宇宙诞生之谜：科学家们如何揭开宇宙起源的奥秘

导读：现代的天文学认为，我们所处的宇宙诞生于一次大爆炸，而在这场爆炸过去138亿年后我们的宇宙还在不断膨胀。天文学家究竟是如何确定宇宙源自于大爆炸的？又是怎样发现了宇宙正在膨胀的呢？

我们知道，宇宙是全部时间、空间以及所有天体的总和，这些天体里也包括我们的地球。宇宙太大了，我们人类就是住在宇宙中的一种小小的生物。

古人眼中的宇宙

关于宇宙，人类自古以来就有非常强烈的求知欲望。我们这个宇宙到底是什么样子的呢？

在中国的东汉末年，有一位大学问家名叫张衡。他提出了一种看法，说“天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于天内”。这意思就是说，天是圆的，地球就像一个鸡蛋中的蛋黄，孤零零地处在天的中央。张衡的这一种看法后来被叫做“浑天说”，这是中国古人的一种简单、朴素的宇宙观。

在西方的古希腊，也有学者提出了对宇宙的看法。比如毕达哥拉斯，他生活在公元前6世纪，和孔子生活的时代差不多。毕达哥拉斯认为，宇宙中一切天体，以及我们所居住的大地，都是球形的，而球形是最完美的形状。

哈勃的发现：星系在远离我们

到了现代，科学的逻辑思维和研究方法发展起来，对宇宙的认识进入了科学的时代。对现代宇宙理论贡献最大的一个人，就是美国天文学家埃德温·哈勃。

哈勃出生在美国的密苏里州，这和作家马克·吐温是老乡了。上中学时哈勃就是学业和体育方面的优等生。哈勃8岁生日时，他的外公送给他一台天文望远镜，哈勃就在家里的后院里看了一晚上的星星，从那时起他就对天文学很感兴趣。

后来，他在芝加哥大学学习天文学和数学，还去英国留学学习法律。回到美国后，开始了专业研究天文学的生涯。

1919年，哈勃来到在加利福尼亚州的威尔逊山天文台。在这里，他开始研究银河系之外的星系，也叫河外星系，主要研究这些星系的光谱红移现象。

什么是光谱？

不知道你是不是见过天上的彩虹？其实那就是太阳光的光谱。当一束白光通过一个玻璃三棱镜，也能产生红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七彩光谱。研究来自天体的光谱，是天文学家们一种非常重要的手段，因为通过研究天体光谱就能获得这个天体的很多重要信息。

在哈勃到威尔逊山天文台工作以前，就有很多天文学家在研究恒星、河外星系等天体的光谱。其中有斯里弗等科学家。到1922年，经过长时间仔细观测，斯里弗他们就发现了，在41个星系中有36个的光谱发生了红移。

我们知道七色光谱是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，这个顺序是固定的。光是电磁波，电磁波都有一定的波长，七色光中，红光的波长最长，紫光的波长最短。如果天体光谱中的吸收线波长变长了，就是朝着红光那一头移动了，这叫做发生了红移；反之，如果吸收线波长变短了，就是朝着紫光那一头移动了，就是发生了紫移。

那么为什么来自天体的光会发生红移呢？

科学家们早就知道，对于光波和声波，都有一种特殊的性质，就是当光源或者声源远离观察者运动时，光波和声波的波长都会变得长一些，就是说要发生红移；反之，光源或者声源朝着观察者运动时，光波和声波的波长都会变得短一些，就是说要发生紫移。早在18世纪中叶，奥地利的科学家多普勒就研究了这种现象，后来这种现象就被叫做“多普勒效应”。

其实在生活中就能观察到多普勒效应。当一辆警车或者救护车拉响警笛在你身边飞驰而过时，你所听到的声音声调高低是不一样的，这就是多普勒效应的结果。在日常生活中，只要你细心观察，就能发现或体会很多特殊而有趣的事情。

