宇宙的起源

空間、物質和時間的本質是什麼？這是自古致今人們一直都在苦苦思索的問題。直到20世紀出現的基於觀測事實的宇宙起源理論大爆炸學説對此作了一個比較實際的概括。20世紀20年代後期，愛德温·哈勃觀測到的星系紅移現象，20世紀60年代中期，阿爾諾·彭齊亞斯和羅伯特·威遜觀測到的宇宙微波背景輻射和2014年美國物理學家觀測到的宇宙原初引力波以及2019年相關科學組織觀測拍攝到的黑洞照片，這些發現都給這一理論給予了最直接的觀測依據。

宇宙大爆炸學説

大爆炸宇宙論是現代宇宙學中最有影響的一種學説。它的主要觀點認為宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個時期裏，宇宙體系在不斷地膨脹，使物質密度從密到稀地演化，如同一次規模巨大的爆炸。大爆炸理論認為：宇宙是由一個緻密熾熱的奇點於約138億年前一次大爆炸後膨脹形成的。大爆炸理論的建立基於了物理定律的普適性和宇宙學原理這兩個基本假設以及科研工作者的實際觀測。

許多人不知道的是，與大爆炸理論已經成為常識相比，在該理論剛剛提出之後的很長一段時間，世界科學界對其的態度是“嗤之以鼻”的。這種奇怪的現象，是因為這個理論與《聖經》所言，宇宙是有一個起點的這一説法具有一致性，當時的科學界受進化論推翻“上帝創造論”的哲學思潮影響，盲目地反對傳統理論，不承認與《聖經》相似的這種説法，這一時期的西方科學界普遍堅持宇宙和物質是恆定不變、無始無終的。因此對於所有涉及説宇宙萬物都“有一個起點”的理論一概不予承認。包括像愛因斯坦這樣的大科學家也受其影響。愛因斯坦在總結引力場方程時發現這個Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv的公式將推導出宇宙其實是一個有着從未停止的物質變化的動態宇宙，於是在該公式中又強加了一個“宇宙常數”，以維持靜態宇宙的計算結果。也就是説，最初的場方程其實是這樣的：∧gμv+Rμv-(1/2)Rgμv=kTμv，其中常數“∧”為宇宙常數。自從1922年美國天文學家埃德温·哈勃開始觀測到“紅移現象”開始，有關“宇宙膨脹”的觀點開始形成。1929年，埃德温·哈勃總結出了一個具有里程碑意義的發現，即：不管你往哪個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去，而近處的星系正在向我們靠近。換言之，宇宙正在不斷膨脹。這意味着，在早先星體相互之間更加靠近，似乎某一時刻，它們剛好在同一地方，所以哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙處於一個密度無限的奇點。聽聞此事的愛因斯坦很快來到哈勃工作的威爾遜天文台，在哈勃的帶領下親自進行了紅移現象的觀測。訪問結束後，愛因斯坦公開承認了自己主觀意識影響科學結論的錯誤，並去掉了場方程中的宇宙常數，於是就有了我們所熟知的愛因斯坦場方程（Einstein Field Equation）。就此，哈勃的這一重大發現直接奠定了以大爆炸為中的現代宇宙學根基。

在二十世紀四十年代末，大爆炸宇宙論的鼻祖伽莫夫認為，我們的宇宙正沐浴在早期高温宇宙的殘餘輻射中，其温度約為6K。正如一個火爐雖然不再有火了，還可以冒一點熱氣。1964年，美國貝爾電話公司年輕的工程師－彭齊亞斯和威爾遜在工作中發現的宇宙微波背景輻射使許多從事大爆炸宇宙論研究的科學家們獲得了極大的鼓舞。因為彭齊亞斯和威爾遜等人的觀測竟與伽莫夫的理論預言的温度如此接近，正是對宇宙大爆炸論的一個非常有力的支持！這是繼1929年哈勃發現星系譜線紅移後的又一個重大的天文發現。宇宙微波背景輻射的發現，為觀測宇宙開闢了一個新領域，這一發現，使我們能夠獲得很多大爆炸早期的直接信息。

