宇宙大爆炸的速度远超光速或者说人类观测到的宇宙其实不是第一次爆炸吗？
这个问题触及了宇宙学最核心的几个谜团，也是我们理解宇宙起源和演化过程中最引人入胜的部分。简单来说，宇宙大爆炸（Big Bang）本身并非以某个“速度”向外膨胀的，而是在所有地方同时发生的事件，是时空的扩张。而我们观测到的宇宙，确实是基于“第一次”大爆炸的产物，但“速度”这个概念在这里需要非常审慎地使用。
让我们一层一层地剥开这个问题，尽量讲得详细些，并且抛开那些生硬的、一看就是AI写出来的词汇。
一、大爆炸：不是一场“爆炸”，而是时空的“膨胀”
首先，我们要澄清一个非常普遍的误解：宇宙大爆炸不是像炸弹爆炸那样，物质从一个中心点猛烈地向外抛射，在真空里飞散。 如果是那样，我们就能找到一个爆炸的中心，或者说，宇宙的边缘应该有某种“边界”。但我们今天观测到的宇宙，是一个没有明显边缘的、均匀且各向同性的整体（至少在大尺度上是这样）。
更准确地说，大爆炸是时空的自身膨胀。想象一下，不是一个点在空间中爆炸，而是空间本身在所有地方同时开始拉伸。就像一个正在被充气的气球表面，气球表面上的点（代表着宇宙中的物质和我们自己）会随着气球的膨胀而彼此远离。关键在于，气球表面的每一个点都在远离其他点，而且没有一个“中心”点在爆炸。
所以，当人们谈论“大爆炸的速度”时，其实是在描述星系之间的相对退行速度，这种退行是由于空间本身的扩张造成的。
二、为什么“速度”会远超光速？
这里我们才进入您问题的核心。当我们观察遥远的星系时，会发现它们在远离我们，而且距离越远的星系，退行速度越快。这种现象可以用哈勃定律（Hubble's Law）来描述：$v = H_0 cdot d$，其中 $v$ 是星系的退行速度，$d$ 是星系与我们的距离，$H_0$ 是哈勃常数。
那么，为什么远方星系的退行速度可以超过光速呢？这似乎违反了狭义相对论中关于任何物质都不能超光速运动的原理。但请记住，狭义相对论是描述物体在空间中运动的规则，而宇宙膨胀描述的是空间本身的拉伸。
想象一下，在气球的比喻中，如果我们标记了气球表面上的两个点，并且它们之间的距离非常大。随着气球不断膨胀，这两个点之间的距离会以一个非常快的速度增加。如果这两个点之间的距离足够大，那么即使它们“相对于”对方的运动速度（空间拉伸的速度）非常快，它们各自的“速度”本身并没有超过光速。
更精确地说，宇宙膨胀的速度（或者说空间扩张的“速率”）可以用退行速度来表示。对于一个距离我们 $d$ 的地方，其退行速度是 $v = H_0 cdot d$。当 $d$ 足够大时，$v$ 确实可以大于光速 $c$。
这并不意味着信息或物质本身以超光速穿越了某个固定的空间。而是说，在非常大的尺度上，由于空间本身的“生发”和扩张，两个点之间的距离增加得比光在同样时间内能传播的距离还要快。
举个例子：如果你站在一个正在迅速拉伸的橡胶膜上，你和膜上另一个很远的点都在向外移动，不是因为你们自己跑得有多快，而是因为你们所在的膜在不断地增加你们之间的距离。如果膜拉伸得足够快，你们之间的距离增加的速度就可以超过你自己的移动速度。
三、我们观测到的宇宙是“第一次爆炸”吗？
是的，我们今天观测到的宇宙，就是基于我们所理解的“第一次”大爆炸的产物。我们观测到的是宇宙从一个极度炽热、致密的状态膨胀至今的整个过程。
但“第一次爆炸”这个说法仍然带有一些直观的、可能不够准确的联想。更贴切的说法是，我们观测到的是宇宙自身从一个“奇点”（或接近奇点的状态）开始持续膨胀并演化的历史。
