4.宇宙真的起源于大爆炸吗？

在亚利桑那州的弗拉格斯塔夫（又称旗杆市）有一座著名的天文台，它是由一位名为珀西瓦尔·洛厄尔的富商于1894年出资建成的。洛厄尔一开始打算用望远镜来寻找火星人，这在19世纪下半叶可不是什么稀奇事。那时科学家曾公开讨论过火星上有生命居住的可能性，天文学家自然也热切地在这颗红色行星上寻找生命存在的迹象。1877年，意大利天文学家乔瓦尼·斯基亚帕雷利声称，他在火星表面看到了一些直线状图案，或者是一些“沟渠”，引发了诸多有关“火星运河”的猜测。对于当时“火星热”的情形，我们可以在赫伯特·乔治·威尔斯的科幻小说《星际战争》（又译《世界大战》）的精彩叙述中窥见一斑。受到“火星工程师”的影响，洛厄尔开始用望远镜观测火星，并绘制了一幅详尽的火星运河地图，不过这些运河系统后来被证明完全是幻想。

在洛厄尔进行着堂吉诃德式探索的同时，他的天文台在进行传统的天文学研究。到19世纪末，望远镜已经发展到可用于观测银河系之外的地方。当时天文学界面临的主要问题和宇宙的大尺度结构有关，尤其是：那些在天空中呈现为一缕缕光带的星云到底是什么？它们是位于银河系内的巨型气体云吗？或者它们本身就是完整的星系，只因为距离太远而导致我们无法分辨其中的单颗恒星？

1909年，洛厄尔天文台的一位名为维斯托·斯里弗的天文学家，开始研究这些星云发出的光具有什么性质。他的工具只有一台比较普通的24英寸望远镜，所以这注定是一项缓慢、艰苦和乏味的工作。现在天文学家使用的精良电子设备当时尚未发明出来，所有的观测都必须依靠人的双眼和双手来完成。为了让设备发挥出最佳性能，往往还需要灵机一动的即兴发挥。斯里弗用一种叫作光谱仪的装置对星云发出的微弱的光进行了分析，这种装置能够将组合光分解成单色光。无论天寒地冻还是酷热难当，斯里弗都坚持不懈、夜以继日地在胶片上记录着他的观测结果。在那个年代，天文学家可不是什么好差事。然而，世界上总有那么一群人愿意前往那些无人问津的角落，呕心沥血地探寻宝藏，在洛厄尔天文台里上演的就是这样的故事。到1912年，斯里弗终于收集到足够多的数据，得出了一个结论：大多数星云的颜色都比银河系红。这是为什么呢？一种显而易见的解释是，当光源以极快的速度后退时，它发出的光波被拉长，并朝着光谱上红色的一端移动。斯里弗据此推断，大多数星云正在急速地远离我们。

回望过去，我们可以将1912年视作现代宇宙学诞生的年份。但当时既没有大张旗鼓的宣传，也没有盛大的新闻发布会，只有一篇湮没在天文台简报中的谨慎的学术论文。又经过多年的艰苦观测，斯里弗的工作才引起他人的注意。这个人就是埃德温·哈勃，一名出身律师的天文学家，手上的烟斗几乎片刻不离身。1924年，哈勃利用位于加利福尼亚州威尔逊山的100英寸望远镜，通过观测单颗恒星来测量仙女座大星云与地球之间的距离，证明了它实际上是类似于银河系的完整星系。紧接着，哈勃又估算了另外23个星系的距离。之后，他把这些观测结果与斯里弗对红移的测量结果结合起来，捕捉到有关星系的一些系统性特征：星系距离我们越远，它发出的光就越红，退行的速度也越快，其中似乎存在着正相关关系。对这些特征最简单的解释是，宇宙在上百亿年的时间尺度上逐渐膨胀，变得越来越大。哈勃于1924年11月23日在《纽约时报》上向世人发布了他的研究成果。毫无疑问，这是20世纪最重要的发现之一。很快，这位叼着烟斗的天文学家就博得满堂彩，而维斯托·斯里弗则成为膨胀宇宙模型发展历程中的无名英雄。

