宇宙起源：大爆炸模型与宇宙元素丰度

很长时间里，星云理论统治着宇宙起源理论，而现在，宇宙起源于“大爆炸”已经被很多人所接受，虽然到现在人们依然不知道引发大爆炸的导火线是被“谁”点燃的。在中央电视台播放的有关地球宇宙起源的科普片里，也绘声绘色地演示了想象中的大爆炸情景。大爆炸模型作为解释宇宙起源的系统化理论已经被天文学家普遍接受，并被许多媒体引用且被写进教科书中。

大爆炸模型

据说大爆炸理论是一个喜欢物理学的比利时天主教堂的主教乔吉斯·勒梅特提出来的。1927年，乔吉斯·勒梅特获得了麻省理工学院哲学博士学位。也是这一年，乔吉斯·勒梅特根据爱因斯坦的相对论提出，宇宙在任何方向和任何地方都是均匀膨胀的，他认为宇宙是由一个包含所有物质的原始物质团爆炸而形成的。埃德温·哈勃随后发现的宇宙膨胀现象支持了大爆炸宇宙模式。哈勃发现遥远的星系都在从各个方向上快速离开而不是接近地球。这就是哈勃在1929年发现的宇宙膨胀，促使许多科学家思考那个能产生足够的能量引发宇宙膨胀的初始爆炸。

到了1940年前后，天文物理学家开始对引发宇宙大爆炸的初始爆炸进行研究。他们为此提出的理论是：大爆炸发生后产生的等离子体的温度应该比现存任何恒星内部温度都高，而随着时间的推移，它应该慢慢冷却，逐渐向所谓的“绝对零度”靠拢，就像一堆已经熄灭的篝火那样，灰烬中还残留着余温。这就是被称为“微波背景辐射”的理论，意味着离我们越远的宇宙深处，宇宙背景温度应该越高。不过，“微波背景辐射”理论在出现时根本不被当时的天文学家和物理学家所关注，因为在他们看来，所谓大爆炸理论形同儿戏，在重视拿到第一手数据的他们看来，是没有办法测量或证实微波背景辐射的存在的。

射电望远镜

到了1965年，事情出现了意外转机：贝尔实验室的的科学家宣布他们在为通信卫星开发接收机的时候偶然发现，探测到了微波背景辐射发出连续的“嘶嘶”声。大爆炸理论在1965年前由于未经验证而颇受质疑，但现在终于有证据表明可能是由大爆炸遗留下来的残余辐射确实存在。于是许多知名科学家都纷纷投入到大爆炸研究队伍中来，也就不断发现了更多证据支持大爆炸理论。

由于微波背景辐射在大爆炸理论中的地位尤为重要，1989年美国国家航空航天局（NASA）甚至专门发射了一颗微波卫星用于测量这种“宇宙背景”。微波背景辐射探测器（COBE）希望能探测到宇宙大爆炸后50万年的微波背景辐射，此时宇宙冷却到足以使物质开始形成，并辐射出光。COBE没有辜负天文学家的期望，卫星探测数据证实了宇宙背景辐射确实是各向同性的，温度接近3开（2.276开）。天文学家还发现这种辐射与所期望的黑体谱相吻合的精度令人惊讶。

背景辐射

到了1992年，一张根据COBE搜集的数据绘制的全天空星图也证实了另一个预测：大爆炸后冷却的气体形成的物质最终会汇聚成团，形成包含恒星的星系，这也符合早期宇宙的微观量子波动必然扰乱物质均匀分布的理论。打个比喻来说，宇宙好像是一锅稍微带一些疙瘩的勾了点芡的肉汤——大家知道，当淀粉没有完全搅匀就倒在锅里，就难免出现团块，即使很少也显得很突出。美国物理学家汉斯·贝特在1939年指出，重元素能在恒星中合成。这些元素是组成恒星和我们人体的成分，但只占整个宇宙质量的2%，其余是由75%的氢和23%的氦以及少量锂元素组成的。这些轻元素是在大爆炸时形成的。“熔化”在恒星“熔炉”中的重元素最终将被抛入宇宙空间，就是这些重元素成为宇宙固体物质凝聚的“种子”。最年老的恒星所保持轻元素很少，因为恒星越老它们向宇宙空间中抛射物质的时间也最长。元素在宇宙中的分布称为“宇宙元素丰度”，这是符合宇宙大爆炸理论的。

至此似乎已经可以得出结论：宇宙大爆炸理论是正确的。在科学家进行了大量验证后，这个理论被认为是可以成立的。不过，大多数天文学家在接受大爆炸理论的同时，也意识到大爆炸理论所存在的一些疑问，这些疑问有的以至于危及到大爆炸理论本身的正确性。

如佛瑞德·霍伊尔就是大爆炸理论的主要反对者。1948年，佛瑞德·霍伊尔、赫尔曼·邦迪和托马斯·戈尔德一起，提出了称之为“稳恒态”的理论。按照“稳恒态”宇宙发生理论，宇宙的实际年龄要比我们所知道的要大得多，宇宙似乎是一直存在并且将永远存在的。一个又一个星系会诞生、成长、死亡，而新星系将不断从死亡星系的灰烬中诞生，但宇宙的总质量将维持守恒。这样说来，地球上的人可以观测到的即使是最古老的星系，在一个更大范围来说实际上也是相当年轻的。(www.xing528.com)

