宇宙的證據(jù)——宇宙大爆炸

探索·發(fā)現(xiàn)

1905年，一個(gè)在瑞士伯爾尼專利局工作的小職員，德國猶太人阿爾伯特·愛因斯坦，提出了狹義相對論。10年之后，他又提出了廣義相對論。相對論同量子論一起推動(dòng)了20世紀(jì)物理學(xué)的革命，也為從整體上研究哈勃發(fā)現(xiàn)的星系宇宙，奠定了理論基礎(chǔ)。

20世紀(jì)以前的物理學(xué)建立在牛頓絕對時(shí)空觀的基礎(chǔ)上:時(shí)間永恒地均勻流逝，空間是不動(dòng)的舞臺，兩者相互獨(dú)立并且不受物質(zhì)的影響。愛因斯坦的革命性發(fā)現(xiàn)是：時(shí)間和空間是不可分割的統(tǒng)一體，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，而物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲。

在愛因斯坦的理論中，兩個(gè)物體間的相互作用并不像牛頓所描述的那樣，是彼此直接產(chǎn)生引力，而是由每個(gè)物體對周圍的時(shí)空產(chǎn)生影響，它們在時(shí)空中造成凹陷或扭曲，一個(gè)物體經(jīng)過另一個(gè)物體的旁邊，路徑就會受到扭曲而偏向，這就好像是物質(zhì)互相吸引一樣。

為什么時(shí)間和空間會是彎曲的呢？什么是彎曲時(shí)空呢？這要先從平直空間說起。古希臘的歐幾里德發(fā)展了一套幾何理論，后人稱為歐幾里德幾何學(xué)，他從幾個(gè)定義和公設(shè)出發(fā)，可以推導(dǎo)出一系列定理。直到今天，這還是中學(xué)生必修課。在歐幾里德幾何學(xué)里，有一個(gè)第5公設(shè)，根據(jù)這個(gè)公設(shè)，我們可以推論出三角形的三個(gè)內(nèi)角加起來總和是180度。因?yàn)槠矫嫔系膱D形顯然滿足這個(gè)性質(zhì)，所以我們把符合歐幾里德幾何學(xué)的空間稱為平直空間。

19世紀(jì)初，法國數(shù)學(xué)家高斯、匈牙利數(shù)學(xué)家鮑耶、俄國數(shù)學(xué)家羅巴切夫斯基等人認(rèn)識到，除了平直空間以外，沒有第5公設(shè)的非平直空間在邏輯上也是可能的。在這樣的空間中，三角形的內(nèi)角之和未必是180度。描述這種空間的幾何學(xué)叫作非歐幾何(圖1)。

（1）在非平直空間中的三角形的內(nèi)角之和未必是180°

三維的非平直空間比較難以想象，但是我們看看二維的例子。比如在一個(gè)平面上，三角形的三個(gè)角加起來是180度。但是在球面上，三角形的三個(gè)內(nèi)角加起來超過180度，在雙曲面上，三角形的三個(gè)角加起來小于180度（圖2）。當(dāng)然，你可能會說，在這些曲面上并沒有真正的直線，你這是從曲面之外的三維空間的看法說的。但是比方說一只螞蟻，被局限在曲面上，那么這就是它的直線。同樣，人也是被局限在我們生活的三維空間中。

（2）圖組:球面和雙曲面上三角形圖示

非歐幾何雖然被發(fā)現(xiàn)了，但在愛因斯坦之前，它僅僅是理論上的可能。而愛因斯坦的相對論說明，在大質(zhì)量物體附近的時(shí)空真的就需要非歐幾何來描述。這就是所謂彎曲時(shí)空。愛因斯坦并且預(yù)言，由于時(shí)空彎曲，從太陽表面附近經(jīng)過的星光會偏折1.75角秒，是牛頓理論預(yù)言值的2倍。

1919年5月發(fā)生的日全食提供了判決兩者孰是孰非的絕佳時(shí)機(jī)。英國天文學(xué)家愛丁頓領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)遠(yuǎn)征隊(duì)，分赴巴西東北海岸外的索布拉爾島和西非幾內(nèi)亞灣的普林西比島進(jìn)行觀測。半年以后，英國皇家學(xué)會正式宣布，他們的觀測結(jié)果符合愛因斯坦的預(yù)言！這個(gè)消息立刻轟動(dòng)了世界。廣義相對論從此得到科學(xué)界公認(rèn)。

