大爆炸理論被韋布望遠鏡推翻了嗎？

曲炯

最近，小伙伴轉(zhuǎn)來一篇網(wǎng)文，發(fā)表在“藝術(shù)和思想學(xué)院”（Institute of Art and Ideas， iAi），上面說：人類斥巨資造了“詹姆斯·韋布”太空望遠鏡，N 年后上了天，終于看到了“宇宙盡頭”的景觀。它傳送回來的宇宙圖像令人驚嘆，但對于大多數(shù)專業(yè)的天文學(xué)家和宇宙學(xué)家呢？則是令人驚訝，因為這些圖像根本不是理論預(yù)測的宇宙景觀。一篇論文的標題以坦率的感嘆開頭：“恐慌！”這些圖像跟“大爆炸”理論沖突了！雖然論文沒有詳細說與哪些理論預(yù)測矛盾，但是新數(shù)據(jù)讓“大爆炸”理論的追隨者深感恐慌?！艾F(xiàn)在我發(fā)現(xiàn)自己夜不成寐。”堪薩斯大學(xué)物理與天文系的一位助理教授 Allison Kirkpatrick 說，“想知道是不是我做過的一切都是錯的?！?/p>

乍一看，這篇文章有板有眼，還引用了業(yè)內(nèi)人士的觀點，似乎是挺靠譜的，不禁讓人為價值百億美元的韋布望遠鏡的前途擔(dān)心了起來。

宇宙的未來會是什么樣子呢？宇宙學(xué)家曾經(jīng)認為宇宙的未來有兩種可能：第一種是它的平均密度高于某一臨界密度，使得它膨脹到最大體積后敗給自身的引力，造成坍縮式的“大擠壓”。

科學(xué)家害怕理論被推翻？

iAi 的這篇網(wǎng)文，雖然成功地碰瓷到了重磅科學(xué)機構(gòu)的注意，但相信它既不是第一個也不是最后一個。那么，如果我們看到類似的文章，該如何判斷真?zhèn)文兀?/p>

不要糾纏細節(jié)去讀他們說的“術(shù)語”，真的槽多無口。要跳出細節(jié)抓要點：“韋布”太空望遠鏡本身基于“大爆炸”理論設(shè)計，它所在的紅外波段是根據(jù)這個理論的預(yù)言定量定制的。如果理論本身出了問題，那么“韋布”上天之后就是瞎子一個。而它已經(jīng)在定制的波段上拿到了大批數(shù)據(jù)，就說明它的理論基礎(chǔ)在大層面上站穩(wěn)了。

拿著“韋布”望遠鏡基于“大爆炸”理論拍出的照片來反對“大爆炸”理論，就像什么呢？就像一個人被送到空間站，體驗到失重的感覺，他又驚又喜地說：“在這里沒有重力哎！說明引力理論是錯的！”——這個空間站和把他送上來的火箭飛船都是基于引力理論設(shè)計的好不好？

在轉(zhuǎn)向正題之前，我們再稍微多說幾句促進理解的溫柔話。民間科學(xué)家對正統(tǒng)科學(xué)家——姑且這么稱呼吧，便于理解，無褒貶義——的一個誤解是：他們以為后者想維護科學(xué)成果，會為已有理論被推翻而恐慌。

其實科學(xué)家晝思夜想、殫精竭慮的，也是想推翻已有的成果啊，每糾一個錯，都有獲大獎領(lǐng)銀子的機會?？茖W(xué)家想維護的，無非是科學(xué)思維罷了。況且，假如一個理論真要被推翻了，研究新理論就意味著更多的機會，科學(xué)家高興還來不及呢。

大爆炸？到底是什么炸了？

既然說“韋布”望遠鏡是基于“大爆炸”理論設(shè)計制造的，那么“大爆炸”又是怎么回事呢？

1929 年，美國天文學(xué)家哈勃發(fā)表了他的觀測結(jié)果：所有的遙遠星系都在離我們而去，并且距離銀河系越遠，就退行得越快。

首先我們就要問：如何知道星系在離我們而去呢？雖然我們都知道恒星不恒，它們確實會運動，但與它們和地球的距離尺度相比，它們的運動還是太不顯眼了。

這就要提到一個詞“紅移”。

上世紀初，人們就注意到許多恒星的光譜和太陽光譜不同，不單是組成成分造成的譜線不同問題，還有個有趣的現(xiàn)象，就是所有譜線都朝著頻率較低的紅光區(qū)平移了，這個現(xiàn)象就叫“紅移”。造成紅移的原因有好幾個，但最典型的，就是天體在遠離我們而去。它向我們發(fā)出的光，上一個波峰的光源離我們還有 N 光年，下一個波峰的光源離我們就有 N 光年+10 納米了（隨意舉例的數(shù)字），對于地球上的觀測者來說，就看到光線的波長變長，頻率變低，有點“發(fā)紅”了。

在較近的尺度內(nèi)，也有一些恒星或星系在朝向我們運動，這個運動會造成譜線向高頻端（藍端）移動，我們把這個稱為“藍移”。在宇宙里，紅移是壓倒多數(shù)的。

回到哈勃（物理學(xué)家，不是以他命名的那臺太空望遠鏡）的發(fā)現(xiàn)上來，“遙遠星系在離我們而去”這個好懂，也能有許多推論，甚至可以說“行，它們不喜歡我們”，而“距離我們越遠，退行得越快”說明什么呢？這一條說明，它們之間也互相看著不順眼，也在彼此遠離。就像我們吹氣球時，氣球上的所有點都在互相遠離一樣，并且原本相隔越遠的，彼此之間的退行速度越快。