不过，霍伊尔的理论本身也不是十全十美，例如他利用了修改后的宇宙常数。宇宙常数是爱因斯坦为了证明宇宙是不变的而在他的相对论中引入的一个数学因数。早在1929年，埃德温·哈勃在研究中就发现遥远星系的光谱是向红端移动的，称之为“红移”，他因此得出结论：星系随着宇宙的膨胀而以很快的速度彼此分离。这表明宇宙并非不变，爱因斯坦的宇宙常数也就不是必要的了，连爱因斯坦也把引入宇宙常数视为他一生中所犯的最大的错误。

射电望远镜

宇宙常数遭到大多数物理学家的反对。1965年微波背景辐射发现后，霍伊尔的稳恒态理论似乎该淘汰了。但是霍伊尔并不甘心，他认为可能在他的理论中确实出现了一些小问题，但大爆炸理论问题更大。事实上，大爆炸理论也遭遇了新问题。有一个问题是物理学家所熟知的，那就是早期宇宙并不符合现在盛行的物理定律。至少大爆炸后50万年，宇宙还没有足够冷却以使物质形成和光的释放。大爆炸理论家不得不假设初始宇宙是一个奇点。霍伊尔和他的追随者大肆指责这种观点，他们嘲讽道：“你们与其发现一些东西把大爆炸理论弄得一团糟，不如怀疑这个理论本身的正确性。”

1990年，霍伊尔开始取得一些新进展。他的一个追随者——德国马克斯·普朗克工学院的美国天文学家霍尔顿·阿尔普指出，有许多红移的观测值与它们的实际距离并不相符。这是一个很严肃的问题，如果红移并非是宇宙膨胀速度的可靠指示器，这将给宇宙大爆炸理论带来致命一击。也许星系并没有分离得那么快，那么，将没有必要用大爆炸来解释驱使它们运动的力量。阿尔普在1991年更进一步说：“这泄露了一个大秘密，那就是这些具有决定性作用的天体被人故意忽略了，争论受到了压制。”

关于宇宙大爆炸理论，有一个无法验证但也是最重要的新观点是突如其来的猛烈扩张，这是艾伦·古斯在1981年提出来的。他认为，在宇宙大爆炸后的最初“一秒钟”内，宇宙突然膨胀，膨胀的速度远远大于现在宇宙的膨胀速度，就像一个针尖大小的东西在一段极短暂时间内突然膨胀成一个橘子或一个垒球大小。这在数学上是难以置信的：增长的体积是10的50次方，也就是1的后面接50个0。经历这个突然暴涨后，宇宙放慢脚步开始以现在看来是正常的速度膨胀。

暴涨理论的出现，驱散了压在宇宙大爆炸理论上空的乌云，因而广受欢迎。它解决了很多问题，其中有一个问题是关于平直宇宙的。物理学家认为宇宙要么开放，即它将沿着一定的曲面永远膨胀；要么封闭，即引力最终会把它拉回来，也许终结于一种产生大爆炸的原始原子。但是没有可观测的信息证明宇宙究竟是开放的还是封闭的，种种迹象表明实际情况似乎是在这两种可能性之间平衡。这种状况被描述为平直宇宙，因为平均时空曲率为零，是一个平直轨道。

艾伦·古斯的暴涨理论指出：不要老是把暴涨描述成针尖变成橘子，应该把暴涨想象成吹气球，气球膨胀得越大，其表面就越平坦。因为在一瞬间发生了宇宙暴涨，实际上造成了平坦效应。按照他的理论预测，这种快速膨胀必然会产生许多单独的“泡泡”，这些“泡泡”的壁应该是很明显的，但实际上并非如此。最后，古斯还是发表了他的理论，他希望全世界的其他宇宙学家应该有足够的兴趣去解决这个问题。俄罗斯物理学家安德烈·林德是第一个给出答案的，随后其他人也得到了答案。他从数学上证明“泡泡”（后被重新命名为“区域”）能单独产生。更有甚者，我们已知的宇宙仅仅占据一个“区域”的十亿甚至万亿分之一。“泡泡”之间相距如此遥远，以至于我们永远别想观测得到。就像暴涨理论一样，泡泡域理论在大多数宇宙学家中受到狂热的支持，包括斯蒂芬·霍金。泡泡域理论尽管无法验证，但是它解决了同样无法验证的暴涨理论的一些问题：暴涨理论不仅解释了宇宙的平直问题，而且克服了大爆炸理论的一些不足，包括宇宙中物质分布的各向同性——暴涨的瞬间就像一种宇宙搅拌器的行为。对一些像霍尔顿·阿尔普和佛瑞德·霍伊尔之类的批评家来说，这远远不能令人满意，不管数学上是如何优雅，理论与理论的吻合是如此天衣无缝。但是批评者毕竟是少数，尽管更多的物理学家接受大爆炸理论和暴涨理论的方方面面有困难，但是他们愿意去挑战一些小问题而不是嘲笑整个理论。

目前，大爆炸理论成为解释我们的宇宙起源的最好理论。应该强调，别忘了另外的永远位于我们视野之外的“区域”。哈勃望远镜等深度宇宙探测技术和高速计算机技术的发展，使我们的视野更加开阔深远。量子物理实验深入到亚原子粒子的奇异世界的时候，人们所得到的知识似乎都在不断地支持大爆炸理论。一些人包括斯蒂芬·霍金乐观地认为，我们可能正在接近对整个宇宙的了解，大统一理论出现的时候也许为期不远了。最后我们不得不提醒大家，即使在大爆炸理论的拥护者中，也不乏怀疑者。我们对宇宙的了解依然仅仅是开始，也许在人类存在的时间里，永远也不会解开宇宙形成之谜。

所以，尽管大爆炸理论已经称为标准理论，但它还不是一个真理。