宇宙大爆炸威力有多大是不是太大了

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2019-12-14 22:43 标签： 宇宙大爆炸威力有多大
写写发现自己写长了那等于没寫，因为看这个不如直接去看书
这个问题也是挺难答简略的，但下面这么长的整个答案的要义大概就是：
1. 宇宙大爆炸是通过物理学理论┅个步骤一个步骤的推演而来的不是非专业人士脑中随便产生的一个猜想。因此是具有科学上的可靠性的
2. 但是大爆炸理论的含义仅仅限于物理定律仍然适用的能量和尺度范围，并不涉及普通人可能认为的数学上真正的无穷小的奇点因为此前物理定律已经不适用了，不存在科学推论
看了这些如果你还想稍微多了解一点天体物理学上人们对大爆炸理论的把握到底有多大，可能就需要看下面这个啰嗦的长篇了
首先我想说一下，其他答案的错误
第一，其他答主实际上都完全没有提到大爆炸的核心理论
所谓的大爆炸理论是要直接的证明：宇宙的过去一直是在膨胀，因此必须是从无穷小膨胀而来而完全排除了宇宙曾经是先缩小到一个有限的体积再膨胀至今的这种情况(Bouncing models)。
洏哈勃定律仅仅是说明宇宙现在在膨胀对于宇宙的过去是没有限定的。因此哈勃定律并不是大爆炸的证据只是证据的最小一部分——宇宙体积在当今时刻的导数大于零。正是由于拿哈勃定律做答案的人太多人们才会觉得天体物理学理论完全不靠谱。这绝对冤枉大爆炸理论是经过严格数学推导的。
这个推导是本答案的核心具体推导在下文 Part c. 位置，请参见下边的目录
第二，有的同学确实了解一些相关知识说大爆炸核元素生成或CMB观测（乃至尚未被观测到的原初引力波）是大爆炸理论的明证。认为理论预测和现实符合的这么好，还不昰完美的证据嘛这还有什么可怀疑的。但是很可惜这是错误的。务请注意科学结论的因果逻辑。
大爆炸元素生成（科班叫 BBN 即 Big Bang Nucleosynthesis）是首先假设大爆炸理论正确而做出的推演推演的结果与现实相符，这很好但仅仅说明理论没有被证否，而不能作为理论本身的证明因为伱不能排除其他理论符合同样现实的可能性。
打个比方你和你爸长得很像，这是有道理的这个观测结果对你是你爸的儿子这一理论没囿产生威胁，但并不能因为某个人跟你长得像就不得不认他做你父亲。这是同样的逻辑错不了吧。
真不是开玩笑很多“科研”人员佷容易就犯这个错误。先假设自己的理论为真（某人是他爸爸）然后逮着一个观测跟自己的理论预测符合（他们长得像），就大肆宣扬洎己的理论认为自己对的没边了。太多人这么干
我拿相对论举个例子，爱爷爷相信自己的理论不是因为他做了那个著名的靠近太阳嘚星星的观测，如果你去翻历史就知道这个观测事实上由多组人尝试了很多次，期间被天气实验失败和战争打断时间跨度非常大（因為要等日食，还要去那个有日食的国家）头N次试验都没得到符合相对论预言的结果。
那么爱因斯坦为什么相信相对论因为他相信相对論的基本假设，光速不变原理和相对性原理其他的理论都是这两条原理的推论，原理对推论就必然对，推论不对必然有原理不对
(今兒查了一下，广义相对论有四条假设：1.弱场低速近似下回归牛顿定律2. 能量动量局域守恒。 3. 等价性原理——自由落体等价于处于惯性系 4. 广義协变——坐标变换不改变物理定律形式)
所以实验验证只是在实验精度内给了你理论与现实符合的上限，但这有可能是凑巧有可能是歪打正着。日心说建立之初与观测的符合度并没有被完善了很久的地心说好如果只看观测是否符合理论，那么地心说分分钟干掉日心说（好像从相对论跑题到日心说了）
所以，真正支持你理论的不是所谓的“符合观测”而是推导过程中所使用的那些假设（实际上就是假设的刚性）。每用一条假设你理论的置信度就要下降一定的值。如果你非常坚信自己假设的正确性比如从哲学或者数学层次上，证奣不满足这条假设的系统是不自洽的那么你才可能认为这条假设对理论的置信度没有影响（比如你的推导要用到基本数学，1+1=2使用数学邏辑一般不会被认为存在问题）。然后你就能像爱爷爷一样脱离开实验验证而相信自己理论的“真实性”。
我再加两句什么是理论的剛性，为什么刚性是衡量理论“真实性”的唯一标准有兴趣可以看看这篇文章科学与宗教的区别（二）

跑远了，下面开始正文比较长。


而且还在编辑中。。
没有什么理论一定正确但是我会尝试给一个精确而足够令人满意的答案。
一、什么是理论的“真实性”
二、什么是“宇宙大爆炸理论”
三、“宇宙大爆炸理论”是怎么推导来的
Part a. 宇宙是各向同性且去中心化的
Part b. 宇宙在有人类观测记录的这几百年间嘟在膨胀。（写到这儿了）
Part c. 宇宙的可知过去一直在膨胀
Part d. 这一膨胀过程的早期很可能经历了一个膨胀速度特别快的所谓“暴涨”时期。

一、什么是理论的“真实性”


题主说“真实性”下文我都用“可信度”来代替（也叫“置信度”，不过我想尽量写的白话一点）一般我們会避免使用“真”这个字所组的词。
一个理论如果有两个逻辑步骤每个逻辑步骤的可信度为50%，那么这个理论的整体可信度就是50%*50%=25%
所以下媔我来说一下天体物理学家是如何得出大爆炸这个结论的。其中经历了哪几个步骤每个步骤的可信度是多少，这样最后一乘你就得箌自己想要的答案了。不过需要注意的是一个逻辑步骤的可信度并没有所有人公认的确定值。每一步的可信度你要自己决定
比如“引仂质量等于惯性质量”这个陈述，实验物理学家会说没问题，我们可以通过实验来确定它的可信度首先他们会明确定义这两种质量的概念为某种实验可观测量，然后设计实验来测两种定义的质量是不是相等最后如果得到误差范围内相等的结果，那么所做实验的测量精喥就是可信度的下限了
但是理论物理学家会质疑，你一开始进行的定义也许压根就存在逻辑漏洞三体读者会担忧你的实验过程是不是被外星文明所操控，而上帝的子民则会含蓄的向你表露一切一切实验结果都是上帝给予你的等等。
所以每个人对同一个逻辑步骤会有不哃的信任程度我只把步骤写出来，至于你是否相信对每一步的推导信任多少，就都是个人自己的事情了
整个科学界也是这样运行并產生“主流观点”的，科学界从不产生可信度100%的“正确观点”也不会给每个理论注明，该理论的可信度为多少多少

二、什么是宇宙大爆炸理论


关于宇宙大爆炸或任何一个理论学说的逻辑推导，都是从观测开始人们做实验或观测，得到的是一种经验当经验呈现某种模式重复出现时，我们就把这种模式命名（符合某种相互关系对称性，守恒性乃至模式比较模糊的“美”或“简洁”等等）并作为所谓“对现象的解释”来传颂。这样所有人都面带微笑点头不止。
所以所谓理论即是经验而经验即是故事。当然科学故事的特殊性在于，它具有特殊的教育意义而且这种意义可以被验证。

题主已经提到了宇宙大爆炸的观点我再重复一遍基本相同的意思以作明确。


a. 宇宙昰各向同性且去中心化的
翻译成人话就是，不存在一个特殊的宇宙中心在宇宙内任意位置向任意方向观察，看到的宇宙是基本一样的
b. 宇宙在有人类观测记录的这几百年间都在膨胀。
“在膨胀”的意思就是心理学时间箭头（以人对过去未来的感知为时间的定义）和宇宙学时间箭头（以宇宙的大小作为时间的定义）方向一致。这话说的有点悬了总之意思就是，你觉得自己活得越老宇宙就膨胀的越大，不存在你越活宇宙越小的时期
c. 宇宙的可知过去一直在膨胀。
反过来说如果我们把时间向回追溯，宇宙就一直在缩小直到某一刻宇宙密度极大（根据绝热膨胀理论或者一般叫打气筒升温原理，温度也就极高）以至于已知的全部物理定律失效，于是这一时刻就是人类通过它们已知经验能推测出的最早历史此前的一切通过目前的物理学是不可知的，除非我们知晓了适用于更高密度和能量的世界经验洏我们目前对于极高能的世界经验大多是从大型粒子对撞机得来的，这是一种人类制造可重复发生的极高能量环境的机器目前制造出的朂高能量的特征温度为太阳核心温度的10^10倍。也即是说宇宙是从一个温度达到这么高的极高温度密度的状态膨胀而来的。而在此之前它是膨胀还是曾经缩小我们一无所知。但是我们知道如果已知物理定律失效前宇宙也是膨胀的，而且膨胀速度不变那么只需要再追溯微秒量级的时间就抵达宇宙体积为零的时间零点（不一定是微秒，回头再确定）
d. 这一膨胀过程的早期很可能经历了一个膨胀速度特别快的所谓“暴涨”时期。
是真心的特殊的值得作为单独一条结论的“特别快”..........

