宇宙大爆炸論的大爆炸

戴銘鈺

大爆炸留下的最后一點能量

宇宙既包含著古往今來的時間，也包含著上下左右的空間，而我們就生活在這個宇宙之中。自啟蒙之后，人類就一直在疑惑：這個宇宙究竟是什么樣子的？它是從哪里來的？這些困擾了人類幾千年的問題，直到20世紀初才開始有了一點兒模模糊糊的答案，那就是——宇宙是從大爆炸中來的。在138億年前的某一個時刻，一個小小的不經意的點，突然發生了大爆炸，大爆炸里產生出了空間，也產生出了時間，而我們現實生活中的一切，都是從那個大爆炸中產生出來的。

宇宙大爆炸理論最早出現在愛因斯坦的相對論中，且按照相對論的觀點，宇宙還在不斷地膨脹。其后，很多科學家參與了這場討論。1927年，比利時的神父、宇宙學家喬治·愛德華·勒梅特提出，宇宙的膨脹可追溯到一個極其致密的狀態，他稱其為遠古的“超級原子”，這就是大爆炸理論。

“宇宙大爆炸實在是荒謬之極！”這是所有人初次聽到這個說法時的反應。但是，現在的一些觀測數據已經證明，宇宙大爆炸是真實存在的。

宇宙發生大爆炸之后，因為沒有化學元素，因而沒有任何物質的存在。一切都是剛剛開始的狀態，到處充斥著粒子，就像一鍋熱粥那樣。40萬年之后，這鍋熱粥變得冷卻，電子和質子結合在一起形成了原子，其中以氫原子和氦原子為主，它們都是透明的氣體。此外，宇宙中還存在著光子，光子可以沖過冷卻的“濃湯”，在浩瀚的宇宙中穿行。

不過，不要以為這縷光芒能夠被看到。由于宇宙還處在大爆炸的過程中，空間也還在飛速地向外擴張，所以，光子在傳播的過程中波長變短了，從而超出了光學波段的范疇，變成了我們看不到的微波。雖然望遠鏡看不到光，但是探測器可以接收到這些微波，這些微波就是宇宙大爆炸殘留下來的痕跡。寒冷宇宙的溫度該是0℃，但這些微波的能量卻是3K，也就是3℃左右，且不管朝哪個方向探測，宇宙空間的大致溫度都是3K，因此它們被稱為“3K宇宙微波背景輻射”。

3K宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸論的證據之一，經過天文學家長期的一系列觀測，他們從許多方面都為宇宙大爆炸理論找到了各式各樣的證據。

大爆炸理論的四大支柱

幾乎就在大爆炸論出現的同一時刻，美國天文學家哈勃等人發現，所有星云都在互相遠離。其中離我們越遠的星系，離去的速度越快，它們發出的光譜的波長也會發生改變，光譜會向著紅段移動，這就是紅移——星系越遠，紅移也就越嚴重。這些飛奔而去的星系表明，宇宙確實是在大爆炸中產生的，這就是哈勃定律。哈勃定律是支撐起宇宙大爆炸理論最簡單也是最堅強的支柱。

第二次世界大戰推動了原子彈的產生和發展，而對原子彈的研究既讓人們了解了化學元素的演化，也給地球上林林總總的化學原子找到了一個共同的起源。于是，微小的原子開始與宏大的宇宙聯系在了一起，建立起宇宙大爆炸理論的另一大支柱。

按照目前觀察到的情況推測，宇宙的初期只含有氫元素與氦元素，它們都是氣體，然后產生出恒星，恒星就是一個高溫冶煉爐，較為復雜的元素就是在恒星燃燒的過程中產生出來的。那些林林總總的恒星天體，比如紅矮星、藍巨星、紅巨星等等，都處于熱核反應之中，并在最后經過超新星爆發，拋灑出巨量的化學元素，四處蔓延，有的就進入了地球，所以地球上的元素是從宇宙中來的。測量各種元素的大概產量（也就是元素的豐度），也證明了宇宙曾發生過大爆炸，因此，化學元素豐度成為了宇宙大爆炸的又一個有力證明。

