宇宙大爆炸的50年

趙洋

2014年3月17日，美國科學(xué)家宣布他們首次探測到了宇宙大爆炸后形成的引力波，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)了解宇宙如何誕生具有里程碑式的意義。曾在1980年提出宇宙暴漲概念的理論物理學(xué)家、麻省理工學(xué)院教授艾倫·古思稱，這一最新研究“絕對(duì)有資格獲得諾貝爾獎(jiǎng)”——它有助于證明宇宙誕生于138億年前的一次大爆炸。

最早的宇宙學(xué)說

宇宙大爆炸學(xué)說是目前公認(rèn)的宇宙起源的“標(biāo)準(zhǔn)學(xué)說”。人類對(duì)于宇宙從何而來的好奇心古已有之。從東方的盤古開天地到西方的上帝七天創(chuàng)造世界，各民族關(guān)于宇宙起源的傳說如出一轍，即都是由超自然的力量“建造”了宇宙。

不單是對(duì)宇宙起源的猜測相似，各民族對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的最初看法也是驚人的相同。這從三個(gè)文明古國對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的猜測就可以看出：

古巴比倫人生活于四千年前的兩河流域，他們認(rèn)為宇宙是一個(gè)密封的箱子或小房間，大地是它的底板，底板中央矗立著冰雪覆蓋的區(qū)域，幼發(fā)拉底河就發(fā)源于這些區(qū)域中間。大地四周有水環(huán)繞，水之外還有天山，以支撐蔚藍(lán)色的天穹。

古埃及人在尼羅河兩岸生活，他們心目中的宇宙大體上和古巴比倫人相仿。他們認(rèn)為宇宙是一個(gè)方盒子，南北的長度較長，底面是凹下去的，埃及就處于凹陷的中心。天是一塊平坦的或弧形的天花板，四方有四根天柱，即支撐的山峰，星星是用鏈條懸掛在天上的燈。在方盒子的邊沿，環(huán)繞著一條大河，河上有一艘船載著太陽往來。尼羅河是這條河的支流。顯然，這個(gè)宇宙模型受當(dāng)?shù)氐孛驳挠绊懞苌睢?/p>

中國古代占主導(dǎo)地位的宇宙模型是“渾天說”。發(fā)明地動(dòng)儀的張衡是它的主要擁護(hù)者。“渾天說”認(rèn)為，天好像一個(gè)雞蛋殼籠罩在一片汪洋之上，陸地似蛋黃，浮在蛋清般的水中，恰好位于天的正下方。但是，蛋殼和蛋黃的比喻只是為了說明天與地的位置關(guān)系，古人可沒有把腳下的大地看成是球形的。盡管唐代天文學(xué)家一行在大地測量中曾發(fā)現(xiàn)用“地平說”解釋不了的事實(shí)，可惜他沒敢懷疑“渾天說”。

從上面的例子可以看出，古人并不區(qū)分天地與宇宙，他們以為日月星辰是天空的一部分。比如，他們都認(rèn)為大地是平坦靜止的，天空由極高的山峰支撐著，日月星辰在天空中運(yùn)動(dòng)。這種天地宇宙觀是人類早期游牧生活的反映，那時(shí)人們住在帳篷里，他們想當(dāng)然地認(rèn)為宇宙的結(jié)構(gòu)和帳篷是一樣的。在這里，人們按照自己的居所造出了心目中的宇宙，就好像按照自己的形象創(chuàng)造神的形象一樣。

但是，這種地外有水、水外罩天的“地平說”是先天不足的。古人最搞不懂的是：大地的外面全是汪洋，那么太陽落山后豈不是要沉到水中熄滅了嗎？再說，太陽昨天從西方落下，怎么今天早上又從東方升起？這一夜太陽到哪里去了？

中國古代還有人曾嘗試用陰陽五行相生相克的觀念解釋這個(gè)問題，但并不成功。畢竟這個(gè)宇宙模型與現(xiàn)實(shí)的差距太遠(yuǎn)了。

“大爆炸”是個(gè)貶義詞

自從哥白尼提出“日心說”以來，幾代天文學(xué)家不斷更新望遠(yuǎn)鏡和天文理論，逐漸認(rèn)識(shí)到不但太陽不是宇宙的中心，就連銀河系也不是。銀河系在本超星系團(tuán)中也不過是個(gè)“小兄弟”，宇宙很可能沒有中心。但宇宙總該有個(gè)開始，它始于何時(shí)呢？