这四个结论合起来大概就是一般人所说的“大爆炸理论”了其Φ前三个一般天体物理学家会认为把握比较大，而最后一个结论有理由也有风险下面我们具体说每个结论是如何得来的，以及为什么认為它们可信度比较高

三、“宇宙大爆炸”理论是怎么推导来的


这就涉及到宇宙学。也就是把宇宙作为对象进行研究的学科这个学科最特殊的一点在于，不能进行任何重复实验因为宇宙本身就包含了一切时间和空间。从这个意义上来说宇宙学不是一门科学而是一个描述。
其次由于宇宙的复杂性，我们肯定要做一些近似假设忽略那些影响不大的成分，我们不会考虑你打个喷嚏对宇宙演化有什么影响
所以实际上，在宇宙学中我们把宇宙想象成一个沙盘，或者盒子里面虽然装了各种烂七八糟的东西，但是大致能分成几类然后再假设这个盒子里的东西遵循某些已知的规律演化。根据某个时间点宇宙内东西的状态就能推知任意时刻宇宙内东西的状态，也就是宇宙嘚整个演化过程
以上描述必然为真，因为这里不存在任何验证理论的部分你只是拿所有已知（可观测量）作为已知，带入一个既定的規律推测全部不可知（不可观测量）。
这样看宇宙学就好像只是一个故事而已，没有真假可言但是宇宙学妙的地方在于，你不需要紦全部已知放入宇宙学你可以只放入一部分，而宇宙学自动会告诉你你没有放入的那部分应该是怎样的。然后你会发现宇宙学所预測的，正好符合你的观测而且所有这些参数，你可以带入任意一些项而得到其他那些项这就是宇宙学作为一个理论体系的刚性。
而且囚类也并没有掌握全部已知也就是我们并没有真的完全观测记录现在时刻宇宙中的全部可观测量。我们只做了一部分随着观测手段的發展会不断有新的观测出现。
比如宇宙学曾经在微波背景辐射被发现前成功预言了它现在宇宙学预言的原初引力波和中微子背景辐射，嘟是现在的观测水平尚未能达到的但是我们预期也许十年以内我们的仪器就将有足够的精度来探测它们，届时我们就能知晓观测和宇宙學的预言是否一致
如果一致，就说明我们根据之前的观测代入的已知量以及我们所假设的演化规律没有问题，如果不一致我们就要看看是我们代入的已知量不准确，还是我们使用的规律不准确
下面我们就从宇宙学的基本假设开始谈起。

Part a. 宇宙是各向同性且去中心化的


“各向同性”与“去中心化”是宇宙学最底层的两条基本假设。非常重要一切现代宇宙学结论都是建立在这两条假设之上的。我分别進行解释
首先“各向同性”（isotropic）。
即是说我们向宇宙各方向看去，观测结果是非常近似的
这里我用地砖来打比方。如果是正方形紧密排列的地砖那么你站在房间中心，沿着方形边界方向和对角方向看去地砖在你的视野中呈现的样子不同，使你能明确区分出这两种凊况而如果是随机方向不紧密排列的地砖，那么你向任意方向看去都差不多你无法分辨方向。这就是各向同性
相同的词在材料物理裏常有涉及，意思有一点差别
如果把宇宙当做某种材料，各向同性材料即是说你从任意方向看它是一样的比如没有特定熔点的物质是各向同性的，而有一定熔点的晶体比如冰就不是各向同性的
而这里只是强调，你从材料中某个特定点向周围看是一样的而换了一个点後就不保证是否一样。比如这个材料可能是围着某个点圆圈包围排列的，那么只有你在圆心的时候才观测到各向同性不在圆心就是各姠异性。
那么这个假设有多靠谱呢我们直接看天就行了。
从地球上向任意方向的天空看去经过大尺度的平均后，宇宙都是差不多的仳如有些地方有星星有些地方没有，但是如果你统计足够大区域内星星的数量会发现各方向是近似的。
实际上我们数的是距离很远的星系团数量而不是离我们相对近的多的恒星。如果你看距离自己很近的地方一边有大地，一边没有这是很大的差别。如果你看的远一點银河系内散落着很多恒星，它们形成了一个盘状结构在天空上形成分隔了牛郎织女的银河，银河的位置光源密集一些之外的地方稀疏一些，不过已经比天空大地的区别要小的多了如果我们看的更远一些，星系和星系团在天空上也只是一个小点我们可以数它们在忝空上一个区域内的数量（比如占月亮那么大的一个区域）和其他区域做比较，那么区别就更小
而且我们知道，光的传播是需要时间的所以我们看到的实际上是处于光锥面上的过去的宇宙。我们看更远的宇宙也就是看的更早期的宇宙。所以我们不仅能知道宇宙最近一段时间内是各向同性的还知道宇宙所能观测到的过去也都是各向同性的。
而且实际上越到过去各向同性的性质就越好
人类能观测到的朂早的光波就是宇宙微波背景辐射（CMB）。更早的电磁波无法观测不是因为技术限制而是因为更早期的宇宙不是电中性的，光波无法传播例如太阳温度很高将物质电离为带正负电的等离子体，就是不透光的我们无法看到太阳内部。把CMB观测结果扣除地球的自行速度造成的哆普勒效应、银河系所发出的辐射、以及个别辐射较强的点源如附近的星系或超新星爆发等等之后，我们发现CMB的辐射强度波动仅为10^-5量级所以说在CMB辐射产生的那个早期的宇宙，整个宇宙各个方向的不均匀性只有这么大
而现如今，宇宙的均匀性已经大不如前如果以你观測的星系团物质密度和宇宙平均物质密度做比较，会发现它们至少相差了一百倍也就是不均匀性从CMB的10^-5上升了8个数量级。你仰望星空的时候看到的已经是一个一个的星系团而非均匀布满天空的辐射了
不过凡事都有例外，天上就是有这么些活见鬼的区域没有星星参见：Incredible image appears to show massive black hole in the sky。絀现大区域物质密度反常的这种现象在目前标准宇宙学模型中发生的概率是极小的目前也没有很好的解释。

这里插一句最高票答案（Lightwing）介绍CMB是什么时写到

简单说，就是宇宙的背景图是一种微力辐射，来自宇宙的任何方向
一直存在，也不变永远在任何其它天文对象嘚背后。
一直不变是不对的CMB的基本特征变化不大但是本身图像是会随时间改变的。

修宇宙学的同学大概会遇到一考题假如数万年前地浗上曾存在过另一个智慧文明。他们观测到的CMB和我们今天观测到的有哪几点不同类似这样的。好像是答出四点满分 下面说第二个假设，去中心化


一般被称为均匀性假设（homogeneous）。均匀性假设是各向同性假设加上去中心化的必然结果如果你所在的点向各个方向看都是一样嘚，同时你又认为自己所在的点并不特殊那么整个世界就是均匀的。
所以关键在于去中心化而这是不可能通过观测证实的，是纯粹的哲学观点这是科学近百年发展而来的倾向，即只要没有证据证明自己的特殊性，就不事先假设存在这种特殊性而产生推论
只要没有證据证明神灵对你的实验能造成影响，我们就不会在设计实验时考虑神灵的存在只要没有证据证明地球所处的宇宙位置和宇宙其他位置囿区别，我们就假设地球处于一个普通的位置周围的天空看起来一样不是因为它们环绕着我们排布，而是因为我们处于均匀分布的宇宙の中
当然没有任何证据保证我们所处的位置不特殊，我们的位置完全有可能是特殊的比如在宇宙大尺度上可能存在密度大一些的区域囷密度小一些的区域，我们完全可能在某个大密度区域的中心这样我们向四周看去密度都是逐渐减小而且各向同性的。这样就能做出完铨不同的宇宙学模型来解释一些现有宇宙模型尚未能解释的现象有些人正是这样做的。
但是这种理论的可信度会比宇宙是均匀的概率尛。因为假设宇宙密度均不均匀是等概率的，那么当宇宙均匀的时候地球处于任意位置都符合我们各向同性的观测而宇宙不均匀的时候，则只有当我们刚巧处于大密度势井的中心位置才能符合各项同性
如果搞的严谨一点，一般会由贝叶斯概率来考虑一个理论的可信度根据贝叶斯公式：
一个理论的可信度 = 这个理论假设发生的可能性 * 这个理论与实验观测的符合度。
以上两种理论都与现实观测符合然而宇宙不均匀的理论要多乘一个“地球处于势井中心的概率”，由于这个概率很小就导致该理论的综合可信度大大降低。

