宇宙的起源是怎樣的?「大爆炸理論(the big bang theory)」可信嗎? | 知乎問答精選

 

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宇宙的起源是怎樣的?「大爆炸理論(the big bang theory)」可信嗎?

2018年03月10日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 15 ℃ 次

【時見疏星的回答(63票)】:

當然,嚴格來說,我們不能夠完全確定大爆炸理論的正確性,即使我們相信廣義相對論的正確性,即使我們相信現在的觀測數據,依然不能夠100%說明大爆炸理論的正確性。

問題出在什麼地方呢?首先要看看為什麼我們選擇大爆炸理論

這個要從標準的宇宙學模型說起。現在的絕大多數的觀測數據,包括宇宙學紅移、宇宙微波背景輻射、超新星等等,說明從大尺度上講,我們周圍的可見物質都在遠離我們。而且我們周圍各個方向的物質原理我們的速度差不多。也就是說,每個方向都是相同的。

然後問題來了,這些東西遠離我們,說明了什麼?那麼我們先要思考一個問題:我們作為宇宙的觀察者,到底處於一個什麼樣的地位?客觀的講,沒有什麼理由說,我們處在宇宙的中心。(當然,也沒有理由說明,我們不是處在中心。剩下的就是信仰問題了。不過從我們的全天掃瞄來看,宇宙中物質大尺度上分佈是很均勻的,既然是均勻的,那麼我們就覺得,很可能就沒有中心了。)如果我們不是處在中心,那麼周圍各個方向星系遠離我們的速度差不多,說明整個宇宙在膨脹。

現在我們論證了現在的宇宙在膨脹。然後利用各向同性和均勻性假設(稱為宇宙學原理),然後我們知道現有的物質的物態方程,可以發現宇宙過去也是在膨脹。那麼我們倒退回去,如果宇宙一直在膨脹,那麼過去應該是很小的一個宇宙。這就是大爆炸理論大致的邏輯。

現在我們返回去看看,這個理論到底是不是肯定正確。那就看看到底這個理論還有沒有問題我們想不通。問題很多。有些問題,比如視界問題,可以通過一些辦法解決,比如引入暴漲階段。有些問題,比如,宇宙學原理本身就是個假設;我們現在知道的物質並不一定是宇宙中所有的物質;我們用的廣義相對論可能有問題,現在都是不確定是否絕對正確的。

但是,話說回來,現在沒有一個其他的理論像大爆炸理論這樣成功。而且,由於現在宇宙學的一些數據的精度很高,而現在理論又跟數據的吻合這麼好,所以可信度還是比較高的。

對於這個理論中的問題,如果想要解決,那大部分人自然還是在大爆炸的框架下面做。當然,也不能排除將來rule out大爆炸的可能。

事實上,現在的可能正確的理論遠遠不限於大爆炸理論一個。只不過這個是「信徒」比較多的理論而已。

宇宙起源問題,我們沒有答案。所以Edward Witten才會提出這樣一個問題:

How can quantum gravity help explain the orgin of the universe?

我們的理論還沒有能力探求太早的宇宙。

多早的宇宙算是太早的宇宙?這個我們有個很聰明的辦法來提供一個量級。(這個辦法其實就是一個簡單的量綱分析。)對於時空曲率太大的情況,現在的廣義相對論(我們稱之為經典廣義相對論)是不能觸及的。通過分析知道,在早於10^-43s的時候我們的現有理論是無法理解的。這個短短的時間,就足以把我們關在探索起源的門外。

然後很多人會有這樣的疑問:那麼宇宙之前是什麼?

答案是,不知道。

首先說明一點,這個問題很大程度上,只是觀念上問題。我們從出生就開始感受我們周圍這個小小的世界,我們對於這個世界的理解,很大程度上都是對我們可以感受到的事物和現象的總結可擴展。我們習慣了時間緩緩的穩恆的流淌,習慣了這種近似平坦的閔氏時空。所以我們很難去想像彎曲的時空。自然,我們也很難理解沒有時間和沒有空間的世界。所以我們會去問,大爆炸之前是什麼,宇宙之外是什麼。

可是,如果沒有了舞台,戲曲就沒法表演。同樣,沒有了時空,還談何事件的發生?不能談事件發生,我們那樣的世界跟不存在又有什麼區別呢?

