宇宙的起源：大爆炸理论

大多数重要科学理论的产生都伴随着一些科学伟人的名字，他们与这些理论牢牢地联系在一起。如果某人提到“地心引力”一词，那么艾萨克·牛顿爵士的名字便会立即浮现在人们的脑海中。提到“进化论”你会立即想到谁？当然是查尔斯·达尔文。那么“相对论”呢？答案自然是阿尔伯特·爱因斯坦。然而，当提到“大爆炸”一词的时候，人们却无法在瞬间想起与之相关的人名。在过去几十年里，大爆炸模式已为宇宙学家们所广为接受，并已作为宇宙起源的标准解释写入各类教科书及大众杂志之中。然而，这一概念与任何特定的科学伟人并无关联。以前，一些反对该理论的人士没把这一概念当回事儿，他们只是轻描淡写地稍带提及，所以根本就没有人真想以此居功自傲。的确，“大爆炸”一词的首创者正是这一理论最大的反对人士之一，即英国天文学家弗雷德·霍伊尔，他用这个词来讽刺该理论的整体概念。然而，不知出于何种原因，这一说法却广为流传下来。1993年，美国科学作家蒂莫西·费里斯、天文学家卡尔·萨加，以及电视记者修·道温斯在一次为该理论选出更佳名字的国际大赛上担当裁判。正如蒂莫西·费里斯在其1977年出版的《宇宙纪事》中指出的：“在41个国家提交的13099个词条中，我们没有找到令人更加满意的名字。”

这一概念源自比利时教士乔治斯·勒梅特尔，他曾对物理学产生过浓厚的兴趣。1927年， 33岁的乔治斯·勒梅特尔获得了麻省理工学院的博士学位。同年，勒梅特尔作出了这样的推论，根据爱因斯坦在其1915年广义相对论中所阐述的引力定律，整个宇宙一定会从各个方位以相同的速度不断膨胀。勒梅特尔进一步指出，宇宙产生自一种原始原子的爆炸，而这种原子包含着宇宙中的一切要素。爱德文·鲍威尔·哈勃随后发现，遥远的星系正向四面八方移动，离我们越来越远，而这些星系各自之间的距离也在扩大。这种移动的速度与其同银河系之间的距离成正比，这一发现进一步证实了勒梅特尔的理论。爱德文·鲍威尔·哈勃当时并没意识到勒梅特尔的观念，但是他在1929年对宇宙膨胀进行了记录，这无疑会让更多的天文学家思考某种原初爆炸的存在，这种爆炸很可能产生了促使宇宙膨胀的足够能量。

20世纪40年代，支持原初爆炸理论的物理学家们推论，在这样一次爆炸发生之后，所生成的等离子的温度一定会比现存任何恒星内部的温度都要高得多，但是这种高温会随着时间的推移而逐渐降低，最终仍会存留至少一点点温度。物理学家们指出，这一过程的残留物会产生一层厚厚的烟雾，一直存留至今。这一理论现今被称为宇宙微波背景，即指外太空中离我们越远的地方（或是时间上离我们越久远的年代），那里的烟雾就会越厚。这一理论当时在很大程度上受到了忽视，因为大多数天文学家及物理学家并不相信大爆炸理论，而且他们也没法对宇宙微波背景进行测量或是证实其存在。

然而，1965年，美国贝尔实验室的阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔森宣布，他们已经检测到了一种宇宙微波背景辐射的稳定的“嘶嘶”声，这是他们在为首颗通讯卫星特斯达号开发一个接收器时偶然发现的。这一发现改变了很多宇宙学家的思考方式。在1965年以前，大爆炸理论只是一个无法验证的理论，而现在由原初爆炸所产生的残留物却可以证实这个理论。

此时，虽然很多科学家开始改变立场，转而推崇大爆炸理论，但是支撑该理论的证明还远远不足。20世纪40年代至50年代之间，有人对可能存在的宇宙微波背景的性质进行了几次预测。根据研究结果推测，宇宙微波背景的温度应该在绝对零点之上3度左右——这点温度会在高温下降之后保持下来，使原初爆炸之后残存的物质得以重组。这点温度还应具有一定的等向性，根据蒂莫西·费里斯的解释，这就是说，“在宇宙的任何地方，任何一位观测者无论测量天空中哪块地方，其所测量到的背景温度都应是相同的”。此外，根据量子物理学的要求，宇宙微波背景似乎应显示出一种黑体光谱，它会发出一种最大值的热辐射，波长由其自身温度决定——这种光谱可以通过特殊的量子方程进行测量。

