始于烈焰——宇宙大爆炸理論誕生始末

張唯誠

對于人類而言，回答宇宙起源這個問題就仿佛是一個小矮人在和一頭巨獸進行著無謂的搏斗，又像是唐吉訶德在自不量力地進攻風車。然而，人類不懈的努力是有價值的，因為他們終于在接近真理……

沒有昨天的一天

我們一直都認為宇宙是靜態和永恒的。古希臘哲學家亞里士多德相信，宇宙已經存在了無限久遠的時間，它沒有開端，也不會有終點。事實上，在并不是太久以前，幾乎所有人也是這么想的。人們認為，時間和空間是絕對的，它們獨立于宇宙之外，時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——星系、恒星、行星和衛星都在這個絕對的時空中，在萬有引力的統治下按部就班地運行著。這是一個多么美好的田園詩般的宇宙啊！

倘若這時候有人跳出來說：“不不，宇宙不是這樣的，我們都錯了。宇宙有一個起點，它產生于一次大爆炸。”人們會怎樣呢？是驚訝或不屑，還是贊同呢？事實上，這就是大爆炸理論產生后人們表現出的各種反應。1948年，美籍俄裔物理學家、天文學家喬治·伽莫夫在《物理評論》上發表文章，指出宇宙是由溫度極高、密度極大、體積極小的物質迅速膨脹而成的，其過程猶如一次大爆炸。事實上，伽莫夫也并不是第一個提出這種觀點的人。早在1932年，比利時天文學家喬治·勒梅特就提出了類似的理論，他說宇宙起源于一個原子的放射性裂變。裂變使物質向四周散開，形成了今天的宇宙。但伽莫夫把廣義相對論引入宇宙學，提出了熱大爆炸宇宙學模型，使宇宙大爆炸理論得以豐富和完善。

依照現代科學理論，綜合此前的研究成果，大爆炸理論宣揚的宇宙誕生的偉大時刻可以作如下描述：

那是137.5億年前的某一天，科學家們將那一天稱為“沒有昨天的一天”，宇宙在一個類似爆炸的急速膨脹中誕生了。爆炸發生于一個科學家們稱為“奇點”的時空邊緣，“奇點”不是宇宙，卻是宇宙的出處，是一種無形的、無限小的存在。在爆炸發生之前，一切都不存在，包括時間和空間。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，光子通過反應變成了電子，進而又聚合成了中子和質子。之后13.8秒，宇宙溫度為30億攝氏度，中子和質子已能形成像氘、氚、氦那樣穩定的原子核，化學元素開始形成。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分多鐘的時間構建了它宏偉大廈的雛形。下一步，它將用氫和氦去創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，絕大多數自由電子在化學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，但隨著溫度的進一步下降，它們慢慢地凝聚成密度較高的氣體云，這些氣體云又進一步聚攏成各種恒星和星系，經歷了大約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

若不是有了人類對星系的具有劃時代意義的觀測和后來發生的許多事，誰又真會去相信這種比神話還要離奇的描述呢？然而事實上，對于此前牛頓萬有引力統治下的宇宙觀，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，沒有起點和終點。假若果真如此，那么宇宙就應該已經存在無限長的時間了。如果萬有引力是正確的，如此長的時間必然要導致一個結果，那就是星系在萬有引力的作用下慢慢靠攏，所有物質會聚在一起，宇宙在碰撞中灰飛煙滅。然而正如大家所看到的，這種事并沒有發生。

于是，一種更新的穩恒態宇宙模型應運而生，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常數，牛頓宇宙學中萬有引力帶來的麻煩似乎可以消除了。然而即便如此，穩恒態宇宙觀也要面對難以自圓其說的尷尬，因為光泄露了星系的秘密，向我們展示了星系運行的狀態。

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的不斷進步，人們逐漸發現，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方天體和我們之間的距離，還能告訴我們，它們的運動狀態和物質構成。例如，人們通過對遠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河外星系。另外，通過對光譜的分析，人們知道了太陽和遠方的恒星是同一類的物質，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。

光在本質上是一種電磁波。現在讓我們設想一下，當遠方的一個星系徑直朝著我們飛來，另一個星系卻離我們遠去，它們在我們的視線中會不會呈現出不同的情景呢？事實證明會的。盡管星系由于離我們太遠，它們的徑向運動很難察覺，但星系的光卻呈現出了相應的變化。朝我們飛來的星系，由于高速運動，它的光波會壓縮，從而變得短一些，使得光色偏藍，表現在光譜上，其譜線朝藍端移動了一段距離，稱為藍移；而離我們遠去的那個星系，則會在高速運動中把波長拉長，使得光色偏紅，表現在光譜上，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移量和紅移量就能知道星系的運動方向和速度了。

