宇宙膨脹的視覺歷史包括被稱為大爆炸的熱的密集狀態(tài)以及隨后的結(jié)構(gòu)的生長(zhǎng)和形成。全套數(shù)據(jù)，包括光元素和宇宙微波背景的觀測(cè)，只留下大爆炸作為我們所見所有人的有效解釋。
這被視為無懈可擊的科學(xué)事實(shí)：138億年前，我們所知道的宇宙是從一個(gè)被稱為大爆炸的炎熱密集狀態(tài)中出現(xiàn)的。雖然在整個(gè)20世紀(jì)都有許多嚴(yán)肅的替代方案，但在整個(gè)20世紀(jì)，隨著宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)，50多年前出現(xiàn)了科學(xué)共識(shí)。盡管許多嘗試重振各種不信任的想法，以及試圖制定新的可能性，但所有這些都已經(jīng)在全套天文數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)下消失了。宇宙大爆炸作為我們宇宙起源的唯一有效理論而至高無上。
以下是我們發(fā)現(xiàn)宇宙以爆炸開始的方式。
不斷擴(kuò)大的宇宙，充滿了星系和我們今天觀察到的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，起源于一個(gè)更小，更熱，更密集，更均勻的狀態(tài)。數(shù)千年的科學(xué)家花費(fèi)了數(shù)百年的時(shí)間來完成這一工作，但缺乏可行的替代方案并不是一個(gè)缺陷，而是大爆炸成功的一個(gè)特征。
20世紀(jì)初的一系列新發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對(duì)宇宙的看法。1923年，埃德溫哈勃測(cè)量螺旋星云中的各個(gè)恒星，測(cè)量它們的可變周期和觀察到的亮度。由于Henrietta Leavitt在制定Leavitt定律時(shí)的工作，該定律將這樣一個(gè)恒星的可變周期與其內(nèi)在亮度聯(lián)系起來，我們獲得了對(duì)它們所在的星系的距離測(cè)量。這些星系遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們自己的銀河系，大部分星系都在數(shù)百萬光年之外。
哈勃在仙女座星系M31中發(fā)現(xiàn)一個(gè)造父變星，為我們打開了宇宙，為我們提供了銀河系以外的星系所需的觀測(cè)證據(jù)，并導(dǎo)致了宇宙的擴(kuò)張。
結(jié)合紅移測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)重要的關(guān)系：一個(gè)銀河似乎離我們?cè)竭h(yuǎn)，它的紅移就越大。提出了許多可能的解釋，例如來自這些物體的光在穿過太空時(shí)失去能量，或者更遠(yuǎn)的星系比較近的星系移動(dòng)得更快，好像它們都來自爆炸。
然而，有一種解釋是最引人注目的：宇宙正在擴(kuò)張。這種解釋與廣義相對(duì)論的預(yù)測(cè)以及在所有方向和位置觀察到的大規(guī)模平滑度一致。隨著越來越遠(yuǎn)的星系被發(fā)現(xiàn)，這張照片得到了進(jìn)一步的驗(yàn)證。宇宙正在擴(kuò)張。
星系越遠(yuǎn)，它越遠(yuǎn)離我們?cè)竭h(yuǎn)，它的光越紅。今天，隨著宇宙膨脹而移動(dòng)的星系距離它發(fā)出的光到達(dá)我們所用的年數(shù)（乘以光速）的年數(shù)甚至更遠(yuǎn)。RASC卡爾加里中心的LARRY MCNISH
同樣，即使在廣義相對(duì)論的背景下，也出現(xiàn)了多種有效的解釋。當(dāng)然，如果宇宙向四面八方擴(kuò)展，那么我們就會(huì)看到遠(yuǎn)處的物體遠(yuǎn)離我們，更遠(yuǎn)的物體看起來更快地消退。但這可能是：
因?yàn)槲矬w也有大的，不可測(cè)量的橫向運(yùn)動(dòng)，好像宇宙也在旋轉(zhuǎn)，
或者因?yàn)橛钪嬖谡袷?，如果我們看得足夠遠(yuǎn)，我們會(huì)看到擴(kuò)張逆轉(zhuǎn)，