愛因斯坦在20世紀(jì)初提出的狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論，使人類對(duì)時(shí)間和空間本質(zhì)的認(rèn)識(shí)又前進(jìn)了一大步。天文學(xué)家意識(shí)到，要想研究大尺度的天文現(xiàn)象，必須借助相對(duì)論這個(gè)工具。1927年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特（此人同時(shí)也是天主教神父）發(fā)表了愛因斯坦引力場方程的一個(gè)嚴(yán)格解，并由此指出宇宙是在膨脹的。

不過，勒梅特只是在理論上指出了宇宙膨脹的可能性，證實(shí)宇宙膨脹的人是美國天文學(xué)家愛德溫·哈勃。1925年，哈勃根據(jù)河外星系的形狀對(duì)其分類，得出一個(gè)重要結(jié)論：星系看起來都在遠(yuǎn)離地球而去，且距離越遠(yuǎn)，遠(yuǎn)離速度越快。哈勃于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”（也叫“紅移定律”）。

哈勃定律的重要意義在于，它表明宇宙并非如天文界以前所認(rèn)為的那樣是靜止的。它顯示出眾多的河外星系就像一個(gè)膨脹氣球上的斑點(diǎn)，隨著膨脹而互相遠(yuǎn)離，而且這個(gè)過程已有100億年至200億年的歷史。

1932年，勒梅特提出假說：既然宇宙一直在膨脹，那么反推回去，宇宙最初應(yīng)該聚集在一個(gè)密度和溫度極高的“原始原子”（也叫“宇宙蛋”）中，后來它發(fā)生四散的爆炸，才形成了今天的宇宙。勒梅特的成果一開始并未受到關(guān)注，直到更有名望的英國物理學(xué)家愛丁頓重視了這一成果，宇宙起源于“宇宙蛋”的假說才引起科學(xué)家們的普遍關(guān)注。

“大爆炸”是從英文名稱Big Bang翻譯過來的，直譯的話應(yīng)為“嘭的一大聲”。1949年3月，英國天文學(xué)家弗雷德·霍伊爾參加了BBC的一次廣播節(jié)目，在節(jié)目中，霍伊爾將宇宙從一個(gè)點(diǎn)爆炸產(chǎn)生的理論戲稱為“這個(gè)大爆炸的觀點(diǎn)”。這就是“大爆炸”一詞的來源。其實(shí)，霍伊爾并不支持大爆炸理論。他是與大爆炸對(duì)立的宇宙學(xué)模型——穩(wěn)恒態(tài)理論的倡導(dǎo)者，因?yàn)閷?duì)大爆炸宇宙學(xué)說懷有敵意，所以他才起了這個(gè)頗有嘲諷之意的名字。但后來的觀測事實(shí)卻逐步確立了大爆炸宇宙學(xué)說的主導(dǎo)地位，猶如達(dá)爾文學(xué)說在生物學(xué)中的地位一樣。

穩(wěn)態(tài)還是動(dòng)態(tài)？

盡管人們知道世間的一切都在運(yùn)動(dòng)中，只是到了哈勃發(fā)現(xiàn)紅移定律后，動(dòng)態(tài)宇宙的觀念才進(jìn)入人類的考量。人們甚至從來沒有想過宇宙也會(huì)演化，即便牛頓和愛因斯坦也都主張宇宙是穩(wěn)定的。

根據(jù)牛頓的萬有引力定律，宇宙中的一切物質(zhì)都會(huì)相互吸引。如果真是這樣，所有的星球都會(huì)因相互吸引而聚在一起，不再有穩(wěn)定的宇宙了。牛頓本人也同意這種觀點(diǎn)，為此他辯解說：“如果恒星的數(shù)量是無限的，就不會(huì)聚集到一處，因?yàn)榭臻g也是無限的，并沒有一個(gè)可供聚集的‘中心點(diǎn)?！?/p>

