宇宙诞生之初

宇宙在诞生之前是什么样的？诺贝尔奖得主彭罗斯:我找到了答案

在人类离开地球之前，人们在想:地球是怎么来的？这是一个问题。人类走出地球，看到浩瀚的宇宙后，科学家通过大量的观察和研究，提出了行星理论，基本搞清楚了地球的起源。

浩瀚的宇宙中有无数的天体和星系，我们基本上可以通过研究找到它们的起源。以及天体和星系的起源，但人们提出了一个更宏伟的问题:宇宙的起源是什么？

既然天体和星系都有起源，那么宇宙也一定有起源。经过研究，科学家提出了宇宙大爆炸理论，认为我们的宇宙是起源于138亿年前的奇点。20世纪60年代，霍金和彭罗斯提出了奇点定理，并被一些宇宙观测数据所证明。

大爆炸之后，宇宙诞生了，然后宇宙膨胀，演变成了一个五彩缤纷的宇宙。如今，大爆炸理论已经成为科学家中关于宇宙起源的主流观点。随着观测数据的不断积累，越来越多的证据出现，从而证明了奇点大爆炸理论的正确性。

既然科学家已经基本找到了宇宙起源的答案，人们又想到了另一个更宏伟的问题:宇宙在诞生之前是什么样的？如果宇宙起源于大爆炸，那么在宇宙诞生之前，事物就应该存在了。会是什么样子？

至于宇宙诞生前的样子，可能在很多人看来，研究它是没有意义的，因为大爆炸之前是没有时空的，大爆炸之后才创造了时空。既然时间是在大爆炸之后诞生的，那么之前研究大爆炸又有什么意义呢？

上面的解释看起来很有道理，但是没有人对这个因果律上无懈可击的答案感到满意和认可。任何事物只要存在，就会有它的因果，它的前后，宇宙也是如此。它的存在会有它的起源和终结，也会有它出生前的存在。

但是，研究宇宙诞生前的样子，远比研究和探索宇宙的起源要困难得多，因为很难下手，我们不知道从哪个方向去研究和探索。2020年诺贝尔奖，罗杰·彭罗斯获得诺贝尔物理学奖。这个89岁的老人不一般。他在20世纪60年代和霍金一起提出了奇点定理，并用一些数据证明了宇宙起源于一个奇点。

罗杰·彭罗斯(roger penrose)提出宇宙起源于奇点的理论后，也思考过宇宙在诞生前是什么样的。彭罗斯也不同意研究宇宙诞生前的样子是没有意义的观点。在他看来，宇宙在诞生之前肯定是存在的，那么它会是什么样子呢？

经过不断的思考和研究，罗杰·彭罗斯提出了共形循环宇宙论。那么什么是共形圆形宇宙呢？其实我们用一个简单的词来表达宇宙中是有轮回的。

彭罗斯共形圆宇宙(CCC)模型的数学基础是共形映射，也称为共形变换。“保形”一词体现了变换的几何意义，即保持两条光滑曲线之间的夹角和无穷小结构的形状不变，但不保持其大小不变。在大爆炸的时候，原本密集缩小的空间被改造拉伸；对于未来，转型可以把无限的扩张空间限制在有限的范围内。

上面的解释很难理解。我们用通俗的语言，相信朋友们都知道宇宙是从大爆炸中诞生的，然后开始加速膨胀。宇宙的膨胀使得星系之间的距离越来越大，星系之间相互远离，成为宇宙的孤岛。另一方面，引力使恒星和星系不断坍缩，形成越来越多的恒星黑洞和超级黑洞。

科学家终于在2008年证实，银河系中心本身就是一个质量约为太阳400万倍的超大黑洞。有可能与一个黑洞合并产生一个更大的黑洞，但它永远不会分裂成一个更小的黑洞。

在宇宙中，星系的合并和融合是很常见的。银河系和仙女座星系也会在40亿年后碰撞融合，中心的两个黑洞也会碰撞融合，最终成为更大的大质量黑洞。这样的星系合并在未来还会继续并演化，然后在宇宙的最终中心会出现一个超级巨大的黑洞。