愛因斯坦建立廣義相對論后，立刻開始思索是否可以用它來研究整個(gè)宇宙的性質(zhì)（圖3）。

（3）提出相對論的偉大科學(xué)家愛因斯坦

在此之前，大家心目中的宇宙圖像是牛頓的宇宙模型:時(shí)間和空間都是無限的，在其中均勻分布著靜止的物質(zhì)。但是，這個(gè)宇宙模型本身存在著內(nèi)在的矛盾。一個(gè)矛盾是，由于宇宙無限大，物質(zhì)無限多，物質(zhì)產(chǎn)生的引力也變成無限大。由于萬有引力的作用，牛頓宇宙中的物質(zhì)難以保持靜止，而會互相吸引，最后墜落到一起去。

愛因斯坦認(rèn)為，利用非歐幾何里的彎曲空間，可以解決這個(gè)問題。所以他在1917年提出了一個(gè)宇宙模型。這個(gè)模型的空間部分是一個(gè)球面，彎曲的空間，使得宇宙看起來是有限的。因此可以避免引力變成無限大的問題。但是愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，和牛頓的宇宙一樣，這個(gè)模型里的物質(zhì)也很難保持靜止不動(dòng)。

很快有人反對愛因斯坦的這個(gè)靜態(tài)宇宙模型，第一個(gè)提出質(zhì)疑的，是俄國學(xué)者阿列克謝·弗里德曼。在1922年發(fā)表的一篇論文中，弗里德曼求解了不包括宇宙學(xué)常數(shù)的廣義相對論方程，發(fā)現(xiàn)宇宙不會靜止不動(dòng)，而是要么膨脹要么收縮。愛因斯坦看到弗里德曼的論文后，給發(fā)表它的雜志去信，說弗里德曼可能算錯(cuò)了。弗里德曼并沒有屈服于愛因斯坦的權(quán)威，他詳細(xì)寫出了自己的計(jì)算過程給愛因斯坦寄去。后來，愛因斯坦在同一個(gè)雜志上發(fā)表聲明，承認(rèn)自己錯(cuò)了而弗里德曼是對的。

弗里德曼不僅發(fā)現(xiàn)宇宙有可能膨脹和收縮，他還認(rèn)識到，如果假定空間有最大的對稱性，那么三維空間的幾何只有三種可能:一種是我們熟悉的歐幾里德空間，即平直空間;一種是愛因斯坦模型中類似球面的空間，即閉合空間;還有一種是類似馬鞍形的雙曲面空間，即開放空間。在此后幾十年的時(shí)間里，探索宇宙空間的幾何形狀一直是宇宙學(xué)家們最重要的課題。

另一位從理論上研究宇宙學(xué)的，是比利時(shí)神甫、洛文天主教大學(xué)的物理學(xué)教授喬治·勒梅特。在1927年的一篇論文中，勒梅特指出愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型是不穩(wěn)定的，如果宇宙學(xué)常數(shù)的斥力稍稍超過物質(zhì)的引力，宇宙就會開始膨脹，而且越膨脹越快。

20世紀(jì)初，天文學(xué)家想要了解的是，銀河系以外，是否還有類似銀河的星系。有些人猜測，旋渦星云（圖4）就是其它的銀河系，即康德所說的宇宙島，里克天文臺的柯蒂斯也這樣主張。但是，威爾遜山天文臺的沙普利，則估計(jì)銀河系的尺度約有30萬光年，他認(rèn)為旋渦星云應(yīng)該還在這龐大的銀河系內(nèi)。1920年4月，他們兩個(gè)人在華盛頓舉行的美國科學(xué)院會議上，進(jìn)行了一場大辯論。兩個(gè)人的論據(jù)似乎都有道理。究竟誰正確呢？

（4）宇宙中的旋渦星云

這時(shí)，一位天文學(xué)界的新秀，埃德溫·哈勃來到了威爾遜山。哈勃明白，要弄清星云的本質(zhì)，關(guān)鍵是要測定它們的距離。他手里有兩個(gè)完成這項(xiàng)任務(wù)的有利條件:一是威爾遜山上清澈的大氣和無風(fēng)的穩(wěn)定狀況，極適合天文觀測;二是威爾遜山天文臺有當(dāng)時(shí)世界上威力最大的，口徑2.54米的望遠(yuǎn)鏡。