当人们意识到宇宙不只是由一大堆发光天体组成的，而是一个随时间演化的动态系统时，一系列有关其发展历程的问题便接踵而来。这个系统从何而来，又将走向何方？宇宙膨胀速率是由什么决定的，会随时间变化吗？宇宙发端于何时，会永远存在下去吗？

有关宇宙膨胀模型的两条推论很快便浮出水面。第一，如果现在的宇宙正在逐渐变大，那么它以前一定比现在小，而密度比现在大。第二，引力作为一种无处不在的吸引力，应当会在宇宙膨胀的过程中起到制动作用，星系之间的牵引也会降低它们的退行速度，所以宇宙过去的膨胀速率一定比现在快。哈勃的观测范围不够广，精确度也不够高，以至于无法判断数百万年间宇宙膨胀速率是否发生过变化。然而，从理论上讲，引力的制动效应很容易研究。早在1921年，俄罗斯天文学家亚历山大·弗里德曼就精确地计算出宇宙膨胀速率减慢的规律，但他的研究基本上被忽视了。天文学家似乎对这个科学史上影响最深远的发现之一漠不关心，由于这些早期的研究结果具有明显的不确定性，没有任何一位顶尖科学家愿意冒险尝试阐述这一概念。最终，一位比利时的年轻牧师、理论物理学家阿贝·乔治·勒梅特于1927年明确提出，我们现在的可观测宇宙一定是从百亿年前的“宇宙蛋”演化来的，这种状态的宇宙密度极高，其膨胀极具爆发力。这就是现代“大爆炸”理论的前身。

哈勃战争

宇宙膨胀速率可以用一个数字来表示，即广为人知的哈勃常数（记作H）。哈勃将H的值设定为500（在天文学家常用的独特单位系统中，这个数值意味着距离我们约326万光年的星系正在以每秒500千米的速度退行）。有了给定的H值，再把引力对抗膨胀的效应考虑进来，我们就可以计算出宇宙的年龄。哈勃最初给定的H值表明宇宙的年龄只有20亿年左右——还不到地球年龄的一半！于是，天文学家改进了计算方式，重新估算H值，将宇宙的年龄不断往前追溯。但是，这些天文学家分成了两个敌对的派别：其中一派宣称H值为180，另一派则宣称H值是55。他们运用的计算方法一样，而且双方都坚称自己的测量误差很小。直到20世纪80年代，来自哈勃空间望远镜的观测数据才平息了双方的对抗。最终测定的H值是73（很好地平衡了两派的结论），我们可以据此估算出宇宙的年龄大约是138亿年。但是，最近又出现了一个与之不同的新结果。利用宇宙微波背景（CMB）的数据计算出的H值只有67，这意味着宇宙的年龄超过140亿年。这是否表明我们对宇宙学的基本理解存在严重的错误？时间终将告诉我们答案。

你也许会以为，意义如此深远的发现在当时的科学界一定引起了不小的轰动，更不用说在神学界了。但事实上，大家对此仍然保持沉默。哈勃对勒梅特的结论持怀疑态度，当时世界上最权威的引力理论和宇宙学理论专家阿尔伯特·爱因斯坦也不屑一顾。“你的计算是正确的，”他对勒梅特说，“但你对物理学的了解真是糟透透顶”。弗里德曼早期的理论成果同样被爱因斯坦搁置一旁，直到1931年爱因斯坦去加利福尼亚州拜访哈勃，他才终于承认宇宙正在膨胀。此后，他的态度发生了彻底的改变，转而支持勒梅特的研究成果。不过，在20世纪30年代，有关宇宙起源的推测从未被认真对待过，那时宇宙学甚至不是一门公认的学科。