先说宇宙的膨胀。会永远继续下去吗？恐怕这是不可能的。众所周知，如果一个气球想要膨胀，它需要我们向里面吹气来为它提供能量。如果宇宙是唯一的，那么它的能量无法从外界获得，只能消耗宇宙中的能量。这个能量可能就是我们现在一直在寻找的暗能量。

暗能量加速宇宙膨胀，宇宙不断膨胀消耗能量。随着能量的不断减少，宇宙的膨胀无法继续，在未来的某个时刻会停止膨胀。停止膨胀是宇宙的终结吗？不会的，当然，能量越来越少，空间就维持不了，所以会塌缩，也就是宇宙停止膨胀后会收缩。最后整个宇宙再次收缩到奇点状态，新的大爆炸再次发生，新的宇宙开始膨胀演化。

彭罗斯认为，我们的宇宙在这个大爆炸-膨胀-大爆炸-膨胀中无限循环，在宇宙诞生之前，它是另一个宇宙，而不是一无所有。而这个理论也可以用熵增定律来解释。我们都知道熵增定律是热力学第二定律，是一个让科学家感到绝望的定律。

熵增定律告诉我们，任何事物从诞生的那一刻起，熵值就在不断增加，这个过程是不可逆的。随着熵的增加，系统会越来越混乱，最终会走到尽头，宇宙也是如此。从奇点大爆炸诞生的那一刻起，熵就开始增加。

随着熵的增加，宇宙的空间会越来越不稳定，然后宇宙会收缩，天体会毁灭，黑洞会成长，把所有的物质都吞掉，变成能量。最后黑洞会蒸发消失，整个宇宙变成一个纯粹的能量空间。空间继续坍缩，当它收缩到极致时，又会爆炸，宇宙的新一轮循环开始了。

彭罗斯的共形循环宇宙学随着2020年诺贝尔物理学奖被重新发现。而彭罗斯也再次向人们推荐了这个理论。它可以解释宇宙之前的样子，并且很确定地预言了在宇宙微波背景上发现的六个霍金点就是这个理论的最好证明。

然而，共形圆宇宙论仍然没有得到大量科学家的支持，霍金的观点是证明这一观点正确性的关键。然而，科学家们多年来一直在仔细研究宇宙的微波背景。目前还没有发现特别的热点，所谓的霍金点也不存在。

由此看来，彭罗斯的共形圆宇宙论要得到人们的认可，还有很长的路要走。无论如何，这个理论向我们揭示了宇宙以前可能的样子，至今仍具有重要意义。如果将来科学家发现了霍金的观点，证明了共形循环的宇宙学，那么他将是和爱因斯坦一样伟大的科学家。

宇宙的前世，宇宙的年龄是怎么算出来的？宇宙诞生前的世界是什么样的？

天文学家永远不会对哈勃这个名字感到陌生。

哈勃是活跃在20世纪的美国天文学家。他一生对天文学做出了许多杰出的贡献，被誉为观测宇宙学的先驱。正是这位天文学家在宇宙观测中发现了一个惊人的事实，那就是所有的星系之间都相距很远。哈勃在观察中发现，距离越远的星系相互偏离的速度越快，这一发现成为后来宇宙膨胀理论的基础。

现在我们确定了宇宙一直在膨胀，宇宙膨胀理论成为大爆炸理论的基础。反正宇宙大爆炸理论是目前认知水平下最有说服力的关于宇宙起源的理论。

在大爆炸发生之前，我们现在在宇宙中看到的一切都不存在。

一切都只是一个点，我们称之为奇点。这个奇点与我们通常所说的位于黑洞中心的奇点非常相似，只不过它的质量更大。如果非要加一个表示程度的形容词，那就是无限。与无限质量相对应的是无限体积。简而言之，奇点就是一个质量无限大、密度无限大、体积无限大的点。

