大爆炸宇宙學的證據

我們必須從這些形而上學的反思中回到枯燥卻重要的證據問題上來。為什么現代天文學家接受這樣一種乍一看稀奇古怪的創世故事呢？為什么我們要認真看待這個故事呢？概而言之，其答案正是，盡管現代宇宙創造的故事頗為離奇，但是卻有大量堅實的事實根據。

哈勃和紅移

第一個至關重要的證據來自對宇宙大小和形態的研究。想為宇宙繪制一幅地圖就先要測定恒星之間的距離，其方法為先確定一些恒星，觀察它們彼此之間是如何移動的?，F代人對于科學繪制宇宙地圖的嘗試可以追溯到19世紀末。

要測量恒星的距離是極其困難的。較近的恒星可以用初等三角學以及精確測量恒星的視差來估算距離。對于居住在地球上的天文學家而言，能夠得到的最大基線就是地球圍繞太陽公轉的軌道，所以天文學家以6個月為周期，觀測有運動跡象的恒星。然而，即使是這種測量方法，所需的精確度也超出了19世紀之前的天文學家的能力（參見圖1.1）。

對于更為遙遠的恒星，我們不得不依靠更不精確的方法。20世紀第一個10年，美國天文學家亨麗埃塔·萊維特（Henrietta Leavitt）研究了變星——那是一種在有規則的周期中改變亮度的恒星。她發現有一種特殊的變星，即所謂的造父變星，其周期與恒星的大小和亮度相關。使造父變星忽明忽暗的原因正是它們的膨脹和收縮。萊維特指出，較大的（因此也較明亮的）造父變星膨脹和收縮的速度比較緩慢。因此，通過測量其周期的長度，天文學家能夠估算出每一個造父變星的體積和真正的（或者說“固有的”）亮度。那么通過測量觀察者所看到的亮度，能夠估算出有多少光線在來我們地球的旅途中丟失了，由此可以知道該恒星離我們到底有多遠。

20世紀20年代，另一位美國天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）利用洛杉磯郊外威爾遜山天文臺的望遠鏡觀測造父變星，試圖為廣闊的宇宙空間繪制地圖。他起先發現，許多造父變星顯然存在于我們所在的銀河系之外。這意味著宇宙并不是由一個而是由許多個銀河系組成的，因此證明了德國哲學家伊曼努爾·康德在近兩個世紀之前提出的觀點。（具體而言，康德曾相當正確地指出，天文學家稱之為星云的物體是由星系構成的，而且大多數星系都距離我們很遠。）哈勃于1924年公布了這一觀點，它標志著現代天文學上的一場革命。在幾年之內，哈勃的研究工作使他有了更具革命性和更深刻的觀點。20世紀20年代末，他發現大多數遙遠的星系正在離我們而去。離我們越遠，它們的移動速度越快。現在我們可以知道，我們所能觀察到的最遠的河外星系逃離我們的速度超過了光速的90%。哈勃是如何知道這點的？這一奇特的觀測又意味著什么呢？

很奇怪，測量遙遠的物體是否向我們移動或遠離我們，反而比確定它們與地球之間的準確距離要容易一些。相關技術頗為簡單，不難掌握。假如讓來自遙遠恒星的光線通過光譜儀，我們就能對光譜的不同部分加以分析。這就如同觀察通過三棱鏡的陽光一樣。陽光通過三棱鏡時，不同的頻率有不同的折射角度，因而穿過三棱鏡之后，它們就會呈現出彩虹般不同顏色的光帶。每一條光帶，或者說每一種顏色，都代表著一定能量或頻率的光線，而且光線一旦通過這種途徑分離之后，對每個能量層級都可以分別進行研究。在包括我們太陽在內的恒星光譜中，在某些特定頻率的光線中都會出現狹窄的暗線。實驗室研究表明，這些暗線之所以產生，是因為在前往地球的旅途中，光線所穿越的物質吸收了其特定頻率的能量，使得這些特定的頻率到達我們這里的時候已被減弱了。這些暗線被稱為吸收線。每種吸收線都與一種特殊的元素相應，正是這種元素吸收了特定頻率的光的能量。顯然，這意味著通過研究星光中的吸收線，我們就可以知道恒星內存在什么元素，總量為多少。實際上，如今我們關于恒星如何運作（參見第2章）的知識主要就是建立在這樣的研究之上的。