我提到了沒有時間和沒有空間,但是事實上我們並不確定大爆炸之前就是沒有時空的。這只是一種可能的情況。因為上面提到了,我們沒有合適的理論來描述太早的宇宙。或許等我們有了相應的理論,就會發現,原來大爆炸之前,還是可以探尋的。

宇宙就是所有麼?

回答是不。

我們現在討論的宇宙,一般只是可觀測宇宙,在這部分可觀測宇宙之外,還有更大的存在,因為跟我們沒有因果聯繫(嚴格的說,有因果聯繫的部分要比可觀測宇宙要大,但是先不管),所以我們一般都不管那些,但是我們從現有的宇宙的起源的理論,是可以確定其存在的。

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2012-06-26續

如果想站在稍微專業一點的角度看待這個問題,如果你又學過概率論,那通過下面這段話,可能比我理解的更好,因為我剛剛開始看概率論。

取自multiverse.lamost.org/blog

假定我們的宇宙遵從特定的規律,可以設想這樣的兩種觀測者。一種是自然之上的創世者們,比如叫他們宇宙定制公司,他們非常清楚宇宙所遵從的規律,而且也知道宇宙是在什麼樣的參數下運行;另一種是宇宙之內卑微的生存者,比如我們地球上這些渺小的人類,我們並不知道宇宙是精確的規律是什麼,也不知道在某個規律下面宇宙的參數是如何設定的,我們只能實驗和觀測,更加難堪的是,在宇宙學中,我們基本上只能進行觀測,想要嘗試去改變一些宇宙的設定來得到某些結果,目前還只能出現在科幻小說之中。

那麼對於宇宙定制公司的人們來說,他知道宇宙的精確的理論是 H ,(對於我們來說是個假設而已,因為從我們的角度來看就是個 Hypothesis,簡稱 H ),而我們生活的宇宙可以用一個模型?θ(θ1,θ2,…)?來描述,其中?θi?為模型參數,而且他們知道宇宙運行之後的數據 D,(比較幸運的是,對於很多數據 D,我們也是可以得到的,因為我們就限定 D 為我們可以得到的數據)。

基本概念

那麼從宇宙定制公司的角度來看:

可以根據 H 來計算?θ?模型下的某個數據出現的理論概率,比如現在在一個範圍 A 內,共有 M 顆1型超新星,和 N 顆2型超新星。他們可以計算在拿到了 m 顆1型超新星和 n 顆2型超新星之後,隨便抽取一顆是1型的概率,因為整個宇宙在任何時空點的配置他們都清楚的很。這種我們統統稱之為計算?P(D|θ(θ1,θ2,..)),即 likelihood. 意思是說,我們現在知道一個模型θ和參數θ1,θ2,…,得到某個結果 D 的概率是多少。

這差不多是宇宙定制公司用的最多的計算了吧。

對於我們來說,情況變得就複雜多了。我們只有觀測數據,並不知道宇宙的理論 H 和具體的模型及參數?θ(θ1,θ2,…)。而我們希望通過這些觀測瞭解到宇宙背後的理論和具體模型及參數。 因此從我們的角度來看卻只能計算 Posterior,記作?P(θ|D),意思是說,我們有一堆觀測數據 D ,那麼一個特定的模型θ並且取某些特定的參數?θ(θ1,θ2,…)的概率是多少。

可以看到這樣一種記法,| 是符合條件符合,可以直接讀作」符合條件」,因為這個條件概率的條件放在後面。

為了更明白,我重複 arXiv:0911.3105 中的一個例子。

If you have an urn with N red balls and M blue balls and you draw one ball at the time then probability theory can tell you what are your chances of picking a red ball given that you have already drawn n red and m blue: P(D|H). However this is not what you want to do: you want to make a few drawn from the urn and use probability theory to tell you what is the red vs blue distribution inside the urn: P(H|D). In the Frequentist approach all you can compute is P(D|H).