2014年3月17日美國物理學家宣佈，首次發現了宇宙原初引力波存在的直接證據。原初引力波是愛因斯坦於1916年發表的廣義相對論中提出的，它是宇宙誕生之初產生的一種時空波動，隨着宇宙的演化而被削弱。科學家説，原初引力波如同創世紀大爆炸的“餘暉”，將可以幫助人們追溯到宇宙創生之初的一段極其短暫的急劇膨脹時期，即所謂“暴漲”。然而，廣義相對論提出近百年來，源於它的其他重要預言如光線的彎曲、水星的近日點運動以及引力紅移效應等都被一一證實，而引力波卻始終未被直接探測到，問題就在於其信號極其微弱，技術上很難測量。美國哈佛-史密森天體物理學中心等機構物理學家利用架設在南極的BICEP2望遠鏡，觀測宇宙大爆炸的“餘燼”—微波背景輻時，計算到原初引力波作用到微波背景光子，會產生一種叫做B模式的特殊偏振模式，其他形式的擾動，都產生不了這種B模式偏振，因此B模式偏振成為原初引力波的“獨特印記”。觀測到B模式偏振即意味着引力波的存在。南極是地球上觀測微波背景輻射的最佳地點之一。研究人員在這裏發現了比“預想中強烈得多”的B模式偏振信號，隨後經過3年多分析，排除了其他可能的來源，確認它就是原初引力波導致的。2016年年初，美國激光干涉引力波天文台（LIGO）和歐洲引力波天文台（VIRGO）的科學家聯合宣佈，他們探測到了兩個約為30倍太陽質量的黑洞在13億年前的併合產生的引力波，這一發現給大爆炸理論予以了新的有力證據。

2019年4月事件視界望遠鏡組織（Event Horizon Telescope Collaboration）在美國、比利時、智利、中國、日本同步發佈首張基於觀測事實的黑洞照片，這一照片給大爆炸理論又進一步增加了一個有利依據。

遺憾的是對於大爆炸的起點以及起點之前和大爆炸之後的最初階段，相關的觀測嚴重缺乏，最早期的宇宙物質以及能量的實際形式很大程度上仍只是猜測。

宇宙這一真實的存在表明它必然存在自身的組織成份以及基本面貌，近年國內學者利用數理方法在綜合經典場、量子力學、相對論與引力場等理論的基礎上提出了一個體現宇宙成份及之基本面的表達式：量項維物基 ^[1]  。描繪了以空間…星分子原子粒子…熱光磁電力運動為核心的事物體系在宇宙結構層所起的關建作用，顯示以空間…星分子原子粒子…熱光磁電力運動為體系的產物是形成宇宙物質和時空存在的基本要素。

該學説是一個研究廣宇自然及之人文現象的理論學説，其主旨在於描繪廣宇自然的普遍規律。但該學説並沒有就大爆炸等及其它相關結論作具體的形容和敍述，而是就廣宇自然及之事物的過去、現時、未來以及相關組織、結構、成份、機理等給出了一個相關量的綜合性的表達式 ^[2]  。

很明顯大爆炸學説觀測解析了廣宇自然的一些現狀，量項維物基則進一步展現開能被實際觀測和邏輯辨證的該些現壯的成因、成份、結構組織、機理等以及其與廣宇自然其它因素的基本關係等事實。依照大爆炸學説、量項維物基共同刻畫的能被實際觀測和邏輯辨證的事實顯示：宇宙是一個起源於自身結構組織，由其運動機理左右，具有多區域、廣袤範圍、漸變性、多重表現的可被思維認知的集聚體。

穩恆態宇宙學是幾位年輕的英國天體物理學家邦迪，戈爾德和福雷德·霍伊爾在1948年提出的。他們的觀點是：在相對論中時空是統一的，既然宇宙學原理認為所有的空間位置都是等價的，那麼所有的時刻也應該是等價的。也就是説，天體(物質)的大尺度分佈不但在空間上是均勻的和各向同性的，而且在時間上也應該是不變的。也就是在任何時代，任何位置上觀察者看到的宇宙圖像在大尺度上都是一樣的，這一原理稱為"完全宇宙學原理"。