哈勃觀察著那些遙遠(yuǎn)的星云，夜空是如此的浩瀚，怎么才能測算出它們的距離呢（圖5）？

（5）天文學(xué)家哈勃在威爾遜山天文臺觀測遙遠(yuǎn)的星云

1912年，哈佛大學(xué)天文臺的女天文學(xué)家赫麗塔·勒維特，在南半球天空的麥哲侖星云中找到了一類特殊的天體，叫作“造父變星”。它們的亮度先是快速上升，隨后緩慢下降，呈周期性變化，越亮的造父變星光變周期越長。勒維特的發(fā)現(xiàn)，不久就被哈佛天文臺臺長沙普利知道了。沙普利立即認(rèn)識到，通過造父變星，可以推算出星系的距離。

1915年，沙普利在銀河系中找到一些已知距離的造父變星，將勒維特發(fā)現(xiàn)的周期亮度關(guān)系標(biāo)定成為周期光度關(guān)系。以后無論在什么地方只要根據(jù)光變特征認(rèn)出一顆造父變星，測出它的周期，由周期光度關(guān)系定出其真亮度，再與觀測到的亮度比較，就可求出其距離了（圖6）。

（6）利用造父變星的光變周期推算星系距離的示意圖

沙普利正是用這種方法,測定出銀河系的尺度為30萬光年，雖然比實(shí)際值偏高，但這種方法還是幫助他做出，太陽并不在銀河系中心的重大發(fā)現(xiàn)。

哈勃用同樣的方法，在仙女座大星云和三角座星云中發(fā)現(xiàn)了一批造父變星。推算出它們的距離都是93萬光年，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了沙普利的大銀河系的范圍。從此人們知道，天上許多暗弱的星云，并不屬于銀河系，而是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的星系。

哈勃想盡辦法，測量了24個(gè)星系的距離。當(dāng)他將這些星系的距離，同光譜位移進(jìn)行比較的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)令人吃驚的情況。

哈勃發(fā)現(xiàn)，大部分星系的光譜都發(fā)生了紅位移，距離越遠(yuǎn)的星系紅移量越大。根據(jù)多普勒效應(yīng)，這意味著所有的星系都在遠(yuǎn)離我們，而且離我們越遠(yuǎn)的星系，退行的速度越快。哈勃在1929年發(fā)表的這個(gè)初步結(jié)論，后來被更多觀測所證實(shí)，成為人們公認(rèn)的“哈勃定律”。其中速度與距離成正比關(guān)系的比例常數(shù)被稱為哈勃常數(shù)。

哈勃定律的重要意義在于，它顯示出宇宙中的星系，就像一個(gè)膨脹氣球上的斑點(diǎn)，彼此分散運(yùn)動(dòng)，從而為弗里德曼和勒梅特的膨脹宇宙模型提供了觀測依據(jù)。哈勃的觀測證實(shí)了，這個(gè)膨脹的宇宙和以前人們想象的，那個(gè)無限和永恒的宇宙完全不同。仿佛電影中的畫面，若倒著播放，所有的星系都在時(shí)空中逆行，它們將越來越靠近。如果不斷沿時(shí)間上溯，越早期的宇宙就會越小，那么，總會有足夠早的某個(gè)時(shí)刻，宇宙處在非常致密的狀態(tài)。這便是那個(gè)“奇點(diǎn)”。那一點(diǎn)表示了宇宙的創(chuàng)生（圖7）。我們能看到的一切，所有恒星，所有行星，所有地球上和宇宙中的生物，都有賴于那一刻的創(chuàng)生，這就是我們后來所說的“大爆炸”，或者正確地稱它為“創(chuàng)世紀(jì)”。

這時(shí)，勒梅特聽說了哈勃的發(fā)現(xiàn)，他知道這是自己一直等待的結(jié)果，他決定找到愛因斯坦，當(dāng)面向他陳述自己的想法。在一次演講中，勒梅特以詩意的敘述，向愛因斯坦陳述了他的理論。按他的說法，宇宙是從一個(gè)“原始原子”開始，不斷分裂膨脹而成的。就如同一顆小小的橡果，長大成為一棵參天的橡樹那樣。他并以哈勃的觀測為證，說明宇宙是創(chuàng)生于“沒有昨天的那一天”。演講結(jié)束的時(shí)候，他看到愛因斯坦站起來說:“這是我所看到過的最美麗的結(jié)果”。從那時(shí)開始，愛因斯坦承認(rèn)，引進(jìn)“宇宙學(xué)常數(shù)”是他一生最大的失誤。