或者因?yàn)閿U(kuò)張導(dǎo)致新物質(zhì)的緩慢產(chǎn)生，導(dǎo)致宇宙在時(shí)間上顯得不變，
或者因?yàn)橛钪嫫鹪从谝粋€(gè)炎熱，密集的狀態(tài)。
只有最后一個(gè)選項(xiàng)才能代表熱門的Big Bang。
早在宇宙中人類曾見過，就在宇宙大爆炸后幾億年，我們?nèi)匀恢?，即便如此，第一批恒星和星系也?yīng)該存在。我們關(guān)于大爆炸，廣義相對(duì)論，結(jié)構(gòu)形成的種子等等的圖片都形成了一致的圖景，告訴我們我們還沒有開始。
但如果大爆炸的想法是正確的，那么就會(huì)出現(xiàn)一系列新的預(yù)測(cè)。在廣義相對(duì)論的背景下，不斷擴(kuò)大的宇宙是第一個(gè)，但還有另外三個(gè)主要的宇宙將導(dǎo)致替代方案產(chǎn)生不同的可觀察結(jié)果。
與現(xiàn)今銀河系相當(dāng)?shù)男窍禂?shù)量眾多，但銀河系的年輕星系本質(zhì)上比我們今天看到的星系更小，更藍(lán)，更混亂，更富含天然氣。對(duì)于第一個(gè)星系，這應(yīng)該是極端的。
首先，如果宇宙起源于任意熱，密集，更均勻的狀態(tài)，以擴(kuò)展和冷卻到我們今天所看到的狀態(tài)，那么當(dāng)我們看得更遠(yuǎn)時(shí)，我們會(huì)回顧過去，我們應(yīng)該看到宇宙就像它年輕時(shí)一樣。因此，我們應(yīng)該看到星系較小，質(zhì)量較小，并且由遠(yuǎn)距離的較年輕，較藍(lán)的恒星構(gòu)成，然后到達(dá)沒有恒星或星系的星系。
電子和質(zhì)子自由并與光子碰撞的宇宙過渡到中性的宇宙，當(dāng)宇宙膨脹和冷卻時(shí)，光子對(duì)光子是透明的。這里顯示的是在發(fā)射CMB之前的電離等離子體（L），然后轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)光子透明的中性宇宙（R）。這是氫原子中壯觀的雙光子躍遷，使宇宙能夠像我們觀察到的那樣變得中性。
第二個(gè)，甚至更遠(yuǎn)的推斷，應(yīng)該是宇宙如此熱和充滿活力甚至不能形成中性原子的時(shí)代。因此，在一些非常早期的階段，宇宙從電離等離子體轉(zhuǎn)變?yōu)槌錆M中性原子的等離子體。在那個(gè)早期階段周圍的任何輻射應(yīng)該只是流入我們的眼睛，只受到宇宙膨脹的影響。
根據(jù)彭齊亞斯和威爾遜的最初觀察，銀河系飛機(jī)發(fā)射了一些天體物理輻射源（中心），但在上方和下方，剩下的只是近乎完美的均勻輻射背景。現(xiàn)在已經(jīng)測(cè)量了這種輻射的溫度和光譜，并且與大爆炸預(yù)測(cè)的一致性是非同尋常的。
基于原子變?yōu)橹行耘c電離的溫度，我們預(yù)計(jì)這種輻射僅比絕對(duì)零度高幾度，將其轉(zhuǎn)移到今天的光譜微波部分。這就是宇宙微波背景這個(gè)術(shù)語的來源。此外，由于它具有熱源但隨著膨脹的宇宙而紅移，我們還期望它在其光譜中呈現(xiàn)出特定的形狀：黑體光譜。最初在3K左右檢測(cè)到輻射背景，并且自那時(shí)起測(cè)量精確，這樣我們不僅知道它是2.7255K，而且它的光譜確定是黑體并且與反射星光的解釋不一致。（可以通過其中一種替代解釋來解決。）
早在BOOMERanG的數(shù)據(jù)回來之前，來自COBE的CMB光譜的測(cè)量表明，大爆炸的剩余輝光是反射星光的完美黑體，正如準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型所預(yù)測(cè)的那樣，無法解釋我們所看到的。
最后，還有第三個(gè)預(yù)測(cè)：基于宇宙的早期歷史，元素應(yīng)該由核聚變以特定比率形成。今天，這應(yīng)該意味著在任何恒星形成之前，宇宙應(yīng)該是關(guān)于：
75％氫（質(zhì)量），
25％氦-4，
0.01％氘，
0.01％氦-3，和
十億分之一的鋰-7。
