大爆炸的觀測(cè)證據(jù)
對(duì)于生活在遙遠(yuǎn)的未來(lái)、居住在這個(gè)超星系里的天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，他們又將如何去演繹宇宙的歷史？想要探討這個(gè)問(wèn)題，我們必須先回顧一下，支撐我們目前的宇宙觀——大爆炸理論的幾大支柱。
第一個(gè)支柱是愛因斯坦的廣義相對(duì)論。在它出現(xiàn)之前的近300年里，牛頓理論一直是天文學(xué)幾乎所有分支的基礎(chǔ)。從地球到星系，不論在什么尺度下，牛頓理論都能準(zhǔn)確預(yù)言物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。但是，對(duì)于無(wú)窮大的物質(zhì)集合，牛頓理論就完全不適用了。廣義相對(duì)論突破了這個(gè)局限。1916年，愛因斯坦公布了廣義相對(duì)論，并且提出了一個(gè)包含宇宙學(xué)常數(shù)的簡(jiǎn)單方程，用來(lái)描述宇宙。此后不久，荷蘭物理學(xué)家威廉·德西特（Willem de Sitter）就求出了方程的一個(gè)解。德西特的結(jié)果似乎與當(dāng)時(shí)人們公認(rèn)的宇宙圖景完全一致：宇宙是被廣袤且永恒不變的虛空包圍著的一座宇宙島。
宇宙學(xué)家們很快意識(shí)到，這種永恒不變的靜止?fàn)顟B(tài)是一種誤解。事實(shí)上，德西特的宇宙會(huì)永遠(yuǎn)膨脹下去。比利時(shí)物理學(xué)家喬治·勒邁特（Georges Lema tre）后來(lái)證明，愛因斯坦的宇宙學(xué)方程預(yù)言，宇宙要么膨脹，要么收縮，無(wú)限、均勻、永恒不變的宇宙不可能存在。后來(lái)被人稱為“大爆炸”的理論，就是在這個(gè)觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。
第二個(gè)支柱出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家們觀測(cè)到了宇宙的膨脹。第一個(gè)為宇宙膨脹提供觀測(cè)證據(jù)的人，是美國(guó)天文學(xué)家維斯托·斯萊弗（Vesto Slipher），當(dāng)時(shí)他用恒星光譜測(cè)量了鄰近星系的速度。正在移向地球的恒星發(fā)出的光波會(huì)被壓縮，波長(zhǎng)變短，導(dǎo)致星光顏色向藍(lán)色端偏移（藍(lán)移）；正在遠(yuǎn)離我們的天體發(fā)出的光波則被拉伸，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，顏色向紅色端偏移（紅移）。通過(guò)測(cè)量遙遠(yuǎn)星系發(fā)出的光波是被壓縮還是拉伸，斯萊弗就能確定它們是在移向我們還是遠(yuǎn)離我們，還能測(cè)量它們的運(yùn)動(dòng)速度。（當(dāng)時(shí)的天文學(xué)家們甚至不能確定，這些今天被稱為“星系”的暗弱光斑，究竟是獨(dú)立的恒星集團(tuán)，還是銀河系中的氣體星云。）斯萊弗發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都正在遠(yuǎn)離我們而去。我們似乎處在一個(gè)膨脹宇宙的中心。
不過(guò)，我們通常并不把宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)歸功于斯萊弗，而是將功勞算在了美國(guó)天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的頭上。（不然就不會(huì)有哈勃空間望遠(yuǎn)鏡，而應(yīng)該是斯萊弗空間望遠(yuǎn)鏡了。）哈勃不僅測(cè)定了鄰近星系的速度，還測(cè)定了它們的距離。這些測(cè)量讓他得出了兩個(gè)重要的結(jié)論，足以說(shuō)明宇宙膨脹發(fā)現(xiàn)者的桂冠非他莫屬。第一，哈勃證明這些星系確實(shí)非常遙遠(yuǎn)，從而證明它們和我們所處的銀河系一樣，是獨(dú)立的恒星集團(tuán)。第二，他發(fā)現(xiàn)星系的距離與速度之間存在簡(jiǎn)單的對(duì)應(yīng)關(guān)系：星系的速度正比于它與我們之間的距離。也就是說(shuō)，一個(gè)星系到我們的距離是另一個(gè)的兩倍，那么它遠(yuǎn)離我們而去的速度也會(huì)是另一個(gè)星系的兩倍。距離與速度之間的這一關(guān)系，恰好是宇宙正在膨脹的標(biāo)志。哈勃的測(cè)量結(jié)果后來(lái)不斷得到修正，最近一次修正使用了遙遠(yuǎn)超新星的觀測(cè)數(shù)據(jù)——正是這次修正導(dǎo)致了暗能量的發(fā)現(xiàn)。
第三個(gè)支柱是宇宙微波背景中的黯淡光輝。這是美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson），在1965年追查射電干擾源時(shí)意外發(fā)現(xiàn)的。科學(xué)家們很快就意識(shí)到，這種輻射正是宇宙膨脹早期階段殘留下來(lái)的一種遺跡。它意味著宇宙最初是灼熱而致密的，后來(lái)才逐漸冷卻，變得越來(lái)越稀薄。
熾熱的早期宇宙還是核聚變的理想場(chǎng)所，這是大爆炸理論的最后一個(gè)觀測(cè)支柱。當(dāng)宇宙溫度高達(dá)10億到100億K時(shí)，較輕的原子核能夠聚變?yōu)檩^重的原子核，這個(gè)過(guò)程被稱為“大爆炸核合成”（big bang nucleosynthesis）。隨著宇宙的膨脹，溫度會(huì)迅速下降，因此核合成只能持續(xù)短短幾分鐘，聚變也只能發(fā)生在最輕的幾種元素之間。宇宙中的大部分氦和氘都是在那個(gè)時(shí)候形成的。天文學(xué)家對(duì)宇宙中氦和氘豐度的測(cè)量結(jié)果，與大爆炸核合成的理論預(yù)言吻合。核合成還準(zhǔn)確預(yù)言了宇宙中質(zhì)子和中子的豐度，為大爆炸理論提供了進(jìn)一步的證據(jù)。
