第1章 科学(1)

宇宙大爆炸的50年

文/赵洋

2014年3月17日，美国科学家宣布他们首次探测到了宇宙大爆炸后形成的引力波，这一发现对了解宇宙如何诞生具有里程碑式的意义。曾在1980年提出宇宙暴涨概念的理论物理学家、麻省理工学院教授艾伦·古思称，这一最新研究“绝对有资格获得诺贝尔奖”——它有助于证明宇宙诞生于138亿年前的一次大爆炸。

最早的宇宙学说

宇宙大爆炸学说是目前公认的宇宙起源的“标准学说”。人类对于宇宙从何而来的好奇心古已有之。从东方的盘古开天地到西方的上帝七天创造世界，各民族关于宇宙起源的传说如出一辙，即都是由超自然的力量“建造”了宇宙。

不单是对宇宙起源的猜测相似，各民族对宇宙结构的最初看法也是惊人的相同。这从三个文明古国对宇宙结构的猜测就可以看出：

古巴比伦人生活于四千年前的两河流域，他们认为宇宙是一个密封的箱子或小房间，大地是它的底板，底板中央矗立着冰雪覆盖的区域，幼发拉底河就发源于这些区域中间。大地四周有水环绕，水之外还有天山，以支撑蔚蓝色的天穹。

古埃及人在尼罗河两岸生活，他们心目中的宇宙大体上和古巴比伦人相仿。他们认为宇宙是一个方盒子，南北的长度较长，底面是凹下去的，埃及就处于凹陷的中心。天是一块平坦的或弧形的天花板，四方有四根天柱，即支撑的山峰，星星是用链条悬挂在天上的灯。在方盒子的边沿，环绕着一条大河，河上有一艘船载着太阳往来。尼罗河是这条河的支流。显然，这个宇宙模型受当地地貌的影响很深。

中国古代占主导地位的宇宙模型是“浑天说”。发明地动仪的张衡是它的主要拥护者。“浑天说”认为，天好像一个鸡蛋壳笼罩在一片汪洋之上，陆地似蛋黄，浮在蛋清般的水中，恰好位于天的正下方。但是，蛋壳和蛋黄的比喻只是为了说明天与地的位置关系，古人可没有把脚下的大地看成是球形的。尽管唐代天文学家一行在大地测量中曾发现用“地平说”解释不了的事实，可惜他没敢怀疑“浑天说”。

从上面的例子可以看出，古人并不区分天地与宇宙，他们以为日月星辰是天空的一部分。比如，他们都认为大地是平坦静止的，天空由极高的山峰支撑着，日月星辰在天空中运动。这种天地宇宙观是人类早期游牧生活的反映，那时人们住在帐篷里，他们想当然地认为宇宙的结构和帐篷是一样的。在这里，人们按照自己的居所造出了心目中的宇宙，就好像按照自己的形象创造神的形象一样。

但是，这种地外有水、水外罩天的“地平说”是先天不足的。古人最搞不懂的是：大地的外面全是汪洋，那么太阳落山后岂不是要沉到水中熄灭了吗？再说，太阳昨天从西方落下，怎么今天早上又从东方升起？这一夜太阳到哪里去了？

中国古代还有人曾尝试用阴阳五行相生相克的观念解释这个问题，但并不成功。毕竟这个宇宙模型与现实的差距太远了。

“大爆炸”是个贬义词

自从哥白尼提出“日心说”以来，几代天文学家不断更新望远镜和天文理论，逐渐认识到不但太阳不是宇宙的中心，就连银河系也不是。银河系在本超星系团中也不过是个“小兄弟”，宇宙很可能没有中心。但宇宙总该有个开始，它始于何时呢？

爱因斯坦在20世纪初提出的狭义相对论和广义相对论，使人类对时间和空间本质的认识又前进了一大步。天文学家意识到，要想研究大尺度的天文现象，必须借助相对论这个工具。1927年，比利时天文学家勒梅特（此人同时也是天主教神父）发表了爱因斯坦引力场方程的一个严格解，并由此指出宇宙是在膨胀的。

不过，勒梅特只是在理论上指出了宇宙膨胀的可能性，证实宇宙膨胀的人是美国天文学家爱德温·哈勃。1925年，哈勃根据河外星系的形状对其分类，得出一个重要结论：星系看起来都在远离地球而去，且距离越远，远离速度越快。哈勃于1929年发表的这个初步结论后来被更多观测所证实，成为人们公认的“哈勃定律”（也叫“红移定律”）。

哈勃定律的重要意义在于，它表明宇宙并非如天文界以前所认为的那样是静止的。它显示出众多的河外星系就像一个膨胀气球上的斑点，随着膨胀而互相远离，而且这个过程已有100亿年至200亿年的历史。

1932年，勒梅特提出假说：既然宇宙一直在膨胀，那么反推回去，宇宙最初应该聚集在一个密度和温度极高的“原始原子”（也叫“宇宙蛋”）中，后来它发生四散的爆炸，才形成了今天的宇宙。勒梅特的成果一开始并未受到关注，直到更有名望的英国物理学家爱丁顿重视了这一成果，宇宙起源于“宇宙蛋”的假说才引起科学家们的普遍关注。

“大爆炸”是从英文名称Big Bang翻译过来的，直译的话应为“嘭的一大声”。1949年3月，英国天文学家弗雷德·霍伊尔参加了BBC的一次广播节目，在节目中，霍伊尔将宇宙从一个点爆炸产生的理论戏称为“这个大爆炸的观点”。这就是“大爆炸”一词的来源。其实，霍伊尔并不支持大爆炸理论。他是与大爆炸对立的宇宙学模型——稳恒态理论的倡导者，因为对大爆炸宇宙学说怀有敌意，所以他才起了这个颇有嘲讽之意的名字。但后来的观测事实却逐步确立了大爆炸宇宙学说的主导地位，犹如达尔文学说在生物学中的地位一样。

稳态还是动态？

尽管人们知道世间的一切都在运动中，只是到了哈勃发现红移定律后，动态宇宙的观念才进入人类的考量。人们甚至从来没有想过宇宙也会演化，即便牛顿和爱因斯坦也都主张宇宙是稳定的。

根据牛顿的万有引力定律，宇宙中的一切物质都会相互吸引。如果真是这样，所有的星球都会因相互吸引而聚在一起，不再有稳定的宇宙了。牛顿本人也同意这种观点，为此他辩解说：“如果恒星的数量是无限的，就不会聚集到一处，因为空间也是无限的，并没有一个可供聚集的‘中心点’。”

从广义相对论可以推导出，宇宙要么在膨胀，要么在收缩。为此，爱因斯坦在公式中加入了一个“宇宙常数”，使得计算出的宇宙既不膨胀，也不收缩，保持稳恒状态。后来，他把加入“宇宙常数”的举动称为自己“一生中最大的错误”。

1948年，奥地利天文学家邦迪和戈尔德提出一种理论，承认宇宙膨胀但否定大爆炸。后来霍伊尔发展了这个理论。霍伊尔认为，在星系散开的过程中，星系之间又形成新的星系；形成新星系的物质是“无中生有”的，而且运动的速度非常缓慢，用现在的技术无法测出。结论是，宇宙自始至终基本上保持着同一状态：过去宇宙是什么模样，未来宇宙仍是什么模样；宇宙既没有开始，也没有结束。这种理论被称为“连续创生论”，对应的宇宙模型是“稳恒态宇宙”。