宇宙大爆炸的历史

它被视为一个不容置疑的科学真理：138亿年前，我们所知的宇宙从一个被称为大爆炸的高温高密度状态中诞生。尽管几十年来有许多严肃的替代方案被考虑过，但在整个20世纪，随着宇宙微波背景的发现，科学界在50多年前达成了共识。尽管许多人试图重新提出各种各样的不可信的观点，并试图提出新的可能性，但所有这些都在一整套天文数据的重压下消失了。大爆炸是我们宇宙起源的唯一有效理论。

我们如何发现我们的宇宙开始于一次爆炸？

20世纪初的一系列新发现彻底改变了我们对宇宙的看法。1923年，埃德温·哈勃测量了螺旋星云中的单个恒星，测量了它们的变化周期和观测亮度。由于亨丽埃塔·莱维特在制定莱维特定律(Leavitt's law)方面所做的工作，莱维特定律将恒星的可变周期与其固有亮度联系起来，我们获得了到星系的距离测量数据。这些星系远在我们的银河系之外，大多数居住在数百万光年之外。

哈勃在仙女座星系发现造父变星M31，为我们打开了宇宙的大门，为我们提供了银河系以外星系的观测证据，从而进一步发现了宇宙的膨胀。

结合红移的测量，我们发现了一个重要的关系：星系离我们越远，红移的测量值就越大。一些可能的解释被提出了，比如这些物体的光在穿越太空时失去了能量，或者更远的星系比更近的星系移动得更快，好像它们都是由爆炸引起的。

然而，有一种解释是最令人信服的：宇宙在膨胀。这一解释与广义相对论的预测以及在各个方向和地点观测到的大规模平滑一致。随着更多更远的星系被发现，这个解释被进一步证实：宇宙在膨胀。

星系离我们越远，它离开我们的速度就越快，它发出的光就越红

即使是在广义相对论的背景下，许多有效的解释再一次出现了。当然，如果宇宙向各个方向膨胀，那么我们就会看到遥远的天体远离我们，越远的天体后退得越快。但这可能是:

• 因为这些物体也有很大的，无法测量的横向运动，就好像宇宙也在旋转一样，
• 或者因为宇宙在振荡，如果我们看得足够远，我们会看到膨胀逆转，
• 或者是因为膨胀导致了新物质的缓慢产生，导致了宇宙在时间上看起来是不变的，
• 或者是因为宇宙起源于一种高温高密度的状态。

只有最后一个选项代表了热门的大爆炸。

但如果大爆炸的想法是正确的，那么将会出现一系列新的预测。在广义相对论的背景下，膨胀的宇宙是第一个，但还有三个主要的，会导致不同的可观察结果。

与今天的银河系相比较的星系数量很多，但是像银河系一样年轻的星系本质上比我们今天看到的星系更小，更蓝，更混乱，气体更丰富。

第一个是，如果宇宙起源于一个任意高温，密度，和更加均匀的状态来扩展和冷却我们今天所看到的，那么当我们看得更远的时候，我们在回顾过去，我们应该看到宇宙年轻时的样子。因此，我们应该看到那些更小、质量更小的星系，它们是由距离更远的更年轻、更蓝的恒星组成的，然后才会到达一个根本没有恒星或星系的时代。

一个电子和质子是自由的，与光子碰撞的宇宙，随着宇宙的膨胀和冷却，转变为一个对光子透明的中性宇宙。这里显示的是CMB发射前的电离等离子体(左侧)，然后是向中性宇宙(右侧部分)的过渡，而中性宇宙对光子是透明的。这是一个氢原子的壮观的双光子跃迁，它使宇宙成为中性，正如我们所观察到的。

第二种推测甚至可以追溯到更遥远的时代，那就是宇宙应该有一段时间是如此的炙热和充满能量，以至于连中性原子都无法形成。因此，在某个非常早期的阶段，宇宙从电离等离子体过渡到充满中性原子的宇宙。在早期阶段周围的任何辐射都只会流向我们的眼睛，只会受到宇宙膨胀的影响。

根据彭齐亚斯和威尔逊最初的观察，银河系平面发出了一些天体物理辐射源(中心)，但在上面和下面，剩下的是近乎完美的、均匀的辐射背景。现在已经测量了这种辐射的温度和光谱，与大爆炸预测的一致。

