意義下都沒有「外面」也沒有「之前」,因為時間與空間本身正是這個模型所描述之物的一部分。
在約一秒鐘大時,宇宙約有 100 億克耳文,熱到中子與質子能自由互相轉換。隨後三分鐘的冷卻中,這個平衡被凍結下來,定下了中子與質子約一比七的比例,也就決定了宇宙將含有多少氦。
大霹靂是一部熱歷史,而非一聲爆響:冷卻定下了各個里程碑。
大霹靂模型並不聲稱能解釋宇宙如何真的從無中生有,也不描述 t = 0;它描述的是那個熾熱、緻密、膨脹的後續狀態。起源的那一刻在它的範圍之外,屬於量子重力的領域。
又稱
另見