4.宇宙真的起源于大爆炸嗎？

在亞利桑那州的弗拉格斯塔夫（又稱旗桿市）有一座著名的天文臺，它是由一位名為珀西瓦爾·洛厄爾的富商于1894年出資建成的。洛厄爾一開始打算用望遠鏡來尋找火星人，這在19世紀下半葉可不是什么稀奇事。那時科學家曾公開討論過火星上有生命居住的可能性，天文學家自然也熱切地在這顆紅色行星上尋找生命存在的跡象。1877年，意大利天文學家喬瓦尼·斯基亞帕雷利聲稱，他在火星表面看到了一些直線狀圖案，或者是一些“溝渠”，引發了諸多有關“火星運河”的猜測。對于當時“火星熱”的情形，我們可以在赫伯特·喬治·威爾斯的科幻小說《星際戰爭》（又譯《世界大戰》）的精彩敘述中窺見一斑。受到“火星工程師”的影響，洛厄爾開始用望遠鏡觀測火星，并繪制了一幅詳盡的火星運河地圖，不過這些運河系統后來被證明完全是幻想。

在洛厄爾進行著堂吉訶德式探索的同時，他的天文臺在進行傳統的天文學研究。到19世紀末，望遠鏡已經發展到可用于觀測銀河系之外的地方。當時天文學界面臨的主要問題和宇宙的大尺度結構有關，尤其是：那些在天空中呈現為一縷縷光帶的星云到底是什么？它們是位于銀河系內的巨型氣體云嗎？或者它們本身就是完整的星系，只因為距離太遠而導致我們無法分辨其中的單顆恒星？

1909年，洛厄爾天文臺的一位名為維斯托·斯里弗的天文學家，開始研究這些星云發出的光具有什么性質。他的工具只有一臺比較普通的24英寸望遠鏡，所以這注定是一項緩慢、艱苦和乏味的工作?，F在天文學家使用的精良電子設備當時尚未發明出來，所有的觀測都必須依靠人的雙眼和雙手來完成。為了讓設備發揮出最佳性能，往往還需要靈機一動的即興發揮。斯里弗用一種叫作光譜儀的裝置對星云發出的微弱的光進行了分析，這種裝置能夠將組合光分解成單色光。無論天寒地凍還是酷熱難當，斯里弗都堅持不懈、夜以繼日地在膠片上記錄著他的觀測結果。在那個年代，天文學家可不是什么好差事。然而，世界上總有那么一群人愿意前往那些無人問津的角落，嘔心瀝血地探尋寶藏，在洛厄爾天文臺里上演的就是這樣的故事。到1912年，斯里弗終于收集到足夠多的數據，得出了一個結論：大多數星云的顏色都比銀河系紅。這是為什么呢？一種顯而易見的解釋是，當光源以極快的速度后退時，它發出的光波被拉長，并朝著光譜上紅色的一端移動。斯里弗據此推斷，大多數星云正在急速地遠離我們。

回望過去，我們可以將1912年視作現代宇宙學誕生的年份。但當時既沒有大張旗鼓的宣傳，也沒有盛大的新聞發布會，只有一篇湮沒在天文臺簡報中的謹慎的學術論文。又經過多年的艱苦觀測，斯里弗的工作才引起他人的注意。這個人就是埃德溫·哈勃，一名出身律師的天文學家，手上的煙斗幾乎片刻不離身。1924年，哈勃利用位于加利福尼亞州威爾遜山的100英寸望遠鏡，通過觀測單顆恒星來測量仙女座大星云與地球之間的距離，證明了它實際上是類似于銀河系的完整星系。緊接著，哈勃又估算了另外23個星系的距離。之后，他把這些觀測結果與斯里弗對紅移的測量結果結合起來，捕捉到有關星系的一些系統性特征：星系距離我們越遠，它發出的光就越紅，退行的速度也越快，其中似乎存在著正相關關系。對這些特征最簡單的解釋是，宇宙在上百億年的時間尺度上逐漸膨脹，變得越來越大。哈勃于1924年11月23日在《紐約時報》上向世人發布了他的研究成果。毫無疑問，這是20世紀最重要的發現之一。很快，這位叼著煙斗的天文學家就博得滿堂彩，而維斯托·斯里弗則成為膨脹宇宙模型發展歷程中的無名英雄。