那么，为什么会有“不是第一次爆炸”的疑问呢？这可能源于几种不同的理解误区，或者更深层次的物理学推测：
1. “大爆炸”是持续的现象： 大爆炸不是一个瞬间的事件，而是宇宙从极高温高密度状态开始，持续膨胀和冷却的过程。所以，即使在今天，宇宙空间仍在以一个可观的速率膨胀着。从这个意义上说，大爆炸的过程还在继续。
2. 量子涨落和早期宇宙： 在极早期，宇宙充满了量子涨落。一些理论认为，我们所知的“大爆炸”可能是由某个更大的、更基础的“前宇宙”中的某种量子事件触发的，然后引发了我们看到的这个宇宙的膨胀。但这仍然是关于这个“我们这个宇宙”的起点。
3. 多重宇宙或循环宇宙的设想： 这是更具推测性的领域。一些理论物理学家提出，我们所知的宇宙可能只是一个更大、更复杂的多重宇宙（Multiverse）中的一个。在这个框架下，可能存在其他宇宙在同时或不同时间膨胀，甚至我们这个宇宙可能经历过多次“大爆炸”或“重置”循环（如某些循环宇宙模型）。
多重宇宙理论： 设想存在无数个独立的宇宙，它们可能有不同的物理定律和初始条件。我们观测到的宇宙只是其中之一。在这种情况下，我们观测的“大爆炸”确实是“我们这个宇宙”的开始，但不是所有宇宙的第一次开始。
循环宇宙理论（如“大反弹”模型）： 一些模型认为宇宙会周期性地膨胀和收缩。一个宇宙膨胀到极致后可能会收缩成一个密度极高的状态，然后发生一次“大反弹”，重新开始新一轮的膨胀，形成一个新的宇宙。如果我们的宇宙是循环宇宙的一部分，那么我们观测到的可能只是“一个循环”的开始，而不是终极的第一次。
为什么这些推测性的理论会产生“不是第一次爆炸”的疑问？
缺乏直接证据： 目前我们没有直接的观测证据能够证明多重宇宙或循环宇宙的存在。这些理论更多是基于数学模型和理论物理学推导出来的可能性。
科学范式的限制： 科学的本质是基于可观测、可证伪的现象。而关于“第一次”或“多重宇宙”的设想，往往超出了我们当前观测能力的范畴。我们只能根据我们所能观测到的现象（如宇宙微波背景辐射的均匀性、大尺度结构的形成等）来构建模型，而这些模型在某个阶段可能会遇到需要解释的“边界条件”或“初始条件”。
我们所能观测到的，是宇宙从大爆炸开始至今的演化历程。 我们看到的宇宙微波背景辐射，就是大爆炸后约38万年时，宇宙冷却到足以形成原子，光子得以自由传播的“余辉”。我们观测到的遥远星系的光，是它们在几十亿年前甚至上百亿年前发出的，它们在漫长的旅途中穿越膨胀的空间抵达我们这里。我们所看到的一切，都与那个遥远的、炽热的起点紧密相连。
所以，我们观测到的宇宙是基于我们理解的“那一次”大爆炸的。 而“第一次”这个词，更多是指“我们所知晓的这个宇宙”的开端。至于是否存在更宏大的背景，或者更早期的阶段，那是当前前沿物理学和宇宙学正在探索的，充满未知和可能性的领域。我们对宇宙的认知还在不断深化，未来或许会有更清晰的答案。
让我们一层一层地剥开这个问题，尽量讲得详细些，并且抛开那些生硬的、一看就是AI写出来的词汇。
一、大爆炸：不是一场“爆炸”，而是时空的“膨胀”
首先，我们要澄清一个非常普遍的误解：宇宙大爆炸不是像炸弹爆炸那样，物质从一个中心点猛烈地向外抛射，在真空里飞散。 如果是那样，我们就能找到一个爆炸的中心，或者说，宇宙的边缘应该有某种“边界”。但我们今天观测到的宇宙，是一个没有明显边缘的、均匀且各向同性的整体（至少在大尺度上是这样）。