这一点以一种我们无法理解的方式存在。137亿年前，不知道什么打破了平衡，爆炸了。瞬间，物质、空间和时间生成浮现出来，宇宙诞生了。

诞生之初，宇宙是热的，物质只能以基本形式存在。中子、电子、光子等物质的基本形式是宇宙中的主角。

随着宇宙的不断膨胀和冷却，原子、分子和更复杂的物质形态逐渐出现。之后是气体、星云和各种天体，宇宙逐渐走向有序。

一个小问题，宇宙年龄是怎么确定为137亿岁的？这就要回到刚才的宇宙膨胀理论了。宇宙继续高速膨胀，距离越远的天体相互偏离的速度越快。目前宇宙膨胀速率是一个超过光速的数字。顺带一提，这并不违反光速最快的原则。因为光速的最快极限是系统内部物质运动的速度，所以宇宙的膨胀与其不同。

宇宙的膨胀速度超过光速，人之所以能看见东西，是光在视网膜上成像的结果。超过光速的膨胀速度意味着遥远的光无法在有限的时间尺度内传播，所以我们能看到的最远距离是137亿光年外的宇宙。在这个距离之外，有没有与我们无关，对我们来说毫无意义。

所以我们认为宇宙的年龄是137亿岁。自从137亿年前宇宙诞生以来，它诞生之前的世界是什么样的？宇宙的前兆“奇点”是什么？其实这个问题本身并不准确，因为宇宙诞生之前什么都没有。

“宇宙之前的世界”的思想之所以产生，是因为我们认为构成世界的时间和空间的基本组合是永恒不变的，其实不然。

时间，空间，物质都是随着奇点的爆发而诞生的。从微观世界来说，时间的本质是量子态计数，简而言之就是对物质变化的测量。如果包括基本粒子在内的所有物质都停止运动，那么就没有办法感受时间，时间也就不存在了。所以时间取决于物质。

太空也是如此。空间的本质是物质变化的结构呈现。因为材料的长、宽、高、位置的变化，空间的概念就产生了。所以空间就像时间和空间一样依赖于物质，被称为时空，不可分割。因为在奇点爆炸之前，时间、空间和物质都不存在，所以世界不存在。宇宙诞生前的世界是“无”，不是没有，而是没有。

宇宙最开始大概有足球那么大

也许你认为宇宙是无限的，但说实话，它可能是无限的，但我们永远无法确定这是不是真的。BIGBANG的存在告诉我们，宇宙有一个确定的诞生日期，我们只能尽可能追溯到BIGBANG。因为光速是有限的，所以我们能看到的宇宙在空间上是有限的。在今天这个时间点上，所有可观测到的宇宙都是一个138亿岁的球体，以地球为中心，半径461光年。但是138亿年前的宇宙有多大呢？

“我看过很多关于宇宙膨胀后大小的解释，其中一种表述是0.77cm左右，另一种描述是足球大小，还有人说比可见的宇宙还要大。那么哪种说法是正确的，或者介于两者之间？”

没有比广义相对论诞生100周年更适合讨论爱因斯坦和时空本质的日子了。先来讨论一下我们能看到的宇宙。

当我们的望远镜的功率看到那些遥远的星系时，有些东西是很容易测量的。

它的红移，也就是光的波长从惯性参考系偏移了多少。

它有多亮，就是这么远的距离我们能探测到多少光。

它有多大，也就是它在天空中占多大的角度。

这些数据是至关重要的，因为如果我们知道光速(这是我们唯一确定知道的)，以及我们看到的这个物体的真实亮度和规模(我们认为我们可以知道)，那么我们就可以整合这些信息来知道任何物体离我们有多远。

然而，事实并不尽如人意。由于各种假设，我们只能估计一个物体的真实亮度和规模。如果你看到一颗超新星在遥远的星系中爆炸，那么对超新星亮度的估计就是基于你在附近看到的超新星的亮度。但同时你也估计到，超新星爆发的环境是相似的，超新星本身也是相似的，你和超新星之间没有任何东西会改变你接收到的信号。天文学家将这三种效应称为进化效应(越老或越远的物体会越不同)、环境效应(不同的环境会产生比我们想象的不同的效应)和湮灭效应(一些尘埃会阻挡光线)，以及那些我们不知道的效应。

