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宇宙的起源是什麽?

很長時間裏,星雲理論統治著宇宙起源理論,而現在,宇宙起源於“大爆炸”已經被很多人所接受,雖然到現在人們依然不知道引發大爆炸的導火線是被“誰”點燃的。在中央電視臺播放的有關地球宇宙起源的科普片裏,也繪聲繪色地演示了想象中的大爆炸情景。大爆炸模型作為解釋宇宙起源的系統化理論已經被天文學家普遍接受,並被許多媒體引用且被寫進教科書中。

據說大爆炸理論是壹個喜歡物理學的比利時天主教堂的主教喬吉斯·勒梅特提出來的。1927年,喬吉斯·勒梅特獲得了麻省理工學院哲學博士學位。也是這壹年,喬吉斯·勒梅特根據愛因斯坦的相對論提出,宇宙在任何方向和任何地方都是均勻膨脹的,他認為宇宙是由壹個包含所有物質的原始物質團爆炸而形成的。埃德溫·哈勃隨後發現的宇宙膨脹現象支持了大爆炸宇宙模式。哈勃發現遙遠的星系都在從各個方向上快速離開而不是接近地球。這就是哈勃在1929年發現的宇宙膨脹,促使許多科學家思考那個能產生足夠的能量引發宇宙膨脹的初始爆炸。

到了1940年前後,天文物理學家開始對引發宇宙大爆炸的初始爆炸進行研究。他們為此提出的理論是:大爆炸發生後產生的等離子體的溫度應該比現存任何恒星內部溫度都高,而隨著時間的推移,它應該慢慢冷卻,逐漸向所謂的“絕對零度”靠攏,就像壹堆已經熄滅的篝火那樣,灰燼中還殘留著余溫。這就是被稱為“微波背景輻射”的理論,意味著離我們越遠的宇宙深處,宇宙背景溫度應該越高。不過,“微波背景輻射”理論在出現時根本不被當時的天文學家和物理學家所關註,因為在他們看來,所謂大爆炸理論形同兒戲,在重視拿到第壹手數據的他們看來,是沒有辦法測量或證實微波背景輻射的存在的。

到了1965年,事情出現了意外轉機:貝爾實驗室的科學家宣布他們在為通信衛星開發接收機的時候偶然發現,探測到了微波背景輻射發出連續的“嘶嘶”聲。大爆炸理論在1965年前由於未經驗證而頗受質疑,但現在終於有證據表明可能是由大爆炸遺留下來的殘余輻射確實存在。於是許多知名科學家都紛紛投入到大爆炸研究隊伍中來,也就不斷發現了更多證據支持大爆炸理論。

由於微波背景輻射在大爆炸理論中的地位尤為重要,1989年美國國家航空航天局(NASA)甚至專門發射了壹顆微波衛星用於測量這種“宇宙背景”。微波背景輻射探測器(COBE)希望能探測到宇宙大爆炸後50萬年的微波背景輻射,此時宇宙冷卻到足以使物質開始形成,並輻射出光。COBE沒有辜負天文學家的期望,衛星探測數據證實了宇宙背景輻射確實是各向同性的,溫度接近3開(2.276開)。天文學家還發現這種輻射與所期望的黑體譜相吻合的精度令人驚訝。

到了1992年,壹張根據COBE搜集的數據繪制的全天空星圖也證實了另壹個預測:大爆炸後冷卻的氣體形成的物質最終會匯聚成團,形成包含恒星的星系,這也符合早期宇宙的微觀量子波動必然擾亂物質均勻分布的理論。打個比喻來說,宇宙好像是壹鍋稍微帶壹些疙瘩的勾了點芡的肉湯——大家知道,當澱粉沒有完全攪勻就倒在鍋裏,就難免出現團塊,即使很少也顯得很突出。美國物理學家漢斯·貝特在1939年指出,重元素能在恒星中合成。這些元素是組成恒星和我們人體的成分,但只占整個宇宙質量的2%,其余是由75%的氫和23%的氦以及少量鋰元素組成的。這些輕元素是在大爆炸時形成的。“熔化”在恒星“熔爐”中的重元素最終將被拋入宇宙空間,就是這些重元素成為宇宙固體物質凝聚的“種子”。最年老的恒星所保持輕元素很少,因為恒星越老它們向宇宙空間中拋射物質的時間也最長。元素在宇宙中的分布稱為“宇宙元素豐度”,這是符合宇宙大爆炸理論的。

至此似乎已經可以得出結論:宇宙大爆炸理論是正確的。在科學家進行了大量驗證後,這個理論被認為是可以成立的。不過,大多數天文學家在接受大爆炸理論的同時,也意識到大爆炸理論所存在的壹些疑問,這些疑問有的以至於危及到大爆炸理論本身的正確性。

如佛瑞德·霍伊爾就是大爆炸理論的主要反對者。1948年,佛瑞德·霍伊爾、赫爾曼·邦迪和托馬斯·戈爾德壹起,提出了稱之為“穩恒態”的理論。按照“穩恒態”宇宙發生理論,宇宙的實際年齡要比我們所知道的要大得多,宇宙似乎是壹直存在並且將永遠存在的。壹個又壹個星系會誕生、成長、死亡,而新星系將不斷從死亡星系的灰燼中誕生,但宇宙的總質量將維持守恒。這樣說來,地球上的人可以觀測到的即使是最古老的星系,在壹個更大範圍來說實際上也是相當年輕的。

不過,霍伊爾的理論本身也不是十全十美,例如他利用了修改後的宇宙常數。宇宙常數是愛因斯坦為了證明宇宙是不變的而在他的相對論中引入的壹個數學因數。早在1929年,埃德溫·哈勃在研究中就發現遙遠星系的光譜是向紅端移動的,稱之為“紅移”,他因此得出結論:星系隨著宇宙的膨脹而以很快的速度彼此分離。這表明宇宙並非不變,愛因斯坦的宇宙常數也就不是必要的了,連愛因斯坦也把引入宇宙常數視為他壹生中所犯的最大的錯誤。