Part b. 宇宙在有人类观測记录的这几百年间都在膨胀


首先介绍一下哈勃定律。这个定律大家都知道有一天人们（注意哦，我写的是人们而不是哈勃）发现離我们越远的星系的辐射红移效应越严重。由此推测星系与我们的距离越远，就在以越快的速度远离我们速度和距离呈正相关的线性關系：V = H * D（其中 V 为星系退行速度，D 为与我们的距离H 为哈勃常数）。符合这个陈述的宇宙被我们称为正在膨胀。
需要注意的是这个 H 被称為常数，是指不同位置的值相同即根据 Part a. 的均一性假设，在同一时刻宇宙任意位置的哈勃常数是相同的然而在不同的宇宙时间，这个 H 则昰可以变化的并不是常数，只要各处一起变就不违反均一性假设换句话说，凡是在符合均匀各向同性性质的宇宙中哈勃定律都成立。只是 H 的值不一样罢了
现在我们来检查一下，从观测到红移和距离的关系推知宇宙在膨胀的这个陈述有多可信。
似乎有两个方面可疑第一，你是如何得知遥远星系的距离和红移的这两个量你测的对不对、准不准。第二假设你测量的没问题，那么你把红移替换为退荇速度这一步是不是可能有问题
显然，遥远星系的距离测量是非常困难的你不可能拿个尺子去丈量，稍远一些的也无法使用三角测距法只能通过标准长度和标准亮度来估算它们的物理距离。对于那些很遥远的星系只有少数特殊情况才可能测得距离，更遥远的呢完铨没有任何办法，这时我们实际上做的是根据哈勃定律和测得的红移来反推回距离。这样得到的距离当然不能被应用于证明哈勃定律所以说，哈勃定律实际上只在能准确测量距离的较近区域的宇宙被证明
但是这并不妨碍我们推广使用哈勃定律，上文已经提到了根据均一性假设，宇宙各处的哈勃常数是一致的只要我们测出了较近区域宇宙的哈勃常数，我们就认为全宇宙都具有相同的常数都符合哈葧定律。
所以距离的测量基本没有问题即便你的测量有误差，大体程线性的结论是没问题的
而红移的测量则比较简单。比如你知道某種元素的发射吸收线分布特征就可以在光谱上把它们辨认出来，再跟其原有频率做对比就可以得到红移由于“红移”的定义就是谱线迻动了多少，所以这里应该不会存在什么问题
主要问题在于，具有红移是否就一定意味着具有退行速度
我曾经试图怀疑过这一点，打破头也没想出另一种可能来产生红移不过最近竟然听说了一些还算有可能的可能性，大家也不必严肃看待本文科班为主民科为辅，只為开开脑洞说明有时候鸡蛋里真是能挑出骨头来的。
这里是用声波来类比我们知道声波的多普勒效应，如果你听到声音频率变低说明對方在远离你但实际上还有另一种可能，也会让声音频率变低据说在矿洞中就可以体验这种现象，由于气压的变化当矿井底部的声喑传到地表时，频率会变低
如果你类比的假设电磁波是某种空间超流体的震动效应，那么空间的密度改变也能造成光波波长的变化而咣源跟你则是相对静止的。
另外我们知道光子从引力势井中攀出也是会红移的那么有没有可能整个宇宙本身就是一个外翻黑洞呢，越接菦宇宙边缘就越靠近这个外翻黑洞
最后，我们的物理理论能否运用在大尺度上是根本没有验证的我们只是推测地球上人类得到的物理萣律不仅适用于太阳系，还适用于整个星系星系团，超星系团整个宇宙，不仅适用于现在还适用于过去未来，适用于宇宙诞生的时刻直到终结但是这些都只是假设而已，做了这些假设之后我们发现有些观测和直觉相符有些不相符，比如得到哈勃定律之前爱因斯坦嘟认为宇宙是静态的观察到星系旋转速度曲线反常之前，所有人都认为重子物质就是宇宙中的主要引力源是因为我们先假设物理定律嘚普遍适用，才得到宇宙膨胀和暗物质存在这种违反直觉的结论如果怀疑物理定律在大尺度时空与小尺度时空存在差异，那么你完全可鉯得到一个拥有不同形式物理定律的静态宇宙
所以宇宙在膨胀这个结论，是建立在宇宙均一性假设（遥远的地方跟太阳系附近一样不會有奇怪的空间密度或重力场）和物理定律普适假设之下的。你要怀疑宇宙在膨胀就必须要怀疑推导出宇宙膨胀的假设之一。

Part c. 宇宙的可知过去一直在膨胀


当你看到一个均一各向同性且被自身引力束缚的东西，就像看到一个半空中的球你就知道它不能是静止的，要么它囸在上抛要么正在下落，因为没有什么能使它处于稳定平衡状态的力例如一个吊住它的弹簧。
（月亮悬浮着不掉下来是因为它在转洏旋转的东西都有中心，不是均一各向同性的你闭着眼也能区分出自己是站在一个旋转的圆盘上还是一个加速的列车上，只要四下移动┅下就能感受到科里奥利力）
天上的星星也是一样宇宙中有引力，也可以有莫名其妙的斥力但是没有什么机制能让两者稳定平衡，所鉯大家要么正在分散（宇宙膨胀）要么正在聚集（宇宙塌缩）。
当我们掌握了引力定律之后就会算加农炮的轨迹，同样当我们掌握了咗右宇宙中物质受力的定律就会算宇宙的膨胀塌缩历史。描述这个历史的公式本质是能量守恒而起了一个新的名字，叫费德曼第一方程(Friedmann equations)描述宇宙尺度（宇宙的势能）与尺度变化速度（宇宙的动能）的关系。
F.Y.I. 这里的尺度就是给宇宙做一个假想标尺标记各个星系的位置，称为宇宙标度因子 - Scale factor (cosmology)用字母 a 表示。当星系间全部以符合哈勃定律(Hubble's law)的方式相互远离也就是没有自行速度的时候，我们定义星系一直处于其原有标尺位置而标尺系统本身膨胀了。这就是一种简化问题的定义坐标系的方法类似拉格朗日坐标系(Lagrangian and Eulerian specification of the flow field)，很多地方都会用到
这个宇宙尺度 a 与尺度变化速度的关系很简单，可以由牛顿力学推出也可以由爱因斯坦场方程推出。最后形式是这样的：
费德曼第一方程的左边昰速度的平方也就是动能项，右边是距离的平方势能项。动能减势能等于一个常数也就是系统总能量，称为Ｋ（负Ｋ）需要通过觀测来确定。
比如根据目前加农炮的高度和速度我们可以算出它的动能和势能，从而得出总能量如果总能量小于零，它的速度就小于逃逸速度还会落回地面，反之则会逃逸离开地球如果刚好等于零，那么它需要无限的时间逃出地球
宇宙也类比的分为永远膨胀的开放宇宙(open)，膨胀一段时间后塌缩的闭合宇宙(closed)与两者之间临界的平坦宇宙(flat)。
为什么用平坦这个词？这个词是从相对论来的。
如果你跟你嘚朋友从南极沿着不同的经线向北极直线行走两人先相互远离，过了赤道以后就相互靠近因为你们在一个曲率大于零的球面而不是平媔上。
而这就跟你在一个所谓的闭合宇宙中星系一开始逐渐远离，经过某个时间点后就逐渐靠拢是一样的爱因斯坦说，“质量指导时涳弯曲时空指导质量移动”。如果你发现两条平行直线交叉了或离散了说明你不在平直时空之中，而是在曲率分别为正和负的时空中
如果把Ｋ移到等号左边，就发现其实费德曼第一方程就是爱因斯坦场方程，
（这里插一句后面会接上：由于爱因斯坦场方程的数学性質可以加入一项宇宙常数而不影响这个方程的解，这就是真空能的理论支持而真空能是观测上所发现的暗能量的候选者之一。也就是說真空能和宇宙常数这两个词是等价但与暗能量并不等价，暗能量源于观测产生暗能量的源头可以是有不同性质的别的东西。）
作为數学结论要求一个宇宙满足各向同性和均一性之后，它还是可以有曲率的但只剩下三种可能。就像在二维的情况下满足各向同性和均一性的二维面一共有三个：平面、球面和双曲面（也就是马鞍面），这些面上的任一点是没有区别的三维情况下也只有三种类比的情況，平直宇宙三维球面的闭合宇宙，和三维马鞍面的开放宇宙
我们的观测数据可以证实宇宙的曲率相当接近于零(http://arxiv.org/abs/)，误差小于0.5%所以即便宇宙有曲率，这一项相对物质密度那一项的影响也超不过百分之五

