花了上千年探索宇宙“身世”，科學(xué)家才得出“一聲”BigBang~

導(dǎo)讀：現(xiàn)代的天文學(xué)認(rèn)為，我們所處的宇宙誕生于一次大爆炸，而在這場爆炸過去138億年后我們的宇宙還在不斷膨脹。天文學(xué)家究竟是如何確定宇宙源自于大爆炸的？又是怎樣發(fā)現(xiàn)了宇宙正在膨脹的呢？

在哈勃太空望遠鏡的這張照片中，捕捉到許多遙遠的星系，其中一些星系是在宇宙大爆炸后僅6億年后形成的。

我們知道，宇宙是全部時間、空間以及所有天體的總和，這些天體里也包括我們的地球。宇宙太大了，我們?nèi)祟惥褪亲≡谟钪嬷械囊环N小小的生物。

古人眼中的宇宙

關(guān)于宇宙，人類自古以來就有非常強烈的求知欲望。我們這個宇宙到底是什么樣子的呢？

在中國的東漢末年，有一位大學(xué)問家名叫張衡。他提出了一種看法，說“天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于天內(nèi)”。這意思就是說，天是圓的，地球就像一個雞蛋中的蛋黃，孤零零地處在天的中央。張衡的這一種看法后來被叫做“渾天說”，這是中國古人的一種簡單、樸素的宇宙觀。

在西方的古希臘，也有學(xué)者提出了對宇宙的看法。比如畢達哥拉斯，他生活在公元前6世紀(jì)，和孔子生活的時代差不多。畢達哥拉斯認(rèn)為，宇宙中一切天體，以及我們所居住的大地，都是球形的，而球形是最完美的形狀。

哈勃的發(fā)現(xiàn)：星系在遠離我們

到了現(xiàn)代，科學(xué)的邏輯思維和研究方法發(fā)展起來，對宇宙的認(rèn)識進入了科學(xué)的時代。對現(xiàn)代宇宙理論貢獻最大的一個人，就是美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃。

美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃

哈勃出生在美國的密蘇里州，這和作家馬克·吐溫是老鄉(xiāng)了。上中學(xué)時哈勃就是學(xué)業(yè)和體育方面的優(yōu)等生。哈勃8歲生日時，他的外公送給他一臺天文望遠鏡，哈勃就在家里的后院里看了一晚上的星星，從那時起他就對天文學(xué)很感興趣。

后來，他在芝加哥大學(xué)學(xué)習(xí)天文學(xué)和數(shù)學(xué)，還去英國留學(xué)學(xué)習(xí)法律?；氐矫绹螅_始了專業(yè)研究天文學(xué)的生涯。

1919年，哈勃來到在加利福尼亞州的威爾遜山天文臺。在這里，他開始研究銀河系之外的星系，也叫河外星系，主要研究這些星系的光譜紅移現(xiàn)象。

什么是光譜？

不知道你是不是見過天上的彩虹？其實那就是太陽光的光譜。當(dāng)一束白光通過一個玻璃三棱鏡，也能產(chǎn)生紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的七彩光譜。研究來自天體的光譜，是天文學(xué)家們一種非常重要的手段，因為通過研究天體光譜就能獲得這個天體的很多重要信息。

太陽光譜

在哈勃到威爾遜山天文臺工作以前，就有很多天文學(xué)家在研究恒星、河外星系等天體的光譜。其中有斯里弗等科學(xué)家。到1922年，經(jīng)過長時間仔細觀測，斯里弗他們就發(fā)現(xiàn)了，在41個星系中有36個的光譜發(fā)生了紅移。

我們知道七色光譜是紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，這個順序是固定的。光是電磁波，電磁波都有一定的波長，七色光中，紅光的波長最長，紫光的波長最短。如果天體光譜中的吸收線波長變長了，就是朝著紅光那一頭移動了，這叫做發(fā)生了紅移；反之，如果吸收線波長變短了，就是朝著紫光那一頭移動了，就是發(fā)生了紫移。

那么為什么來自天體的光會發(fā)生紅移呢？

科學(xué)家們早就知道，對于光波和聲波，都有一種特殊的性質(zhì)，就是當(dāng)光源或者聲源遠離觀察者運動時，光波和聲波的波長都會變得長一些，就是說要發(fā)生紅移；反之，光源或者聲源朝著觀察者運動時，光波和聲波的波長都會變得短一些，就是說要發(fā)生紫移。早在18世紀(jì)中葉，奧地利的科學(xué)家多普勒就研究了這種現(xiàn)象，后來這種現(xiàn)象就被叫做“多普勒效應(yīng)”。

其實在生活中就能觀察到多普勒效應(yīng)。當(dāng)一輛警車或者救護車?yán)懢言谀闵磉咃w馳而過時，你所聽到的聲音聲調(diào)高低是不一樣的，這就是多普勒效應(yīng)的結(jié)果。在日常生活中，只要你細心觀察，就能發(fā)現(xiàn)或體會很多特殊而有趣的事情。

