始于烈焰——宇宙大爆炸理論誕生始末

張唯誠

對于人類而言，回答宇宙起源這個(gè)問題就仿佛是一個(gè)小矮人在和一頭巨獸進(jìn)行著無謂的搏斗，又像是唐吉訶德在自不量力地進(jìn)攻風(fēng)車。然而，人類不懈的努力是有價(jià)值的，因?yàn)樗麄兘K于在接近真理……

沒有昨天的一天

我們一直都認(rèn)為宇宙是靜態(tài)和永恒的。古希臘哲學(xué)家亞里士多德相信，宇宙已經(jīng)存在了無限久遠(yuǎn)的時(shí)間，它沒有開端，也不會有終點(diǎn)。事實(shí)上，在并不是太久以前，幾乎所有人也是這么想的。人們認(rèn)為，時(shí)間和空間是絕對的，它們獨(dú)立于宇宙之外，時(shí)間從無限的過去流向無限的未來；空間博大無邊，沒有疆界，沒有止境，所有的物質(zhì)——星系、恒星、行星和衛(wèi)星都在這個(gè)絕對的時(shí)空中，在萬有引力的統(tǒng)治下按部就班地運(yùn)行著。這是一個(gè)多么美好的田園詩般的宇宙??！

倘若這時(shí)候有人跳出來說：“不不，宇宙不是這樣的，我們都錯(cuò)了。宇宙有一個(gè)起點(diǎn)，它產(chǎn)生于一次大爆炸?！比藗儠鯓幽兀渴求@訝或不屑，還是贊同呢？事實(shí)上，這就是大爆炸理論產(chǎn)生后人們表現(xiàn)出的各種反應(yīng)。1948年，美籍俄裔物理學(xué)家、天文學(xué)家喬治·伽莫夫在《物理評論》上發(fā)表文章，指出宇宙是由溫度極高、密度極大、體積極小的物質(zhì)迅速膨脹而成的，其過程猶如一次大爆炸。事實(shí)上，伽莫夫也并不是第一個(gè)提出這種觀點(diǎn)的人。早在1932年，比利時(shí)天文學(xué)家喬治·勒梅特就提出了類似的理論，他說宇宙起源于一個(gè)原子的放射性裂變。裂變使物質(zhì)向四周散開，形成了今天的宇宙。但伽莫夫把廣義相對論引入宇宙學(xué)，提出了熱大爆炸宇宙學(xué)模型，使宇宙大爆炸理論得以豐富和完善。

依照現(xiàn)代科學(xué)理論，綜合此前的研究成果，大爆炸理論宣揚(yáng)的宇宙誕生的偉大時(shí)刻可以作如下描述：

那是137.5億年前的某一天，科學(xué)家們將那一天稱為“沒有昨天的一天”，宇宙在一個(gè)類似爆炸的急速膨脹中誕生了。爆炸發(fā)生于一個(gè)科學(xué)家們稱為“奇點(diǎn)”的時(shí)空邊緣，“奇點(diǎn)”不是宇宙，卻是宇宙的出處，是一種無形的、無限小的存在。在爆炸發(fā)生之前，一切都不存在，包括時(shí)間和空間。在這之后，宇宙開始拼命地膨脹，并“制造”出各種各樣的東西：恒星、星系、星云，以及生命和文明……

大爆炸一發(fā)生，新生的宇宙便開始變涼、變稀。大爆炸后0.01秒，宇宙的溫度高得驚人，約為1000億攝氏度，這時(shí)的宇宙處在一片混沌之中，其主要成分為光子和中微子。1秒，宇宙溫度下降到100億攝氏度。由于密度減小，溫度下降，光子通過反應(yīng)變成了電子，進(jìn)而又聚合成了中子和質(zhì)子。之后13.8秒，宇宙溫度為30億攝氏度，中子和質(zhì)子已能形成像氘、氚、氦那樣穩(wěn)定的原子核，化學(xué)元素開始形成。3分鐘后，宇宙溫度下降到了10億攝氏度，宇宙中出現(xiàn)了氫。有了氫和氦，宇宙便具備了最主要的原材料，宇宙的雛形由此形成。宇宙就這樣僅用了3分多鐘的時(shí)間構(gòu)建了它宏偉大廈的雛形。下一步，它將用氫和氦去創(chuàng)造燦爛的恒星和星系了。

