为什么我们现在的主流的宇宙理论是宇宙大爆炸学说?

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章鱼喵.时见疏星理论物理专业,西夏文爱好者

2013-03-28 11:26

严格来说,我们不能够完全确定大爆炸理论的正确性,即使我们相信广义相对论的正确性,即使我们相信现在的观测数据,依然不能够100%说明大爆炸理论的正确性。

问题出在什么地方呢?首先要看看为什么我们选择大爆炸理论。

这个要从标准的宇宙学模型说起。现在的绝大多数的观测数据,包括宇宙学红移、宇宙微波背景辐射、超新星等等,说明从大尺度上讲,我们周围的可见物质都在远离我们。而且我们周围各个方向的物质原理我们的速度差不多。也就是说,每个方向都是相同的。

然后问题来了,这些东西远离我们,说明了什么?那么我们先要思考一个问题:我们作为宇宙的观察者,到底处于一个什么样的地位?客观的讲,没有什么理由说,我们处在宇宙的中心。(当然,也没有理由说明,我们不是处在中心。剩下的就是信仰问题了。不过从我们的全天扫描来看,宇宙中物质大尺度上分布是很均匀的,既然是均匀的,那么我们就觉得,很可能就没有中心了。)如果我们不是处在中心,那么周围各个方向星系远离我们的速度差不多,说明整个宇宙在膨胀。

现在我们论证了现在的宇宙在膨胀。然后利用各向同性和均匀性假设(称为宇宙学原理),然后我们知道现有的物质的物态方程,可以发现宇宙过去也是在膨胀。那么我们倒退回去,如果宇宙一直在膨胀,那么过去应该是很小的一个宇宙。这就是大爆炸理论大致的逻辑。

现在我们返回去看看,这个理论到底是不是肯定正确。那就看看到底这个理论还有没有问题我们想不通。问题很多。有些问题,比如视界问题,可以通过一些办法解决,比如引入暴涨阶段。有些问题,比如,宇宙学原理本身就是个假设;我们现在知道的物质并不一定是宇宙中所有的物质;我们用的广义相对论可能有问题,现在都是不确定是否绝对正确的。

但是,话说回来,现在没有一个其他的理论像大爆炸理论这样成功。而且,由于现在宇宙学的一些数据的精度很高,而现在理论又跟数据的吻合这么好,所以可信度还是比较高的。

对于这个理论中的问题,如果想要解决,那大部分人自然还是在大爆炸的框架下面做。当然,也不能排除将来rule out大爆炸的可能。

事实上,现在的可能正确的理论远远不限于大爆炸理论一个。只不过这个是“信徒”比较多的理论而已。

宇宙起源问题,我们没有答案。所以Edward Witten才会提出这样一个问题:
How can quantum gravity help explain the orgin of the universe?
我们的理论还没有能力探求太早的宇宙。

多早的宇宙算是太早的宇宙?这个我们有个很聪明的办法来提供一个量级。(这个办法其实就是一个简单的量纲分析。)对于时空曲率太大的情况,现在的广义相对论(我们称之为经典广义相对论)是不能触及的。通过分析知道,在早于10^-43s的时候我们的现有理论是无法理解的。这个短短的时间,就足以把我们关在探索起源的门外。

然后很多人会有这样的疑问:那么宇宙之前是什么?
答案是,不知道。
首先说明一点,这个问题很大程度上,只是观念上问题。我们从出生就开始感受我们周围这个小小的世界,我们对于这个世界的理解,很大程度上都是对我们可以感受到的事物和现象的总结可扩展。我们习惯了时间缓缓的稳恒的流淌,习惯了这种近似平坦的闵氏时空。所以我们很难去想象弯曲的时空。自然,我们也很难理解没有时间和没有空间的世界。所以我们会去问,大爆炸之前是什么,宇宙之外是什么。
可是,如果没有了舞台,戏曲就没法表演。同样,没有了时空,还谈何事件的发生?不能谈事件发生,我们那样的世界跟不存在又有什么区别呢?
我提到了没有时间和没有空间,但是事实上我们并不确定大爆炸之前就是没有时空的。这只是一种可能的情况。因为上面提到了,我们没有合适的理论来描述太早的宇宙。或许等我们有了相应的理论,就会发现,原来大爆炸之前,还是可以探寻的。


宇宙就是所有么?
回答是不知道。
我们现在讨论的宇宙,一般只是可观测宇宙,在这部分可观测宇宙之外,还有更大的存在,因为跟我们没有因果联系(严格的说,有因果联系的部分要比可观测宇宙要大,但是先不管),所以我们一般都不管那些,但是我们从现有的宇宙的起源的理论,是可以确定其存在的。
另外,有些理论,比如有些暴涨理论,认为宇宙像一棵树一样生长,会不断长出新的分支,甚至会在分支之中嵌套一个宇宙。


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如果想站在稍微专业一点的角度看待这个问题,如果你又学过概率论,那通过下面这段话,可能比我理解的更好,因为我刚刚开始看概率论。