斯里弗他們把發(fā)現(xiàn)的星系光譜紅移和多普勒效應(yīng)結(jié)合起來，認(rèn)識到這41個星系中的36個有光譜紅移的星系都在遠離我們運動，也就是說，離我們越來越遠。

在斯里弗他們工作的基礎(chǔ)上，哈勃和他的助手在愛威爾遜山天文臺使用大型天文望遠鏡，繼續(xù)仔細地觀察星系的光譜，他們發(fā)現(xiàn)幾乎所有遙遠的星系都有光譜紅移，而且距離越遠，紅移就越大。這個結(jié)果是前所未有的，也是十分驚人的。

到1929年，通過對已經(jīng)知道距離的20多個星系的分析，哈勃發(fā)現(xiàn)，星系光譜的紅移大小和它的距離，顯示一種很規(guī)則的正比關(guān)系，可以用一個簡單的數(shù)學(xué)公式表示出來，這個關(guān)系現(xiàn)在就叫做哈勃定律。

遙遠的星系都在遠離我們運動，這意味著什么呢？哈勃他們認(rèn)識到，原來我們的宇宙不是穩(wěn)定的、一成不變的，它可能在變得越來越大，星系彼此之間距離越來越遙遠。宇宙，就像一個正在被吹大的氣球一樣，宇宙在膨脹！

哈勃定律的發(fā)表，讓人類認(rèn)識了這個膨脹中的宇宙。哈勃定律被認(rèn)為是現(xiàn)代宇宙理論的基石，哈勃也因為發(fā)現(xiàn)哈勃定律等一系列重要的貢獻，被人們稱為“20世紀(jì)最偉大的天文學(xué)家”。

宇宙膨脹帶來新的問題

有了宇宙膨脹的理論以后，又出現(xiàn)了哪些新的問題呢？很多科學(xué)家很自然地會想到，這種膨脹的起點在哪里？如果把這個膨脹“回退”一下，看看又怎么樣呢？這種方法叫做“回溯”。

比如我們可以設(shè)想，假如讓時光倒流，現(xiàn)在這個膨脹中的宇宙在一定時間以前應(yīng)該比現(xiàn)在小一些，再回溯得更多一點，宇宙就會更小一些。就這樣回溯下去，終有一個時刻，宇宙會回退到一個小點了。這樣想，從邏輯推理來說當(dāng)然是允許的。

那么，進一步的問題就接踵而來了。假如最早的宇宙是一個小小的點，它為什么開始了無休無止的膨脹呢？

于是，很自然地，有科學(xué)家就想到了，在宇宙開始膨脹之前，那個小點宇宙是不是發(fā)生了一次爆炸呢，爆炸之后，宇宙開始膨脹了！

這樣的想法雖然看起來符合邏輯，但是也很離奇。

僅僅憑借這樣的回溯的思路，就能建立起一個關(guān)于宇宙大爆炸的理論嗎？當(dāng)然不是，科學(xué)研究遠不是這么容易、簡單和粗放。

宇宙大爆炸示意圖

大爆炸理論的誕生

有一位比利時的科學(xué)家，名字叫勒梅特。他大學(xué)畢業(yè)后曾經(jīng)到英國、美國的大學(xué)訪問學(xué)習(xí)，在美國時，他了解了哈勃等科學(xué)家關(guān)于河外星系光譜紅移方面的工作。勒梅特還有另一個身份是一名基督教會的神父。

1927年，他在愛因斯坦的廣義相對論方程的基礎(chǔ)上，得到了一個結(jié)果，說明了宇宙是在膨脹的。1931年，勒梅特又進一步指出，宇宙是由一個包含所有物質(zhì)的極小的點開始的，他把這個點叫做“原始原子”，后來“原始原子”發(fā)生爆炸，就形成了今天的宇宙。

而在比勒梅特稍微早一點的1924年，出生在俄國的數(shù)學(xué)家弗里德曼，也發(fā)表了一個從計算愛因斯坦廣義相對論方程得到的數(shù)學(xué)結(jié)果，這個結(jié)果和勒梅特結(jié)果一樣，也指出了宇宙在膨脹。

比利時科學(xué)家梅特勒

可是，在當(dāng)時，勒梅特他們的宇宙是從一個小點爆炸后開始膨脹的看法，可不是人人都能接受的。

比如英國的著名天文學(xué)家霍伊爾，他曾經(jīng)為弄清楚恒星（比如太陽）的能源是從哪里來的問題，做出了很大的貢獻，但是他是“穩(wěn)恒態(tài)”宇宙的支持者，他雖然不能否認(rèn)哈勃他們對星系光譜紅移的觀察結(jié)果，但他認(rèn)為這種“宇宙膨脹”也許只是在人類能觀測到的宇宙一個小小角落里發(fā)生的事情，宇宙那么大，在其他的地方里并不一定也是在“膨脹”。