更准确地说，大爆炸是时空的自身膨胀。想象一下，不是一个点在空间中爆炸，而是空间本身在所有地方同时开始拉伸。就像一个正在被充气的气球表面，气球表面上的点（代表着宇宙中的物质和我们自己）会随着气球的膨胀而彼此远离。关键在于，气球表面的每一个点都在远离其他点，而且没有一个“中心”点在爆炸。
所以，当人们谈论“大爆炸的速度”时，其实是在描述星系之间的相对退行速度，这种退行是由于空间本身的扩张造成的。
二、为什么“速度”会远超光速？
这里我们才进入您问题的核心。当我们观察遥远的星系时，会发现它们在远离我们，而且距离越远的星系，退行速度越快。这种现象可以用哈勃定律（Hubble's Law）来描述：$v = H_0 cdot d$，其中 $v$ 是星系的退行速度，$d$ 是星系与我们的距离，$H_0$ 是哈勃常数。
那么，为什么远方星系的退行速度可以超过光速呢？这似乎违反了狭义相对论中关于任何物质都不能超光速运动的原理。但请记住，狭义相对论是描述物体在空间中运动的规则，而宇宙膨胀描述的是空间本身的拉伸。
想象一下，在气球的比喻中，如果我们标记了气球表面上的两个点，并且它们之间的距离非常大。随着气球不断膨胀，这两个点之间的距离会以一个非常快的速度增加。如果这两个点之间的距离足够大，那么即使它们“相对于”对方的运动速度（空间拉伸的速度）非常快，它们各自的“速度”本身并没有超过光速。
更精确地说，宇宙膨胀的速度（或者说空间扩张的“速率”）可以用退行速度来表示。对于一个距离我们 $d$ 的地方，其退行速度是 $v = H_0 cdot d$。当 $d$ 足够大时，$v$ 确实可以大于光速 $c$。
这并不意味着信息或物质本身以超光速穿越了某个固定的空间。而是说，在非常大的尺度上，由于空间本身的“生发”和扩张，两个点之间的距离增加得比光在同样时间内能传播的距离还要快。
举个例子：如果你站在一个正在迅速拉伸的橡胶膜上，你和膜上另一个很远的点都在向外移动，不是因为你们自己跑得有多快，而是因为你们所在的膜在不断地增加你们之间的距离。如果膜拉伸得足够快，你们之间的距离增加的速度就可以超过你自己的移动速度。
三、我们观测到的宇宙是“第一次爆炸”吗？
是的，我们今天观测到的宇宙，就是基于我们所理解的“第一次”大爆炸的产物。我们观测到的是宇宙从一个极度炽热、致密的状态膨胀至今的整个过程。
但“第一次爆炸”这个说法仍然带有一些直观的、可能不够准确的联想。更贴切的说法是，我们观测到的是宇宙自身从一个“奇点”（或接近奇点的状态）开始持续膨胀并演化的历史。
那么，为什么会有“不是第一次爆炸”的疑问呢？这可能源于几种不同的理解误区，或者更深层次的物理学推测：
1. “大爆炸”是持续的现象： 大爆炸不是一个瞬间的事件，而是宇宙从极高温高密度状态开始，持续膨胀和冷却的过程。所以，即使在今天，宇宙空间仍在以一个可观的速率膨胀着。从这个意义上说，大爆炸的过程还在继续。
2. 量子涨落和早期宇宙： 在极早期，宇宙充满了量子涨落。一些理论认为，我们所知的“大爆炸”可能是由某个更大的、更基础的“前宇宙”中的某种量子事件触发的，然后引发了我们看到的这个宇宙的膨胀。但这仍然是关于这个“我们这个宇宙”的起点。
3. 多重宇宙或循环宇宙的设想： 这是更具推测性的领域。一些理论物理学家提出，我们所知的宇宙可能只是一个更大、更复杂的多重宇宙（Multiverse）中的一个。在这个框架下，可能存在其他宇宙在同时或不同时间膨胀，甚至我们这个宇宙可能经历过多次“大爆炸”或“重置”循环（如某些循环宇宙模型）。
