宇宙出生於“大爆炸”
聰明的你肯定知道的對不對，但知道歸知道，你有沒有想過，是那個哥們提出來這個腦洞的，然後又用證據鏈證明了這個腦洞的。
要知道，科學屆就是證明個1+1=2都：（我們可以這樣證明"1+1 = 2"： 首先，可以推知： αε1 (∑x)(α={x}) βε2 (∑x)(∑y)(β={x,y}.&.~(x=y)) ξε1+1 (∑x)(∑y)(β={x}∪{y}.&.~(x=y)) 所以對於任意的集合γ，我們有 γε1+1 (∑x)(∑y)(γ={x}∪{y}.&.~(x=y)) (∑x)(∑y)(γ={x,y}.&.~(x=y)) γε2 根據集合論的外延公理(Axiom of Extension)，我們得到1+1 = 2）這公式完全看不懂。要是證明大爆炸腦洞，公式是不是要繞地球幾圈了。
大爆炸簡史
創世神
在大爆炸理論之前，從各民族的創世神話開始，到哥白尼的“日心說”震驚世界，人們對宇宙的認識不斷改進，但某種根本認識從來沒有改變，那就是宇宙是靜態的、永恆的，在時間上無始無終。這種共識或者叫公認的思維基礎，被稱為科學的範式。大爆炸理論卻認為宇宙是動態的、不斷演化的，認為時間和空間都有一個開始的點。大爆炸理論被逐漸證明和接受的過程，稱為科學的範式轉換。通過了解這個過程，我們可以知道人類對廣闊宇宙的認識歷史。（瞭解的人都知道這個過程是多麼的血淋淋）
大爆炸
接下來我們就按照科學範式轉變的四個階段，一起探索大爆炸理論被接受的過程。
首先進入第一階段，說說大爆炸理論的起源。
愛因斯坦我們都很熟，他提出了廣義相對論，那大爆炸理論和廣義相對論又有什麼關係呢？要搞清楚這些彎彎繞，先簡單瞭解一下廣義相對論是什麼。
1907年，愛因斯坦在廣義相對論的研究上取得了突破，他發現時間和空間都是可以彎曲的。牛頓萬有引力定律提出的那種物體與物體之間相互吸引的引力現象，實際上都是物體彎曲時空的表現。他打比喻說，時空就好像一張蹦床的表面，假如我們放一顆球在蹦床上，蹦床就會被壓出一個小坑，如果這顆球的周圍還有一些其他小的物體，它們就會一起滾到這個小坑裡面。還記得牛頓的那個故事吧，他說蘋果從樹上掉下來是因為地球的引力吸引著它，而愛因斯坦告訴我們，蘋果掉下來是因為它正在落到地球壓出的時空小坑裡。
大爆炸
聽上去好像有點道理，最重要是怎麼證明。
於是愛因斯坦猜測，太陽的質量很大，那麼其他恆星發出的光在經過太陽旁邊的時候，一定會被太陽巨大的引力彎曲。
怎麼觀測和驗證這個想法呢？
如果一顆恆星躲在太陽的背後，我們從地球上就看不到它，因為它被太陽擋住了。
但如果太陽的引力真的可以彎曲時空，使星光偏轉，那我們就應該可以看到躲在太陽背後的恆星，可是，太陽自己的光實在太強了，強到其它的光統統被掩蓋，這該咋辦呢？
大爆炸
辦法總比困難多，有一種情況下我們可以進行這個觀測，那就是日全食。
英國科學家愛丁頓把握住了這個機會，他在日全食發生的時候進行了觀測，不僅看到了太陽背後的恆星，還算出這些恆星所發出的光的偏轉角度，而這個角度和愛因斯坦廣義相對論的計算幾乎一毛一樣，我真他麼服氣了。（這兩個姓愛的配合的真好）
大爆炸
現在我們知道了，廣義相對論是描述引力的理論，它可以用來計算宇宙中一切物體的相互作用，還比牛頓的引力方程精確。
有了這個寶貝，愛因斯坦就想算算這宇宙是咋運行的，這一算可不得了，結果表明宇宙不穩定，宇宙中的每一個天體都將最終被拉向其他更大質量的天體，直到它們全部墜入同一個坑內。（就是大魚吃小魚，最後最大的那一條把大家都吃了，乖乖啊）
這結果告訴我們，宇宙好像正在自我毀滅。這一定是個玩笑，因為我們並沒有觀測到宇宙正在自殺的跡象。