但是，如果我们知道我们看到的物体的真实亮度信息，那么基于亮度和距离的简单关系，我们就可以确定物体离我们有多远。另外，通过测量红移，可以知道光到达地球的过程中，宇宙膨胀了多少。由于爱因斯坦的广义相对论，我们可以利用这些信息来探索所有不同物质能量组合的呈现形式。

但远不止如此。

你现在所处的宇宙的组成是:

光线(光子)的0.01%

0.1%中微子(数量巨大但质量只有电子的百万分之一)

4.9%的普通物质，如地球、恒星、星系、气体、尘埃、等离子体和黑洞。

27%暗物质，一种具有引力相互作用的物质，但不同于任何标准模型中的粒子。

68%的暗能量，这有助于加速宇宙的膨胀。

你可以利用这些信息追溯到宇宙过去的任何时间点，探索过去任何时间点的能量密度的差异和宇宙的尺度。

所以，我做了这个，用对数坐标把它们标出来，让图表更清晰。

正如你所看到的，暗物质在今天可能非常重要，但它只是最近才发展起来的。在宇宙开始以来的90亿年里，物质(包括普通物质和暗物质)是宇宙中占主导地位的物质。即使在宇宙最初的几千年里，射线(包括光子和中微子)也超过了物质，是最重要的存在。

我提到这一点是因为这些不同的成分，射线，物质和暗能量，都在不同程度上影响着宇宙的膨胀。虽然我们已经看到了远在461亿光年之外的宇宙，但我们仍然需要知道过去每个时间点的物质组成，从而计算出每个时间点的宇宙尺度。如下图。

回顾过去，有一些重要的里程碑可能会让你感兴趣。

银河系直径10万光年，三岁可观测宇宙半径这么大。

宇宙一岁的时候，比现在热得多，密度也大得多，平均温度200万开尔文。

宇宙诞生后一秒钟，温度太高，无法形成稳定的原子核。质子和汉字在炽热的等离子体中漂移，整个可见宇宙的半径只有太阳到离太阳第七近的星系那么大。

宇宙的半径只有太阳和地球之间的距离那么长，也就是宇宙诞生后的10/12秒。当时宇宙的膨胀速度是现在的1029倍。

如果我们愿意，我们可以回到更早的时代，比如膨胀最初结束的时候，也就是大爆炸开始的时候。我们可以将宇宙追溯到那个奇点，但是膨胀使得我们没有必要这么做。相反，我们用一个无限期的指数膨胀来追溯过去。当我们到了一个指数状态的末端，也就是到了一个热而密的膨胀状态，也就是宇宙的开始状态。就是这样，我们和这个一秒钟膨胀的最后一小段连接，也就是在10-30秒到10秒左右。无论膨胀何时结束，大爆炸何时开始，我们只需要知道当时宇宙的大小。

但这仅限于我们能看到的宇宙。真实宇宙的大小无疑比我们所能看到的要大得多，但我们不知道能打到多少。我们从斯隆数字巡天和普朗克卫星得到的最佳极限告诉我们，如果宇宙确实向后弯曲并自我封闭，那么我们看到的东西是如此难以与“未弯曲”区分开来，因此真实宇宙的半径至少是可观测部分的250倍。

其实可能是无限的，因为我们不知道宇宙最早膨胀状态，除了最后一个碎片，其他信息都被抹去了。但如果只讨论可见范围内的宇宙，我们可能知道大爆炸前10/30到10/35秒之间的宇宙，也就是大爆炸前期的宇宙在17cm到168m之间。

7厘米，大概是一个足球的大小！所以如果你想知道哪个答案最接近正确值，基于我们所知道的就可以了。不到1cm的估计太小了。宇宙微博背景的约束告诉我们，膨胀不可能以如此高的能量密度结束，也就是说1cm的大小是不可能的。比今天的估计更大的可见尺寸的版本没有谈到可观测的宇宙，但它可能是正确的，但它没有提供任何可预见的测量希望。

