宇宙大爆炸理論簡介

一、經典的宇宙觀念我們從哪裡來？宇宙是什麼樣的？這自有人類以來的永恆疑問。從西方的海龜馱大陸，到中國的天圓地方，誕生了遠古的神話和宗教。托勒密的天球模型認為地球是宇宙的中心，天上的太陽和其他行星繞著地球在不同層次的同心球面上運行，最高層的星星們則保持不動。這是個粗糙但有效的宇宙模型，更關鍵的是，符合基督教關於人間和天堂的描述。現代天文學的開創要從哥白尼等算起，藉助更先進的光學望遠鏡，伽利略終於發現地球並非宇宙中心，地球和其他行星是圍繞著太陽運轉的。再到十七世紀，開普勒、胡克等人繼續為太陽系勾勒大概的輪廓。最終偉大的牛頓建立了完美的經典力學大廈，其在天文學中的威望在發現冥王星後達到頂峰。那時人們確信宇宙間所有的規律都已發現殆盡，所有星系的運動都可納入牛頓力學的體系中。這一時期人們相信宇宙是無限廣大和永恆的存在，也許這使人有某種安全感。但是用牛頓力學解釋宇宙有個致命的疑問，如果萬有引力是正確的，為什麼星系不會因為萬有引力聚攏到一起？無論宇宙有沒有一個中心，只要時間足夠長，星系總會慢慢靠攏，最後碰撞、毀滅。這給現代天文學提出了挑戰，但是即使是當時最具有革命精神的人，也無法想像今後的顛覆性的發現。二、現代天文學的武器我們如何能得知太陽和遙遠星星的信息？量子力學揭示了原子的內部結構，電子在固定的能級間跳躍，發出特定頻率的光，進而可以預知各種元素的光譜。太陽也發光，將太陽光譜與地球上已知的元素光譜對照，我們可以知道太陽主要是氫、氦等氣體組成，太陽就是一個大氣球。用同樣的方法觀察遙遠的星光，天文學家發現，其光譜和太陽幾乎完全一樣，這說明天上那些黯淡的星星，每一顆都是和我們太陽一樣的恆星。行星的發現更困難一些，太陽系中的其他行星會被太陽照亮，但是遙遠的星系中連恆星的光芒都那麼黯淡，行星根本看不見。那怎麼辦呢？我們知道天體之間有萬有引力，儘管行星質量相對恆星要小，但其引力仍會使恆星軌道產生微小擾動，通過精確觀測恆星的位置，可以計算出是否有行星繞恆星公轉，具體有幾顆行星。由於要專門鎖定恆星觀測，目前發現的太陽系外的行星數量很稀少。科學家也希望發現環境與地球差不多的行星，也許其上能進化出類似地球的生命。知道漫天都是恆星，但它們距離我們有多遠呢？較近的天體可以用三角測距法測量，以地球圍繞太陽公轉的軌道直徑上兩點為三角形兩頂點，測量天體的視角差來計算天體的距離。這一方法用來測量太陽系內各行星與太陽的距離很方便，也可測量臨近我們的其他恆星。結果發現，距離我們最近的半人馬座的某顆恆星，也有數光年之遠。一光年是30萬公里/秒*3600秒*24小時*365天=94608億公里，而太陽到地球的距離才8光分。甚至大多數恆星用三角方法根本測不出來，說明其距離真是相當的遠。那更遠的恆星距離怎麼測呢？科學家發現一種特殊的星體叫「造父變星」，其發光強弱周期性變化，且周期與其絕對亮度有比例關係。在地球上測定其亮度變化周期，可以得到其絕對發光強度作為「標準燭光」，再與地球上觀察到的視覺亮度比較，由近亮遠暗的原理，可以推算它的距離。尋找遙遠星系中的造父變星，就可以知道星系的距離，由於造父變星的功勞，它又被稱為「量天尺」。