當人們意識到宇宙不只是由一大堆發光天體組成的，而是一個隨時間演化的動態系統時，一系列有關其發展歷程的問題便接踵而來。這個系統從何而來，又將走向何方？宇宙膨脹速率是由什么決定的，會隨時間變化嗎？宇宙發端于何時，會永遠存在下去嗎？

有關宇宙膨脹模型的兩條推論很快便浮出水面。第一，如果現在的宇宙正在逐漸變大，那么它以前一定比現在小，而密度比現在大。第二，引力作為一種無處不在的吸引力，應當會在宇宙膨脹的過程中起到制動作用，星系之間的牽引也會降低它們的退行速度，所以宇宙過去的膨脹速率一定比現在快。哈勃的觀測范圍不夠廣，精確度也不夠高，以至于無法判斷數百萬年間宇宙膨脹速率是否發生過變化。然而，從理論上講，引力的制動效應很容易研究。早在1921年，俄羅斯天文學家亞歷山大·弗里德曼就精確地計算出宇宙膨脹速率減慢的規律，但他的研究基本上被忽視了。天文學家似乎對這個科學史上影響最深遠的發現之一漠不關心，由于這些早期的研究結果具有明顯的不確定性，沒有任何一位頂尖科學家愿意冒險嘗試闡述這一概念。最終，一位比利時的年輕牧師、理論物理學家阿貝·喬治·勒梅特于1927年明確提出，我們現在的可觀測宇宙一定是從百億年前的“宇宙蛋”演化來的，這種狀態的宇宙密度極高，其膨脹極具爆發力。這就是現代“大爆炸”理論的前身。

哈勃戰爭

宇宙膨脹速率可以用一個數字來表示，即廣為人知的哈勃常數（記作H）。哈勃將H的值設定為500（在天文學家常用的獨特單位系統中，這個數值意味著距離我們約326萬光年的星系正在以每秒500千米的速度退行）。有了給定的H值，再把引力對抗膨脹的效應考慮進來，我們就可以計算出宇宙的年齡。哈勃最初給定的H值表明宇宙的年齡只有20億年左右——還不到地球年齡的一半！于是，天文學家改進了計算方式，重新估算H值，將宇宙的年齡不斷往前追溯。但是，這些天文學家分成了兩個敵對的派別：其中一派宣稱H值為180，另一派則宣稱H值是55。他們運用的計算方法一樣，而且雙方都堅稱自己的測量誤差很小。直到20世紀80年代，來自哈勃空間望遠鏡的觀測數據才平息了雙方的對抗。最終測定的H值是73（很好地平衡了兩派的結論），我們可以據此估算出宇宙的年齡大約是138億年。但是，最近又出現了一個與之不同的新結果。利用宇宙微波背景（CMB）的數據計算出的H值只有67，這意味著宇宙的年齡超過140億年。這是否表明我們對宇宙學的基本理解存在嚴重的錯誤？時間終將告訴我們答案。

你也許會以為，意義如此深遠的發現在當時的科學界一定引起了不小的轟動，更不用說在神學界了。但事實上，大家對此仍然保持沉默。哈勃對勒梅特的結論持懷疑態度，當時世界上最權威的引力理論和宇宙學理論專家阿爾伯特·愛因斯坦也不屑一顧?！澳愕挠嬎闶钦_的，”他對勒梅特說，“但你對物理學的了解真是糟透透頂”。弗里德曼早期的理論成果同樣被愛因斯坦擱置一旁，直到1931年愛因斯坦去加利福尼亞州拜訪哈勃，他才終于承認宇宙正在膨脹。此后，他的態度發生了徹底的改變，轉而支持勒梅特的研究成果。不過，在20世紀30年代，有關宇宙起源的推測從未被認真對待過，那時宇宙學甚至不是一門公認的學科。