宇宙最初有多大？如果最佳膨胀模型是正确的，那么介于人头大小和布满摩天大楼的街区大小之间的值是可能的。只要给它时间，也就是138亿年，你就能看到整个宇宙。

3分钟了解从宇宙大爆炸到地球诞生

根据现代天文学理论，宇宙已经诞生了约138.2亿年，但宇宙诞生后很久都没有天体形成，第一个天体是在几亿年后才形成的。宇宙在这个天体“真空”期做了什么？第一颗星星在哪里？第一个星系在哪里？第一颗行星在哪里？

宇宙是如何诞生的？宇宙在真空期做了什么？

天文学家从宇宙膨胀现象推断宇宙诞生于大爆炸。上个世纪，勒迈特根据爱因斯坦的广义相对论引力场公式计算出宇宙将处于动态膨胀中，哈勃的观测证明了这一点，所以最早的大爆炸理论是由勒迈特提出的。

后来伽莫夫根据大爆炸理论提出了早期合成理论，他的同事拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼提出了大爆炸后宇宙微波背景辐射的预言！当然，众所周知，随着射电望远镜的发展，原始合成理论和微波背景辐射得到了验证，所以大爆炸理论已经被普遍接受。

宇宙是如何诞生的？

大爆炸理论认为宇宙诞生于一个非常小的区域。在138.2亿年前的某个时刻，这片区域经历了一次暴涨，这种暴涨能量的温度在快速膨胀的过程中逐渐降低。宇宙从一团能量中逐渐产生了夸克和胶子，从夸克和胶子中诞生了重子(质子和中子)，然后开始了最初的核合成。那时，氢、氦和少量的锂诞生了。

“真空期”宇宙在干什么

气温继续下降。在核合成阶段的初期，宇宙中充满了高温离子和电子。因为这个时候温度还很高，我们只好等着宇宙继续膨胀。大约377，000年后，宇宙的巨大体积已经将温度降低到电子可以被离子捕获的程度。首先形成氦原子，然后是氢原子和锂原子。此时宇宙中的物质由中性原子主导，光子从这团等离子体中游离出来。这个阶段叫做光子。

所以我们现在看到的宇宙微波背景辐射就是诞生于BIGBANG的光，但它在宇宙诞生初期被等离子体汤封存了37.7万年。原本是一道耀眼的光，却被宇宙的急速膨胀拉成了电磁波，所以你会发现一个令人沮丧的结果。人类的射电和光学望远镜再先进，也永远不可能突破微波背景辐射！

三颗卫星的宇宙微波背景辐射

宇宙的黑暗时代

从大爆炸的第一缕光线开始，宇宙就进入了黑暗期，因为这个时候已经没有天体了，宇宙还在继续膨胀。理论上，均匀膨胀的宇宙不会形成任何天体，但在这个近乎不幸的宇宙中，有一点点不同。正是这种差异导致了膨胀过程中物质分布的不均匀，这就是未来恒星形成的种子！

第一个星系和第一颗行星

第一颗恒星来自于宇宙中散布的不均匀分布密度的星云。牛仔裤不稳定性的几种坍缩模式告诉我们，当分子云的热压不足以抵抗引力时，就会在引力的作用下坍缩，这是恒星诞生的第一步，出现了巴克椭球。它可能分裂成一个或多个坍缩区，每个坍缩区可能形成一颗恒星，这颗恒星可能形成以下天体:红矮星、黄矮星、蓝矮星、蓝巨星、超巨星！

斯皮策太空望远镜发现的三叶星云中的胚胎恒星

每颗恒星都有不同的用途，而红矮星的寿命超级长，达到几千亿到几万亿年，所以原本诞生于宇宙的红矮星还没度过童年！

黄矮星和蓝矮星会形成白矮星和中子星，而白矮星吞噬伴星可能会形成Ia型超新星爆发，成为宇宙中用来测量距离的标准烛光。如果中子星的磁极与旋转轴不一致，就会形成脉冲星，成为可以在宇宙中定位或导航的灯塔。