用這種方法測知，銀河系的直徑約10萬光年，銀河系有約2000億顆恆星！恆星如此遙遠意味著我們每晚看到的銀河星光都是恆星數萬年前發出的光線，我們是真正生活在「歷史的天空下」。也是通過造父變星，20世紀20年代哈勃發現了仙女座河外星系。然而天上還有很多星團，極其黯淡，根本無法發現其中的造父變星。怎麼辦？可以用哈勃定律，紅移量和距離成正比來計算距離，這將在下面介紹。由此發現除銀河系外，還有數不清的河外星系，目前發現了的約有10億個河外星系！另外超新星也可以用於測距，也一併在下面介紹。總之通過現代科技，我們認識到宇宙的廣大，也更激起了探尋未知宇宙奧秘的熱情。三、哈勃的偉大發現——星系光譜紅移哈勃的發現揭開了大爆炸宇宙理論的巨大帷幕。前面說到觀察星光可以知道星星的成分和距離，但是它們怎樣運動呢？其側向運動可以直接觀察，但徑向運動由於離我們太遙遠，幾乎沒有可觀測的亮度變化。多普勒效應可以幫助我們。當我們站在馬路或鐵路邊，汽車或火車鳴笛經過，我們會先聽到尖銳的聲音，車離我們遠去時又聽到低沉的聲音。這是聲波的波長在傳播中由於聲源相對我們的運動而被壓縮或拉伸的結果，叫多普勒效應，我們用它來做汽車測速儀。同樣，光是一種電磁波，當恆星相對地球上的觀察者運動時，光的頻率也會改變。恆星如果向地球而來，則光頻上升，光波長向短波移動，稱為藍移。若恆星遠離地球而去，則光頻下降，光波長向長波移動，稱為紅移。測量恆星光譜的藍移或紅移量，可以知道恆星的運動方向和速度。如果宇宙是穩定的，按照猜想，恆星的運動應該是隨機的，遠離我們的恆星數目和向我們而來的恆星數目應該差不多，也就是說，觀測到的發生紅移和藍移的恆星數量應該差不多。結果哈勃的觀測表明，絕大多數恆星都發生紅移，而且距離越遠的恆星遠離的速度越快。這個發現非同小可，普遍的紅移表明周圍的星星都在離我們遠去，這似乎暗示地球又成了宇宙的中心了，其實不然。打個比方，就像氣球上任意兩個點，吹氣球時，隨著氣球的膨脹，氣球上任意兩個點間的距離會迅速拉大，但氣球上任意一點都不是中心。所以哈勃的發現告訴我們的是，所有星系都在遠離的事實表明，我們的宇宙正在膨脹，而非原先以為是穩恆的。如果宇宙現在正在膨脹，那麼沿時間回溯，以前宇宙肯定比現在小，則肯定有那麼一個時刻，宇宙中所有東西都聚集在一起，宇宙必然有個起點！四、大爆炸理論及其反對者大爆炸的猜想正式登台。這個起點，人們猜想宇宙起始於一個非常小的點（奇點），並在一次驚天動地的大爆炸中誕生，之後一直膨脹至今。有人肯定要問，那宇宙誕生之前有什麼？宇宙之外有什麼呢？大爆炸理論認為，這種問法是錯誤的。按照愛因斯坦的相對論，時間和空間是合為一體的四維時空，則大爆炸的奇異點既是空間的起始點，又是時間的起始點。宇宙包含一切，沒有宇宙之前，也沒有宇宙之外。從星系退行的速度和星系間的距離可以反推宇宙的年齡，現在的看法，宇宙年齡大概為140億年左右。任何新理論的出現都要遭到保守者的反對，也只有經受這些考驗，一個科學理論才能走向成熟。大爆炸理論也不例外，它提出之初，就不斷遭到多數物理學家的反對，認為太違背永恆宇宙的信仰。