更為值得注意的是，恒星光譜能夠告訴我們這顆恒星以什么樣的速度向我們靠近或是遠離我們而去。這個原理就是多普勒效應——當一輛救護車從我們身邊駛過，警笛聲會逐漸變弱。如果一個移動的物體（例如一輛救護車）以波為形式釋放能量（例如聲波），那么該物體朝向我們移動的時候，這些波似乎被壓縮，而背向我們移動的時候，那么這些波就會拉長。在海灘上，如果走入海浪，與站立不動相比，浪花會更頻繁地拍打你的雙腿。但是你朝岸上走，浪花拍打你雙腿的頻率會小一些。同樣的原理也適用于光譜。在恒星發出的光中，吸收線與你在實驗室所期望的位置似乎有些偏移。例如，代表氫元素的吸收線可能偏向較高的頻率移動，使它的光波似乎被壓縮了（或者說接近光譜藍色的一端）?；蛘呖赡芟蜉^低的頻率移動（接近光譜紅色的一端），這樣光波似乎就被拉長了。哈勃發現了這兩種移動的情況，但當他從事關于最遙遠物體的研究工作時，他發現所有的移動都趨向光譜紅色的那一端。換句話說，光波似乎被拉長了，仿佛物體正在遠離我們而去。物體離我們越遠，那么紅移的程度就越大。

哈勃的這一發現意義非常重大，但是容易理解。盡管在我們自己的銀河系和相鄰的河外星系中的恒星由于引力的作用聚集在了一起，但一個河外星系離地球越遠，那么它遠離地球的速度就越快。我們沒有理由認為我們居住在宇宙中異乎尋常的位置。實際上，現代河外星系分布圖表明，從大范圍看，宇宙是非常同質的。因此我們不得不假設，宇宙任何一個地方的觀察者也能觀察到宇宙的其余部分也在遠離他們而去。這必定意味著整個宇宙正在膨脹。如果宇宙正在膨脹，那么過去的宇宙肯定比現在要小得多。如果遵循這個邏輯一直回溯下去，我們很快就會看到，在遙遠過去的某一瞬間上，宇宙肯定是無限微小的。這一觀點直接導致了現代大爆炸宇宙學的基本結論：宇宙曾經是無限微小的，但是后來它膨脹了，而且至今仍在繼續膨脹。哈勃的研究工作為大爆炸宇宙學提供了第一個而且是最基本的證據。

哈勃還指出，科學家可以通過測量宇宙膨脹的速度來推算宇宙存在的時間。這是一個令人驚訝的結論，因為這似乎是一件完全沒有意料到的事。哈勃找到了一種測算宇宙年齡的方法！起初，他估計兩個相距100萬秒差的物體，其膨脹速度（又稱哈勃常數）大約為500千米/秒（100萬秒差的距離為光在326萬年中的運行距離，大約為30.9×1018千米，或大約3000億億千米）。這個數字意味著宇宙只有20億年的年齡。我們現在知道這是不可能的，地球的年齡至少是它的兩倍。今天我們對于哈勃常數的估算就比較低了，說明宇宙的年齡更為古老。但要測算出宇宙準確的年齡是很困難的，這主要是因為估算遙遠河外星系的實際距離很難?，F代科學家除了造父變星之外，還運用了好幾種其他的距離標志，表明哈勃常數在55—75千米/（秒·每百萬秒差距）之間。這意味著宇宙的年齡是在100億至160億年之間，而最新的估算大約集中在130億年。為簡明扼要起見，本書將一直用這個數字。

相對論與核物理學

20世紀初，大多數天文學家仍然認為宇宙是無限的、同質的、穩定的。哈勃的推論在當時來看似乎荒誕不經，正是其他領域的進展削弱了這一傳統圖景的效力。其中包括愛因斯坦相對論的發表。其詳細內容在這里并不重要，但是該理論表明，從大范圍看，宇宙也許并不是穩定的。愛因斯坦的等式意味著宇宙就像一個兩頭尖尖的楔子，要么趨向于這一端，要么趨向于那一端。它既在膨脹，也在收縮，一個完全平衡的宇宙是不可能存在的。愛因斯坦自己卻反對這個結論。實際上，后來他承認這是他一生中最嚴重的失誤——為了保持宇宙的穩定，他篡改了自己的理論，指出宇宙中還應該存在著一種可稱為“宇宙常數”的力。他想象這種力就像反引力，可以平衡物體之間的相互吸引，以免宇宙在萬有引力的作用下坍塌。然而，在1922年，俄羅斯人亞歷山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）證明，事實上宇宙既在膨脹也在收縮。宇宙處于不穩定狀態且正在不斷地進化中。最后愛因斯坦也接受了這一思想。