上世紀20年代，美國天文學家愛德文·哈勃用望遠鏡觀測了很多河外星系。他發現，絕大多數星系都發生了紅移。1929年，哈勃發表了一篇題為《河外星系距離與視向速度的關系》的文章，他的結論是，宇宙中的所有星系都正在離我們遠去！

大爆炸余輝未盡

為什么會這樣？因為宇宙在膨脹。大爆炸理論顯然給予了合理的解釋。哈勃還發現，離我們越遠的星系，背離我們向遠處運動的速度就越快。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”。有了這個定律，人們就能推算宇宙的年齡，因為如果宇宙在膨脹，那么它的過去就一定比現在年幼，時間離我們越久遠，宇宙一定就越年輕。而且，根據“哈勃定律”，我們還能算出星系回到某一點時需要多少時間，這樣一來，沿著時間回溯，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點，宇宙中所有的物質都要回到那里去，那就是大爆炸理論尋覓的“奇點”——宇宙的源頭，萬物的開端，一切的起點。今天，人們通過很多努力已經相對精確地推算出了宇宙收縮到那個點時所需要的時間——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果嗎？如果是，那必然會有輻射殘留下來，相當于大爆炸的“余輝”，而且應該充斥整個宇宙，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”，這就是當時人們預測的宇宙微波背景輻射。這種輻射存在嗎？1964年，美國貝爾實驗室的兩位天文學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜果然發現了這種輻射，他們在測試一架衛星天線時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。由于這個驚人的發現，彭齊亞斯和威爾遜雙雙榮獲了1978年諾貝爾物理學獎。

在此后的好多年里，為了確認宇宙微波背景輻射，科學家們進行了大規模的探測。1989年11月，美國發射了COBE衛星（宇宙背景探測者），全面探測了微波背景輻射在各個方向上的分布，繪制了一幅宇宙早期的輻射圖像，科學家們將它戲稱為“宇宙蛋”。衛星還測得微波背景輻射的溫度為2.7K，與理論上的預測大致相當。2001年，美國又發射了威爾金森各向異性探測衛星（WMAP），對微波背景輻射進行更精確的測定，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，73%的暗能量和4%的普通物質組成。2009年5月14日，歐洲空間局也發射了一顆名為“普朗克”的科學探測衛星，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。對于這個問題，英國天文學家、穩恒態宇宙觀的倡導者福雷德·霍伊爾首先提出了一套頗具建設性的理論。霍伊爾說，宇宙中的恒星是由氫聚集而成的，氫原子在恒星的中心發生核聚變后生成氦，氦繼續聚變成氮、氧、硫，如此持續，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的環境中產生，而碳、氧、鐵等重元素又在恒星死亡時被噴發出來，成為凝結新的恒星和行星的“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，對氦在宇宙物質總量中的比例也估計不準，與觀測結果嚴重不符。在這一點上，恰恰是大爆炸理論給出了答案。大爆炸理論認為，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候，就不單純是氫了，而是由氫和氦一起構成的。正因為這樣，我們在宇宙中測出的氦才如此豐富。大爆炸理論預計宇宙中氦的豐度為25%，氫的豐度為75%，這個數據與人們對宇宙的實際觀測結果是一致的。

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，如何解釋奇點呢？大爆炸理論認為，宇宙開始于一個非常小的點，這就是奇點。可是奇點之外是什么？大爆炸之前有什么？這又該作何解釋呢？這的確是個問題。可大爆炸理論認為，這是不應該成為問題的。按照愛因斯坦的相對論，時間和空間是合為一體的四維時空，所以奇點既是時間的起點，又是空間的起點。霍金對這個問題也作了解釋，指出在廣義相對論中時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和能量來確定，只有在宇宙中它們才能被定義，所以談論宇宙開端之前的時間有點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宇宙，它收縮到高密的狀態后產生了大爆炸，不過要證明這個就更加困難了。

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

事實上，對人類而言，回答宇宙起源這個問題原本就是一次對人類思維能力的極限挑戰，因為宇宙太遼闊、太久遠了，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小矮人在和一頭巨獸進行著無謂的搏斗，又像是唐吉訶德在自不量力地進攻風車。然而，人類不懈的努力是有價值的，因為他們終于在接近真理。