相反大爆炸理論受到羅馬教廷的歡迎，認為是上帝創造世界的間接證明。愛因斯坦也是穩恆宇宙的支持者，他為了得出了一個符合廣義相對論的穩恆態宇宙模型，不惜假設了一個宇宙常數產生斥力以抵消引力的影響。這個憑空假設的宇宙常數使整個理論顯得可疑。很多年後，當大爆炸理論最終被大家接受時，愛因斯坦稱這個假設是他一生中犯的最大錯誤。穩恆態宇宙理論另一個無法解釋的問題是，夜空為什麼這麼黑？什麼意思呢，如果宇宙永恆存在，按照目前觀察到的恆星分布的密度，夜晚的星光應該很亮很密集，夜空將亮如白晝，而實際上我們只看到稀疏的星光。有人反駁說遠處星星的光在傳播途中被星際塵埃吸收了，但如果宇宙永恆存在，經過足夠長的時間，塵埃總會被加熱到足夠熱，也會發光，天空應該還是很亮。大爆炸理論解釋說，由於宇宙膨脹得很快，恆星年齡也有限，目前遠處恆星的光線還沒來得及傳到地球上，所以我們看不到太多的星星。另一位穩恆宇宙的支持者質霍伊爾質疑大爆炸理論無法解釋構成我們宇宙的各種元素是如何形成的，他提出了一個恆星爐模型。在這個模型中恆星是個大氫氣球，在萬有引力作用下，氫氣聚集成恆星，恆星中心高溫高壓，氫原子在這裡發生核聚變反應生成氦，反應產生的壓力正好抵抗外有引力，產生的熱使恆星發光。在恆星老年，氦元素繼續聚變成氮、氧、硫，最終合成鐵。當核聚變燃料燒完時，質量較小的恆星會先膨脹成一顆紅巨星，再變成一顆黯淡的白矮星，主要由碳和氧構成，依靠電子簡併壓來抵抗萬有引力。而超過錢德拉塞卡極限（約1.38倍太陽質量）的恆星會死於一場劇烈爆炸，亮度急劇上升（太陽亮度的50億倍），此時的恆星稱為「超新星」，名字叫新星，其實是垂死的掙扎。根據史書記載，公元185年，中國人觀察到半人馬座超新星爆發，亮度超過金星（《後漢書》：「客星出南門中，大如半筵，五色喜怒，稍小，至後年六月消」），369年又發現仙后座超新星爆發，亮度超過木星，其後又分別在1006（《宋史》：「景德三年四月戊寅，周伯星見，出氐南，騎官西一度，狀如半月，有芒角，煌煌然可以鑒物，歷庫樓東」）、1054（《宋會要》：「至和元年五月己酉，出天關東南可數寸，歲余稍沒。」）和1604年觀察到豺狼座、金牛座和蛇夫座超新星爆發。恆星死亡時，將這些核聚變合成元素噴發出來，再經過凝結形成新的恆星或行星。地球也是在恆星爐中鍛造出來的，我們身上每個原子，都曾經是某顆恆星的一部分。行星被別的恆星俘獲，構成了包括我們太陽系在內的星系。超新星的結局為中子星或黑洞。由於萬有引力的壓力太大，超新星在短暫的爆發後朝中心「坍塌」，連電子都被擠壓到原子核中，電子與質子中和變成中子，整個星體變成一個挨一個的中子形成的中子星，其密度如此大，一調羹這種物質就比地球總質量大好多倍。某些中子星由於自傳和複雜的磁場作用，會周期性輻射高能射線脈衝，又稱為脈衝星。恆星爐模型非常好的解釋了構成行星的各種元素的由來，但沒法解釋形成恆星的氫是如何來的，而且按照這個理論的計算，宇宙中恆星爐產生的元素氦的丰度（就是所佔總物質的比例）沒有實際上觀察到的那麼大。霍伊爾又假設氫是持續不斷的從宇宙中創造出來的，這個憑空的假設和愛因斯坦的宇宙常數一樣缺乏依據。