斯里弗他们把发现的星系光谱红移和多普勒效应结合起来，认识到这41个星系中的36个有光谱红移的星系都在远离我们运动，也就是说，离我们越来越远。

在斯里弗他们工作的基础上，哈勃和他的助手在爱威尔逊山天文台使用大型天文望远镜，继续仔细地观察星系的光谱，他们发现几乎所有遥远的星系都有光谱红移，而且距离越远，红移就越大。这个结果是前所未有的，也是十分惊人的。

到1929年，通过对已经知道距离的20多个星系的分析，哈勃发现，星系光谱的红移大小和它的距离，显示一种很规则的正比关系，可以用一个简单的数学公式表示出来，这个关系现在就叫做哈勃定律。

遥远的星系都在远离我们运动，这意味着什么呢？哈勃他们认识到，原来我们的宇宙不是稳定的、一成不变的，它可能在变得越来越大，星系彼此之间距离越来越遥远。宇宙，就像一个正在被吹大的气球一样，宇宙在膨胀！

哈勃定律的发表，让人类认识了这个膨胀中的宇宙。哈勃定律被认为是现代宇宙理论的基石，哈勃也因为发现哈勃定律等一系列重要的贡献，被人们称为“20世纪最伟大的天文学家”。

宇宙膨胀带来新的问题

有了宇宙膨胀的理论以后，又出现了哪些新的问题呢？很多科学家很自然地会想到，这种膨胀的起点在哪里？如果把这个膨胀“回退”一下，看看又怎么样呢？这种方法叫做“回溯”。

比如我们可以设想，假如让时光倒流，现在这个膨胀中的宇宙在一定时间以前应该比现在小一些，再回溯得更多一点，宇宙就会更小一些。就这样回溯下去，终有一个时刻，宇宙会回退到一个小点了。这样想，从逻辑推理来说当然是允许的。

那么，进一步的问题就接踵而来了。假如最早的宇宙是一个小小的点，它为什么开始了无休无止的膨胀呢？

于是，很自然地，有科学家就想到了，在宇宙开始膨胀之前，那个小点宇宙是不是发生了一次爆炸呢，爆炸之后，宇宙开始膨胀了！

这样的想法虽然看起来符合逻辑，但是也很离奇。

仅仅凭借这样的回溯的思路，就能建立起一个关于宇宙大爆炸的理论吗？当然不是，科学研究远不是这么容易、简单和粗放。

大爆炸理论的诞生

有一位比利时的科学家，名字叫勒梅特。他大学毕业后曾经到英国、美国的大学访问学习，在美国时，他了解了哈勃等科学家关于河外星系光谱红移方面的工作。勒梅特还有另一个身份是一名基督教会的神父。

1927年，他在爱因斯坦的广义相对论方程的基础上，得到了一个结果，说明了宇宙是在膨胀的。1931年，勒梅特又进一步指出，宇宙是由一个包含所有物质的极小的点开始的，他把这个点叫做“原始原子”，后来“原始原子”发生爆炸，就形成了今天的宇宙。

而在比勒梅特稍微早一点的1924年，出生在俄国的数学家弗里德曼，也发表了一个从计算爱因斯坦广义相对论方程得到的数学结果，这个结果和勒梅特结果一样，也指出了宇宙在膨胀。

可是，在当时，勒梅特他们的宇宙是从一个小点爆炸后开始膨胀的看法，可不是人人都能接受的。

比如英国的著名天文学家霍伊尔，他曾经为弄清楚恒星（比如太阳）的能源是从哪里来的问题，做出了很大的贡献，但是他是“稳恒态”宇宙的支持者，他虽然不能否认哈勃他们对星系光谱红移的观察结果，但他认为这种“宇宙膨胀”也许只是在人类能观测到的宇宙一个小小角落里发生的事情，宇宙那么大，在其他的地方里并不一定也是在“膨胀”。