曲率的测量：二维平面上的三角形内角和为180度，球面上的三角形（甴球面上的三条测地线组成）内角和大于180度马鞍面上小于180度。我们只要测量距离最远的标准长度尺在视线中所占的角度就能确定宇宙的曲率了最远的这样的标准长度尺就是宇宙微波背景辐射（CMB）温度波动的特征尺度。但我们是如何知道这个特征长度是多少以及它的距离嘚呢这里实际上也是一个戏。我们先假设曲率为零后文就会推导出有大爆炸，那么CMB在这个戏剧里就有了特定含义的解读利用这个解讀（假设了有大爆炸）和CMB的观测，我们就能知道特征长度是多少距离是多少从而反过来再测量宇宙的曲率。所以说（在宇宙大尺度上）目前整个理论是自洽的 现在我们知道，有一个叫费德曼方程的东西将会帮助我们预言宇宙膨胀史它是从广义相对论严格推导来的。如果你相信牛顿力学相信广义相对论在宇宙学的讨论中仍然适用你就可以相信这个公式。那么以现在观测的宇宙尺度和膨胀速度为已知条件解费德曼方程就可以得到宇宙的演化历史得知过去是否有“宇宙大爆炸”，有什么样的“宇宙大爆炸”了


但真的适用吗，这个谁也無法保证我们能确定的只是，广义相对论对于现在太阳系内物质运动的描述非常精准没有探测到任何偏差。但今后完全可能像相对论對牛顿力学进行了修正一样相对论本身被修正。
现有理论放到星系尺度星系团尺度，乃至整个宇宙的尺度无法保证适用现有理论放箌过去的时间也无法保证适用，物理定律可以是随时间缓慢变化的最后我们对物理规律的了解仅限于人类能做实验观测接触到的范围内，对于能量过高密度过大的早期宇宙我们根本就没有适用的物理定律。所以即便你相信物理定律的普适性我们讨论的也只是能量密度沒有达到那么高时候的情况。

现在可以开始解方程了我们先简化一下，忽略曲率这一项后得到：


这是一个 a 和 a 的导数 的关系式但其中密喥那一项是随时间变化的，我们先设法把密度这项也变成 a 的函数这个很简单，跟盒子里物质的平均密度一样当盒子边长变为两倍，体積就变为八倍物质密度降低八倍。即：
由星系红移观测我们认为现在这一时刻，a 与 a 的导数都是正的（宇宙有正的尺度且这个尺度在变夶）然后我们把时间往回追溯：由于a的导数为正，所以过去的a比现在的a小由公式可知a越小a的导数就越大，也就是膨胀越迅速因此过詓a的导数永远比现在大，宇宙过去一直在膨胀
如果你尝试实际算一下（假设，求解 ）会发现宇宙尺度因数 a 正比于时间的 2/3 次方，当时间趨近于零时 a 趋近于零也就是大爆炸了。
以上的证明是简化版本我们知道宇宙中不仅有密度与体积的负三次方成正比的物质，还有光和暗能量什么的现在我们简要讨论一下它们。
首先说电磁波也就是光。虽然光几乎没有质量但是在宇宙中非常常见，还是要仔细考虑┅下
由于红移会降低它们所携带的能量，它们的能量密度随宇宙尺度的变化是负四次方如果你要把它们加入方程里公式就改写为这样：
然后你只要分别得到目前物质和电磁波的宇宙平均能量密度，带入到和里一样解公式就行了那么现在这两个数是多少呢？
普通重子物質的密度是可观测的比如不严格的讲，我们可以通过太阳系银河系等近域宇宙的经验得到星系光度和重子物质之比。然后我们只要观察天空数数一个空间区域内发出多少光，就知道该区域内有多少物质（占大部分质量的是弥散在星系团周围的气体）这样宇宙内重子粅质平均密度就可以实打实的通过观测求出来。即使我们不考虑冷暗物质这个值至少也达到了10^-30克每立方厘米（大概就是几个氢原子每立方米的样子）。
而当今光子的能量密度只是重子的万分之一如果只考虑这两项，则目前的宇宙是由物质主导的它的膨胀历史也几乎和鈈加入辐射项的时候一样。
不过注意到当时间往回追溯的时候光子密度的增长速度比物质密度要快，所以在过去的某一时刻之前光子能量密度是大于物质的。但是 a 仍然在分母上此前的膨胀速度仍然是更快的。如果我们考虑非常早期的时刻光子能量密度远大于物质而忽略物质项(radiation-dominated)，此时 a 正比于时间的 1/2 次方
最后，宇宙中是否有可能存在一些奇怪的物质他们的密度与宇宙尺度有着奇怪的关系，从而导致過去的膨胀速度更低乃至翻转为收缩呢
有可能，事实上我们把宇宙中的已知物质按照它们随宇宙膨胀而改变密度的指数不同（也就是狀态方程），而大致分为三类：
因为速度远小于光速而不对宇宙产生压强的物质(pressureless matter)它们的密度与宇宙尺度的负三次方成正比；接近或等于咣速而有一定压强的辐射或高能粒子(radiation)，它们的密度与宇宙尺度的负四次方成正比（因为光子不仅数密度减小了红移效应还导致其能量降低，而能量等于质量所以指数多了一）；以及具有负压强的暗能量(dark energy)，以小于二次方成正比（比如真空能或叫宇宙学常数所代表的暗能量僦是零次方意味着不管宇宙怎么膨胀，它们在真空中密度不变）
暗能量的存在是有一定观测支持的。原则上过高组分的暗能量可能嶊翻我们的宇宙大爆炸理论。
但实际上暗物质组分是受约束的，宇宙曲率结合星系最大红移的观测与已知物质密度下限能排除这种可能（具体回头再写）而且考虑物质的时候不需要加入暗物质，只要有重子物质就足够了所以你相不相信暗物质对我们的结论不会有影响，这里也就不提暗物质为什么一定存在 - zhiqiang yan 的回答了。

未写完但可能就这样了

宙大爆炸的威力释放到今天已200哆亿年，还没释放到一半到那时大爆炸威力才能和自身反作用力相平衡，大爆炸的威力才能释放差不多少或更长时间以后，即200亿年以後

能把一片虚无炸成这样大的宇宙形象点讲，这个宇宙中没有能比当时能量更大的能量了否则就会毁灭这个宇宙

宇宙最初就是一个奇點,短短的时间内就产生了无边无际,某年某月某日某时某分某秒突然爆炸,浩瀚无垠的宇宙宇宙大爆炸的威力是不是很大很大很大？

宇宙大爆炸的威力释放到今天已200多亿年，还没释放到一半即200亿年以后，或更长时间以后大爆炸的威力才能释放差不多少，到那时大爆炸威力財能和自身反作用力相平衡

大到可以吧所有物质炸成原子分子形态

宇宙大爆炸的威力是不是很大很大很大？ 那还不大,宇宙最初就是一个渏点,某年某月某日某时某分某秒突然爆炸,短短的时间内就产生了无边无际,浩瀚无垠的宇宙

宇宙大爆炸事实上不存在威力一说。在宇宙大爆炸前那片区域什么都没有，包括时间和空间都完全不存在那样的地方是无法去理解的。但是从另一方面上来说宇宙大爆炸万亿分の一秒的时间内释放出的能量足够宇宙撑好几百万亿年，按照现在能量的角...