有一次，在英國廣播公司BBC的一個科學(xué)節(jié)目中，霍伊爾就用諷刺的口氣說，這個大爆炸的想法我可真不能贊成。他用的是英語詞“BigBang”。從此“大爆炸”這個說法就流傳了起來，成了一個時髦新詞。很幽默的是，這個名字是霍伊爾給起的，他可是反對大爆炸理論的！

盡管有了哈勃他們對星系光譜紅移觀測結(jié)果的支持，還有勒梅特、弗里德曼各自用數(shù)學(xué)求解愛因斯坦廣義相對論方程結(jié)果的支持，大爆炸理論還是很難被人們所接受和理解，因為它太讓人感到匪夷所思。可是，后來發(fā)生的事情，讓更多的人傾向于接受大爆炸理論了。

宇宙大爆炸的余熱

1946年到1948年，出生于俄國的美國華盛頓大學(xué)教授伽莫夫，帶領(lǐng)他的學(xué)生阿爾弗和赫爾曼，在研究宇宙中的元素最早是怎樣形成的同時，提出了宇宙“熱大爆炸”理論，認(rèn)為最初的宇宙溫度非常高，只有原子核和電子，隨著溫度逐漸降低，才逐漸形成了幾種元素的原子。

他們還得到了一個計算結(jié)果，在現(xiàn)在的宇宙中應(yīng)該還殘留著當(dāng)初熱大爆炸留下的余熱，只不過溫度已經(jīng)非常低了，應(yīng)該在絕對溫度5度左右。

什么是絕對溫度

我們平時聽天氣預(yù)報說氣溫多少度，其實是叫攝氏溫度。攝氏溫度的0度是以正常情況下，水和冰混合物的溫度作為標(biāo)準(zhǔn)來定義的。但在絕對溫度里，0度相當(dāng)于零下273.15攝氏度，也叫絕對零度，這是一個非常低的溫度，低到讓任何物質(zhì)的分子和原子都停止運動。

伽莫夫他們計算到宇宙大爆炸余熱溫度為絕對溫度5度，也就是比絕對零度高5度的溫度，其實大約就是零下268攝氏度。然而他們這個預(yù)言，在很長時間里并沒有引起科學(xué)家們的重視。

過了大約20年，又發(fā)生了一個戲劇性的故事。1964年，有兩位受雇于美國貝爾電話實驗室的科學(xué)家，彭齊亞斯和威爾遜，正在研究來自天空的噪聲信號對通訊的干擾問題，他們使用的是一種最新設(shè)計的大型號角形天線。

貝爾實驗室的大型號角形天線

一天，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的干擾信號，不管采取什么樣的防干擾措施，這個信號都依然存在。他們起初考慮是天線自身出了什么問題，于是仔細檢查了天線，甚至把天線上的鴿子糞都清除干凈了，但是這個信號依舊存在。

而且，無論把天線對準(zhǔn)天空的哪個方向，這個信號都會出現(xiàn)，這說明它不是來自地球或鄰近地球的某個地點，而是來自非常遙遠的太空。

普朗克望遠鏡觀測到的宇宙微波背景輻射

后來，彭齊亞斯和威爾遜就把這件事公之于眾了。當(dāng)研究宇宙的科學(xué)家們知道了這件事以后，大家忽然恍然大悟：原來這個所謂干擾信號，就是20多年前伽莫夫和他的學(xué)生預(yù)言的宇宙大爆炸后的余熱！經(jīng)過仔細測量，彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的信號溫度是絕對溫度2.7度。

彭齊亞斯和威爾遜得到的結(jié)果只比伽莫夫他們預(yù)言的低一點點。這個信號充滿了整個宇宙中，現(xiàn)在叫做“宇宙微波背景輻射”。

這一發(fā)現(xiàn)后來被稱為20世紀(jì)60年代天文學(xué)“四大發(fā)現(xiàn)”之一，彭齊亞斯和威爾遜也因此榮獲了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎，成為享譽世界的科學(xué)家。

在科學(xué)上，一種理論，如果它能正確地預(yù)言或者預(yù)測某一種大家都還不知道的事情，它就更容易被人們接受，并且承認(rèn)是科學(xué)的理論。

宇宙大爆炸理論正是這樣，它不僅有遙遠星系光譜紅移觀測事實和愛因斯坦廣義相對論方程數(shù)學(xué)結(jié)果的支持，還預(yù)言了宇宙微波背景的存在。所以，從那以后，越來越多的人相信，宇宙真的是開始于一次大爆炸！而后來更精密的觀測，也讓宇宙大爆炸理論更加站穩(wěn)了腳跟。