有一次，在英国广播公司BBC的一个科学节目中，霍伊尔就用讽刺的口气说，这个大爆炸的想法我可真不能赞成。他用的是英语词“Big Bang”。从此“大爆炸”这个说法就流传了起来，成了一个时髦新词。很幽默的是，这个名字是霍伊尔给起的，他可是反对大爆炸理论的！

尽管有了哈勃他们对星系光谱红移观测结果的支持，还有勒梅特、弗里德曼各自用数学求解爱因斯坦广义相对论方程结果的支持，大爆炸理论还是很难被人们所接受和理解，因为它太让人感到匪夷所思。可是，后来发生的事情，让更多的人倾向于接受大爆炸理论了。

宇宙大爆炸的余热

1946年到1948年，出生于俄国的美国华盛顿大学教授伽莫夫，带领他的学生阿尔弗和赫尔曼，在研究宇宙中的元素最早是怎样形成的同时，提出了宇宙“热大爆炸”理论，认为最初的宇宙温度非常高，只有原子核和电子，随着温度逐渐降低，才逐渐形成了几种元素的原子。

他们还得到了一个计算结果，在现在的宇宙中应该还残留着当初热大爆炸留下的余热，只不过温度已经非常低了，应该在绝对温度5度左右。

什么是绝对温度

我们平时听天气预报说气温多少度，其实是叫摄氏温度。摄氏温度的0度是以正常情况下，水和冰混合物的温度作为标准来定义的。但在绝对温度里，0度相当于零下273.15摄氏度，也叫绝对零度，这是一个非常低的温度，低到让任何物质的分子和原子都停止运动。

伽莫夫他们计算到宇宙大爆炸余热温度为绝对温度5度，也就是比绝对零度高5度的温度，其实大约就是零下268摄氏度。然而他们这个预言，在很长时间里并没有引起科学家们的重视。

过了大约20年，又发生了一个戏剧性的故事。1964年，有两位受雇于美国贝尔电话实验室的科学家，彭齐亚斯和威尔逊，正在研究来自天空的噪声信号对通讯的干扰问题，他们使用的是一种最新设计的大型号角形天线。

一天，彭齐亚斯和威尔逊发现了一种奇怪的干扰信号，不管采取什么样的防干扰措施，这个信号都依然存在。他们起初考虑是天线自身出了什么问题，于是仔细检查了天线，甚至把天线上的鸽子粪都清除干净了，但是这个信号依旧存在。

而且，无论把天线对准天空的哪个方向，这个信号都会出现，这说明它不是来自地球或邻近地球的某个地点，而是来自非常遥远的太空。

后来，彭齐亚斯和威尔逊就把这件事公之于众了。当研究宇宙的科学家们知道了这件事以后，大家忽然恍然大悟：原来这个所谓干扰信号，就是20多年前伽莫夫和他的学生预言的宇宙大爆炸后的余热！经过仔细测量，彭齐亚斯和威尔逊发现的信号温度是绝对温度2.7度。

彭齐亚斯和威尔逊得到的结果只比伽莫夫他们预言的低一点点。这个信号充满了整个宇宙中，现在叫做“宇宙微波背景辐射”。

这一发现后来被称为20世纪60年代天文学“四大发现”之一，彭齐亚斯和威尔逊也因此荣获了1978年的诺贝尔物理学奖，成为享誉世界的科学家。

在科学上，一种理论，如果它能正确地预言或者预测某一种大家都还不知道的事情，它就更容易被人们接受，并且承认是科学的理论。

宇宙大爆炸理论正是这样，它不仅有遥远星系光谱红移观测事实和爱因斯坦广义相对论方程数学结果的支持，还预言了宇宙微波背景的存在。所以，从那以后，越来越多的人相信，宇宙真的是开始于一次大爆炸！而后来更精密的观测，也让宇宙大爆炸理论更加站稳了脚跟。