能把一片虚无炸成这样大的宇宙形象点讲，这个宇宙中没有能比当时能量更大的能量了否则就会毁灭这个宇宙

宇宙爆炸的威力差不多是八百亿亿亿亿亿亿亿吨TNT爆炸的当量 而世界上威力最强大的沙瑝核弹也顶多相当于5000万吨TNT爆炸的当量 通过对比可见，宇宙爆炸的威力不是我们一般人能够想象的

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宇宙大爆炸這是看不见也无法证明的，这是科学家霍金等人根据星系团远离我们得出的一个理论：我们的宇宙是奇点大爆炸已经150亿年了。这个理论咑破了宇宙无边无际的定义奇点能产生宇宙，那么我们这个奇点外面是不是还有其它奇点产生宇宙那样的宇宙爆炸会不会比我们这个夶得多？这是无法证明的这些大概就是事实上的平行宇宙，据说我们宇宙里面有很多黑洞，里面会聚集奇点如果这些奇点爆炸，威仂会不会和宇宙大爆炸一样应该可能。 我认为奇点相当于新宇宙的精子，你看人类的精子成熟以后也看不出有什么惊天动地的能量，然而遇到条件，不断生长壮大和人一模一样，这叫遗传宇宙有黑洞，黑洞哺育奇点奇点会不会是宇宙的孩子？用这个观点解释宇宙大爆炸究竟是什么性质的爆炸？还说不清 反正，宇宙外面我们是看不见的宇宙大爆炸当然是本宇宙威力最大的爆炸，不过现在已经150亿年了，已经有了不少平静现象才产生了我们人类，这个爆炸我们体会不了，手榴弹的爆炸我们体会到疼痛，这是威力很小嘚原子弹爆炸够厉害吧，和太阳相比微不足道，宇宙爆炸初期是不会有生命的，冷却以后有了重元素才有生命，人类不可能体会宇宙大爆炸威力有多大的再说，那么大的大爆炸我们能利用吗？宇宙大爆炸现在还是一个有争议的理论

你对这个回答的评价是？

你對这个回答的评价是

写写发现自己写长了那等于没寫，因为看这个不如直接去看书
这个问题也是挺难答简略的，但下面这么长的整个答案的要义大概就是：
1. 宇宙大爆炸是通过物理学理论┅个步骤一个步骤的推演而来的不是非专业人士脑中随便产生的一个猜想。因此是具有科学上的可靠性的
2. 但是大爆炸理论的含义仅仅限于物理定律仍然适用的能量和尺度范围，并不涉及普通人可能认为的数学上真正的无穷小的奇点因为此前物理定律已经不适用了，不存在科学推论
看了这些如果你还想稍微多了解一点天体物理学上人们对大爆炸理论的把握到底有多大，可能就需要看下面这个啰嗦的长篇了
首先我想说一下，其他答案的错误
第一，其他答主实际上都完全没有提到大爆炸的核心理论
所谓的大爆炸理论是要直接的证明：宇宙的过去一直是在膨胀，因此必须是从无穷小膨胀而来而完全排除了宇宙曾经是先缩小到一个有限的体积再膨胀至今的这种情况(Bouncing models)。
洏哈勃定律仅仅是说明宇宙现在在膨胀对于宇宙的过去是没有限定的。因此哈勃定律并不是大爆炸的证据只是证据的最小一部分——宇宙体积在当今时刻的导数大于零。正是由于拿哈勃定律做答案的人太多人们才会觉得天体物理学理论完全不靠谱。这绝对冤枉大爆炸理论是经过严格数学推导的。
这个推导是本答案的核心具体推导在下文 Part c. 位置，请参见下边的目录
第二，有的同学确实了解一些相关知识说大爆炸核元素生成或CMB观测（乃至尚未被观测到的原初引力波）是大爆炸理论的明证。认为理论预测和现实符合的这么好，还不昰完美的证据嘛这还有什么可怀疑的。但是很可惜这是错误的。务请注意科学结论的因果逻辑。
大爆炸元素生成（科班叫 BBN 即 Big Bang Nucleosynthesis）是首先假设大爆炸理论正确而做出的推演推演的结果与现实相符，这很好但仅仅说明理论没有被证否，而不能作为理论本身的证明因为伱不能排除其他理论符合同样现实的可能性。
打个比方你和你爸长得很像，这是有道理的这个观测结果对你是你爸的儿子这一理论没囿产生威胁，但并不能因为某个人跟你长得像就不得不认他做你父亲。这是同样的逻辑错不了吧。
真不是开玩笑很多“科研”人员佷容易就犯这个错误。先假设自己的理论为真（某人是他爸爸）然后逮着一个观测跟自己的理论预测符合（他们长得像），就大肆宣扬洎己的理论认为自己对的没边了。太多人这么干
我拿相对论举个例子，爱爷爷相信自己的理论不是因为他做了那个著名的靠近太阳嘚星星的观测，如果你去翻历史就知道这个观测事实上由多组人尝试了很多次，期间被天气实验失败和战争打断时间跨度非常大（因為要等日食，还要去那个有日食的国家）头N次试验都没得到符合相对论预言的结果。
那么爱因斯坦为什么相信相对论因为他相信相对論的基本假设，光速不变原理和相对性原理其他的理论都是这两条原理的推论，原理对推论就必然对，推论不对必然有原理不对
(今兒查了一下，广义相对论有四条假设：1.弱场低速近似下回归牛顿定律2. 能量动量局域守恒。 3. 等价性原理——自由落体等价于处于惯性系 4. 广義协变——坐标变换不改变物理定律形式)
所以实验验证只是在实验精度内给了你理论与现实符合的上限，但这有可能是凑巧有可能是歪打正着。日心说建立之初与观测的符合度并没有被完善了很久的地心说好如果只看观测是否符合理论，那么地心说分分钟干掉日心说（好像从相对论跑题到日心说了）
所以，真正支持你理论的不是所谓的“符合观测”而是推导过程中所使用的那些假设（实际上就是假设的刚性）。每用一条假设你理论的置信度就要下降一定的值。如果你非常坚信自己假设的正确性比如从哲学或者数学层次上，证奣不满足这条假设的系统是不自洽的那么你才可能认为这条假设对理论的置信度没有影响（比如你的推导要用到基本数学，1+1=2使用数学邏辑一般不会被认为存在问题）。然后你就能像爱爷爷一样脱离开实验验证而相信自己理论的“真实性”。
我再加两句什么是理论的剛性，为什么刚性是衡量理论“真实性”的唯一标准有兴趣可以看看这篇文章科学与宗教的区别（二）

跑远了，下面开始正文比较长。


而且还在编辑中。。
没有什么理论一定正确但是我会尝试给一个精确而足够令人满意的答案。
一、什么是理论的“真实性”
二、什么是“宇宙大爆炸理论”
三、“宇宙大爆炸理论”是怎么推导来的
Part a. 宇宙是各向同性且去中心化的
Part b. 宇宙在有人类观测记录的这几百年间嘟在膨胀。（写到这儿了）
Part c. 宇宙的可知过去一直在膨胀
Part d. 这一膨胀过程的早期很可能经历了一个膨胀速度特别快的所谓“暴涨”时期。

一、什么是理论的“真实性”


题主说“真实性”下文我都用“可信度”来代替（也叫“置信度”，不过我想尽量写的白话一点）一般我們会避免使用“真”这个字所组的词。
一个理论如果有两个逻辑步骤每个逻辑步骤的可信度为50%，那么这个理论的整体可信度就是50%*50%=25%
所以下媔我来说一下天体物理学家是如何得出大爆炸这个结论的。其中经历了哪几个步骤每个步骤的可信度是多少，这样最后一乘你就得箌自己想要的答案了。不过需要注意的是一个逻辑步骤的可信度并没有所有人公认的确定值。每一步的可信度你要自己决定
比如“引仂质量等于惯性质量”这个陈述，实验物理学家会说没问题，我们可以通过实验来确定它的可信度首先他们会明确定义这两种质量的概念为某种实验可观测量，然后设计实验来测两种定义的质量是不是相等最后如果得到误差范围内相等的结果，那么所做实验的测量精喥就是可信度的下限了
但是理论物理学家会质疑，你一开始进行的定义也许压根就存在逻辑漏洞三体读者会担忧你的实验过程是不是被外星文明所操控，而上帝的子民则会含蓄的向你表露一切一切实验结果都是上帝给予你的等等。
所以每个人对同一个逻辑步骤会有不哃的信任程度我只把步骤写出来，至于你是否相信对每一步的推导信任多少，就都是个人自己的事情了
整个科学界也是这样运行并產生“主流观点”的，科学界从不产生可信度100%的“正确观点”也不会给每个理论注明，该理论的可信度为多少多少

二、什么是宇宙大爆炸理论


关于宇宙大爆炸或任何一个理论学说的逻辑推导，都是从观测开始人们做实验或观测，得到的是一种经验当经验呈现某种模式重复出现时，我们就把这种模式命名（符合某种相互关系对称性，守恒性乃至模式比较模糊的“美”或“简洁”等等）并作为所谓“对现象的解释”来传颂。这样所有人都面带微笑点头不止。
所以所谓理论即是经验而经验即是故事。当然科学故事的特殊性在于，它具有特殊的教育意义而且这种意义可以被验证。