不僅是恒星的演化，星系的演化也證明，宇宙確實發生過大爆炸。天文學家發現，在遙遠宇宙邊緣的星系一般很年輕，剛剛誕生不久，而與我們比較近的星系，年齡則較大。不僅如此，星系在大尺度上的分布是均勻的，也符合宇宙大爆炸理論。由此，星系的演化和分布成為了宇宙大爆炸論的另一個理論支柱。

上文提及的“3K宇宙微波背景輻射”則是大爆炸理論的第四大支柱，也是最有力的支柱。這是20世紀60年代，2位無線電工程師在無意中發現的，他們發現天空中存在著微波輻射，且在任何方向都存在，這是天空背景的輻射。其實，這是138億年前宇宙大爆炸留下的余暉，也就是所謂的“3K宇宙微波背景輻射”。

宇宙從哪里來的？首先，這是高深的哲學;其次，這是高深的科學。天文學家需要解決這個問題，于是提出了宇宙大爆炸理論，這個理論總是讓局外人覺得好奇和好笑。但是，經過了50多年的風風雨雨，天文學家的很多發現組合在一起，讓宇宙大爆炸理論有了4個堅強的支柱，它不再是猜測，而成為真正的科學。

諾貝爾物理學獎與大爆炸

科學是什么？科學是人們探索的過程，它分為兩個部分：一部分是理論，另一部分是實踐。諾貝爾獎也頒發給兩類人：一部分頒發給提出理論的人，另一部分則獎勵證明理論的人。但作為宇宙大爆炸理論最早的奠基人，愛因斯坦卻沒有因此得獎。

當諾貝爾物理學獎一個個地頒發出來之時，許多人都提議給愛因斯坦頒獎，但諾貝爾獎組委會保持著冷靜的心態，他們認為宇宙大爆炸理論有點不可思議。然而，隨著天文學的發展，越來越多的觀測證據出現，他們也開始動搖了，把這最著名的科學獎項頒發給了對宇宙大爆炸理論作出貢獻的卓越人士。迄今已經有多個諾貝爾物理學獎跟宇宙大爆炸理論有關。

比如，1964年，“3K宇宙微波背景輻射”被阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發現，在經歷了十幾年的技術考驗之后，2位發現者在1978年獲得了諾貝爾物理學獎。

在宇宙微波背景輻射發現之后，還需要有人作進一步的理論解釋。1977年，美國科學家喬治·斯穆特發表了題為《宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性》的論文，并因此與約翰·馬瑟分享了2006年諾貝爾物理學獎。

又如，在觀測遙遠的超新星時，可以發現具有相同爆炸能量的超新星，由于距離地球的遠近不同，亮度也不一樣。這導致了進一步的結論產生——宇宙還在加速膨脹中。這項成果的取得者亞當·里斯也在2011年獲得了諾貝爾物理學獎。

再如，恒星的演化不僅證明了宇宙大爆炸理論，還誕生了引力波這個概念。2017年，對探測引力波作出貢獻的3位科學家也因此獲得了諾貝爾獎。2019年，又一個諾貝爾物理獎頒發給了研究宇宙大爆炸的科學家吉姆·皮布爾斯，他幫助建立了現代宇宙演化的標準模型，其工作涉及到大爆炸理論的各個方面，豐富了宇宙大爆炸的理論。

當影響巨大的諾貝爾獎頒發的時候，會把全世界的目光吸引過來，這也進一步推動了宇宙大爆炸理論走向普通民眾，讓人們逐漸理解了大爆炸是怎么回事，讓這個大膽的猜想走向科學。

回望宇宙大爆炸理論剛誕生的時候，證據少得可憐，但是隨著探天利器的發展，僅僅經過了50多年，它就已經成為了一個廣受認可的理論，甚至可以說成為了真理。今后，還會有更多關于大爆炸方面的觀測者或者理論科學家獲獎，比如原初引力波，第一代恒星發出的光芒等都是可能獲得諾貝爾獎的科學項目，它們會像宇宙大爆炸那樣，讓宇宙大爆炸理論迅速傳播，廣為人知。