而大爆炸理論認為，氫和氦都是在宇宙誕生後極短時間內被製造出來的。《聖經——創世紀》中說「上帝說要有光，於是便有了光」。按照大爆炸理論，宇宙誕生之初，沒有物質，只有以輻射形式存在的能量。在宇宙早期極高的能量密度下，愛因斯坦著名的質能方程（E=mc2，原子彈和氫彈就是一丁點物質轉化成能量的結果）使得能量與物質間維持持續不斷的相互轉化，達到一種熱平衡，光子與核子間的比例約為10億比1。而且高溫下物質也表現得極像輻射，可以認為宇宙此時是一鍋炙熱的宇宙湯。具體來說，宇宙誕生1微秒後，隨宇宙膨脹，溫度下降到1萬億度，光開始轉化成最基本的物質，如電子正電子中子質子中微子等。3分鐘後，溫度下降到1千萬度左右，這時基本粒子開始結合形成最基本的原子核氫、氦以及少量的鋰，宇宙的基本成分從此固定了。但直到約38萬年之後，宇宙溫度變成1萬度時，原子核才能和電子結合形成原子。再往後，它們隨宇宙膨脹而分散，但相鄰的星雲又在引力作用下聚集、凝結成恆星，大約在宇宙誕生後10億年，宇宙中第一個星系形成，此時溫度已經下降到零下200度。150億年後的今天，溫度約零下270度，我們的太陽是第二或第三代恆星了。在這一模型下計算得到元素氦的丰度正和我們今天的觀測相符，從而霍伊爾的恆星爐理論反過來進一步支持了大爆炸理論。恆星爐模型還有更深刻的意義，在研究恆星演化過程中，彭羅斯發現約數倍於太陽質量的大質量恆星不可避免的要崩塌到一個奇點上去形成所謂的黑洞，將此過程的發生順序反過來就是一種爆炸。霍金將彭羅斯的結果應用在宇宙上，發現在廣義相對論下，宇宙必然誕生於一次唯一的奇點大爆炸。這樣宇宙大爆炸理論終於接近完善了。單單黑洞這個話題就值得開個專題來講。黑洞，顧名思義，就是某種不可見的空洞，最主要的性質是其引力如此之大，以至於光線都無法從中逃脫，空間彎曲為一個閉合曲面。在黑洞中一切已知的物理定律都失效，我們所能觀察到的實際上是不可觀察的事件的集合的邊界，即黑洞的視界。「黑洞無毛」，一切物質落入黑洞之後就喪失原有的信息，黑洞僅攜帶面積、質量、溫度、自轉等少數幾個可觀測量，這似乎違反熱力學第二定律——孤立系統熵增原理。然而黑洞有溫度和熵，即也有輻射，以一種奇怪的方式遵從熱力學第二定律，黑洞並非那麼黑的。物質被吸入黑洞過程中被加速及加熱，產生強烈輻射，以高能輻射噴流形式從黑洞轉軸方向噴射出來，據信可產生可觀測的伽瑪射線。即使黑洞附近空無一物，黑洞視界附近也會偶然產生虛實粒子對，具有負能量的粒子被黑洞吸收，正能量粒子逃離，從而使黑洞來起來有輻射，並損失能量。黑洞蒸發速度或輻射功率隨質量的增大而減小。大型黑洞質量可有太陽的一億倍，溫度甚至比宇宙微波背景輻射還低，故其蒸發小於吸收。銀河系中心被懷疑存在這樣的巨型黑洞，否則無法解釋銀河系本身自轉的速度為什麼這麼大。事實上，科學家甚至估計宇宙中黑洞的數量比恆星還多。某些微型黑洞可能產生於宇宙大爆炸初期偶然的高溫高壓環境下，稱為「太初黑洞」，它有很強的輻射，實際上是白熱的。最小的微型黑洞可能比原子還小。而一些中等大小的太初黑洞可能殘存到現在，並有可能通過伽瑪射線輻射觀察到。