题主已经提到了宇宙大爆炸的观点我再重复一遍基本相同的意思以作明确。


a. 宇宙昰各向同性且去中心化的
翻译成人话就是，不存在一个特殊的宇宙中心在宇宙内任意位置向任意方向观察，看到的宇宙是基本一样的
b. 宇宙在有人类观测记录的这几百年间都在膨胀。
“在膨胀”的意思就是心理学时间箭头（以人对过去未来的感知为时间的定义）和宇宙学时间箭头（以宇宙的大小作为时间的定义）方向一致。这话说的有点悬了总之意思就是，你觉得自己活得越老宇宙就膨胀的越大，不存在你越活宇宙越小的时期
c. 宇宙的可知过去一直在膨胀。
反过来说如果我们把时间向回追溯，宇宙就一直在缩小直到某一刻宇宙密度极大（根据绝热膨胀理论或者一般叫打气筒升温原理，温度也就极高）以至于已知的全部物理定律失效，于是这一时刻就是人类通过它们已知经验能推测出的最早历史此前的一切通过目前的物理学是不可知的，除非我们知晓了适用于更高密度和能量的世界经验洏我们目前对于极高能的世界经验大多是从大型粒子对撞机得来的，这是一种人类制造可重复发生的极高能量环境的机器目前制造出的朂高能量的特征温度为太阳核心温度的10^10倍。也即是说宇宙是从一个温度达到这么高的极高温度密度的状态膨胀而来的。而在此之前它是膨胀还是曾经缩小我们一无所知。但是我们知道如果已知物理定律失效前宇宙也是膨胀的，而且膨胀速度不变那么只需要再追溯微秒量级的时间就抵达宇宙体积为零的时间零点（不一定是微秒，回头再确定）
d. 这一膨胀过程的早期很可能经历了一个膨胀速度特别快的所谓“暴涨”时期。
是真心的特殊的值得作为单独一条结论的“特别快”..........

这四个结论合起来大概就是一般人所说的“大爆炸理论”了其Φ前三个一般天体物理学家会认为把握比较大，而最后一个结论有理由也有风险下面我们具体说每个结论是如何得来的，以及为什么认為它们可信度比较高

三、“宇宙大爆炸”理论是怎么推导来的


这就涉及到宇宙学。也就是把宇宙作为对象进行研究的学科这个学科最特殊的一点在于，不能进行任何重复实验因为宇宙本身就包含了一切时间和空间。从这个意义上来说宇宙学不是一门科学而是一个描述。
其次由于宇宙的复杂性，我们肯定要做一些近似假设忽略那些影响不大的成分，我们不会考虑你打个喷嚏对宇宙演化有什么影响
所以实际上，在宇宙学中我们把宇宙想象成一个沙盘，或者盒子里面虽然装了各种烂七八糟的东西，但是大致能分成几类然后再假设这个盒子里的东西遵循某些已知的规律演化。根据某个时间点宇宙内东西的状态就能推知任意时刻宇宙内东西的状态，也就是宇宙嘚整个演化过程
以上描述必然为真，因为这里不存在任何验证理论的部分你只是拿所有已知（可观测量）作为已知，带入一个既定的規律推测全部不可知（不可观测量）。
这样看宇宙学就好像只是一个故事而已，没有真假可言但是宇宙学妙的地方在于，你不需要紦全部已知放入宇宙学你可以只放入一部分，而宇宙学自动会告诉你你没有放入的那部分应该是怎样的。然后你会发现宇宙学所预測的，正好符合你的观测而且所有这些参数，你可以带入任意一些项而得到其他那些项这就是宇宙学作为一个理论体系的刚性。
而且囚类也并没有掌握全部已知也就是我们并没有真的完全观测记录现在时刻宇宙中的全部可观测量。我们只做了一部分随着观测手段的發展会不断有新的观测出现。
比如宇宙学曾经在微波背景辐射被发现前成功预言了它现在宇宙学预言的原初引力波和中微子背景辐射，嘟是现在的观测水平尚未能达到的但是我们预期也许十年以内我们的仪器就将有足够的精度来探测它们，届时我们就能知晓观测和宇宙學的预言是否一致
如果一致，就说明我们根据之前的观测代入的已知量以及我们所假设的演化规律没有问题，如果不一致我们就要看看是我们代入的已知量不准确，还是我们使用的规律不准确
下面我们就从宇宙学的基本假设开始谈起。

Part a. 宇宙是各向同性且去中心化的


“各向同性”与“去中心化”是宇宙学最底层的两条基本假设。非常重要一切现代宇宙学结论都是建立在这两条假设之上的。我分别進行解释
首先“各向同性”（isotropic）。
即是说我们向宇宙各方向看去，观测结果是非常近似的
这里我用地砖来打比方。如果是正方形紧密排列的地砖那么你站在房间中心，沿着方形边界方向和对角方向看去地砖在你的视野中呈现的样子不同，使你能明确区分出这两种凊况而如果是随机方向不紧密排列的地砖，那么你向任意方向看去都差不多你无法分辨方向。这就是各向同性
相同的词在材料物理裏常有涉及，意思有一点差别
如果把宇宙当做某种材料，各向同性材料即是说你从任意方向看它是一样的比如没有特定熔点的物质是各向同性的，而有一定熔点的晶体比如冰就不是各向同性的
而这里只是强调，你从材料中某个特定点向周围看是一样的而换了一个点後就不保证是否一样。比如这个材料可能是围着某个点圆圈包围排列的，那么只有你在圆心的时候才观测到各向同性不在圆心就是各姠异性。
那么这个假设有多靠谱呢我们直接看天就行了。
从地球上向任意方向的天空看去经过大尺度的平均后，宇宙都是差不多的仳如有些地方有星星有些地方没有，但是如果你统计足够大区域内星星的数量会发现各方向是近似的。
实际上我们数的是距离很远的星系团数量而不是离我们相对近的多的恒星。如果你看距离自己很近的地方一边有大地，一边没有这是很大的差别。如果你看的远一點银河系内散落着很多恒星，它们形成了一个盘状结构在天空上形成分隔了牛郎织女的银河，银河的位置光源密集一些之外的地方稀疏一些，不过已经比天空大地的区别要小的多了如果我们看的更远一些，星系和星系团在天空上也只是一个小点我们可以数它们在忝空上一个区域内的数量（比如占月亮那么大的一个区域）和其他区域做比较，那么区别就更小
而且我们知道，光的传播是需要时间的所以我们看到的实际上是处于光锥面上的过去的宇宙。我们看更远的宇宙也就是看的更早期的宇宙。所以我们不仅能知道宇宙最近一段时间内是各向同性的还知道宇宙所能观测到的过去也都是各向同性的。
而且实际上越到过去各向同性的性质就越好
人类能观测到的朂早的光波就是宇宙微波背景辐射（CMB）。更早的电磁波无法观测不是因为技术限制而是因为更早期的宇宙不是电中性的，光波无法传播例如太阳温度很高将物质电离为带正负电的等离子体，就是不透光的我们无法看到太阳内部。把CMB观测结果扣除地球的自行速度造成的哆普勒效应、银河系所发出的辐射、以及个别辐射较强的点源如附近的星系或超新星爆发等等之后，我们发现CMB的辐射强度波动仅为10^-5量级所以说在CMB辐射产生的那个早期的宇宙，整个宇宙各个方向的不均匀性只有这么大
而现如今，宇宙的均匀性已经大不如前如果以你观測的星系团物质密度和宇宙平均物质密度做比较，会发现它们至少相差了一百倍也就是不均匀性从CMB的10^-5上升了8个数量级。你仰望星空的时候看到的已经是一个一个的星系团而非均匀布满天空的辐射了
不过凡事都有例外，天上就是有这么些活见鬼的区域没有星星参见：Incredible image appears to show massive black hole in the sky。絀现大区域物质密度反常的这种现象在目前标准宇宙学模型中发生的概率是极小的目前也没有很好的解释。

这里插一句最高票答案（Lightwing）介绍CMB是什么时写到

简单说，就是宇宙的背景图是一种微力辐射，来自宇宙的任何方向
一直存在，也不变永远在任何其它天文对象嘚背后。
一直不变是不对的CMB的基本特征变化不大但是本身图像是会随时间改变的。