這裡?P(D|H)?是 likelihood, 而?P(H|D)?是 posterior. 可以明顯的看到,likelihood 是指我們明瞭系統的詳細配置的情況下計算某件事情發生的概率,這個很強大;而 posterior 是我們不知道系統的配置的情況下,可以根據很多的實驗來計算出的一個概率。這個例子中提到,如果我們可以做無窮次實驗,那麼就可以計算 posterior,即使我們是生活在2012年的地球人。==~

看到這裡的問題了,我們有數據,但是我們也只能去算某個自己提出的模型跟數據的吻合程度,吻合的好,我們就說模型好,然後問題在於,現在的數據跟大爆炸模型的吻合程度雖然也不錯,但是還沒有達到粒子物理那樣的精度。

【陳浩的回答(7票)】:

以廣義相對論,和宇宙目前正在膨脹的現狀,加上其他我不想詳述的拓撲和物理假設,數學上可以證明在時間維度上存在一個點,這點之前沒有歷史。這個點叫大爆炸點,是霍金的理論中的一種奇點。

這個意義上,大爆炸理論是正確的。如果你相信因果關係不能倒置,相信相對論,相信科學家們目前的觀測等,大爆炸是他們的推論。

但是大爆炸理論只說宇宙存在「從無到有」的過程,但是沒有解釋宇宙的起源,大爆炸後最初的宇宙我們一無所知。

【陳澤天的回答(3票)】:

大爆炸理論是迄今為止最「實用」的理論,因此被最多的科學家所接受。

但它可能只是一個近似,甚至可能只是一個錯誤的巧合。

科學講究實用,正確次之。

牛頓的時空/力學理論現在看來是錯誤的,但是在我們低速運動看來,是實用的,所以我們還在用它。

【一葉蘆葦的回答(1票)】:

引用哲學研究裡常用的「最佳解釋」的說法。大爆炸理論是目前對宇宙起源的「最佳解釋」。

【陶樂天的回答(0票)】:

大爆炸理論是目前與觀測數據符合得最好的一種宇宙起源理論。不過我個人認為,從哲學層面看,也僅僅是對現象的解釋方法之一。至於可信或者不可信,大約需要取決於你需要用這種理論去解釋或闡述何種現象吧。

【drizzt zhan的回答(0票)】:

目前最熱門的理論,好多觀測都支持它,但到底正確不正確,仍然說不準。不過我們可以用數據證明它,或證偽它,這就是科學。。。這也就是相對真理和絕對真理的區別吧?我們永遠找不到絕對真理。。。

【丁其駿的回答(0票)】:

大爆炸理論解釋了目前大多數觀測到的現象,比如微波背景輻射、紅移等等,但還有很多很多現象無法解釋。比如大多數星系是在相互遠離,而有些星系是在相互靠近。比如大爆炸之前是什麼,宇宙膨脹的臨界點是什麼等都有待解釋。所以說目前並沒有一個完全正確的理論解釋宇宙的起源,只有一個相對多數認同的理論,那就是大爆炸理論

【於淼的回答(0票)】:

大爆炸理論是在我們時間光錐中能做出的一個可信度較高的理論 但嚴格來說只要一個理論與目前的觀察事實及實驗事實自洽(也就是不矛盾)的同時還存在可被新事實證實或證偽的可能就可以作為一種假說來討論 單就大爆炸而言 微波背景輻射與紅移這兩個證據是很關鍵的 但對持新實驗主義的人而言 如果別的理論也可對同一實驗事實進行解釋 那沒有理由過分認同大爆炸理論 而目前的「科學共同體」可能更認可大爆炸理論(也可能是媒體宣傳或信息流動不暢造成的假象)

【山河的回答(0票)】:

還是可信的,目前根據紅移、微波背景輻射等現象,說明宇宙是在膨脹的,至於宇宙起源,根據霍金的大爆炸理論指出,宇宙起源於一個奇點,在巨大壓力下發生爆炸,現今宇宙處於膨脹時期。至於宇宙的走向還沒有一個準確的論斷,目前有兩種大的理論,一種是開放性宇宙,即為無限膨脹;另一種是開放收縮宇宙,起始於大爆炸的奇點,膨脹到一定的程度,迫於分子間引力的作用開始收縮,終止於大收縮的另一個奇點。

【makefifo的回答(0票)】:

大爆炸只是一種假說,也許永遠都只能是假說。並不是所有的科學家都這麼認為,隨著科學研究的深入和技術手段的進步,大爆炸模型也許會被取代,誰知道呢。

雖然大部分科學研究都有較強的目地性,但追求真理的精神應該永遠放在第一位的

【軒轅青陽的回答(0票)】:

以上帝粒子說是以下這樣

?137億年前,一個高溫且密度極大的原子發生了大爆炸,十億億億億億分之一秒後,開始擴張,引力與其他力分隔開來,宇宙開始進入一個呈指數級擴張的階段——暴漲期,大約十億分之一秒後,希格斯場行程,然後夸克、膠子、電子等基本粒子獲得了質量,宇宙繼續擴張、冷卻,幾分鐘以後,氫和氦出現了(宇宙由75%的氫和25%的氦組成)。大約3億年以後,光線開始穿過宇宙空間,此時的宇宙已經大到足以透明,大約4億年以後,第一顆星形成,氫和氦結合,形成重元素,於是生命元素:碳、氧和鐵等生命必需元素在第一代恆星中逐漸形成,又是大約數億年以後第一代恆星壽命已盡,於是爆炸,那些元素開始隨著爆炸衝擊力進入宇宙,而後這些元素再次擠壓開始形成新的恆星和行星,在其中一些行星上,那些在第一代恆星中形成的氧元素和氫元素偶然結合,形成了水,然後在這些有水的行星中,基於某幾種元素的穩定狀態,初態原始生命開始形成,他們經過幾千萬年的進化,隨機與各種因素相結合,產生出不同的物種,這些物種又在惡劣的環境下自身淘汰進化,至於今天這種狀態。?

【Num0的回答(0票)】:

劉慈欣的《球狀閃電》裡有這麼一句:「有一位天文學家說過一句很有意思的話:恆星這東西,如果不是其確實存在,本來可以很容易證明它不可能存在的。」

大爆炸亦然,以現在我們的知識,證實抑或證偽都是猜想罷了。

在宇宙裡,我們可能真的只是蟲子而已。

【暴走的回答(1票)】:

個人認為大爆炸前是黑洞,黑洞到了每個臨界點吸收不了任何物質了就是大爆炸。

宇宙中有無數黑洞,同時也在不斷產生大爆炸,多個大爆炸產生的物質理論上會相交,所以可以理解為有無數個平行宇宙在我們身邊。

【式微的回答(0票)】:

我覺得,大爆炸之前,宇宙就是一個巨型太陽,是更廣闊宇宙中的一個巨型恆星。

【劉遠山的回答(0票)】:

首先,要確定的宇宙是什麼樣的範疇.

是以銀河系為基準的想像中的宇宙?還是包括多個星系的宇宙?還是多個並行的包各自含著多個星系的宇宙?

愛因斯坦的廣義相對論在銀河系的某個時空是正確的,但在全銀河系是正確的嗎?現在還沒有確定和觀測到,

我個人認為,宇宙是多元的,不是單一的,人類的想像中宇宙,其實就是銀河系,或者說是由包含銀河系的多個星系組成的宇宙 ,不是全部的宇宙

就人類現在所處的"宇宙"來說,肯定是大爆炸的結果,這個大爆炸,和上面的"辛棄之"朋友說的一樣,是大爆炸--黑洞--大爆炸--黑洞--大爆炸,這樣的循環,否則,組成這麼多恆星的物質哪裡來????

或許,銀河系所處的宇宙只是眾多的宇宙中的一個,就像肥皂泡一樣,

整個宇宙應該是永恆的,沒有開始,也沒有結束.

【Hillman的回答(1票)】:

我不認為大爆炸理論是正確的,從常理來看,當物體被壓縮得越小就越難再壓縮,所以很難想像一百多億年前,所謂的宇宙的起始點是一個奇點,那得需要多大的能量,或者說,那種爆炸得有多可怕,為什麼不可以是整個宇宙像發生彈性形變的氣球一樣呢?感覺宇宙膨脹到一定程度就會越來越慢,同時積蓄了足夠的勢力,當膨脹停止時,在強大的彈性勢力作用下,整個宇宙會塌縮。永恆的彈性膨脹與塌縮,更符合萬物的習性。

標籤:-物理學 -理論物理 -宇宙學 -天體物理學 -蛛網 -標準模型


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