随着宇宙微波辐射的重要性逐渐显现，美国宇航局（NASA）根据形势所需发射了一种用于测量这一“宇宙背景”的微波卫星探测器。宇宙背景探测器不会因地球大气的影响而变形，而且会准确勘测到大爆炸之后50万年的情况。此时，宇宙的温度已下降到一定程度，足以使纯能源开始形成物质，并让光源得以释放。宇宙背景探测器发射于1989年，它不仅实现了宇宙学家们的愿望，而且还证实了宇宙微波背景的等向性，证实了其温度接近绝对零点之上3度。此外，勘探结果与预计中的黑体光谱方程相符，精确程度令人惊讶。

1992年，由宇宙背景探测器卫星编辑的一张全天空图证实了另一种推测：物质一旦开始从大爆炸后冷却的气体中形成，便会生出越来越多的物质，并最终导致充满恒星的星系产生。这一推测与另一种观念一致，即在宇宙形成初期，微观量子的波动会影响物质总体的均匀分布。用平常话来说，摆在我们面前的是一碗疙疙瘩瘩的酱汁——面放得有些不适量，肉块虽然不多，但是却有大有小，突兀不均。

早在1939年，美国物理学家汉斯·贝蒂就已指出，重元素（就其原子量来说）可能会在恒星内部产生。这些元素构成了各颗行星的质量以及我们的人体，而它们却只占整个宇宙总质量的2%，余下部分主要是75%的氢气、23%氦气，还有微量锂元素。为了解释恒星中氢气的含量以及氢气对氦气的比例，物理学家们推测，这些轻元素可能就是在大爆炸中形成的。仅在太阳中由氢气转化而成的氦气，便能够释放每秒400万吨的能量，而且如果氢气与氦气在大爆炸的时候还未达到平衡状态，这一过程所产生的能量还会多得多。人们相信，由恒星熔炉“提炼”出来的较重元素最终会被抛散到太空之中，在宇宙中播种可以产生固体物质的原材料。随后，那些最古老的恒星会保留较少量的重元素，因为它们可能一直在排放这些元素。人们认为，正是这一新发现使测量最终成为可能。经证实，这种被称为宇宙元素丰度的元素分布，与大爆炸理论是一致的。

此时，我们似乎有把握认定，大爆炸理论的准确性曾经得到过证实。无论何时，只要一项新的科学理论作出某些可检验的预测，而且这些预测能够为观测或实验所证实，那么科学家们都会在随后的每次证实中感到欢欣鼓舞。当这种证实积累到一定数量的时候，该理论就能够得到充分的验证。然而，虽然大多数宇宙学家都接受了大爆炸理论，但是众所周知，有些问题仍然存在。这些问题意义重大，足以对该理论本身提出质疑。一些问题时常突然出现，大爆炸理论几乎一直处于危机不断的状态之中。

弗雷德·霍伊尔带着嘲讽的讥笑首创了“大爆炸”一词，他一直是该理论的主要反对人士之一。1948年，霍伊尔与宇宙学家赫尔曼·邦迪及托马斯·戈尔德一起提出了所谓的“稳态”理论。根据这一理论，同天文观测的结果相比，宇宙似乎要古老得多，它始终存在着，并将一直存在下去。

亿万年以来，各大星系都会经历从形成、发展到消亡的过程，新的星系会不断地从逝去星系的残骸中生成，取而代之。虽然，新的星系不一定会在逝去星系曾经的位置上形成，但是宇宙的总质量始终会保持一定的平衡状态。从这方面来看，即使是我们所能观测到的最古老星系，放到大局中来看其实也是较为年轻的。很多宇宙学家不喜欢稳态理论，因为该理论表明，我们永远也无法将宇宙真相弄个水落石出，而大多数物理学家和天文学家们都认为这是可以实现的。霍伊尔的意见可能有些生硬，他的科学家同事们常常认为他有些傲慢自大，而这对于他的理论来说毫无帮助。另一方面，也许有人会问，认为我们能够将宇宙真相弄个水落石出，这种想法本身是不是傲慢的最大体现？当然，辩论各方似乎都能找到足够的特有说法。

同样，霍伊尔的理论也有其自身的问题。首先，该理论是宇宙常数论的一种改良版本，这是爱因斯坦在其广义相对论中介绍的一种数学经验系数，用以表明一个没有发生过变化的宇宙。1929年，埃德温·哈勃根据远方星系颜色转向光谱红色一端的研究（即所谓的“红移”），得出了这样的结论，随着宇宙的膨胀，各大星系正在迅速地彼此分离。爱因斯坦的宇宙常数论走向终结，即使爱因斯坦本人也称之为他所犯下的最严重错误。