（7）宇宙創(chuàng)生的“奇點(diǎn)”

盡管有了這些觀測和理論上的進(jìn)展，但是當(dāng)時(shí)的大多數(shù)科學(xué)家對于宇宙學(xué)還是持相當(dāng)懷疑的態(tài)度。

1948年的一天，英國廣播電臺播出一個(gè)宇宙學(xué)的科普節(jié)目，主講人是劍橋大學(xué)的數(shù)學(xué)家弗里德·霍伊爾，引起了許多人的關(guān)注。霍伊爾在節(jié)目里說：“你們可能跟我一樣，在成長過程中了解到，宇宙是在某個(gè)久遠(yuǎn)的時(shí)間點(diǎn)以前，由一次大爆炸形成的?，F(xiàn)在我要告訴你們，這是錯(cuò)的”。

霍伊爾對宇宙有一個(gè)起點(diǎn)的說法，提出了一系列質(zhì)疑，他特別反對宇宙起源于一次大爆炸的觀點(diǎn)。1948年，他與同事邦迪和戈?duì)柕乱黄?，提出了與大爆炸理論完全對立的“穩(wěn)恒態(tài)宇宙”理論（圖8）。

（8）提出與宇宙“大爆炸”理論完全對立的“穩(wěn)恒態(tài)宇宙”理論的數(shù)學(xué)家弗里德·霍伊爾

霍伊爾認(rèn)為大爆炸理論很荒謬。他問道:如果說宇宙起源于大爆炸，那么大爆炸之前難道就沒有宇宙嗎？這從哲學(xué)上讓人感到困惑。所以他提出了所謂完美宇宙學(xué)原理的假設(shè)。認(rèn)為宇宙不僅在空間上均勻，而且面貌不隨時(shí)間改變。霍伊爾提出的這種“穩(wěn)恒態(tài)宇宙”的要點(diǎn)是，宇宙是穩(wěn)恒態(tài)的。但是這個(gè)理論遇到一個(gè)問題，即它不能解釋宇宙間的物質(zhì)是如何形成的。而大爆炸的理論，就能夠解釋物質(zhì)怎樣被創(chuàng)造出來，一切都是在火熱的大爆炸的時(shí)候被創(chuàng)造出來的。支持大爆炸理論的人認(rèn)為，霍伊爾的“穩(wěn)恒態(tài)”，違反了物質(zhì)守恒和能量守恒的原理。

盡管霍伊爾無法解釋清楚新的物質(zhì)如何產(chǎn)生出來，而且這也違反了物理學(xué)中的能量守恒原理，但是在他看來，這比整個(gè)宇宙一下子創(chuàng)生出來還是容易接受得多。

由于哈勃根據(jù)星系退行速度，測算出宇宙年齡只有20億年，導(dǎo)致霍伊爾的“穩(wěn)恒態(tài)”一時(shí)占了上風(fēng)。因?yàn)楦鶕?jù)霍伊爾的理論，既然宇宙一直存在，也就不會出現(xiàn)地球年齡大于宇宙年齡的矛盾了。正當(dāng)宇宙年齡所造成的疑惑，使大爆炸理論陷入困境的時(shí)候，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，哈勃當(dāng)年測定的星系距離全都偏低，由此推算出的宇宙年齡也自然就偏低了。為什么會出現(xiàn)這種情況呢？

1948年，美國帕洛瑪山天文臺5米望遠(yuǎn)鏡投入使用，取代威爾遜山天文臺的望遠(yuǎn)鏡，成為當(dāng)時(shí)世界上最大的望遠(yuǎn)鏡。德裔天文學(xué)家沃爾特·巴德用這個(gè)望遠(yuǎn)鏡，做出了一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)。

沃爾特·巴德發(fā)現(xiàn)，恒星按化學(xué)組成和空間分布等性質(zhì)分為不同的族群——星族，屬于不同星族的造父變星，亮度與周期之間的比例系數(shù)并不相同。

當(dāng)初哈勃不知道這種差別，導(dǎo)致他將星系的距離低估了一半，因此也就將宇宙的年齡低估了一半。在改正了這個(gè)錯(cuò)誤以后，宇宙的年齡就不會比地球的年齡低了。沃爾特·巴德的發(fā)現(xiàn)，為大爆炸理論的確立，掃除了一個(gè)障礙。