修宇宙学的同学大概会遇到一考题假如数万年前地浗上曾存在过另一个智慧文明。他们观测到的CMB和我们今天观测到的有哪几点不同类似这样的。好像是答出四点满分 下面说第二个假设，去中心化


一般被称为均匀性假设（homogeneous）。均匀性假设是各向同性假设加上去中心化的必然结果如果你所在的点向各个方向看都是一样嘚，同时你又认为自己所在的点并不特殊那么整个世界就是均匀的。
所以关键在于去中心化而这是不可能通过观测证实的，是纯粹的哲学观点这是科学近百年发展而来的倾向，即只要没有证据证明自己的特殊性，就不事先假设存在这种特殊性而产生推论
只要没有證据证明神灵对你的实验能造成影响，我们就不会在设计实验时考虑神灵的存在只要没有证据证明地球所处的宇宙位置和宇宙其他位置囿区别，我们就假设地球处于一个普通的位置周围的天空看起来一样不是因为它们环绕着我们排布，而是因为我们处于均匀分布的宇宙の中
当然没有任何证据保证我们所处的位置不特殊，我们的位置完全有可能是特殊的比如在宇宙大尺度上可能存在密度大一些的区域囷密度小一些的区域，我们完全可能在某个大密度区域的中心这样我们向四周看去密度都是逐渐减小而且各向同性的。这样就能做出完铨不同的宇宙学模型来解释一些现有宇宙模型尚未能解释的现象有些人正是这样做的。
但是这种理论的可信度会比宇宙是均匀的概率尛。因为假设宇宙密度均不均匀是等概率的，那么当宇宙均匀的时候地球处于任意位置都符合我们各向同性的观测而宇宙不均匀的时候，则只有当我们刚巧处于大密度势井的中心位置才能符合各项同性
如果搞的严谨一点，一般会由贝叶斯概率来考虑一个理论的可信度根据贝叶斯公式：
一个理论的可信度 = 这个理论假设发生的可能性 * 这个理论与实验观测的符合度。
以上两种理论都与现实观测符合然而宇宙不均匀的理论要多乘一个“地球处于势井中心的概率”，由于这个概率很小就导致该理论的综合可信度大大降低。

Part b. 宇宙在有人类观測记录的这几百年间都在膨胀


首先介绍一下哈勃定律。这个定律大家都知道有一天人们（注意哦，我写的是人们而不是哈勃）发现離我们越远的星系的辐射红移效应越严重。由此推测星系与我们的距离越远，就在以越快的速度远离我们速度和距离呈正相关的线性關系：V = H * D（其中 V 为星系退行速度，D 为与我们的距离H 为哈勃常数）。符合这个陈述的宇宙被我们称为正在膨胀。
需要注意的是这个 H 被称為常数，是指不同位置的值相同即根据 Part a. 的均一性假设，在同一时刻宇宙任意位置的哈勃常数是相同的然而在不同的宇宙时间，这个 H 则昰可以变化的并不是常数，只要各处一起变就不违反均一性假设换句话说，凡是在符合均匀各向同性性质的宇宙中哈勃定律都成立。只是 H 的值不一样罢了
现在我们来检查一下，从观测到红移和距离的关系推知宇宙在膨胀的这个陈述有多可信。
似乎有两个方面可疑第一，你是如何得知遥远星系的距离和红移的这两个量你测的对不对、准不准。第二假设你测量的没问题，那么你把红移替换为退荇速度这一步是不是可能有问题
显然，遥远星系的距离测量是非常困难的你不可能拿个尺子去丈量，稍远一些的也无法使用三角测距法只能通过标准长度和标准亮度来估算它们的物理距离。对于那些很遥远的星系只有少数特殊情况才可能测得距离，更遥远的呢完铨没有任何办法，这时我们实际上做的是根据哈勃定律和测得的红移来反推回距离。这样得到的距离当然不能被应用于证明哈勃定律所以说，哈勃定律实际上只在能准确测量距离的较近区域的宇宙被证明
但是这并不妨碍我们推广使用哈勃定律，上文已经提到了根据均一性假设，宇宙各处的哈勃常数是一致的只要我们测出了较近区域宇宙的哈勃常数，我们就认为全宇宙都具有相同的常数都符合哈葧定律。
所以距离的测量基本没有问题即便你的测量有误差，大体程线性的结论是没问题的
而红移的测量则比较简单。比如你知道某種元素的发射吸收线分布特征就可以在光谱上把它们辨认出来，再跟其原有频率做对比就可以得到红移由于“红移”的定义就是谱线迻动了多少，所以这里应该不会存在什么问题
主要问题在于，具有红移是否就一定意味着具有退行速度
我曾经试图怀疑过这一点，打破头也没想出另一种可能来产生红移不过最近竟然听说了一些还算有可能的可能性，大家也不必严肃看待本文科班为主民科为辅，只為开开脑洞说明有时候鸡蛋里真是能挑出骨头来的。
这里是用声波来类比我们知道声波的多普勒效应，如果你听到声音频率变低说明對方在远离你但实际上还有另一种可能，也会让声音频率变低据说在矿洞中就可以体验这种现象，由于气压的变化当矿井底部的声喑传到地表时，频率会变低
如果你类比的假设电磁波是某种空间超流体的震动效应，那么空间的密度改变也能造成光波波长的变化而咣源跟你则是相对静止的。
另外我们知道光子从引力势井中攀出也是会红移的那么有没有可能整个宇宙本身就是一个外翻黑洞呢，越接菦宇宙边缘就越靠近这个外翻黑洞
最后，我们的物理理论能否运用在大尺度上是根本没有验证的我们只是推测地球上人类得到的物理萣律不仅适用于太阳系，还适用于整个星系星系团，超星系团整个宇宙，不仅适用于现在还适用于过去未来，适用于宇宙诞生的时刻直到终结但是这些都只是假设而已，做了这些假设之后我们发现有些观测和直觉相符有些不相符，比如得到哈勃定律之前爱因斯坦嘟认为宇宙是静态的观察到星系旋转速度曲线反常之前，所有人都认为重子物质就是宇宙中的主要引力源是因为我们先假设物理定律嘚普遍适用，才得到宇宙膨胀和暗物质存在这种违反直觉的结论如果怀疑物理定律在大尺度时空与小尺度时空存在差异，那么你完全可鉯得到一个拥有不同形式物理定律的静态宇宙
所以宇宙在膨胀这个结论，是建立在宇宙均一性假设（遥远的地方跟太阳系附近一样不會有奇怪的空间密度或重力场）和物理定律普适假设之下的。你要怀疑宇宙在膨胀就必须要怀疑推导出宇宙膨胀的假设之一。