從廣義相對(duì)論可以推導(dǎo)出，宇宙要么在膨脹，要么在收縮。為此，愛因斯坦在公式中加入了一個(gè)“宇宙常數(shù)”，使得計(jì)算出的宇宙既不膨脹，也不收縮，保持穩(wěn)恒狀態(tài)。后來，他把加入“宇宙常數(shù)”的舉動(dòng)稱為自己“一生中最大的錯(cuò)誤”。endprint

1948年，奧地利天文學(xué)家邦迪和戈?duì)柕绿岢鲆环N理論，承認(rèn)宇宙膨脹但否定大爆炸。后來霍伊爾發(fā)展了這個(gè)理論。霍伊爾認(rèn)為，在星系散開的過程中，星系之間又形成新的星系；形成新星系的物質(zhì)是“無中生有”的，而且運(yùn)動(dòng)的速度非常緩慢，用現(xiàn)在的技術(shù)無法測出。結(jié)論是，宇宙自始至終基本上保持著同一狀態(tài)：過去宇宙是什么模樣，未來宇宙仍是什么模樣；宇宙既沒有開始，也沒有結(jié)束。這種理論被稱為“連續(xù)創(chuàng)生論”，對(duì)應(yīng)的宇宙模型是“穩(wěn)恒態(tài)宇宙”。

1946年，俄裔美國天體物理學(xué)家伽莫夫?qū)V義相對(duì)論與化學(xué)元素生成理論聯(lián)系起來，提出了“熱大爆炸”宇宙模型。他堅(jiān)信，如果宇宙是從一個(gè)極其致密、高溫的狀態(tài)中爆炸產(chǎn)生的，早期大爆炸的輻射就應(yīng)該殘存在我們周圍。伽莫夫的學(xué)生阿爾法和博士后赫爾曼隨后計(jì)算出，伴隨大爆炸產(chǎn)生的輻射在宇宙膨脹過程中應(yīng)該逐漸損失能量，因此現(xiàn)在應(yīng)該以射電輻射的形式存在，作為一個(gè)均質(zhì)背景從天空的四面八方射來；由于時(shí)間久遠(yuǎn)，其輻射溫度相當(dāng)于攝氏零下270℃（絕對(duì)溫度3 K）。在這么低的溫度下，輻射是處于微波的波段。因?yàn)橛霉鈱W(xué)望遠(yuǎn)鏡看不見微波，天文學(xué)家沒法給這個(gè)理論找到觀測上的支持。

意外的發(fā)現(xiàn)

1964年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的無線電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜制作了一個(gè)非常精密的微波探測天線并進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的是讓該儀器接收衛(wèi)星發(fā)回的微弱信號(hào)，并把數(shù)據(jù)記錄下來，以改善衛(wèi)星通信質(zhì)量。為了測量來自太空的微弱信號(hào)，他們采用方向性特別好的喇叭形天線以減少無線電干擾。

1964年5月，彭齊亞斯和威爾遜進(jìn)行了初步的測量。出乎兩人的意料，在7.35厘米波長的微波段上，扣除大氣噪聲、天線結(jié)構(gòu)的固有噪聲及地面噪聲后，最后還有3.5K的剩余噪聲。為了找出這剩余噪聲的來源，他們首先考慮的是天線本身產(chǎn)生的電噪聲是否比預(yù)期的高。為此，彭齊亞斯和威爾遜仔細(xì)檢查了天線金屬板的接縫，趕走了曾在天線的喉部筑巢的鴿子，并清掃了天線，除去了鴿子巢居期間在天線喉部涂上的一層“白色的電介質(zhì)”（鴿糞）。但是，所有努力均未能消除這個(gè)剩余噪聲。