多重宇宙理论： 设想存在无数个独立的宇宙，它们可能有不同的物理定律和初始条件。我们观测到的宇宙只是其中之一。在这种情况下，我们观测的“大爆炸”确实是“我们这个宇宙”的开始，但不是所有宇宙的第一次开始。
循环宇宙理论（如“大反弹”模型）： 一些模型认为宇宙会周期性地膨胀和收缩。一个宇宙膨胀到极致后可能会收缩成一个密度极高的状态，然后发生一次“大反弹”，重新开始新一轮的膨胀，形成一个新的宇宙。如果我们的宇宙是循环宇宙的一部分，那么我们观测到的可能只是“一个循环”的开始，而不是终极的第一次。
为什么这些推测性的理论会产生“不是第一次爆炸”的疑问？
缺乏直接证据： 目前我们没有直接的观测证据能够证明多重宇宙或循环宇宙的存在。这些理论更多是基于数学模型和理论物理学推导出来的可能性。
科学范式的限制： 科学的本质是基于可观测、可证伪的现象。而关于“第一次”或“多重宇宙”的设想，往往超出了我们当前观测能力的范畴。我们只能根据我们所能观测到的现象（如宇宙微波背景辐射的均匀性、大尺度结构的形成等）来构建模型，而这些模型在某个阶段可能会遇到需要解释的“边界条件”或“初始条件”。
我们所能观测到的，是宇宙从大爆炸开始至今的演化历程。 我们看到的宇宙微波背景辐射，就是大爆炸后约38万年时，宇宙冷却到足以形成原子，光子得以自由传播的“余辉”。我们观测到的遥远星系的光，是它们在几十亿年前甚至上百亿年前发出的，它们在漫长的旅途中穿越膨胀的空间抵达我们这里。我们所看到的一切，都与那个遥远的、炽热的起点紧密相连。
所以，我们观测到的宇宙是基于我们理解的“那一次”大爆炸的。 而“第一次”这个词，更多是指“我们所知晓的这个宇宙”的开端。至于是否存在更宏大的背景，或者更早期的阶段，那是当前前沿物理学和宇宙学正在探索的，充满未知和可能性的领域。我们对宇宙的认知还在不断深化，未来或许会有更清晰的答案。
网友意见
这样理解不对。“宇宙大爆炸”不是爆炸，不是“以远超光速的速度喷射物质”。无论是设置了大爆炸奇点的标准大爆炸宇宙论，还是后来建立的无需奇点的模型，描述的过程都不是“悬浮在太空中的一团物质向外扩散”，而是空间本身在膨胀，这不受真空光速的限制。
二十世纪六十年代，霍金和罗杰·彭罗斯证明，当时空的弯曲足够陡峭，时空会不可避免地坍缩，爱因斯坦方程将会不起作用，需要新的量子引力理论才能解释。彭罗斯-霍金奇点定理表明，时空无法从一个点中平滑而稳定地展开，“大爆炸奇点”并不存在。
根据现有观测数据和理论，可观测宇宙约在138亿年前出现[1][2]，误差范围约±2000万年，讨论“整个宇宙”或“多重宇宙”则目前无解，宇宙的不可观测部分的尺寸[3]与存在状况目前无法确定，其未必是通过和可观测宇宙类似的过程起源的。而且，年龄和“寿命”是两回事，谈不上什么这一轮那一轮的。
为了抹平理论与观测事实间的矛盾[4]，1980年，美国物理学家阿兰·古斯提出了暴胀：极早期宇宙在10^-35秒到10^-34秒的极短时间内以惊人的速度加速膨胀[5]。
- 暴胀宇宙论预言了宇宙的不均匀性，并给出了不均匀程度的估计。根据维尔纳·海森堡的不确定性原理，在暴胀时期，宇宙中存着微小的量子热涨落，暴胀将这些涨落放大到宇观尺度，成为当今宇宙中所有结构的种子。暴胀理论预言，这些原初涨落基本上具有尺度不变性并满足高斯分布。
- 上述预言已经通过测量微波背景辐射得到了精确的证实[6]。