宇宙如果沒有坍縮，那一定還有什麼力量在對抗引力，於是“宇宙正在膨脹”的猜想被提出來，正是這種膨脹的力量在對抗引力、抵消引力。（聰明的腦袋真不是蓋的）
大爆炸
有了廣義相對論這個基礎，比利時有個叫勒邁特傢伙指出，要是宇宙真的在膨脹，那麼今天的宇宙一定比昨天的大，昨天一定比前天大，如果一直這樣倒推回去，就會得出結論，說宇宙一定誕生於一個很小的、緻密的點，這個點被形象地稱為“宇宙蛋”。也就是說，“宇宙蛋”有一天開始爆炸，一直膨脹，直到變成現在我們看到的宇宙模樣。這就是我們所說的大爆炸理論的起源。（我強忍著不笑出聲，宇宙竟然是卵生）
哈勃
第二階段，哈勃定律證明宇宙在膨脹並算出了宇宙的年齡。
哈勃這名字我們也熟，因為哈勃望遠鏡。而哈勃定律才是他一生最大的科學成就。這個定律說的是，宇宙中，星系離地球的距離和它相對於地球運動的速度之間的比例關係。一個是離我們有多遠，一個是跑得有多快，看看科學家是怎麼測量的呢？
大爆炸
先了解一下怎麼測量一個星系到地球的距離，要依靠一種特別的恆星：造父變星。這是一種不穩定的恆星，因為它們處於一種週期性的膨脹和收縮狀態，亮度也隨之變化，看上去像是在有規律地閃爍。
1912年，美國哈佛大學天文臺的一位聾啞志願者萊維特，通過研究麥哲倫星雲中25顆造父變星的照片資料，獲得了一個宇宙級別的大發現，那就是：造父變星的閃爍週期和它的亮度有緊密的關聯性，而亮度又與觀測距離有緊密的關聯。
你看，問題一下就變得簡單了，當我們想知道一個星系離地球有多遠時，只需要找到這個星系中的一顆造父變星，觀察它的閃爍週期，我們就知道星系離我們的距離了。造父變星因此被稱為“宇宙燈塔”。哈勃正是使用這種方法，測出了許多星系離地球的距離。
大爆炸
有意思的是，通過測量出仙女座星系距離地球的距離，哈勃解決了一場在當時聞名世界的大辯論，就是像仙女座星雲這樣的天體到底是在銀河系以內還是在銀河系以外，那時的科學家對這個問題爭論不休。
這個問題為什麼重要呢？因為這將決定人類認識宇宙的大小。而哈勃證明了，這些星雲離地球的距離遠遠大於銀河系的直徑，所以它們是在銀河系以外。
於是，“銀河系是唯一星系”的概念被突破，探索宇宙結構新篇章的大幕拉開了。
大爆炸
下面來看怎麼測量一個星系的速度。我們知道，大部分星系都離地球數百萬光年遠，測量它們的速度可不像交通警察查超速那麼簡單，不過兩者的科學原理都是一樣的，都用到了“多普勒效應”。
什麼是多普勒效應呢？舉個有趣的例子：有一隻青蛙蹲在荷葉上休息，每過一秒它就用腳拍一下水，這樣我們就能看到湖面上出現一圈一圈間隔相同的水波。現在假設這隻青蛙一邊繼續有規律地拍水，一邊還往岸邊移動，我們就會發現，往岸邊的方向，水波之間的間隔變短了，也就是波長變短了，而另一個方向上，一圈圈水波之間的距離變長了。這就是多普勒效應：當物體在向著觀察者運動的同時發出一個波，觀察者感覺到的波長比實際的縮短了，並且速度越快，波長就越短；反過來，當物體離開觀察者運動時，觀察者會感覺波長變長了。
大爆炸
因為光也是一種波，測量星系速度的問題也就變得簡單了，我們只需要檢測遙遠星系的光譜，看看它們發出光波的波長，就知道它們的運動狀態和速度了。經過大量的觀察檢驗，哈勃發現，幾乎所有星系的光波都看上去變長了。因為紅色是可見光中波長最長的一邊，測量到的星系光譜朝紅色光方向偏移的這種現象被稱為“星系紅移”。這說明這些星系都在遠離地球，宇宙確實是越來越大，正是這種膨脹在對抗引力。
大爆炸
哈勃測量出星系離地球的距離和速度之後，經過計算，發現這兩個數據之間有非常嚴格的數學關係：離地球越遠，那麼它遠離地球的速度也越快。也就是說，假如一個星系離地球距離是另一個星系的3倍遠，那麼它遠離的速度也是另一個的3倍那麼快。