從1964年到1965年兩年間，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)，這個(gè)消除不掉的噪聲，不但在一天之中沒有變化，在一年四季也沒有變化，且是一種與方向無關(guān)、亦無偏振的穩(wěn)定不變的噪聲。看來，這種噪聲不是來自人造衛(wèi)星，也不會(huì)來自太陽或銀河系，更不可能來自河外星系的某個(gè)射電源——因?yàn)橐陨线@些來自某個(gè)輻射源的信號(hào)是有方向性的：當(dāng)天線指向這個(gè)方向時(shí)，接收到的信號(hào)就較強(qiáng)；背對(duì)這個(gè)方向時(shí)，接收到的信號(hào)就較弱。而實(shí)際測得的這些微波噪聲完全不隨方向變化，這就足以證明這些噪聲一定不是來自任何一個(gè)射電源，它必定來自銀河系之外的、更廣闊的宇宙。它在各方向上分布均勻，彌漫于整個(gè)天空背景上，而它的等效溫度為3K左右，彭齊亞斯和威爾遜就給它起名為“3K微波背景輻射”。但這種微波背景輻射究竟是什么原因造成的？他們無法回答。

這個(gè)神秘的消除不掉的微波噪聲的來源及意義，很快從普林斯頓大學(xué)的天體物理學(xué)家那里得到了解釋。彭齊亞斯在一次偶然的電話聯(lián)系中，從朋友貝爾納·伯克（麻省理工學(xué)院的射電天文學(xué)家）那里得知，普林斯頓大學(xué)的一個(gè)天體物理研究小組不久前發(fā)表了一篇論文的預(yù)印本，文中預(yù)言，3厘米波長的微波段應(yīng)當(dāng)接收到溫度為10K的噪聲。彭齊亞斯與威爾遜很快就向這篇文章的作者、普林斯頓大學(xué)的物理教授迪克等人發(fā)出邀請(qǐng)，并進(jìn)行了互訪。他們相信，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的這一消不掉的噪聲，很可能正是普林斯頓大學(xué)以迪克為首的研究小組已經(jīng)理論預(yù)言、并正在努力尋找但還沒有找到的東西。這次互訪促成了兩項(xiàng)不同領(lǐng)域研究成果的絕妙合作，使貝爾電話實(shí)驗(yàn)室為提高衛(wèi)星通信質(zhì)量而進(jìn)行的非常實(shí)用的研究項(xiàng)目，意外獲得了完全屬于基礎(chǔ)理論研究的、純粹是宇宙學(xué)探索的一項(xiàng)根本性的重大發(fā)現(xiàn)。

這個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)為微波背景輻射的相關(guān)預(yù)言提供了堅(jiān)實(shí)的驗(yàn)證，并為大爆炸假說提供了有力的證據(jù)。發(fā)現(xiàn)的過程雖然偶然，但彭齊亞斯和威爾遜并未輕易放過這個(gè)異?，F(xiàn)象，終于得出了重要結(jié)論。他倆因此獲得了1978年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。瑞典科學(xué)院在頒獎(jiǎng)的決定中指出：“彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)是一項(xiàng)帶有根本意義的發(fā)現(xiàn)：它使我們能夠獲得很久以前，在宇宙的創(chuàng)生時(shí)期所發(fā)生的宇宙過程的信息?！?/p>

微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)使絕大多數(shù)物理學(xué)家相信，大爆炸是描述宇宙起源和演化的最好理論。

大爆炸學(xué)說被后來的觀測研究逐一證實(shí)：1989年的一個(gè)早晨，美國航空航天局將COBE衛(wèi)星送上太空。COBE最初9分鐘的觀測結(jié)果表明，宇宙微波背景輻射具有完美的黑體輻射譜。宇宙大爆炸理論進(jìn)一步得到證實(shí)。美國學(xué)者約翰·馬瑟和喬治·斯穆特根據(jù)COBE衛(wèi)星測量結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，宇宙微波背景輻射與絕對(duì)溫度2.7K黑體輻射非常吻合，此外，微波背景輻射在不同方向上的溫度有著極其微小的差異，也就是說存在各向異性。這兩位學(xué)者也因此獲得2006年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

宇宙簡史

按照目前的認(rèn)識(shí)，我們可以大致描述宇宙創(chuàng)生以來的過程：

137億年前——在大爆炸發(fā)生的瞬間，宇宙的體積為零，溫度無限高。大爆炸開始后，隨著宇宙的膨脹，輻射的溫度隨之降低。大爆炸1秒鐘之后，溫度降低到了100億度，這個(gè)溫度是太陽中心溫度的一千倍。此時(shí)的宇宙中主要包含光子、電子、中微子和它們的反粒子，以及少量的質(zhì)子和中子。此時(shí)粒子的能量極高，它們相互碰撞并產(chǎn)生大量不同種類的正反粒子對(duì)。