大多数物理学家都对宇宙常数论感到厌恶，再加上1965年宇宙微波背景的发现，霍伊尔的稳态理论似乎即将被迫倒台。不过，霍伊尔可并没打算就此罢休。虽然他自己的理论可能存在着一些问题，但是他仍然坚持认为，大爆炸理论存在着更多的问题。其中一个难题就是，宇宙学家们了解得越多，一个事实就越清晰地摆在人们面前，即宇宙在形成初期并不是按照现行的物理法则运行的。至少在大爆炸之后的50万年里，在物质形成及光源释放（即所谓的“光子减震”，因为光源是由光子传播的）所需的足够低温产生之前，我们现行的宇宙法则并不存在。

这一矛盾迫使大爆炸理论家们不得不转向另一种观念，即原初的宇宙具有一定特殊性，是自成一体的。霍伊尔和他的追随者们（他当时还保留了一些追随者）对这一概念发起了攻击。的确，他们嘲笑道，你找到的证据让你的大爆炸理论陷入一团糟，而你却不去怀疑这个理论，反倒提出一个怪异的想法，把我们所知的一切全部推翻。

1990年，霍伊尔自己的理论开始取得了一些新的进展。他的一位追随者，德国马普研究所的美国宇宙学家霍尔顿·阿普指出，很多关于天体红向移动的观测与天体到地球之间的距离并不匹配。这是一个严重的问题。如果红移观测根本不能准确地指出宇宙膨胀的速度，那么大爆炸理论的要害就会被击中。或许，各大星系彼此分离的移动速度并没有那么快，毕竟它们自己也许并不需要大爆炸理论来启动。1991年，阿普进一步指出：“看来这个理论已经开始露出了马脚，因为我们注意到，为什么望远镜无法观测到这些重要的目标？为什么在讨论这些问题的时候总有人迫不及待地想要压制？”难道是证据受到了忽视？还是辩论受到了抵制？大爆炸理论家们对此作出了愤怒的回应。与此同时，约翰·波斯洛在其1992年《时间的主宰》一书中指出，其他几位物理学家指责大爆炸理论的拥护者们要么就是忽略了证据，要么就是在制造一种无法验证的假设。的确， 1986年，薛尔登·格拉肖（1979年诺贝尔物理奖获得者之一）和他在哈佛的同事保罗·金斯帕格一起提出，物理学总体而言正在演变成一种遥不可及的活动，这种情形所造成的后果可能是，“研究地点变成了神学院，研究人员都成了现代版的中世纪神学家”。

在有关大爆炸理论的新观念之中，最无法验证的一个就是宇宙膨胀论。这一概念是由阿兰·古斯在1981年提出来的，是指在远古时期，即人们一直以来所说的“瞬息万变”的日子里，宇宙膨胀的速度要比现在快得多，它从一个针头大小瞬间暴胀到了一个橘子或垒球那么大。

这听上去可能算不了什么，但是从数学角度上来说，这种变化简直令人难以置信：这一体积上的增长相当于10到50倍的力量，或是1后面加上150个0。在这种迅速膨胀过程之后，宇宙膨胀的速度开始放慢（相对来说），并一直以这种缓慢的速度运动着。换句话说，宇宙最初表现得就像是一个超人，而瞬间之后便决定甩掉这一特质，变得像《超人前传》中的克拉克·肯特一样，在宇宙历史余下的时光之中慢步前行。

对于普通读者来说，这听上去有些荒唐可笑，但是膨胀论的确吹散了悬在大爆炸理论之上的些许乌云，而且也广为人们所接受。此外，在得到解决的问题之中，还有一个宇宙平坦度的问题。根据人们普遍的理解，尽管从数学的角度来看，平坦度一词的使用似乎是合情合理的，但是用它来描述该理论中相关的物理学却不大合适。物理学家们决定，宇宙要么应是“开放的”，即它会沿一种无限弯曲的平面一直膨胀下去，要么就应是“封闭的”，即地心引力最终会导致宇宙返回自身状态，最后可能会变成那种引发大爆炸的原始原子。然而，遗憾的是，没有任何可观测到的迹象表明，宇宙的状态到底是开放的，还是封闭的。这两种可能性的几率似乎各占一半，而这种状况被描述为平坦度，因为太空的平均曲率等于零，表现为一条“平坦”的轨迹。