取自http://multiverse.lamost.org/blog/2918
假定我们的宇宙遵从特定的规律,可以设想这样的两种观测者。一种是自然之上的创世者们,比如叫他们宇宙定制公司,他们非常清楚宇宙所遵从的规律,而且也知道宇宙是在什么样的参数下运行;另一种是宇宙之内卑微的生存者,比如我们地球上这些渺小的人类,我们并不知道宇宙是精确的规律是什么,也不知道在某个规律下面宇宙的参数是如何设定的,我们只能实验和观测,更加难堪的是,在宇宙学中,我们基本上只能进行观测,想要尝试去改变一些宇宙的设定来得到某些结果,目前还只能出现在科幻小说之中。
那么对于宇宙定制公司的人们来说,他知道宇宙的精确的理论是 H ,(对于我们来说是个假设而已,因为从我们的角度来看就是个 Hypothesis,简称 H ),而我们生活的宇宙可以用一个模型 θ(θ1,θ2,…) 来描述,其中 θi 为模型参数,而且他们知道宇宙运行之后的数据 D,(比较幸运的是,对于很多数据 D,我们也是可以得到的,因为我们就限定 D 为我们可以得到的数据)。
基本概念
那么从宇宙定制公司的角度来看:
可以根据 H 来计算 θ 模型下的某个数据出现的理论概率,比如现在在一个范围 A 内,共有 M 颗1型超新星,和 N 颗2型超新星。他们可以计算在拿到了 m 颗1型超新星和 n 颗2型超新星之后,随便抽取一颗是1型的概率,因为整个宇宙在任何时空点的配置他们都清楚的很。这种我们统统称之为计算 P(D|θ(θ1,θ2,..)),即 likelihood. 意思是说,我们现在知道一个模型θ和参数θ1,θ2,…,得到某个结果 D 的概率是多少。
这差不多是宇宙定制公司用的最多的计算了吧。
而对于我们来说,情况变得就复杂多了。我们只有观测数据,并不知道宇宙的理论 H 和具体的模型及参数 θ(θ1,θ2,…)。而我们希望通过这些观测了解到宇宙背后的理论和具体模型及参数。 因此从我们的角度来看却只能计算 Posterior,记作 P(θ|D),意思是说,我们有一堆观测数据 D ,那么一个特定的模型θ并且取某些特定的参数 θ(θ1,θ2,…)的概率是多少。
可以看到这样一种记法,| 是符合条件符合,可以直接读作”符合条件”,因为这个条件概率的条件放在后面。
为了更明白,我重复 arXiv:0911.3105 中的一个例子。
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).
这里 P(D|H) 是 likelihood, 而 P(H|D) 是 posterior. 可以明显的看到,likelihood 是指我们明了系统的详细配置的情况下计算某件事情发生的概率,这个很强大;而 posterior 是我们不知道系统的配置的情况下,可以根据很多的实验来计算出的一个概率。这个例子中提到,如果我们可以做无穷次实验,那么就可以计算 posterior,即使我们是生活在2012年的地球人。==~

看到这里的问题了,我们有数据,但是我们也只能去算某个自己提出的模型跟数据的吻合程度,吻合的好,我们就说模型好,然后问题在于,现在的数据跟大爆炸模型的吻合程度虽然也不错,但是还没有达到粒子物理那样的精度。

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因为还没有更好的让更多人接受的理论吧

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不是说,因为我们观察 宇宙的非常的均匀吗

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本来就只是假说,没有更好的理论还能怎么办?以后也可能被证实是错误的而被其他理论取代……

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我想楼主想问的是为什么大爆炸是主流,而不是其他的什么理论。

大爆炸理论的对手就是稳恒态理论。大爆炸之所以成为主流理论是因为有很多实验上特别是宇宙学的观测证据和大爆炸的预言相吻合。而别的理论没法解释,或者没有办法很自然的解释。

有一个很著名的奥伯斯佯谬 ,说夜空为什么是黑的,如果宇宙是无穷无尽的,那无限过去所有星星发出的光加起来会把整个夜空照亮。但是我们知道夜空是黑的,说明要么宇宙不是无限大,要么年龄不是无限大,或者两个都不是无限的。 这个证据对大爆炸理论是有利的。
http://songshuhui.net/archives/5711
松鼠会的这篇文章讲得很清楚。

第二个是哈勃定律,就是宇宙在膨胀,我们看到宇宙中天体离我们远去的速度跟我们之间的距离成正比。 从这个回推出,可见宇宙是由一块极小的区域膨胀而来的。这恰恰可以用大爆炸理论来解释,而且还可以据此估计出宇宙的年龄在137亿年左右。

第三个就是宇宙微波背景辐射。 美国物理学家罗伯特威尔逊(Robert Wilson)和彭齐亚斯(Arno Penzias)发现天空各个方向都存在着有着2.7K黑体辐射谱的微波。 而这个刚好可以由大爆炸之后产生的余热光子来解释,科学家可以通过大爆炸模型的计算得到和现在吻合的微波背景辐射温度。

正因为诸多的实验观测结果都可以和大爆炸模型计算结果所吻合,即使有些实验也可以用别的理论来解释,但是大爆炸模型的解释更加直观。 所以才成为当今宇宙学的主流理论。

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