戴銘鈺

大爆炸留下的最后一點(diǎn)能量

宇宙既包含著古往今來的時間，也包含著上下左右的空間，而我們就生活在這個宇宙之中。自啟蒙之后，人類就一直在疑惑：這個宇宙究竟是什么樣子的？它是從哪里來的？這些困擾了人類幾千年的問題，直到20世紀(jì)初才開始有了一點(diǎn)兒模模糊糊的答案，那就是——宇宙是從大爆炸中來的。在138億年前的某一個時刻，一個小小的不經(jīng)意的點(diǎn)，突然發(fā)生了大爆炸，大爆炸里產(chǎn)生出了空間，也產(chǎn)生出了時間，而我們現(xiàn)實(shí)生活中的一切，都是從那個大爆炸中產(chǎn)生出來的。

宇宙大爆炸理論最早出現(xiàn)在愛因斯坦的相對論中，且按照相對論的觀點(diǎn)，宇宙還在不斷地膨脹。其后，很多科學(xué)家參與了這場討論。1927年，比利時的神父、宇宙學(xué)家喬治·愛德華·勒梅特提出，宇宙的膨脹可追溯到一個極其致密的狀態(tài)，他稱其為遠(yuǎn)古的“超級原子”，這就是大爆炸理論。

“宇宙大爆炸實(shí)在是荒謬之極！”這是所有人初次聽到這個說法時的反應(yīng)。但是，現(xiàn)在的一些觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)證明，宇宙大爆炸是真實(shí)存在的。

宇宙發(fā)生大爆炸之后，因?yàn)闆]有化學(xué)元素，因而沒有任何物質(zhì)的存在。一切都是剛剛開始的狀態(tài)，到處充斥著粒子，就像一鍋熱粥那樣。40萬年之后，這鍋熱粥變得冷卻，電子和質(zhì)子結(jié)合在一起形成了原子，其中以氫原子和氦原子為主，它們都是透明的氣體。此外，宇宙中還存在著光子，光子可以沖過冷卻的“濃湯”，在浩瀚的宇宙中穿行。

不過，不要以為這縷光芒能夠被看到。由于宇宙還處在大爆炸的過程中，空間也還在飛速地向外擴(kuò)張，所以，光子在傳播的過程中波長變短了，從而超出了光學(xué)波段的范疇，變成了我們看不到的微波。雖然望遠(yuǎn)鏡看不到光，但是探測器可以接收到這些微波，這些微波就是宇宙大爆炸殘留下來的痕跡。寒冷宇宙的溫度該是0℃，但這些微波的能量卻是3K，也就是3℃左右，且不管朝哪個方向探測，宇宙空間的大致溫度都是3K，因此它們被稱為“3K宇宙微波背景輻射”。

3K宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸論的證據(jù)之一，經(jīng)過天文學(xué)家長期的一系列觀測，他們從許多方面都為宇宙大爆炸理論找到了各式各樣的證據(jù)。

大爆炸理論的四大支柱

幾乎就在大爆炸論出現(xiàn)的同一時刻，美國天文學(xué)家哈勃等人發(fā)現(xiàn)，所有星云都在互相遠(yuǎn)離。其中離我們越遠(yuǎn)的星系，離去的速度越快，它們發(fā)出的光譜的波長也會發(fā)生改變，光譜會向著紅段移動，這就是紅移——星系越遠(yuǎn)，紅移也就越嚴(yán)重。這些飛奔而去的星系表明，宇宙確實(shí)是在大爆炸中產(chǎn)生的，這就是哈勃定律。哈勃定律是支撐起宇宙大爆炸理論最簡單也是最堅強(qiáng)的支柱。

第二次世界大戰(zhàn)推動了原子彈的產(chǎn)生和發(fā)展，而對原子彈的研究既讓人們了解了化學(xué)元素的演化，也給地球上林林總總的化學(xué)原子找到了一個共同的起源。于是，微小的原子開始與宏大的宇宙聯(lián)系在了一起，建立起宇宙大爆炸理論的另一大支柱。

按照目前觀察到的情況推測，宇宙的初期只含有氫元素與氦元素，它們都是氣體，然后產(chǎn)生出恒星，恒星就是一個高溫冶煉爐，較為復(fù)雜的元素就是在恒星燃燒的過程中產(chǎn)生出來的。那些林林總總的恒星天體，比如紅矮星、藍(lán)巨星、紅巨星等等，都處于熱核反應(yīng)之中，并在最后經(jīng)過超新星爆發(fā)，拋灑出巨量的化學(xué)元素，四處蔓延，有的就進(jìn)入了地球，所以地球上的元素是從宇宙中來的。測量各種元素的大概產(chǎn)量（也就是元素的豐度），也證明了宇宙曾發(fā)生過大爆炸，因此，化學(xué)元素豐度成為了宇宙大爆炸的又一個有力證明。