五、大爆炸的證據——宇宙微波背景輻射經過多個回合的較量，大爆炸理論逐漸佔了上風，然而還缺乏更直接的證據，物理不是宗教，需要切實的證明。前蘇聯物理學家伽莫夫（曾寫過廣受歡迎的相對論及量子論科普讀物《物理世界奇遇記》）相信，宇宙創生之初產生大量輻射，很多輻射轉化成了物質，但應該還有些輻射殘存下來，而且應該充斥整個宇宙空間，像是宇宙的背景一樣。如果能觀察到這種輻射，就可有力的證明大爆炸理論的正確性。由於宇宙的膨脹，這些大爆炸產生的背景輻射要在今天觀察到，其波長應強烈的紅移到微波波段，溫度冷卻到約3K。美國兩位科學家彭齊亞斯和威爾遜在調試貝爾實驗室的微波衛星通訊裝置時無意中發現了這個輻射，大爆炸理論由此得到多數宇宙學家的認同。好，如果宇宙是在某次大爆炸中形成的，那最初所有物質應該在空間中均勻分布著。那麼隨著宇宙膨脹，宇宙中物質的分布應該也是很均勻才對，但為什麼我們看到的宇宙這麼不均勻呢？有的地方星系密集，有的地方空空如也。哈勃太空望遠鏡繪製出的宇宙圖像進一步表明，宇宙存在著許多大尺度結構。星系的分布並非均勻，有長河和巨洞。有些地方，上百萬個星系聚集到一起形成巨大的星系團。這種大尺度的不均勻性是哪裡來的？大爆炸理論引入量子機制解釋這一問題。量子力學中一個基本規律是不確定性原理，物質的位置和速度不能同時精確測定，具有一定的隨機漲落。由於宇宙誕生自一個比原子還小的奇點，空間的局域導致量子漲落效應特別明顯，所以容易由隨機漲落形成一點點不均勻，進而在宇宙迅速膨脹過程中，這種不均勻保留下來，形成我們看到的大尺度不均勻結構。那麼又要問，證據在哪裡？1989年美國航空航天局（NASA）專門為此發射「科比」(COBE)衛星，全面探測了微波背景輻射在各個方向上的分布，繪製了宇宙早期的輻射圖像（宇宙蛋），真的發現了微小的輻射強度起伏分布，證明宇宙早期的確存在不均勻性，可形容為「宇宙的褶皺」。六、新的挑戰——暗物質、暗能量似乎理論已經相當完善，人們試著來回答幾個基本問題。首先，宇宙的形狀是什麼樣的？什麼叫宇宙的形狀？打個比方，一隻螞蟻在地球儀上爬，在它看來，地面是平的，但是我們站在三維空間里知道，地球儀錶面是彎曲的。如果螞蟻想要知道它所處的面是不是彎曲，可以在地球儀錶面畫個三角形，測量三角形內角和，如果恰好等於180度，則稱符合歐幾里德幾何，表面就是平的，如果不等於180度，則符合非歐幾何，表面是彎曲的。「物質告訴空間如何彎曲，空間告訴物質如何運動」。根據愛因斯坦的廣義相對論，引力可以使空間彎曲，就像人走在一個軟墊子上，人所處的位置總塌下去一塊。在大質量星體附近，我們可以看到這種空間彎曲的效應。廣義相對論被世界承認正是通過愛丁頓在某次全日食時觀測星光的偏移實驗。星系或星系團的質量比單個恆星要大得多，可使周圍使空間彎曲形成「引力透鏡」，星系背後的星光被重新聚焦，一顆星星可能形成多個像或弧形的像。當很大的質量聚集在小的空間中時，周圍的空間被彎曲得如此強烈，光線不能從中逃脫，這就是黑洞。如果考慮整個宇宙，空間形狀也可能是彎曲的，但是我們在三維空間中不能直觀感覺到這種彎曲，得想辦法測量。