這就是哈勃定律。它不僅證明了宇宙正在膨脹，還說明了如果我們把時間倒退回去，不管處在任何地方，多遠的星系都會在同一時間回到同一個點。這，不就是大爆炸開始的那個點嗎？
大爆炸
更進一步的是，通過這個定律，哈勃計算出了宇宙的年齡，原來，我們的宇宙已經18億歲了—— 等一下！我們現在都知道地球的年齡是45億歲，所以這個18億歲的數字肯定不太對是吧？後面會解釋的。（孩子咋還比媽年紀大呢？現在就給我個解釋）
哈勃的研究成果發佈後，越來越多人開始接受大爆炸理論，隨著關注度的提升，大爆炸理論越來越多的漏洞也被人們發現。在科學範式轉變的過程中，理論的修改完善往往會經歷一個漫長的時間。
大爆炸
在科學領域，任何理論模型都不是一開始就完美的，往往表現出與觀測和實驗不一致或不準確的問題。大爆炸理論的支持者們在20世紀初面臨的最緊迫、最重要的兩個缺陷就是“時標困難”與“原子丰度”。
接下來我們進入第三階段，看大爆炸模型中的這兩個缺陷是如何被修改完善的。
先說第一點，時標困難。剛我們講到，哈勃同學說宇宙的年齡是18億歲，但是古地質科學家通過檢測發現，地球的年齡超過了30億歲，這不是很荒唐嗎！
大爆炸
這個問題的是一位叫巴德的德國天文學家解決的。隨著觀測技術的提升，天文望遠鏡的精度在不斷進步，巴德通過200英寸的望遠鏡發現了一顆造父變星，叫天琴 RR 型星，從而發現造父變星其實有兩類。
他發現更新的一類更熱也更加明亮，而當時哈勃並不知道這樣的區別，於是錯誤地將更明亮的一類與本就比較暗的一類造父變星作了比較，計算出的星系距離比實際的距離少了許多。經過巴德的重新校準，星系離地球的距離提高了一倍，於是根據哈勃定律，宇宙的年齡也大了一倍。
再後來，還有其它科學家不斷努力修正誤差，確定宇宙的年齡應該在100億歲到200億歲之間，大爆炸理論的時標困難就這麼解決了。
大爆炸
接著說第二個缺陷，原子丰度。原子丰度就是宇宙中各種原子豐富的程度。
我們都知道，世界是由各種各樣原子組成的，就拿地球來說吧，地心是由鐵組成，包裹地球的大氣則主要是氮和氧，而太陽中的原子則是氫和氦佔了主導地位。
早期的大爆炸理論說，宇宙所有的物質和能量都曾經壓縮在一個點，隨著大爆炸的發生，空間和時間誕生了，一個單一的、質量巨大的原子隨著爆炸開始分裂成碎片，小的碎片又繼續碎成更小的碎片，於是各種各樣的小原子誕生了，在這種情況下，各種各樣原子的數量應該相對均衡，但實際情況是輕一些的原子和重一些的原子數量極度不均衡。
大爆炸
微觀物理學家告訴我們，宇宙中最豐富的元素就是氫，其次是氦，這兩種最輕最小的原子佔了宇宙中所有原子的99.9% ，而其他像金這樣的重原子則是非常稀少的。這就是原子丰度的問題，解決了這個問題，我們就能知道大爆炸的時候究竟發生了什麼，我們現在看到的世界又是怎麼來的。
這次輪到著名的核物理學家喬治·伽莫夫登場了。既然原子分裂的路走不通，而氫原子又佔了宇宙中所有原子的90%，於是伽莫夫大膽地提出了一個完全相反的路子：說大爆炸發生後，宇宙開始於無數最簡單、最小的氫原子。
大爆炸
他用了一個形象的比喻，說宇宙開始於一鍋緻密的、向外膨脹的“氫原子湯”，而其他所有原子都是由氫原子通過核反應產生的。經過計算他發現，大爆炸發生後的1秒鐘之內，宇宙急劇膨脹並冷卻，溫度從幾萬億度下降到了幾十億度，基本的氫原子核反應形成了比較輕的氦核，差不多10個氫原子核可以生成一個氦原子核，這和天文學家觀測到的氫氦比例幾乎一模一樣。這樣一來我們就知道了，宇宙中99.9%的物質就是這麼來的。
大爆炸
那更重一些的原子是怎麼生成的呢？要想將氫、氦變成各種各樣更重的原子，需要不同溫度的緻密環境。