中微子和反中微子之間以及它們和其他粒子之間的相互作用非常微弱，所以它們并沒有互相湮滅掉，以至于直到今天它們?nèi)匀淮嬖凇?/p>

宇宙繼續(xù)膨脹，溫度的降低使得粒子不再具有如此高的能量，它們開始結(jié)合。與此同時(shí)，大部分正反電子相互湮滅，并產(chǎn)生了更多的光子。大爆炸100秒后，溫度降到了10億度，這相當(dāng)于最熱的恒星的內(nèi)部溫度。一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子組成氚核（重氫）；氚核再與一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子形成氦核。根據(jù)計(jì)算，大約有四分之一的質(zhì)子和中子轉(zhuǎn)變?yōu)楹ず撕蜕倭扛卦?。其余的中子衰變?yōu)橘|(zhì)子，也就是氫原子核。

幾個(gè)小時(shí)后，氦和其他元素的產(chǎn)生停止了。在這之后的100萬年左右，宇宙中沒有新物質(zhì)形成，只有空間在膨脹。當(dāng)溫度降低到幾千度時(shí)，電子和原子核不能再抵抗彼此間的吸引力而結(jié)合成原子。由于宇宙存在著小范圍的不均勻，區(qū)域性的坍縮開始發(fā)生，其中一些區(qū)域在區(qū)域外物體引力的作用下開始緩慢地旋轉(zhuǎn)。當(dāng)坍縮的區(qū)域逐漸縮小，由于角動(dòng)量的守恒，它自轉(zhuǎn)的速度就逐漸加快。當(dāng)區(qū)域變得足夠小時(shí)，自轉(zhuǎn)的速度足以平衡引力的作用，像我們銀河系這樣的鐵餅狀星系就誕生了。另外一些區(qū)域則由于沒有發(fā)生旋轉(zhuǎn)而形成橢圓形星系。這種星系的整體不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，但它的某些部分穩(wěn)定地繞著它的中心旋轉(zhuǎn)，因而也能平衡引力坍縮。

由于星系中的星云仍有不均勻性，它們被分割為更小的星云，并進(jìn)一步收縮形成恒星。恒星由于引力坍縮產(chǎn)生的高溫引發(fā)核聚變，聚變產(chǎn)生的能量又抵抗了繼續(xù)收縮的引力，恒星得以穩(wěn)定地燃燒。質(zhì)量越大的恒星燃燒得越快，因?yàn)樗枰尫鸥嗟哪芰坎拍芷胶庾陨砀鼜?qiáng)的引力，它們甚至?xí)诙潭?億年里耗盡自己的燃料。

恒星有時(shí)會(huì)發(fā)生被稱為“超新星”的巨大噴發(fā)，這種噴發(fā)令其余一切恒星都顯得黯淡無光。這時(shí)，一些恒星在晚期產(chǎn)生的重元素就會(huì)被拋回到星系中，成為構(gòu)成下一代恒星的磚瓦。我們的太陽就是第二代或第三代恒星，它含有大約2%的這種重元素。還有少量的重元素聚集并形成了繞恒星公轉(zhuǎn)的行星，地球就是其中之一。

五十年前，生活在這顆不起眼星球上的靈長類動(dòng)物發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸殘留的痕跡——微波背景輻射。又過了四十多年，一位叫霍金的物理學(xué)家在名為《喬治的宇宙秘密鑰匙》的兒童科幻小說中這樣描述宇宙的誕生：“宇宙起源有點(diǎn)像沸騰水中的泡泡。宇宙的開端，可能出現(xiàn)了許多小泡泡，然后消失。泡泡膨脹的同時(shí)，一些泡泡會(huì)不斷縮小直至消失；而一些泡泡在膨脹到一定尺度后，還可以繼續(xù)以不斷增大的速率膨脹，形成我們今天看到的宇宙?！眅ndprint