但是解決這些新發現的枝節問題頗費了一些時間。20世紀40年代，對于天文學家而言，一個正在膨脹的宇宙的觀念仍然是不可思議的。隨后，20世紀40年代至60年代，一些新的支持這一觀點的證據積累起來，直至60年代末，大爆炸理論才成為關于宇宙起源的標準敘述。20世紀40年代末，美國一批物理學家——包括美籍俄裔物理學家喬治·伽莫夫（George Gamow）——運用某些原子彈研究的知識來探索這種全新的宇宙理論的內涵。一個極其微小的宇宙是什么樣子的？很顯然，它有極高的溫度：就像自行車輪胎，打了過足的氣就會變熱，同樣，所有的物質和能量都壓縮在一個極小空間，這樣的宇宙必定是極熱的。在這樣的條件下物質將會如何活動，我們并不關注其詳情。關鍵是，伽莫夫以及弗雷德·霍伊爾（Fred Hoyle，后來他成了大爆炸理論的狂熱批評者）等科學家很快就意識到，利用現有關于能量和物質在不同溫度下如何工作的觀念，對早期宇宙活動進行計算是完全可能的。而他們得出的答案是合乎情理的。他們發現能夠利用大爆炸理論假說，繪制出一幅令人驚訝又言之有理的圖景，說明早期宇宙是如何構建的。尤其是，或許能夠大致推測出在早期宇宙中存在著哪些形式的能量和物質，從而明確宇宙在膨脹和變冷之際是如何變化的。人們很快發現，早期宇宙極其致密而又異常熾熱的觀念與粒子物理學的知識是完全一致的。

宇宙背景輻射

宇宙背景輻射（Cosmic Background Radiation，簡稱CBR）的發現，最終使得絕大多數天文學家接受了大爆炸理論。早期關于大爆炸如何發生作用的理論指出，在宇宙早期的歷史中溫度不斷降低，溫度一旦達到不同的粒子和力能夠生存的地步，它們就能獲得穩定的存在形式。早期宇宙過于活躍，在好幾十萬年的時間內溫度過高，無法形成原子。但是溫度終于降低到足夠低的程度，質子（帶正電荷）開始捕獲電子（帶一個負電荷）。在這個臨界值上，物質呈中性，能量與光線能夠在宇宙中自由流動。一些主張大爆炸宇宙學的早期理論家預言，在那一瞬間應該有巨大的能量釋放出來，其殘留物至今仍可檢測到。

有趣的是，那些贊同大爆炸觀念的科學家實際上并沒有去尋找這種背景能量。它是由阿爾諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson）于1964年偶然發現的，當時這兩位科學家在新澤西的貝爾實驗室工作。他們正嘗試建造一座超敏感的微波探測器，可是他們發現根本無法清除所接收到的各種背景“噪音”。無論探測器朝向什么方向，總存在著由微弱的能量產生模糊的嗡嗡聲。為什么天空的任何方向會同時發射能量？能量來自特定的恒星或銀河系還可以理解，而來自四面八方的能量——而且是如此之多的能量——卻似乎是完全無法理解的。盡管信號很微弱，但其所代表的能量加在一起就十分巨大。他們向一位射電天文學家透露了自己的發現，而這位天文學家曾經聽到宇宙學家P. J. E.皮布爾斯（P. J. E. Peebles）斷言，在大約相當于絕對零度以上3℃的能級上存在著殘余射線。這個溫度非常接近于彭齊亞斯和威爾遜所發現的射線溫度。他們已經發現了早期大爆炸理論家們所斷言的能量的片羽吉光。

兩位科學家的發現具有重大意義，因為沒有其他理論能有力地解釋如此普遍的能量的來源，只有大爆炸宇宙學能夠輕而易舉地又很自然地對此加以解釋。從1965年起，很少有天文學家還懷疑大爆炸理論是關于宇宙起源最流行的解釋。如今它已是現代天文學的核心思想，是現代天文學理論與觀念統一的范例。而宇宙背景輻射是現代宇宙學的核心：它試圖描繪那些微小的變化，在不久的將來為我們提供關于早期宇宙性質的最有用的信息。［宇宙學家馬克斯·泰格馬克（Max Tegmark）博士甚至說：“宇宙的微波背景對于宇宙學的重要性，就好比脫氧核糖核酸（DNA）對于生物學的重要性一樣。”］ 2001年6月，一顆新的人造衛星威爾金森微波異向性探測器（the Wilkinson Microwave Anisotropy Probe，簡稱WMAP）發射升空，它將比從前更加精確地描繪細微的變化。