根据原子变得中性和电离的温度，我们预计这种辐射只会在绝对零度以上几度，将其转移到今天光谱的微波部分。这就是术语“宇宙微波背景”的由来。此外，因为它有一个热源，但是随着宇宙的膨胀红移，我们也期望它的光谱会呈现出一个特殊的形状：黑体光谱。辐射本底最初是在3公里左右被探测到的，后来进行了进一步的测量，因此我们不仅知道它是2.7255公里，而且它的光谱绝对是黑体，与反射光的解释不一致。(这可以用另一种解释来解释。)

COBE对宇宙微波背景辐射光谱的测量表明，宇宙大爆炸留下的余辉是一个完美的黑体，其反射星光的方式，如果像准稳态模型所预测的那样，就无法解释我们所看到的。

最后，还有第三个预言：根据宇宙的早期历史，元素应该是通过核聚变以特定的比率形成的。今天，这应该意味着在任何恒星形成之前，宇宙应该是:

• 75%的氢(质量)
• 25%的氦- 4,
• 0.01%的氘，
• 0.01%的氦- 3,
• 十亿分之一的锂- 7。

这是它，没有比这更重的元素了。氢，氦，每一个都有一些同位素，还有一点点锂。

通过大爆炸核合成预测氦-4、氘、氦-3和锂-7的丰度，观察结果显示在红圈中。宇宙有75-76%的氢，24-25%的氦，少量氘和氦-3，还有微量的锂。在氚和铍衰变之后，这就是我们剩下的东西，它保持不变直到恒星形成。

从观察上看，这也得到了证实。来自早期星系或遥远类星体的遥远光线，被介入的气体云吸收，使我们能够探测到气体的内容。2011年，我们发现了两个原始的气体云，准确地探测到氢和氦的比例，并(首次)发现了一群没有氧和碳的气体：新形成的恒星的首批产物。

不同气体种群的吸收光谱(左)允许我们得到元素和同位素的相对丰度(中)。2011年，首次发现了两个不含重元素的遥远气体云和原始氘氢比(右)。

要获得宇宙微波背景辐射所具有的均匀性、光谱和温度，唯一的方法是在宇宙膨胀的背景下为其假设一个热源。早在20世纪40年代，乔治·伽莫夫和他的合作者们就已经推测出了这一现象。20世纪60年代，阿诺·彭齐亚斯和鲍勃·威尔逊首次发现了这一现象。

宇宙的大尺度结构是通过全天空调查和地面和天基天文台的深场测量来确定的，它揭示了一个与大爆炸一致的宇宙，而不是其他的宇宙。

元素丰度的演变，从无金属的早期阶段到贫金属的中期阶段，再到我们今天所观察到的晚期富金属阶段，都证明了大爆炸的有效性。

现在有许多关于宇宙大爆炸后不久的原始气体的独立观察，显示了相对于氢的敏感氘量。观测与大爆炸理论预测之间的一致，是我们对宇宙起源的最佳模型的又一次胜利。

如果你能对这四种观测结果提出另一种解释，你就能开始找到一种替代大爆炸的可行方法。解释观察到的宇宙膨胀、大规模结构和星系演化、宇宙微波背景及其温度和光谱特性，以及宇宙中元素的相对丰度和进化，你将挑战我们宇宙起源的理论。

大爆炸之后，宇宙几乎是完全均匀的，充满了物质、能量和辐射，处于迅速膨胀的状态。随着时间的推移，宇宙不仅形成了元素、原子、团块和团簇，导致了恒星和星系的形成，而且整个时间都在膨胀和冷却。没有其他可选的理论能与之匹敌。

50多年来，没有其他选择能够实现这四项指标。我们今天看到的宇宙微波背景辐射是无法替代的。不是因为缺乏尝试或缺乏好的想法，因为这就是数据所显示的。科学家其实也不相信大爆炸，但他们基于一系列的观察得出这个结论。那些古老的、不可信的替代理论的最后一批追随者最终正在消亡。大爆炸不再是科学事业的革命性终点，这是我们建立的坚实基础。它在预测方面取得的成功是压倒性的，目前还没有其他方法能与它在描述宇宙方面的科学准确性相匹配。

该文原作者为：天体物理学家和作家伊森·西格尔

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