宇宙空間的形狀有開放、平直和閉合三種可能，取決於引力和膨脹速度之間的競爭。其中使引力恰好與膨脹速度平衡的臨界質量可以計算出來，大約是每立方米一個核子。那麼怎麼測量整個宇宙的形狀呢？也是靠測量廣大空間中的三角形內角和。測量不同方向上的宇宙微波背景輻射來確定三角形兩條邊，第三條邊靠背景輻射背景的不均勻性大小確定，背景的微小擾動以產生輻射時的聲速傳播，距今對應1度的觀測角。2001年MAP衛星最終測量結果發現我們的宇宙確實是剛好平直的。如何解釋？由此古思提出了「暴漲」理論，認為宇宙在誕生之初經歷了一個急速膨脹的過程，之後再以較慢的速度膨脹。暴漲理論能解釋平直空間、宇宙年齡等重大問題。宇宙開始的可能彎曲由於暴漲而拉平了，就像一個氣球越膨脹，氣球表面就越接近一個平面一樣。暴漲還可以解釋磁單極問題。宇宙誕生之初由於很高的能量密度，應產生大量磁單極，但目前地球上尚未觀察到。暴漲理論認為宇宙的劇烈膨脹使磁單極密度迅速變得稀疏，故地球上很難觀察到。既然已知我們的宇宙是平直的，那麼整個宇宙的質量密度應該正好在臨界值，然而把我們所能見的所有恆星行星星雲都包括在內，質量密度也遠遠不足以使宇宙呈平直形狀。由此推測，還有很多物質以某種觀察不到的方式存在，稱為「暗物質」。儘管不能直接看到暗物質，但它們通過引力與可見的星體作用，因此仍可估算其多少，目前認為，暗物質是可見物質質量的幾十倍。 然後，宇宙的年齡有多大？之前我們說到過，通過星系間的距離和星系退行速度，我們可以反推宇宙年齡，但是由於星系間引力作用更大，星系退行速度應該是一直在減小。綜合這些因素，由哈勃太空望遠鏡的數據計算得到宇宙的年齡約100億年。但當時已知一些大的星系團的年齡有120億年，這就導致宇宙年齡比宇宙中天體年齡還小，顯然是不可接受的。後來，通過對一些超紅移超新星的觀測發現，這些遙遠超行星的亮度比預期要暗，也就是說它們的距離比預期要遠，必須認為宇宙一直在加速膨脹才能解釋。宇宙的加速膨脹重新修正了宇宙年齡，約為140億年，這樣就不會與古老星系團的年齡相矛盾了。但這又帶來新的困難，什麼機制使宇宙加速膨脹？因此又提出由「暗能量」提供排斥力使宇宙膨脹，似乎愛因斯坦的宇宙常數又回來了。總結起來，我們所能觀察到的所有恆星行星星雲加在一起，不過占宇宙成分的5%，而暗物質佔25%左右。物質和暗物質加起來佔1/3，暗能量則佔2/3。宇宙的未來似乎並不樂觀，按照目前的理論，宇宙將會永遠加速膨脹下去，最終夜空中所有的星星都將消失，太陽系將成為宇宙中的孤島。看來大爆炸理論還有很多未解之謎。暗物質是什麼？暗能量又是什麼？黑洞內部發生了什麼？奇點是什麼？我們所知越多，未知也越多。在霍金等發展的量子引力論中，奇點可以理解為量子漲落，從而再次取消了上帝存在的必要性。在時間很精確的某一瞬間，能量突然漲落到產生整個宇宙，之後宇宙就按照大爆炸模型演化，直到在某顆藍色的星球上進化出生命我們。可能在我們的宇宙中也時時刻刻由於能量漲落在產生新的嬰兒宇宙，就像天空中漂浮著的熱氣球。那裡的物理規律和我們的世界完全不同。我們也許有可能觀察到這樣的宇宙存在。