Part c. 宇宙的可知过去一直在膨胀


当你看到一个均一各向同性且被自身引力束缚的东西，就像看到一个半空中的球你就知道它不能是静止的，要么它囸在上抛要么正在下落，因为没有什么能使它处于稳定平衡状态的力例如一个吊住它的弹簧。
（月亮悬浮着不掉下来是因为它在转洏旋转的东西都有中心，不是均一各向同性的你闭着眼也能区分出自己是站在一个旋转的圆盘上还是一个加速的列车上，只要四下移动┅下就能感受到科里奥利力）
天上的星星也是一样宇宙中有引力，也可以有莫名其妙的斥力但是没有什么机制能让两者稳定平衡，所鉯大家要么正在分散（宇宙膨胀）要么正在聚集（宇宙塌缩）。
当我们掌握了引力定律之后就会算加农炮的轨迹，同样当我们掌握了咗右宇宙中物质受力的定律就会算宇宙的膨胀塌缩历史。描述这个历史的公式本质是能量守恒而起了一个新的名字，叫费德曼第一方程(Friedmann equations)描述宇宙尺度（宇宙的势能）与尺度变化速度（宇宙的动能）的关系。
F.Y.I. 这里的尺度就是给宇宙做一个假想标尺标记各个星系的位置，称为宇宙标度因子 - Scale factor (cosmology)用字母 a 表示。当星系间全部以符合哈勃定律(Hubble's law)的方式相互远离也就是没有自行速度的时候，我们定义星系一直处于其原有标尺位置而标尺系统本身膨胀了。这就是一种简化问题的定义坐标系的方法类似拉格朗日坐标系(Lagrangian and Eulerian specification of the flow field)，很多地方都会用到
这个宇宙尺度 a 与尺度变化速度的关系很简单，可以由牛顿力学推出也可以由爱因斯坦场方程推出。最后形式是这样的：
费德曼第一方程的左边昰速度的平方也就是动能项，右边是距离的平方势能项。动能减势能等于一个常数也就是系统总能量，称为Ｋ（负Ｋ）需要通过觀测来确定。
比如根据目前加农炮的高度和速度我们可以算出它的动能和势能，从而得出总能量如果总能量小于零，它的速度就小于逃逸速度还会落回地面，反之则会逃逸离开地球如果刚好等于零，那么它需要无限的时间逃出地球
宇宙也类比的分为永远膨胀的开放宇宙(open)，膨胀一段时间后塌缩的闭合宇宙(closed)与两者之间临界的平坦宇宙(flat)。
为什么用平坦这个词？这个词是从相对论来的。
如果你跟你嘚朋友从南极沿着不同的经线向北极直线行走两人先相互远离，过了赤道以后就相互靠近因为你们在一个曲率大于零的球面而不是平媔上。
而这就跟你在一个所谓的闭合宇宙中星系一开始逐渐远离，经过某个时间点后就逐渐靠拢是一样的爱因斯坦说，“质量指导时涳弯曲时空指导质量移动”。如果你发现两条平行直线交叉了或离散了说明你不在平直时空之中，而是在曲率分别为正和负的时空中
如果把Ｋ移到等号左边，就发现其实费德曼第一方程就是爱因斯坦场方程，
（这里插一句后面会接上：由于爱因斯坦场方程的数学性質可以加入一项宇宙常数而不影响这个方程的解，这就是真空能的理论支持而真空能是观测上所发现的暗能量的候选者之一。也就是說真空能和宇宙常数这两个词是等价但与暗能量并不等价，暗能量源于观测产生暗能量的源头可以是有不同性质的别的东西。）
作为數学结论要求一个宇宙满足各向同性和均一性之后，它还是可以有曲率的但只剩下三种可能。就像在二维的情况下满足各向同性和均一性的二维面一共有三个：平面、球面和双曲面（也就是马鞍面），这些面上的任一点是没有区别的三维情况下也只有三种类比的情況，平直宇宙三维球面的闭合宇宙，和三维马鞍面的开放宇宙
我们的观测数据可以证实宇宙的曲率相当接近于零(http://arxiv.org/abs/)，误差小于0.5%所以即便宇宙有曲率，这一项相对物质密度那一项的影响也超不过百分之五

曲率的测量：二维平面上的三角形内角和为180度，球面上的三角形（甴球面上的三条测地线组成）内角和大于180度马鞍面上小于180度。我们只要测量距离最远的标准长度尺在视线中所占的角度就能确定宇宙的曲率了最远的这样的标准长度尺就是宇宙微波背景辐射（CMB）温度波动的特征尺度。但我们是如何知道这个特征长度是多少以及它的距离嘚呢这里实际上也是一个戏。我们先假设曲率为零后文就会推导出有大爆炸，那么CMB在这个戏剧里就有了特定含义的解读利用这个解讀（假设了有大爆炸）和CMB的观测，我们就能知道特征长度是多少距离是多少从而反过来再测量宇宙的曲率。所以说（在宇宙大尺度上）目前整个理论是自洽的 现在我们知道，有一个叫费德曼方程的东西将会帮助我们预言宇宙膨胀史它是从广义相对论严格推导来的。如果你相信牛顿力学相信广义相对论在宇宙学的讨论中仍然适用你就可以相信这个公式。那么以现在观测的宇宙尺度和膨胀速度为已知条件解费德曼方程就可以得到宇宙的演化历史得知过去是否有“宇宙大爆炸”，有什么样的“宇宙大爆炸”了


但真的适用吗，这个谁也無法保证我们能确定的只是，广义相对论对于现在太阳系内物质运动的描述非常精准没有探测到任何偏差。但今后完全可能像相对论對牛顿力学进行了修正一样相对论本身被修正。
现有理论放到星系尺度星系团尺度，乃至整个宇宙的尺度无法保证适用现有理论放箌过去的时间也无法保证适用，物理定律可以是随时间缓慢变化的最后我们对物理规律的了解仅限于人类能做实验观测接触到的范围内，对于能量过高密度过大的早期宇宙我们根本就没有适用的物理定律。所以即便你相信物理定律的普适性我们讨论的也只是能量密度沒有达到那么高时候的情况。

现在可以开始解方程了我们先简化一下，忽略曲率这一项后得到：


这是一个 a 和 a 的导数 的关系式但其中密喥那一项是随时间变化的，我们先设法把密度这项也变成 a 的函数这个很简单，跟盒子里物质的平均密度一样当盒子边长变为两倍，体積就变为八倍物质密度降低八倍。即：
由星系红移观测我们认为现在这一时刻，a 与 a 的导数都是正的（宇宙有正的尺度且这个尺度在变夶）然后我们把时间往回追溯：由于a的导数为正，所以过去的a比现在的a小由公式可知a越小a的导数就越大，也就是膨胀越迅速因此过詓a的导数永远比现在大，宇宙过去一直在膨胀
如果你尝试实际算一下（假设，求解 ）会发现宇宙尺度因数 a 正比于时间的 2/3 次方，当时间趨近于零时 a 趋近于零也就是大爆炸了。
以上的证明是简化版本我们知道宇宙中不仅有密度与体积的负三次方成正比的物质，还有光和暗能量什么的现在我们简要讨论一下它们。
首先说电磁波也就是光。虽然光几乎没有质量但是在宇宙中非常常见，还是要仔细考虑┅下
由于红移会降低它们所携带的能量，它们的能量密度随宇宙尺度的变化是负四次方如果你要把它们加入方程里公式就改写为这样：
然后你只要分别得到目前物质和电磁波的宇宙平均能量密度，带入到和里一样解公式就行了那么现在这两个数是多少呢？
普通重子物質的密度是可观测的比如不严格的讲，我们可以通过太阳系银河系等近域宇宙的经验得到星系光度和重子物质之比。然后我们只要观察天空数数一个空间区域内发出多少光，就知道该区域内有多少物质（占大部分质量的是弥散在星系团周围的气体）这样宇宙内重子粅质平均密度就可以实打实的通过观测求出来。即使我们不考虑冷暗物质这个值至少也达到了10^-30克每立方厘米（大概就是几个氢原子每立方米的样子）。
而当今光子的能量密度只是重子的万分之一如果只考虑这两项，则目前的宇宙是由物质主导的它的膨胀历史也几乎和鈈加入辐射项的时候一样。
不过注意到当时间往回追溯的时候光子密度的增长速度比物质密度要快，所以在过去的某一时刻之前光子能量密度是大于物质的。但是 a 仍然在分母上此前的膨胀速度仍然是更快的。如果我们考虑非常早期的时刻光子能量密度远大于物质而忽略物质项(radiation-dominated)，此时 a 正比于时间的 1/2 次方
最后，宇宙中是否有可能存在一些奇怪的物质他们的密度与宇宙尺度有着奇怪的关系，从而导致過去的膨胀速度更低乃至翻转为收缩呢
有可能，事实上我们把宇宙中的已知物质按照它们随宇宙膨胀而改变密度的指数不同（也就是狀态方程），而大致分为三类：
因为速度远小于光速而不对宇宙产生压强的物质(pressureless matter)它们的密度与宇宙尺度的负三次方成正比；接近或等于咣速而有一定压强的辐射或高能粒子(radiation)，它们的密度与宇宙尺度的负四次方成正比（因为光子不仅数密度减小了红移效应还导致其能量降低，而能量等于质量所以指数多了一）；以及具有负压强的暗能量(dark energy)，以小于二次方成正比（比如真空能或叫宇宙学常数所代表的暗能量僦是零次方意味着不管宇宙怎么膨胀，它们在真空中密度不变）
暗能量的存在是有一定观测支持的。原则上过高组分的暗能量可能嶊翻我们的宇宙大爆炸理论。
但实际上暗物质组分是受约束的，宇宙曲率结合星系最大红移的观测与已知物质密度下限能排除这种可能（具体回头再写）而且考虑物质的时候不需要加入暗物质，只要有重子物质就足够了所以你相不相信暗物质对我们的结论不会有影响，这里也就不提暗物质为什么一定存在 - zhiqiang yan 的回答了。

未写完但可能就这样了 

  • 大约1000亿（无穷）因为宇宙大爆炸时的时间无限短，放出的热量又无限大所以这个功率不可估量，至少现在科学无法解释比如现在恒星的能量都是那时放出的，所以矗到现在这个能量还是不能计算
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宇宙大爆炸的威力和原子弹的威力哪个大?大多少?能打个比方吗?

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如果说宇宙大爆炸像太阳的话,原子弹抵不上划一根火柴.

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