宇宙大爆炸
文/崔二亮
大爆炸宇宙学
几乎我们每一个人小的时候，都曾做过数星星的孩子，我们仰望星空，与遥远的星系对话。可是，随着我们年龄的增长，大部分人都不再仰头看天空，也许是都市的天空太脏，也许是都市的夜晚太明亮，更多的则是我们迫于生活的压力而丢掉了心中的梦想。人区别于一般动物的本质，大概就是不满足于口腹之欲而有思考和探索的欲望。这也是智人从一般灵长类动物中脱颖而出，最终建立了辉煌的人类文明的原因。德国伟大的哲学家康德曾经说过：“有两种事物，我们愈是沉思，愈感到它们的崇高与神圣，愈是增加虔诚与信仰，这就是头上的星空和心中的道德律。”
康德所说的星空，就是我们今天所说的宇宙。宇宙的浩瀚无垠、星辉灿烂，怎能不令我们每个人心驰神往、寤寐思服？
从人类社会的孩童时代，就一直试图对神秘的宇宙作出解释。从古代图腾崇拜到敬神祭天，从古老的地心说到近代的日心说，从牛顿的万有引力定律到爱因斯坦的广义相对论，无数先辈运用智慧和劳动，试图解释宇宙的现在、过去和未来。
在古代中国，先民们有盘古开天地之说，这可以说是最早对宇宙是从哪里来的这一问题作出的解释；天圆地方，则解释了以地球为观察起点的宇宙的存在状态；《诗经》中的“七月流火，九月授衣”，则是表现了古人对天文现象和气候变化之间的关系作出的判断。这些朴素的观点，是典型的东方式的智慧。
古希腊人在很早的时候则通过观察到海上的船只总是先看到桅杆再看到整个船只而认识到地球是球体；古希腊数学家埃拉托色尼根据正午太阳对地上物体的投影而测算地球的半径，测算值和现代科学测量值的差别在4%左右。这是典型的西方式的智慧。
上下四方谓之宇，古往今来谓之宙。“宇宙”二字，正是对时间和空间的统一概括。古代的天文学，也算是宇宙学的一部分，正是有了精确的天文观测，加之与物理理论的结合，成就了现代的宇宙学。现代宇宙学的流行观点是宇宙起源于大爆炸。大爆炸宇宙理论是20世纪60年代提出来的，是用于描述宇宙诞生早期条件及其后续演化的宇宙学模型。这一模型得到了现代科学研究和天文观测的广泛与精确的支持。现代流行的大爆炸观点认为，宇宙是由一个高温高密度的初始状态演变而来的，经过不断的膨胀，才达到今天的状态。
当我们在说地球的年龄是45亿年、太阳的年龄是46亿年、宇宙的年龄是138亿年的时候，其实已经不自觉地运用了宇宙在膨胀的知识。因为这些天体年龄的推定，基本依据就是宇宙是在膨胀的。既然宇宙的年龄是137亿年，既然宇宙是膨胀的，那么追溯到遥远的137亿年以前，宇宙应该是由一个奇点爆炸演变而来的，这就是大爆炸发生的那一刻。
▲埃拉托色尼测算地球半径原理图
现代大爆炸宇宙学的理论与天文学家对于天体运行的精确观测是密不可分的。早在1912年，美国天文学家斯里弗尔在观察天空中的涡旋状星云的光谱时发现，地面观察者接收到的多数星云发出的光谱有向红端移动的现象。这就是红移现象，即光谱会向低频端移动，根据多普勒效应推断，这些星云在远离我们而去。红移现象是天文观测中典型现象，即观察到的光谱发生频率变低、波长变长现象，表明被观察对象和观察者之间在相悖运动；与之对应的是光谱紫移现象，即观察到的光谱发生频率升高、波长变短的现象，表明被观察对象和观察者之间在相向运动。但是斯里弗尔没有联想到这一结果对于宇宙学的重大意义，因为当时学界的主流观点是静态宇宙观点。
虽然行星运动和各种星系的运动早已成为公认的事实，但是主流观点认为宇宙的空间并不会扩张或者收缩。1917年，爱因斯坦将广义相对论应用到宇宙研究中，发现建立的宇宙模型是动态的，为了调和与静态宇宙的矛盾，爱因斯坦引入了宇宙学常数来进行修正场方程。1922年，，，消除了爱因斯坦为静态宇宙引入的宇宙学常数。，宇宙实在膨胀的。1929年，美国天文学家哈勃系统观测了24个邻近的星系，他把观测的光谱线与之前实验室测量的光谱线对了对比，无一例外地都出现了红移现象，说明所有的24个星系都在离我们远去。哈勃因此而发现了哈勃定律，即离我们越远的星系，离开我们的速度越快。所有的星系都在远离我们而去，而我们所处的位置在宇宙中不具有任何空间和时间上的特殊性。照此推断，在太阳系测到的星系远离，在别的星系上测量也是远离的。也就是说，所有的星系都在相互远离，这就像是不断膨胀的气球，各个星系好比是气球球面上的点，随着气球的膨胀，所有的点都在相互远离，没有两点是相互靠近的。这说明，宇宙在膨胀，并不是具有固定体积的。。
假如我们把宇宙从诞生到现在的各个时期拍成电影胶片，正着放送，就是宇宙膨胀；那倒着放送电影胶片，宇宙就会收缩成一个奇点。这就是宇宙大爆炸。宇宙大爆炸的观点由比利时科学家乔治·勒梅特提出，美国科学家乔治·加莫夫完善了大爆炸理论，提出了宇宙原初核合成理论。同一时间，美国的拉尔夫·阿尔菲和罗伯特·赫尔曼还从理论上预言了宇宙微波背景辐射的存在。
▲哈勃太空望远镜
▲哈勃望远镜拍摄的Abell-2344星团
宇宙从大爆炸开始，时间开始流动，关键的时间点总结如下表：
即使在宇宙大爆炸理论逐步完善的过程中，静态宇宙观点的稳态宇宙模型同样收到追捧，因为膨胀的宇宙这一现象太违反直觉了，所以很多科学家还是一再保守此观点，但是后来的更多证据显示了宇宙大爆炸理论的合理性。
宇宙微波背景辐射CMB的精确观测，强有力地支持了大爆炸理论。宇宙微波背景辐射是宇宙早期爆炸后的余晖，这一现象历经138亿年仍然得以存在，现在观察到的CMB光子最远来自于460亿光年。CMB的宇宙分布图显示，整个宇宙处在均匀的微波辐射之下。另外，宇宙中的物质质量的25%来自于氦元素，我们知道恒星内部进行质子质子核聚变会产生氦元素，但由于恒星都还比较年轻，不足以产生如此多的氦元素，这就是所谓的氦元素丰度之谜。最好的解释就是热大爆炸阶段有氢聚合为大量的氦元素，并且得以保留至今。
▲宇宙微波背景辐射
宇宙学是一门古老而又年轻的科学。说它古老，是因为从人类一开始就对天文进行持续不断地观测；说它年轻，是因为还有非常多的未解之谜等待我们去探索。宇宙从哪里来，宇宙又将走向何方，这是一个值得思考的问题。