宇宙常數遭到大多數物理學家的反對。1965年微波背景輻射發現後,霍伊爾的穩恒態理論似乎該淘汰了。但是霍伊爾並不甘心,他認為可能在他的理論中確實出現了壹些小問題,但大爆炸理論問題更大。事實上,大爆炸理論也遭遇了新問題。有壹個問題是物理學家所熟知的,那就是早期宇宙並不符合現在盛行的物理定律。至少大爆炸後50萬年,宇宙還沒有足夠冷卻以使物質形成和光的釋放。大爆炸理論家不得不假設初始宇宙是壹個奇點。霍伊爾和他的追隨者大肆指責這種觀點,他們嘲諷道:“妳們與其發現壹些東西把大爆炸理論弄得壹團糟,不如懷疑這個理論本身的正確性。”

1990年,霍伊爾開始取得壹些新進展。他的壹個追隨者——德國馬克斯·普朗克工學院的美國天文學家霍爾頓·阿爾普指出,有許多紅移的觀測值與它們的實際距離並不相符。這是壹個很嚴肅的問題,如果紅移並非是宇宙膨脹速度的可靠指示器,這將給宇宙大爆炸理論帶來致命壹擊。也許星系並沒有分離得那麽快,那麽,將沒有必要用大爆炸來解釋驅使它們運動的力量。阿爾普在1991年更進壹步說:“這泄露了壹個大秘密,那就是這些具有決定性作用的天體被人故意忽略了,爭論受到了壓制。”

關於宇宙大爆炸理論,有壹個無法驗證但也是最重要的新觀點是突如其來的猛烈擴張,這是艾倫·古斯在1981年提出來的。他認為,在宇宙大爆炸後的最初“壹秒鐘”內,宇宙突然膨脹,膨脹的速度遠遠大於現在宇宙的膨脹速度,就像壹個針尖大小的東西在壹段極短暫時間內突然膨脹成壹個橘子或壹個壘球大小。這在數學上是難以置信的:增長的體積是10的50次方,也就是1的後面接50個0。經歷這個突然暴漲後,宇宙放慢腳步開始以現在看來是正常的速度膨脹。

暴漲理論的出現,驅散了壓在宇宙大爆炸理論上空的烏雲,因而廣受歡迎。它解決了很多問題,其中有壹個問題是關於平直宇宙的。物理學家認為宇宙要麽開放,即它將沿著壹定的曲面永遠膨脹;要麽封閉,即引力最終會把它拉回來,也許終結於壹種產生大爆炸的原始原子。但是沒有可觀測的信息證明宇宙究竟是開放的還是封閉的,種種跡象表明實際情況似乎是在這兩種可能性之間平衡。這種狀況被描述為平直宇宙,因為平均時空曲率為零,是壹個平直軌道。

艾倫·古斯的暴漲理論指出:不要老是把暴漲描述成針尖變成橘子,應該把暴漲想象成吹氣球,氣球膨脹得越大,其表面就越平坦。因為在壹瞬間發生了宇宙暴漲,實際上造成了平坦效應。按照他的理論預測,這種快速膨脹必然會產生許多單獨的“泡泡”,這些“泡泡”的壁應該是很明顯的,但實際上並非如此。最後,古斯還是發表了他的理論,他希望全世界的其他宇宙學家應該有足夠的興趣去解決這個問題。俄羅斯物理學家安德烈·林德是第壹個給出答案的,隨後其他人也得到了答案。他從數學上證明“泡泡”(後被重新命名為“區域”)能單獨產生。更有甚者,我們已知的宇宙僅僅占據壹個“區域”的十億甚至萬億分之壹。“泡泡”之間相距如此遙遠,以至於我們永遠別想觀測得到。就像暴漲理論壹樣,泡泡域理論在大多數宇宙學家中受到狂熱的支持,包括斯蒂芬·霍金。泡泡域理論盡管無法驗證,但是它解決了同樣無法驗證的暴漲理論的壹些問題:暴漲理論不僅解釋了宇宙的平直問題,而且克服了大爆炸理論的壹些不足,包括宇宙中物質分布的各向同性——暴漲的瞬間就像壹種宇宙攪拌器的行為。對壹些像霍爾頓·阿爾普和佛瑞德·霍伊爾之類的批評家來說,這遠遠不能令人滿意,不管數學上是如何優雅,理論與理論的吻合是如此天衣無縫。但是批評者畢竟是少數,盡管更多的物理學家接受大爆炸理論和暴漲理論的方方面面有困難,但是他們願意去挑戰壹些小問題而不是嘲笑整個理論。

目前,大爆炸理論成為解釋我們的宇宙起源的最好理論。應該強調,別忘了另外的永遠位於我們視野之外的“區域”。哈勃望遠鏡等深度宇宙探測技術和高速計算機技術的發展,使我們的視野更加開闊深遠。量子物理實驗深入到亞原子粒子的奇異世界的時候,人們所得到的知識似乎都在不斷地支持大爆炸理論。壹些人包括斯蒂芬·霍金樂觀地認為,我們可能正在接近對整個宇宙的了解,大統壹理論出現的時候也許為期不遠了。最後我們不得不提醒大家,即使在大爆炸理論的擁護者中,也不乏懷疑者。我們對宇宙的了解依然僅僅是開始,也許在人類存在的時間裏,永遠也不會解開宇宙形成之謎。

所以,盡管大爆炸理論已經稱為標準理論,但它還不是壹個真理。

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