穩恆態宇宙學認為宇宙在時間和空間上都是無限的。它主張宇宙從未有過開始，或者更確切地説，宇宙乃是處於連續的創造過程之中。當宇宙膨脹之時，總密度減少，但會創造出更多的物質來使密度升高。因此當宇宙不斷地膨脹時，新的物質便連續地在星體中創造出來以填補空隙。

穩恆態宇宙學最大的特點是要求物質和能量不守恆，要求物質不滅定律不成立。為此，霍伊爾提出修改愛因斯坦場方程，他認為新產生的物質是由新產生的真空由高能級向低能級躍遷引起的真空相變產生的。穩恆態宇宙學出台後曾經引起過轟動，但這種原則性的大改動是不能輕易採取的，除非新理論取得了大的成就，並且與觀測事實符合得很好，但實際上穩恆態宇宙學與觀測符合的程度並不好。

宇宙為什麼爆發自一個密度無窮大的點，或者説奇點。但更沒有人知道是什麼觸發了這場爆發：已知的物理定律不能告訴我們在那一刻到底發生了什麼。加拿大滑鐵盧市圓周理論物理研究所的天體物理學家Niayesh Afshordi表示：“所有的物理學家都知道，龍可能是從奇點飛出來的。”同時科學家很難解釋如此激烈的大爆炸留下的宇宙何以擁有一個幾乎完全均勻的温度，這是因為自從宇宙誕生以來似乎沒有足夠的時間達到温度平衡。

對於大部分宇宙學家而言，有關一致性最合理的解釋是，在宇宙形成後不久，一些未知的能量形式使年輕的宇宙以超過光的速度膨脹。這樣便得到了我們所看到的温度大致均勻的宇宙。但Afshordi強調：“宇宙大爆炸太過混亂，因此很難搞清是否真的存在這種膨脹現象。”。在arXiv預印本服務器上發表的一篇論文中，Afshordi及其同事轉而將注意力投向了由包括德國慕尼黑路德維希·馬克西米利安大學的物理學家Gia Dvali在內的研究團隊於2000年提出的一種假設。在這個模型中，我們的三維宇宙是一張膜，漂浮在具有四個空間維度的“體宇宙”之上。Afshordi的研究小組認識到，如果體宇宙包含有其自身的四維恆星，那麼其中的一些恆星會塌縮，最終形成四維黑洞——這與我們的宇宙中大質量恆星的運作方式是類似的。這些四維恆星會像超新星一樣爆發，並猛烈噴射出其外層物質，而它們的內層則塌縮為一個黑洞。

在我們的宇宙中，一個黑洞被一個名為視界的球面聯繫起來。鑑於普通的三維空間需要一個兩維的物體（一個表面）來創建一個黑洞內部的邊界，那麼在體宇宙中，四維黑洞的視界應該是一個三維物體—— 一種被稱為超球面的形狀。當Afshordi的研究小組模擬了四維恆星之死後，他們發現，噴射的物質能夠在三維視界周圍形成一個三維膜，並緩慢膨脹。研究人員假設，我們生活的三維宇宙可能就是這樣一個膜，而我們探測到的膜的生長被認為是宇宙的膨脹。Afshordi説：“天文學家觀測到這種膨脹，並倒推宇宙必然由一個大爆炸開始——但這只是海市蜃樓。”。這一模型同時自然而然地解釋了我們的宇宙的一致性。由於四維體宇宙可能在過去已經存在了無限長的時間，因此它有足夠的機會使不同區域的四維體宇宙達到一種平衡，而我們的三維宇宙則很可能繼承了這一點。

膜宇宙學是一個物理學上超弦理論和M理論的分支，專門研究宇宙膜，該理論認為宇宙其實是鑲在一些更高維度的膜上。該學科同時研究那些更高維度的膜是怎樣影響着我們的宇宙。