30萬年后，宇宙中的中性原子開始形成，其溫度已降到3000攝氏度，絕大多數(shù)自由電子在化學(xué)作用下被束縛在了中性原子中。至此，宇宙的主要成分還是氣態(tài)，但隨著溫度的進(jìn)一步下降，它們慢慢地凝聚成密度較高的氣體云，這些氣體云又進(jìn)一步聚攏成各種恒星和星系，經(jīng)歷了大約140億年的演化后，宇宙終于形成了今天我們看到的樣子。

牛頓宇宙觀的終結(jié)

若不是有了人類對星系的具有劃時(shí)代意義的觀測和后來發(fā)生的許多事，誰又真會去相信這種比神話還要離奇的描述呢？然而事實(shí)上，對于此前牛頓萬有引力統(tǒng)治下的宇宙觀，人們的疑慮也是存在的，例如在那種宇宙觀中，宇宙是永恒的，沒有起點(diǎn)和終點(diǎn)。假若果真如此，那么宇宙就應(yīng)該已經(jīng)存在無限長的時(shí)間了。如果萬有引力是正確的，如此長的時(shí)間必然要導(dǎo)致一個(gè)結(jié)果，那就是星系在萬有引力的作用下慢慢靠攏，所有物質(zhì)會聚在一起，宇宙在碰撞中灰飛煙滅。然而正如大家所看到的，這種事并沒有發(fā)生。

于是，一種更新的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型應(yīng)運(yùn)而生，在這種模型中，由于引入了彎曲空間的概念和代表斥力的宇宙學(xué)常數(shù)，牛頓宇宙學(xué)中萬有引力帶來的麻煩似乎可以消除了。然而即便如此，穩(wěn)恒態(tài)宇宙觀也要面對難以自圓其說的尷尬，因?yàn)楣庑孤读诵窍档拿孛?，向我們展示了星系運(yùn)行的狀態(tài)。

我們知道，光是恒星和星系的重要特征，隨著人類觀測宇宙技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，研究光是探索宇宙極為有效的手段。光不僅能讓我們知道遠(yuǎn)方天體和我們之間的距離，還能告訴我們，它們的運(yùn)動狀態(tài)和物質(zhì)構(gòu)成。例如，人們通過對遠(yuǎn)方天體光的研究確定了銀河系的直徑。同樣地，人們也用這種方法知道了在我們的銀河系之外還有無數(shù)河外星系。另外，通過對光譜的分析，人們知道了太陽和遠(yuǎn)方的恒星是同一類的物質(zhì)，它們的主要組成都是氫和氦，這使我們明白了我們的太陽也只不過是一顆普通恒星而已。

光在本質(zhì)上是一種電磁波。現(xiàn)在讓我們設(shè)想一下，當(dāng)遠(yuǎn)方的一個(gè)星系徑直朝著我們飛來，另一個(gè)星系卻離我們遠(yuǎn)去，它們在我們的視線中會不會呈現(xiàn)出不同的情景呢？事實(shí)證明會的。盡管星系由于離我們太遠(yuǎn)，它們的徑向運(yùn)動很難察覺，但星系的光卻呈現(xiàn)出了相應(yīng)的變化。朝我們飛來的星系，由于高速運(yùn)動，它的光波會壓縮，從而變得短一些，使得光色偏藍(lán)，表現(xiàn)在光譜上，其譜線朝藍(lán)端移動了一段距離，稱為藍(lán)移；而離我們遠(yuǎn)去的那個(gè)星系，則會在高速運(yùn)動中把波長拉長，使得光色偏紅，表現(xiàn)在光譜上，其譜線會朝紅端移動一段距離，稱為紅移。這樣一來，人們只要觀測到星系的藍(lán)移量和紅移量就能知道星系的運(yùn)動方向和速度了。