霍伊爾的另一個(gè)質(zhì)疑是，勒梅特并沒有具體說明“原始原子”究竟是什么，它是如何形成，又如何崩解為各種元素的？而“穩(wěn)恒態(tài)”恰恰能證明這一點(diǎn)。

哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝到一顆新的恒星正在星云中形成:當(dāng)空間中的氫原子由于引力，逐漸凝聚到一起，形成越來越大的球體時(shí)，恒星形成了（圖9）。在恒星像滾雪球似地越滾越大時(shí)，引力造成的內(nèi)部壓力也越來越高。這種壓力會把氫原子緊緊壓合在一起，產(chǎn)生聚變反應(yīng)，形成新的元素“氦”。當(dāng)氫燃燒完后，恒星內(nèi)的氦可以再聚變?yōu)檠鹾吞迹绱顺掷m(xù)，合成越來越重的原子，直到鐵的產(chǎn)生。比鐵更重的元素，則可以在一些特殊的環(huán)境，如大質(zhì)量恒星演化晚期的超新星爆發(fā)中產(chǎn)生。而組成我們身體的碳、氧、鐵等重元素，都是先在恒星中產(chǎn)生，再于恒星爆發(fā)后被拋射出來，在太空中像灰塵一樣游蕩，直到跟其他的星塵混合，因重力形成新的行星?？梢哉f，我們每個(gè)人都曾經(jīng)是某顆恒星中的一部分。生命，也由此產(chǎn)生。

（9）哈勃用望遠(yuǎn)鏡拍攝到的一顆新恒星在星云中形成的情形

1954年在太平洋比基尼珊瑚島進(jìn)行了氫彈核爆試驗(yàn)，它通過裂變反應(yīng)發(fā)生爆炸。在爆炸的中心，可產(chǎn)生上百億度的高溫，這與大爆炸后1秒鐘內(nèi)宇宙的溫度相當(dāng)。高溫引發(fā)氫核產(chǎn)生聚變反應(yīng)，形成氦核，同時(shí)在這過程中釋放出更大的能量。這為恒星能源來自聚變反應(yīng)的理論提供了有力的支持。

霍伊爾關(guān)于重元素在恒星內(nèi)合成的理論，固然非常成功。但卻不能解釋輕元素氦在宇宙中含量高達(dá)1/4的觀測事實(shí)。因?yàn)榧偃邕@么多氦都是在恒星中合成的話，那么夜晚就會比白天還亮了。

1946年的時(shí)候，一位移居美國的前蘇聯(lián)科學(xué)家，也在探討宇宙中的基本元素如何形成的問題。他在勒梅特“原始原子”的基礎(chǔ)上另辟蹊徑，提出:宇宙中的氦，主要是在大爆炸后不久的高溫條件下合成的。

他認(rèn)為，宇宙大爆炸可以很自然地解釋氫和氦的來源:早期宇宙密度和溫度極高，不僅分子會離解，原子核也不能存在。但是隨著宇宙的膨脹，溫度降低，就可以形成基本的核子:質(zhì)子和中子。最輕的原子核——?dú)浜恕鋵?shí)就是一個(gè)質(zhì)子。在大爆炸時(shí)核子間相互反應(yīng)，就會形成一些復(fù)合的原子核，根據(jù)這個(gè)理論算出來的氫和氦按質(zhì)量計(jì)算應(yīng)該分別占3/4和1/4，與觀測符合得很好。這個(gè)觀點(diǎn)，給了大爆炸理論有力的支持。這位科學(xué)家的名字叫作喬治·伽莫夫（圖10）。

（10）給了大爆炸理論有力支持的前蘇聯(lián)科學(xué)家喬治·伽莫夫

但是，霍伊爾不愿意承認(rèn)這一點(diǎn)，他提出了一個(gè)尖銳的問題:“如果宇宙起始于一次大爆炸，在那種高溫高熱狀態(tài)下所產(chǎn)生的輻射，一定會在太空中留下某種痕跡，即使是在大爆炸已經(jīng)過去了140億年的今天，也應(yīng)該能找到哪怕一丁點(diǎn)兒輻射痕跡的殘留。可問題是，這個(gè)痕跡能找到嗎？”