蓝巨星和超巨星的未来命运是超新星爆发，当然蓝矮星也可能达到超新星的标准。这个过程非常重要，因为未来的行星和宇宙中除氢、氦、锂以外的所有元素都是由恒星制造，通过超新星爆炸扩散到宇宙中的(黄矮星也可以形成行星状星云，但是效率太差了。)

行星的诞生

如果恒星的质量足够大，物质就会开始从氢聚变为铁，但之后就不能再聚变了。最终核心坍缩形成超新星爆发(各种超新星爆发机制不同)，快中子俘获从氢到铁以及早期超新星爆发形成的重元素全部扩散到宇宙中。

这种分散的星云会在宇宙中扩散很长时间，直到有一天被扰乱，再次开始坍缩。再来一个恒星诞生过程。这一次，不一样了。因为各种元素的存在，在恒星坍缩过程中，行星诞生的机制发挥作用，行星会在坍缩星云的漩涡中诞生。

诞生星系

星系不是诞生在大星云中。从银河系诞生的理论中，我们可以知道星系是由一个巨大的引力中心形成的，比如黑洞，它逐渐捕获星系团。而且银河系还在吞噬着人马座矮椭球星系，被银河系的引力撕成了一个绕着银河系旋转的“环”！

黑洞从何而来？有两个起源，一个是诞生于BIGBANG的原始黑洞，它是由高密度物质在诞生时坍缩形成的，另一个是一颗质量超过太阳20倍的恒星超新星的诞生。但是恒星黑洞的质量很难增加，即使黑洞合并，也不可能无限增长。毕竟概率比较小！所以星系中心的黑洞很可能来自宇宙之初的原始黑洞。

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迄今发现的最远星系:第一个星系的首选天体

已知最古老的系外行星:127亿年前

第一代超贫金属红矮星2MASS J18082002-5104378

很难确定是不是第一种，但至少找到了一些典型代表来验证这些理论是否准确。比如第一代红矮星，因为宇宙中所有的元素都是氢，所以金属元素非常少，所以当我们发现这样的恒星时，首先它符合模型，其次说明它诞生的非常早，因为红矮星的质量使得它无法超越氦进行终身演化。

地球有多老？未来会有新的行星诞生吗？

地球是在一个星云中形成的，这个星云是在近50亿年前一颗恒星的超新星爆炸后扩散开来的。这个星云在一次近乎超新星的爆炸中受到扰动，开始坍缩，形成了太阳。所有的大行星都诞生在原始恒星太阳周围的吸积盘中。所以，地球再老，也永远不会比太阳老。理论上，这两种物质是同时诞生的，但地球的诞生比太阳晚了一点，因为地球的形成符合吸积盘中涡旋扰动坍缩形成行星的理论。

ALMA亚毫米波射电望远镜阵列对HL-Tauri尘埃连续光谱图像的观测

未来太阳系不会再有行星，因为小行星带的质量只有直径1000公里左右，柯伊伯带也一样。太阳系的诞生已经收集了奥尔特云中的大部分物质，除了传说中的第九大行星没有被发现，太阳系不会再有新的行星了！

第九行星在哪里？

宇宙行星的诞生是很常见的事情，包括金牛座和猎户座，那里有大量的新兴行星盘。这些同心圆中的任何暗环都代表着这颗新行星的诞生。当然，谁也不可能知道他们哪一个有生命，因为未来一切皆有可能。

在猎户座参宿四，距离地球大约640光年，这是一颗正在死亡的古老恒星。其内核的不稳定性导致其光度变化超过2.5倍。这是一颗质量约为太阳15-20倍的恒星，其未来将发生II型超新星爆发。若干年后，一个行星系统可能会在它爆炸后的碎片中诞生，上面有一颗宜居的行星，诞生的文明可能会开始思考。