另一些形式的證據

自從發現宇宙背景輻射（CBR）之后，積累了更多關于宇宙大爆炸的證據。例如，大爆炸理論斷言早期宇宙主要由一些簡單元素組成，尤其是氫（大約占76%）和少部分的氦（大約占24%）。這與今天我們觀測到的宇宙中元素的比率大致相似（雖然恒星內部的反應使得氫元素轉變為氦元素，現在氫元素的數量下降至大約71%，而所有物質中的氦元素大約占到了28%）。氫和氦在化學上占多數對于我們而言并不十分明顯，因為我們所居住的宇宙角落，恰好是其他元素聚集的地方（參見第2、3章），但是相關證據在我們周圍卻俯拾即是。氫元素顯然是最普通的元素，甚至在我們自己體內也是如此。林恩·馬古利斯和多里昂·薩根寫道：“我們身體中所含氫元素的狀況反映了宇宙中氫元素的狀況?！?img alt=" 林恩·馬古利斯和多里昂·薩根：《微觀世界：微生物進化40億年》，第41頁。" class="qqreader-footnote" src="https://epubservercos.yuewen.com/4EB670/8878105604753401/epubprivate/OEBPS/Images/note.png?sign=1754309208-EDou3kTVd1RwgUqEmtSQ4IQ5BGAniq3M-0-8d6c49969d4cd48a122af621a59690a0">通過特別精確的測量，可知在大爆炸中，氫元素還形成了少量的鋰元素。這些也明顯接近于大爆炸時元素構成理論所斷言的數值。

其次，無論是天文學觀測還是放射線測定年代技術（參見附錄一）都不能確定時間超過120億年的物體。如果宇宙的實際年齡超過這個時間（也許是幾千億年），而超過120億年的物體卻又不存在，這會讓人覺得不可思議。

最后，大爆炸理論——不像它的主要競爭對手穩態宇宙理論——意味著宇宙隨著時間的推移在不斷地改變。宇宙最遙遠的部分與比較靠近我們的部分看上去應該不一樣，所以說觀察100億光年之外的物體，我們所看見的其實是它在100億年前的樣子。而且，就如我們將會看到的那樣，遙遠的物體與現代的宇宙在重要的方面并不相同。例如，與現在相比，早期宇宙擁有更多的類星體（參見第2章）。

大爆炸宇宙學有多大的可信度？

大爆炸宇宙學是正確的嗎？沒有任何科學理論能宣稱自己是完全確定的。而且該理論仍然遇到一些遺留問題，其中有一些還是非常技術性的。但到目前為止，沒有一個問題是無法克服的。

在20世紀90年代初的一段時間內，發現了一些比宇宙年齡還要古老的恒星——在某些天文學家看來，這個證據令人嚴重懷疑到整個大爆炸理論。哈勃望遠鏡觀測表明，顯然這并不是真實的。那些最古老的恒星似乎要比用最新哈勃常數推算出的宇宙年齡年輕10億年。對大爆炸宇宙學而言這是一個好消息！但是在90年代末，從研究遙遠的Ia型超新星（參見第2章）積累的證據表明，宇宙的膨脹速度并未在引力的影響之下減退，反而在逐漸增長，這條消息則不那么受歡迎。如果觀測準確的話，這是令人感到驚異的，因為這似乎意味著還有一些至今未知的力在不斷地起著作用，從大爆炸以來保持并推進著宇宙膨脹的速度，但這種力極其微弱，根本察覺不到。這種力可能由“真空能”構成，這是量子力學預言的一種力，它會朝引力相反的方向發生作用，驅使物質與能量彼此分離，而不是將它們拉到一起。如果情況確實如此，那么它的作用與愛因斯坦思辨性的宇宙常數幾乎是相同的。這個證據也許對大爆炸宇宙學是一次嚴重打擊。另一方面，它意想不到地解決了暗物質（參見第2章）問題，因為真空能就像一切的能量一樣具有質量，這可以解釋天文學家一直在尋找的巨量的物質。關于起源的棘手問題依然是存在的。對于宇宙大爆炸的那一瞬間，我們所掌握的一切科學知識似乎都變得混亂無用。此時，宇宙的密度趨于無窮大，溫度也趨于無限高，現代科學盡管已有了許多大有希望的觀念，但是還沒有找到解釋此類現象的好方法。

盡管存在這些問題，我們還是會認真對待大爆炸理論，原因在于它與大多數現代天文學、粒子物理學的經驗性和理論性知識的組合相一致。沒有其他關于宇宙起源的學說能夠解釋這么多的問題?？茖W家構建了一個合乎邏輯的學說，與那么多證據相一致，這個理論還告訴了我們在宇宙的歷史中最初幾分鐘內發生了什么，這本身就是一個令人震驚的成就。同樣引人注目的是，我們認識到，未來的研究很可能在一些相當重要的方面修正當前的學說。