而已; 應(yīng)該沒有比這更重要的元素。氫，氦，各自的一點(diǎn)點(diǎn)同位素，以及一點(diǎn)點(diǎn)鋰。
由大爆炸核合成預(yù)測(cè)的氦-4，氘，氦-3和鋰-7的預(yù)測(cè)豐度，觀察顯示在紅色圓圈中。宇宙中含有75-76％的氫，24-25％的氦，少量的氘和氦-3，以及痕量的鋰。在氚和鈹衰變之后，這就是我們留下的東西，并且在恒星形成之前它保持不變。
在觀察上，這也得到了證實(shí)。來自早期星系或遙遠(yuǎn)類星體的遙遠(yuǎn)光線被介入的氣體云吸收，使我們能夠探測(cè)到這種氣體的含量。2011年，我們發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)原始的氣體云，以精確的預(yù)測(cè)比率檢測(cè)氫和氦，并發(fā)現(xiàn)（第一次）沒有氧氣或碳的氣體：新形成的恒星的第一批產(chǎn)物。
不同氣體種群（L）的吸收光譜使我們能夠推導(dǎo)出元素和同位素（中心）的相對(duì)豐度。2011年，首次發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)不含重元素和原始氘氫比（R）的遠(yuǎn)氣云。
達(dá)到宇宙微波背景的唯一方法是它具有均勻性，光譜和溫度，它是在宇宙膨脹的背景下為它提供熱的熱源。20世紀(jì)40年代，喬治·加莫（George Gamow）和他的合作者推測(cè)了這一點(diǎn)，最初在20世紀(jì)60年代由阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和鮑勃·威爾遜（Bob Wilson）觀察到，并且其頻譜在20世紀(jì)90年代被COBE衛(wèi)星確定為黑體。
宇宙的大規(guī)模結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過全天測(cè)量和基于地面和空間的天文臺(tái)的深度測(cè)量確定，并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)宇宙與大爆炸一致，而不是替代。元素豐度的演變，從無金屬的早期階段到金屬貧乏的中間階段，再到我們今天觀察到的晚期富金屬階段，都證明了大爆炸的有效性。
現(xiàn)在，大爆炸后不久，人們對(duì)原始?xì)怏w進(jìn)行了許多獨(dú)立觀測(cè)，展示了相對(duì)于氫的敏感氘量。觀測(cè)與宇宙大爆炸的理論預(yù)測(cè)之間的一致性是我們宇宙起源最佳模型的又一次勝利。
如果你能為這四個(gè)觀察結(jié)果提出另一種解釋，你就可以開始一個(gè)可行的大爆炸替代方案。解釋觀測(cè)到的宇宙膨脹，大尺度結(jié)構(gòu)和星系的演化，宇宙微波背景及其溫度和光譜特性，以及宇宙中元素的相對(duì)豐度和演化，你將挑戰(zhàn)我們宇宙起源的理論。
大爆炸之后，宇宙幾乎完全均勻，充滿物質(zhì)，能量和輻射，處于快速膨脹的狀態(tài)。隨著時(shí)間的推移，宇宙不僅形成元素，原子，團(tuán)塊和星團(tuán)，一起形成恒星和星系，而是在整個(gè)時(shí)間內(nèi)擴(kuò)展和冷卻。沒有其他選擇可以匹配它。
50多年來，沒有任何替代方案可以滿足所有這四項(xiàng)要求。正如我們今天所看到的，甚至無法提供宇宙微波背景。這不是因?yàn)槿狈L試或缺乏好的想法; 這是因?yàn)檫@是數(shù)據(jù)所表明的?？茖W(xué)家不相信宇宙大爆炸; 他們根據(jù)全套觀察結(jié)果得出結(jié)論。對(duì)古老的，名譽(yù)掃地的替代品的最后追隨者終于消失了。大爆炸不再是科學(xué)事業(yè)的革命終點(diǎn); 這是我們建立的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。它的預(yù)測(cè)成功勢(shì)不可擋，而且還沒有其他選擇能夠應(yīng)對(duì)其在描述宇宙時(shí)的科學(xué)準(zhǔn)確性的挑戰(zhàn)。
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