令情况更加复杂的是，宇宙的实际密度（产生引力的物质总量）与宇宙自身爆炸所需的密度，二者之比等于一，希腊字母Omega的比率就与此相同。从数学的角度来说，如果宇宙是开放的，那么它的比率应小于Omega，而如果宇宙是封闭的，那么它的比率就应大于Omega。因此，无论是等于零的曲度值，还是等于一的密度值，结论都能表明，宇宙是平坦的。阿兰·古斯的膨胀理论首次使这一结论显得合乎情理，更不用说人们常常将膨胀理论形容为一个针头胀成了橘子，其形状肯定是圆的。这里还要注意一点，一个气球越是膨胀，它的表面就会变得越平滑，而且这种膨胀就发生在一瞬间，因而会产生更大的平滑效果。

有趣的是，膨胀理论的反对者指责，对方竟然在宇宙大问题上也抱着“懒得管它”的态度。阿兰·古斯在研究这一概念期间，遇到了一个问题，造成了其著作延期两年出版的后果。根据该理论的推测，宇宙这种迅速的膨胀会产生大量分散的“气泡”，这些气泡的外壁仍然应是清晰可见的，但事实却不是这样。最终，古斯还是决定出版这一发现成果，以期引起其他宇宙学家的兴趣，从而使这一问题得到解决。当然，全世界的宇宙学家都对此产生了兴趣。俄罗斯物理学家安德烈·林德首先提出了一种解释，随后其他人也得出了这一答案。林德能够从数学角度证明，那些气泡（此后更名为“畴”）可能是独立产生的。此外，我们已知的宇宙可能只占这些“畴”的亿万分之一，而且气泡的外壁产生于十分久远的时期，我们是无法观察到其存在的。这一结论好似把一头莽撞的大象赶出了房间，并将其顺利地栓到了牲口棚里，让人眼不见心不烦。不过，这件事还是让薛尔登·格拉肖谈起了中世纪神学。

然而，同膨胀理论本身一样，这一泡畴理论为大多数宇宙学家欣然接受，包括大名鼎鼎的史蒂芬·霍金，他是人们所熟知的在世的最杰出物理学家。尽管泡畴理论是无法验证的，但是它解决了膨胀理论（同样无法验证）的问题。而且，膨胀理论不仅解释了宇宙平坦度的问题，还说明了大爆炸理论其他一些难点问题，包括物质在宇宙间的同类分布——膨胀瞬间发挥了某种调和宇宙的作用。对于某些批评家（如弗雷德·霍伊尔和霍尔顿·阿普）来说，无论数学有多么神奇，无论理论与理论吻合得多么巧妙，这一切都未免过于顺利了。然而，批评家毕竟只有屈指可数的那几位。尽管还有很多物理学家不太接受大爆炸及膨胀理论的某些内容，但是他们只愿对新观念发起小小的挑战，同时还要保持谨慎，尽量不去嘲笑整体概念。

目前，大爆炸理论仍然是关于我们宇宙起源的最佳解释，这里一定要突出“我们”二字。不要忘记其他那些泡畴，还有那些始终处于我们理解能力之外的泡壁。法国物理学家宣团在其1995年《神秘旋律》一书中写道：“我们的宇宙只是一个微小的气泡，迷失在另一个气泡的浩瀚空间之中。这个气泡就是元宇宙，或超级宇宙，十几万亿倍于当前宇宙的大小。而且，这一元宇宙自身也迷失于大量其他元宇宙之中，这些元宇宙都是在膨胀时期由极其微小的区域空间产生的，它们是彼此分离的。”这种想法很有气魄，极具吸引力，简直令人难以置信。

随着望远镜及计算机的作用与日俱增，我们已经能够用其观测或模拟宇宙中更广阔的空间。随着量子物理学实验对亚原子微粒的钻研不断深入，有一个现象似乎不可避免，即我们已获得的最新认识有时似乎是支持大爆炸理论的，而其他一些发现则为该理论带来了一些有待跨越的新障碍。2000年6月，《纽约时报》头版刊登了这样一则新闻，澳大利亚的一个机器人望远镜拍摄到了首张关于星系凝块的大图，这些星系可能会形成所谓的宇宙大陆。尽管经证实这些大陆已出现很多，但其大小并没有超出大爆炸理论关于这种结构的推测。报纸头版写到，“机器人望远镜证实宇宙起源的推测”。然而，《纽约时报》过去也曾刊登过很多质疑大爆炸理论其他推测的发现。

一些乐观主义者（包括史蒂芬·霍金）认为，我们很快就会了解宇宙的全部真相，而且距离找到那个“一统天下的宏伟理论”也将为期不远。然而，即使在大爆炸理论的捍卫者之中，仍然有很多人表示怀疑，我们只是刚刚了解宇宙的运行情况，而且可能永远也无法解开那些宇宙的基本谜团。

无论如何，就目前来说，大爆炸理论是唯一的标准理论，但是还不能将其称之为真理。