令人欣慰的是，弗里德曼和勒梅特的理論研究并未被遺忘，盡管從蘇聯移居美國的喬治·伽莫夫重新撿起這些理論已經是20年后的事情了。伽莫夫不是天文學家，而是一名核物理學家，被稱為α衰變的放射性過程就是由他闡釋清楚的。伽莫夫推斷，高度壓縮的年輕宇宙溫度一定非常高，甚至足以發生核反應，因此它應該會像火爐一樣發光。這帶來了一種奇妙的可能性：原始宇宙留下的余溫是否至今仍在宇宙中彌漫，從而形成了宇宙微波背景？

大爆炸真的發生過嗎？

并不是所有天文學家都能接受宇宙膨脹和大爆炸起源之間的聯系。諷刺的是，“大爆炸”這個廣為人知的名稱最初是由對這種想法不屑一顧的英國天文學家弗雷德·霍伊爾于1949年創造的。霍伊爾認為勒梅特的大爆炸宇宙論是無稽之談，他對哈勃的觀測結果做出了一種完全不同的解釋，并稱之為“穩恒態”理論。其基本思想是，隨著宇宙的膨脹和星系的分離，新的物質不斷產生，逐漸聚集成新的星系來填補不斷擴大的空隙。其結果是，在相當大的尺度上，宇宙看起來將一成不變——由不斷補充能量的過程維持的新舊星系的混合體。換句話說，宇宙既沒有開端，也不會終結，更沒有炙熱、稠密的原始形態。

霍伊爾極力捍衛自己的理論，并聚集了一幫忠實的支持者。穩恒態理論和大爆炸宇宙論之間的激烈斗爭持續了大約20年，直到宇宙微波背景的發現給了穩恒態理論致命一擊。穩恒態理論無法合理地解釋宇宙微波背景的存在，它的支持者迅速減少。

就在這一關鍵時刻，我恰好前往劍橋大學工作，并有幸與霍伊爾共事。這位天文學家以他的科學研究聞名于世，他的科幻小說也備受追捧。他似乎是把大爆炸當作宇宙演化過程中的一個小插曲，而不是宇宙誕生的確切起點；他如同性格古怪的苦行僧，孤獨地尋找能夠拯救穩恒態理論的方法。他摒棄了物質粒子在遍布整個空間的“夸克-膠子湯”中不斷產生的想法，轉而支持存在某種集中的“粒子生產中心”的觀點。20世紀60年代，有人發現了被稱為類星體的致密天體，這種天體會釋放出大量的高能物質。霍伊爾認為，這些能量源就像水龍頭一樣，不斷地向宇宙中注入新的物質。最終，霍伊爾本人也放棄了穩恒態理論中的一些基本概念，并于1972年辭去了在劍橋大學的職務，隱居在坎布里亞郡的一個偏僻的山林小屋中。他整日在那里奔走，喋喋不休地抨擊著各大科研機構。

事實證明，伽莫夫的研究方向是正確的。1964年，兩名在新澤西州貝爾實驗室從事衛星通信工作的科學家，偶然間發現了彌漫于整個宇宙的余溫——比絕對零度高出約2.7開氏度。一開始這種揮之不去的嘶嘶聲總是出現在接收器（參見圖4）中，讓他們不勝其擾。為此，他們排除了設備上每種可能的缺陷，甚至清理了天線上的鴿子糞便，但都收效甚微。所以，剩下的唯一解釋是，這種嘶嘶聲來自宇宙，它是大爆炸曾經發生過的確鑿證據。

一夕之間，宇宙學躋身科學界的主流學科，并吸引了物理學和數學領域中最聰明的頭腦，比如羅杰·彭羅斯和斯蒂芬·霍金。大爆炸宇宙論探討的宇宙起源問題終于得到了科學家的重視，成為各方論辯的焦點。天文學家開始呼吁對宇宙微波背景進行更細致的觀測，他們認為宇宙微波背景包含了有關早期宇宙的關鍵線索。由于地球大氣會吸收微波，若想更清楚地觀測宇宙微波背景，就需要發射人造衛星。1989年，美國國家航空航天局（NASA）發射了宇宙背景探測器，宇宙學黃金時代的帷幕就此拉開。