上世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家愛德文·哈勃用望遠(yuǎn)鏡觀測了很多河外星系。他發(fā)現(xiàn)，絕大多數(shù)星系都發(fā)生了紅移。1929年，哈勃發(fā)表了一篇題為《河外星系距離與視向速度的關(guān)系》的文章，他的結(jié)論是，宇宙中的所有星系都正在離我們遠(yuǎn)去！

大爆炸余輝未盡

為什么會這樣？因?yàn)橛钪嬖谂蛎洝４蟊ɡ碚擄@然給予了合理的解釋。哈勃還發(fā)現(xiàn)，離我們越遠(yuǎn)的星系，背離我們向遠(yuǎn)處運(yùn)動的速度就越快。于是他明白了，星系的退行速度與它們的距離是成正比的，這就是著名的“哈勃定律”。有了這個(gè)定律，人們就能推算宇宙的年齡，因?yàn)槿绻钪嬖谂蛎洠敲此倪^去就一定比現(xiàn)在年幼，時(shí)間離我們越久遠(yuǎn)，宇宙一定就越年輕。而且，根據(jù)“哈勃定律”，我們還能算出星系回到某一點(diǎn)時(shí)需要多少時(shí)間，這樣一來，沿著時(shí)間回溯，我們就可以像看一段倒放的影片一樣回到很久很久以前，那最終的目的地一定是一個(gè)點(diǎn)，宇宙中所有的物質(zhì)都要回到那里去，那就是大爆炸理論尋覓的“奇點(diǎn)”——宇宙的源頭，萬物的開端，一切的起點(diǎn)。今天，人們通過很多努力已經(jīng)相對精確地推算出了宇宙收縮到那個(gè)點(diǎn)時(shí)所需要的時(shí)間——137.5億年，這就是宇宙的年齡！

但星系的膨脹就一定是宇宙大爆炸的結(jié)果嗎？如果是，那必然會有輻射殘留下來，相當(dāng)于大爆炸的“余輝”，而且應(yīng)該充斥整個(gè)宇宙，它們的波長會隨著宇宙的膨脹而被拉長，最終變成波長很長的 “微波”，這就是當(dāng)時(shí)人們預(yù)測的宇宙微波背景輻射。這種輻射存在嗎？1964年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位天文學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜果然發(fā)現(xiàn)了這種輻射，他們在測試一架衛(wèi)星天線時(shí)意外地檢測到一種干擾測試的微波噪音。無論他們把天線指向天空的什么方向都不能排除那種噪音。最后人們確定，他們探測到的，就是宇宙微波背景輻射。由于這個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)，彭齊亞斯和威爾遜雙雙榮獲了1978年諾貝爾物理學(xué)獎。

在此后的好多年里，為了確認(rèn)宇宙微波背景輻射，科學(xué)家們進(jìn)行了大規(guī)模的探測。1989年11月，美國發(fā)射了COBE衛(wèi)星（宇宙背景探測者），全面探測了微波背景輻射在各個(gè)方向上的分布，繪制了一幅宇宙早期的輻射圖像，科學(xué)家們將它戲稱為“宇宙蛋”。衛(wèi)星還測得微波背景輻射的溫度為2.7K，與理論上的預(yù)測大致相當(dāng)。2001年，美國又發(fā)射了威爾金森各向異性探測衛(wèi)星（WMAP），對微波背景輻射進(jìn)行更精確的測定，找出了宇宙微波背景輻射在溫度上的微小差異，測得宇宙的年齡為137.5億歲，并顯示宇宙由23%的暗物質(zhì)，73%的暗能量和4%的普通物質(zhì)組成。2009年5月14日，歐洲空間局也發(fā)射了一顆名為“普朗克”的科學(xué)探測衛(wèi)星，并由它繪制出一幅“宇宙蛋”的圖像，最終形成了我們今天看到的星系。