從哈勃的這個發(fā)現(xiàn)，可以得到一個令人驚人的結(jié)論，就是既然現(xiàn)在的星系都在彼此遠離，那么我們把時間倒推回去，推到 140 億年前，它們就是從同一個點跑出來的。這個結(jié)論，就是“大爆炸”。

為什么相信大爆炸理論？

“大爆炸”意味著宇宙有一個起點，這個可能會讓某些人備受鼓舞—— “我們早就說這個世界是被創(chuàng)造出來的吧！”不過，對于一件事，蒙對的和推導(dǎo)實證出來的，科學(xué)只認后者。

關(guān)于“大爆炸”也會產(chǎn)生一些涉及哲學(xué)的思辨，比如，“大爆炸之前發(fā)生了什么？”而時間作為宇宙——至少，作為眼前這個宇宙——的一個屬性，在宇宙出現(xiàn)之前不該存在，因此也談不上“之前”。

當(dāng)牛頓提出萬有引力理論的時候，就意識到，宇宙中的天體會因為引力而落到一起變成一個點，他的解決辦法是認為有無限個天體施加著朝外拽的力，這樣就可以避免——其實并不會，按照數(shù)學(xué)方法，無限個天體最終也會聚到一起的。

雖然“大爆炸”的理論部分是從愛因斯坦的廣義相對論推出來的，但愛因斯坦顯然比較喜歡靜態(tài)宇宙的信念，還在廣義相對論里加了個宇宙常數(shù)，微調(diào)了一下，來維持宇宙不脹不縮?！按蟊ā崩碚搫t揭示了一個演化中的宇宙，結(jié)束了靜態(tài)宇宙的概念。愛因斯坦后來說：“加這個宇宙常數(shù)可能是我犯過的最大錯誤?！?/p>

支持“大爆炸”理論的另外一個觀測結(jié)果，是宇宙微波背景?！按蟊ā蹦且豢?，那個極小的宇宙必然是密集白熱的，而到了今天，向遙遠的“宇宙邊緣”望去，我們應(yīng)該還能觀測到“爆炸”的余輝。而因為一個膨脹的宇宙，這個光的波長會拉伸得非常厲害，跑到微波波段，這個微波信號是無論朝宇宙的哪個方向看都是一樣的。1965 年，美國的彭齊亞斯和威爾遜無意中檢測到了這個白天晚上冬天夏天橫著看豎著看都是一樣強度的微波噪聲，并因此獲得了 1978 年的諾貝爾獎。

“大爆炸”理論還有許多其他觀測證據(jù)，最主要的有宇宙中原始輕元素（這個詞沒打錯，是“輕”不是“氫”）的豐度以及大尺度結(jié)構(gòu)和星系的形成演化。

如果是真的，那炸之前呢？

已知的物理定律都不能推導(dǎo)“大爆炸之前”（如果我們能說“之前”的話）宇宙的狀態(tài)：為什么就炸了？怎么炸的？宇宙是唯一的嗎？是有無數(shù)個宇宙大泡泡，我們只是其中之一嗎？我們是不是在一個巨大的黑洞里，卻以為這是宇宙？目前所有理論都還停留在假說階段。

然而對于比較有把握的部分，“大爆炸”理論有一些好玩的推論，比如，雖然“大爆炸”距我們只有 140 億年，卻因為宇宙膨脹，我們能感知的“宇宙邊緣”早已距離我們 460 億光年了。越來越多的星系會因為宇宙的不斷膨脹而紅移得越來越厲害，最終從視線中消失，變得不可觀測。

宇宙的未來會是什么樣子呢？宇宙學(xué)家曾經(jīng)認為宇宙的未來有兩種可能：第一種是它的平均密度高于某一臨界密度，使得它膨脹到最大體積后敗給自身的引力，造成坍縮式的“大擠壓”。第二種則認為它的膨脹會不斷減速，但永遠不會停止，最后宇宙在不斷膨脹的過程中不斷冷卻，漸漸趨于絕對零度，也就是“大凍結(jié)”。

現(xiàn)代觀測發(fā)現(xiàn)宇宙的加速膨脹之后，人們意識到可觀測的宇宙會漸漸退出我們的視野。有的理論認為，基本物質(zhì)可能會在持續(xù)膨脹中被撕裂，但這些就需要更多的觀測證據(jù)來驗證或否定了。

我們的文章是從“韋布”望遠鏡說起的，就再說說它吧?！绊f布”太空望遠鏡的任務(wù)是做宇宙早期發(fā)展史的考古工作，它的任務(wù)就是“往遠處看，往久遠之前看，那里有‘大爆炸后幾億年內(nèi)的嬰兒宇宙的景象”。所以“韋布”望遠鏡的波段通過周密的理論計算，被仔細調(diào)整到 0.6 到 28 微米。這種定量計算，可不是“宇宙沒膨脹！紅移是因為光線累到了！”這種拍腦袋的胡話。它的初期觀測數(shù)據(jù)，也完美地夯實了“大爆炸”理論的基礎(chǔ)，無數(shù)科學(xué)家為之興奮不已，并期待著它更多更新更全面的發(fā)現(xiàn)，為揭示宇宙演化史的工作提供更多依據(jù)。

◎ 來源|微信公眾號“科學(xué)辟謠”