不僅是恒星的演化，星系的演化也證明，宇宙確實(shí)發(fā)生過大爆炸。天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，在遙遠(yuǎn)宇宙邊緣的星系一般很年輕，剛剛誕生不久，而與我們比較近的星系，年齡則較大。不僅如此，星系在大尺度上的分布是均勻的，也符合宇宙大爆炸理論。由此，星系的演化和分布成為了宇宙大爆炸論的另一個理論支柱。

上文提及的“3K宇宙微波背景輻射”則是大爆炸理論的第四大支柱，也是最有力的支柱。這是20世紀(jì)60年代，2位無線電工程師在無意中發(fā)現(xiàn)的，他們發(fā)現(xiàn)天空中存在著微波輻射，且在任何方向都存在，這是天空背景的輻射。其實(shí)，這是138億年前宇宙大爆炸留下的余暉，也就是所謂的“3K宇宙微波背景輻射”。

宇宙從哪里來的？首先，這是高深的哲學(xué);其次，這是高深的科學(xué)。天文學(xué)家需要解決這個問題，于是提出了宇宙大爆炸理論，這個理論總是讓局外人覺得好奇和好笑。但是，經(jīng)過了50多年的風(fēng)風(fēng)雨雨，天文學(xué)家的很多發(fā)現(xiàn)組合在一起，讓宇宙大爆炸理論有了4個堅強(qiáng)的支柱，它不再是猜測，而成為真正的科學(xué)。

諾貝爾物理學(xué)獎與大爆炸

科學(xué)是什么？科學(xué)是人們探索的過程，它分為兩個部分：一部分是理論，另一部分是實(shí)踐。諾貝爾獎也頒發(fā)給兩類人：一部分頒發(fā)給提出理論的人，另一部分則獎勵證明理論的人。但作為宇宙大爆炸理論最早的奠基人，愛因斯坦卻沒有因此得獎。

當(dāng)諾貝爾物理學(xué)獎一個個地頒發(fā)出來之時，許多人都提議給愛因斯坦頒獎，但諾貝爾獎組委會保持著冷靜的心態(tài)，他們認(rèn)為宇宙大爆炸理論有點(diǎn)不可思議。然而，隨著天文學(xué)的發(fā)展，越來越多的觀測證據(jù)出現(xiàn)，他們也開始動搖了，把這最著名的科學(xué)獎項(xiàng)頒發(fā)給了對宇宙大爆炸理論作出貢獻(xiàn)的卓越人士。迄今已經(jīng)有多個諾貝爾物理學(xué)獎跟宇宙大爆炸理論有關(guān)。

比如，1964年，“3K宇宙微波背景輻射”被阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)歷了十幾年的技術(shù)考驗(yàn)之后，2位發(fā)現(xiàn)者在1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

在宇宙微波背景輻射發(fā)現(xiàn)之后，還需要有人作進(jìn)一步的理論解釋。1977年，美國科學(xué)家喬治·斯穆特發(fā)表了題為《宇宙微波背景輻射的黑體形式和各向異性》的論文，并因此與約翰·馬瑟分享了2006年諾貝爾物理學(xué)獎。

又如，在觀測遙遠(yuǎn)的超新星時，可以發(fā)現(xiàn)具有相同爆炸能量的超新星，由于距離地球的遠(yuǎn)近不同，亮度也不一樣。這導(dǎo)致了進(jìn)一步的結(jié)論產(chǎn)生——宇宙還在加速膨脹中。這項(xiàng)成果的取得者亞當(dāng)·里斯也在2011年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。

再如，恒星的演化不僅證明了宇宙大爆炸理論，還誕生了引力波這個概念。2017年，對探測引力波作出貢獻(xiàn)的3位科學(xué)家也因此獲得了諾貝爾獎。2019年，又一個諾貝爾物理獎頒發(fā)給了研究宇宙大爆炸的科學(xué)家吉姆·皮布爾斯，他幫助建立了現(xiàn)代宇宙演化的標(biāo)準(zhǔn)模型，其工作涉及到大爆炸理論的各個方面，豐富了宇宙大爆炸的理論。

當(dāng)影響巨大的諾貝爾獎頒發(fā)的時候，會把全世界的目光吸引過來，這也進(jìn)一步推動了宇宙大爆炸理論走向普通民眾，讓人們逐漸理解了大爆炸是怎么回事，讓這個大膽的猜想走向科學(xué)。

回望宇宙大爆炸理論剛誕生的時候，證據(jù)少得可憐，但是隨著探天利器的發(fā)展，僅僅經(jīng)過了50多年，它就已經(jīng)成為了一個廣受認(rèn)可的理論，甚至可以說成為了真理。今后，還會有更多關(guān)于大爆炸方面的觀測者或者理論科學(xué)家獲獎，比如原初引力波，第一代恒星發(fā)出的光芒等都是可能獲得諾貝爾獎的科學(xué)項(xiàng)目，它們會像宇宙大爆炸那樣，讓宇宙大爆炸理論迅速傳播，廣為人知。