霍金将费曼的总和历史方法应用于研究宇宙起源，这涉及总和在时空的每一条世界线可能发生的事件，意味着必须考虑宇宙的边界条件，而最特殊的边界条件就是没有边界。1981年，霍金发表了论文《宇宙边界条件》，提议宇宙可能没有边界，即没有起源或终结。
1983年，霍金与詹姆斯·哈特尔合作提出宇宙无边界模型：
- 在普朗克时期之前，由于量子力学的不确定性原理，宇宙没有时空边界；
- 在极早期宇宙里只有空间、没有时间，宇宙起源的概念毫无意义。
那之后，霍金多次谈到，宇宙可以通过量子机制整个涌现于虚无之中。
我们可以构建这样的模型：宇宙的总能量是零。
在宇宙的总能量是零的情况下，要平衡恒星的能量，简单有效的方法是抬出引力：引力是吸引的，引力能是负的，你必须做功才能把引力束缚的系统（例如地球和月球）分离开。
但是，地球的引力能不到构成地球的物质粒子的不变质量所对应之能量的十亿分之一。恒星这样的物体会有更负的引力能，恒星的尺寸越小（它的不同部分相互靠得越近），引力能就越负，可是在引力能足以抵消自身的不变质量之前，该恒星就足够坍缩成黑洞了，而黑洞具有正的能量。
这导致真空的相对稳定，避免在你脸上随机涌现恒星或黑洞[7]。
而整个宇宙却能自发涌现。因为引力赋形于时空，允许时空局部稳定且全体不稳定。在全宇宙的尺度下，物质的能量可以被引力能的负能量抵消到零。由此，宇宙可以从无之中自我创生，而不需要一个非常特殊的奇点，或是任何类型的创世者。
过去几十年里，人们已经建立了许多不需要大爆炸奇点的宇宙学理论。
参考
- ^ https://www.sciencedaily.com/releases/2020/07/200715170541.htm
- ^ 有少数研究得到更年轻的结果，但2020年的观测数据不支持那些想法。
- ^ 被暴胀带到可观测距离之外的物质距离我们可能有3.5万亿光年，乃至无穷远。
- ^ 在旧大爆炸模型中，宇宙视界不断向外扩张，使新的区域落入到可观测范围之内。然而，当某个观测者第一次看到这些区域时，他会发现彼此相距极其遥远的区域看起来极为相似：背景辐射具有几乎相同的温度，时空曲率的演化也近乎相同。这是一个难题：在从未“沟通”过的情况下，两个从未有过因果联系的区域要如何达到如此接近的温度和曲率呢。
- ^ 这假定可观测宇宙的所有区域来自同一个早期阶段，这一阶段具有很高的真空能量（宇宙常数），视界并不向外扩张，而是维持不动，任何观测者离视界的距离都是相同的。这时，空间指数膨胀，使两个十分接近的观测者极迅速地远离对方，其速度之快，使两者马上超出了对方的可观测范围。当暴胀逐渐衰弱时，宇宙常数趋向于零，空间开始正常膨胀。这一正常膨胀阶段内落入到视界以内的空间区域，正是曾经因暴胀而超出视界的区域。由于这些区域曾经十分接近，所以具有相同的温度和曲率。暴胀理论可以解释为什么相隔遥远的区域具有几乎相同的温度和曲率。它预测在任一时刻的总空间曲率为零，意味着宇宙中的普通物质、暗物质以及残余的真空能量之总和必须是临界质量。现有的观测证据对此表示支持。
- ^ https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/map/dr2/pub_papers/threeyear/parameters/64897.web.pdf
- ^ 但这并不影响涌现总能量零的东西。已经有人在数学上构建出质量零的虫洞、白洞之类东西。
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