令人欣慰的是，弗里德曼和勒梅特的理论研究并未被遗忘，尽管从苏联移居美国的乔治·伽莫夫重新捡起这些理论已经是20年后的事情了。伽莫夫不是天文学家，而是一名核物理学家，被称为α衰变的放射性过程就是由他阐释清楚的。伽莫夫推断，高度压缩的年轻宇宙温度一定非常高，甚至足以发生核反应，因此它应该会像火炉一样发光。这带来了一种奇妙的可能性：原始宇宙留下的余温是否至今仍在宇宙中弥漫，从而形成了宇宙微波背景？

大爆炸真的发生过吗？

并不是所有天文学家都能接受宇宙膨胀和大爆炸起源之间的联系。讽刺的是，“大爆炸”这个广为人知的名称最初是由对这种想法不屑一顾的英国天文学家弗雷德·霍伊尔于1949年创造的。霍伊尔认为勒梅特的大爆炸宇宙论是无稽之谈，他对哈勃的观测结果做出了一种完全不同的解释，并称之为“稳恒态”理论。其基本思想是，随着宇宙的膨胀和星系的分离，新的物质不断产生，逐渐聚集成新的星系来填补不断扩大的空隙。其结果是，在相当大的尺度上，宇宙看起来将一成不变——由不断补充能量的过程维持的新旧星系的混合体。换句话说，宇宙既没有开端，也不会终结，更没有炙热、稠密的原始形态。

霍伊尔极力捍卫自己的理论，并聚集了一帮忠实的支持者。稳恒态理论和大爆炸宇宙论之间的激烈斗争持续了大约20年，直到宇宙微波背景的发现给了稳恒态理论致命一击。稳恒态理论无法合理地解释宇宙微波背景的存在，它的支持者迅速减少。

就在这一关键时刻，我恰好前往剑桥大学工作，并有幸与霍伊尔共事。这位天文学家以他的科学研究闻名于世，他的科幻小说也备受追捧。他似乎是把大爆炸当作宇宙演化过程中的一个小插曲，而不是宇宙诞生的确切起点；他如同性格古怪的苦行僧，孤独地寻找能够拯救稳恒态理论的方法。他摒弃了物质粒子在遍布整个空间的“夸克-胶子汤”中不断产生的想法，转而支持存在某种集中的“粒子生产中心”的观点。20世纪60年代，有人发现了被称为类星体的致密天体，这种天体会释放出大量的高能物质。霍伊尔认为，这些能量源就像水龙头一样，不断地向宇宙中注入新的物质。最终，霍伊尔本人也放弃了稳恒态理论中的一些基本概念，并于1972年辞去了在剑桥大学的职务，隐居在坎布里亚郡的一个偏僻的山林小屋中。他整日在那里奔走，喋喋不休地抨击着各大科研机构。

事实证明，伽莫夫的研究方向是正确的。1964年，两名在新泽西州贝尔实验室从事卫星通信工作的科学家，偶然间发现了弥漫于整个宇宙的余温——比绝对零度高出约2.7开氏度。一开始这种挥之不去的嘶嘶声总是出现在接收器（参见图4）中，让他们不胜其扰。为此，他们排除了设备上每种可能的缺陷，甚至清理了天线上的鸽子粪便，但都收效甚微。所以，剩下的唯一解释是，这种嘶嘶声来自宇宙，它是大爆炸曾经发生过的确凿证据。

一夕之间，宇宙学跻身科学界的主流学科，并吸引了物理学和数学领域中最聪明的头脑，比如罗杰·彭罗斯和斯蒂芬·霍金。大爆炸宇宙论探讨的宇宙起源问题终于得到了科学家的重视，成为各方论辩的焦点。天文学家开始呼吁对宇宙微波背景进行更细致的观测，他们认为宇宙微波背景包含了有关早期宇宙的关键线索。由于地球大气会吸收微波，若想更清楚地观测宇宙微波背景，就需要发射人造卫星。1989年，美国国家航空航天局（NASA）发射了宇宙背景探测器，宇宙学黄金时代的帷幕就此拉开。

图4　第一架通过微波探测到宇宙诞生时发出的嘶嘶声的天线