終極難題魅力永存

然而，問題解決了嗎？還沒有。宇宙大爆炸理論還沒有回答一個(gè)重要的問題，那就是宇宙中的各種元素是如何形成的。對于這個(gè)問題，英國天文學(xué)家、穩(wěn)恒態(tài)宇宙觀的倡導(dǎo)者福雷德·霍伊爾首先提出了一套頗具建設(shè)性的理論?；粢翣栒f，宇宙中的恒星是由氫聚集而成的，氫原子在恒星的中心發(fā)生核聚變后生成氦，氦繼續(xù)聚變成氮、氧、硫，如此持續(xù)，合成越來越重的原子，最終合成鐵。比鐵更重的元素，則在類似超新星爆發(fā)的環(huán)境中產(chǎn)生，而碳、氧、鐵等重元素又在恒星死亡時(shí)被噴發(fā)出來，成為凝結(jié)新的恒星和行星的“原材料”。

霍伊爾的理論雖然很好地解釋了構(gòu)成星體的各種元素的由來，但沒有解釋形成恒星的氫是如何生成的，對氦在宇宙物質(zhì)總量中的比例也估計(jì)不準(zhǔn)，與觀測結(jié)果嚴(yán)重不符。在這一點(diǎn)上，恰恰是大爆炸理論給出了答案。大爆炸理論認(rèn)為，氫和氦是在宇宙誕生之初的高溫條件下合成的。大爆炸首先迫使很多氫在宇宙中聚變成了氦，所以宇宙形成恒星的時(shí)候，就不單純是氫了，而是由氫和氦一起構(gòu)成的。正因?yàn)檫@樣，我們在宇宙中測出的氦才如此豐富。大爆炸理論預(yù)計(jì)宇宙中氦的豐度為25%，氫的豐度為75%，這個(gè)數(shù)據(jù)與人們對宇宙的實(shí)際觀測結(jié)果是一致的。

星系的紅移、宇宙微波背景輻射、對氫元素豐度的觀測，所有這些似乎都在支持著大爆炸理論。然而，如何解釋奇點(diǎn)呢？大爆炸理論認(rèn)為，宇宙開始于一個(gè)非常小的點(diǎn)，這就是奇點(diǎn)。可是奇點(diǎn)之外是什么？大爆炸之前有什么？這又該作何解釋呢？這的確是個(gè)問題?？纱蟊ɡ碚撜J(rèn)為，這是不應(yīng)該成為問題的。按照愛因斯坦的相對論，時(shí)間和空間是合為一體的四維時(shí)空，所以奇點(diǎn)既是時(shí)間的起點(diǎn)，又是空間的起點(diǎn)?；艚饘@個(gè)問題也作了解釋，指出在廣義相對論中時(shí)間和空間不再是絕對的，也不再是事件的固定背景，相反，它們的形狀要由宇宙中的物質(zhì)和能量來確定，只有在宇宙中它們才能被定義，所以談?wù)撚钪骈_端之前的時(shí)間有點(diǎn)像在地球上尋找比南極還要南的地方一樣，是沒有意義的。另有一種猜測說，大爆炸之前也是一個(gè)宇宙，它收縮到高密的狀態(tài)后產(chǎn)生了大爆炸，不過要證明這個(gè)就更加困難了。

大爆炸理論雖然解釋了宇宙起源的一些現(xiàn)象，但它面臨的挑戰(zhàn)也是層出不窮的。例如，人們在研究宇宙的形狀時(shí)，認(rèn)為宇宙是平直的，但宇宙的質(zhì)量密度又遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以使宇宙處于平直狀態(tài)。于是科學(xué)家們認(rèn)為宇宙中存在著“暗物質(zhì)”，可“暗物質(zhì)”是什么呢？在研究宇宙的年齡時(shí)，大爆炸理論認(rèn)為，宇宙一直在加速膨脹，于是又引入“暗能量”這個(gè)提供斥力的概念，可是“暗能量”又是什么呢？目前這些都無法解釋。

事實(shí)上，對人類而言，回答宇宙起源這個(gè)問題原本就是一次對人類思維能力的極限挑戰(zhàn)，因?yàn)橛钪嫣|闊、太久遠(yuǎn)了，而人類在宇宙中的存在又是如此的渺小和短暫，試圖回答這種終極問題就仿佛是一個(gè)小矮人在和一頭巨獸進(jìn)行著無謂的搏斗，又像是唐吉訶德在自不量力地進(jìn)攻風(fēng)車。然而，人類不懈的努力是有價(jià)值的，因?yàn)樗麄兘K于在接近真理。