這裡要提到一個叫“恆星坩鍋”的概念，簡單說就是一顆恆星，比如太陽，進入晚年後，會因為燃料耗盡而降溫壓縮，而壓縮又會使得恆星再次加熱，這種反覆的過程會提供不同的緻密環境，導致更多的核反應。
各種不同的恆星就像不同的高壓鍋，為各種各樣重原子的生成提供了極端環境。比如碳原子，就是由氦原子通過複雜的反應生成的。發現恆星坩鍋這個概念的人，就是給大爆炸理論命名的英國天文學家霍伊爾。（我曾經想拿高溫的恆星涮火鍋，這哥們是高壓鍋...）
大爆炸
一個科學理論的修改完善，往往會經過漫長的過程和許多科學家的努力。現在我們知道了，並還原了大爆炸發生時的情況。現在，距離科學範式轉變的完成還差最後的臨門一腳，只要找到最後一個決定性證據，就能完美證明大爆炸理論。
最後一個階段，看看大爆炸學說是怎麼完成了科學範式轉變的最後一步。
前面我們提到，大爆炸發生時溫度極高，那時，宇宙中還有一種成分，那就是大量的光，可以說是光的海洋，隨著宇宙的膨脹和冷卻，大約30萬年後，宇宙的溫度降到大約3000攝氏度，這時一部分非常微弱的原始光就沒有改變地穿過了宇宙。
大爆炸
伽莫夫說，這些穿過宇宙的原始的光波輻射，即使是在100多億年後的今天也不會完全消失，而是在星空深處無處不在。這些原始光波輻射，正是能夠證明大爆炸理論的終極王牌，它是大爆炸留下的殘餘輻射，被稱為“宇宙微波背景輻射”。
以前，科學家們並不知道它的存在，因為它非常微弱，微弱到什麼程度呢？相當於零下260多攝氏度的天體散發的熱量。
大爆炸
那麼宇宙微波背景輻射是怎樣被找到的呢？說來也巧，科學的突破往往是無心插柳的結果。
伽莫夫提出理論後的20年，美國的貝爾實驗室製作了一臺非常精密的射電天線，用來接收一顆名叫“回聲”的衛星發射回來的微弱信號。射電天線想要準確地接收到信號，最關鍵的就是清除噪音。
實驗室的兩位科學家有輕微的強迫症，他們檢測天線的性能，把天線對著天空的各個方向進行測量，結果卻發現，不管往哪個方向，射電天線總會接收到一種微波噪音。
他們想盡了一切辦法，排除周圍所有可能存在的無線電干擾，用一年的時間重新檢查、佈線，甚至清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，但仍然無法消除這個噪音。兩位科學家對外公佈了他們的觀測結果：這個消除不了的微波噪音是天然存在的，它像背景一樣無處不在。
很快，科學家就對這個發現給出了正確的解釋：這個消除不了的微波噪音，就是是科學家們苦苦尋找的宇宙背景微波輻射！
大爆炸
大爆炸理論的終極證據，就這樣在無意之間找到了，兩位科學家彭齊亞斯和威爾遜憑藉堅忍不拔的毅力和豐富的經驗，當然還有一絲運氣，找到了這個證據。而兩位科學家也因此獲得了諾貝爾物理學獎。
科學範式這個概念是托馬斯·庫恩在《科學革命的結構》這本書中提出的，簡單的說就是科學中公認的理論體系或思維基礎。
科學範式的轉變，要求科學家們衝破原來的束縛，對很多基本的理論重新定義。有時候，一個偶然的發現，就可能在一夜之間改變科學的面貌。
大爆炸
在大爆炸理論提出之前，人們公認宇宙是靜止的、永恆的，時間與空間沒有關係，宇宙沒有開始也沒有結束。現在，大爆炸理論已經被廣泛接受，確立了新的科學範式，它告訴我們宇宙是有創生的：在大約150億年前，宇宙的所有物質和能量都壓縮在一個點，隨著空間和時間本身的爆炸，空間和時間在那一刻誕生了，經過演化成為我們現在看到的樣子。
大爆炸
說到這裡，大爆炸理論的發展歷史就介紹完了，有什麼想說的和奇怪的腦洞，留言吧。
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