第3章 膨胀的宇宙
1、宇宙很有力气
要是有人问起谁是20世纪最伟大的科学家，相信大部分人都会给出一个答案：那肯定是阿尔伯特·爱因斯坦了，因为他神奇的揭开了时间和空间的自然魅力，没有他，我们可能还要苦苦探索宇宙的运行机理。
夸张一点来说的话，就是我们的世界是爱因斯坦所构建的世界。
阿尔伯特·爱因斯坦，1879年生于德国，1900年从苏黎世联邦工业大学毕业后，在瑞士伯尔尼专利局工作了将近十年。
我们说他是20世纪最伟大的科学家，原因就在于他1905年在瑞士伯尔尼取得的成就，源自他25岁到35岁之间的天才发现。
图：提出相对论时候的爱因斯坦
爱因斯坦是人类的思想实验大师，他的脑子里想的都是说不出来的抽象东西，很多都是正确的，但是最开始的时候，爱因斯坦如同大多数人一样走入了歧途，他相信宇宙是永恒的，是一个无始无终的静态宇宙，不可能存在起点和终点。
这种永恒的稳态宇宙观，被爱因斯坦同时代的大多数科学家所接受：大家都认为宇宙总是存在着的，既没有起点也不会有终点，如果有理论去说宇宙是形成的……形成的？
怎么形成的？什么时候形成的？用什么东西形成的？这太令人无法相信了。
可是对爱因斯坦来说，永恒的宇宙变的矛盾起来，以他对“力”和“引力”的理解，最终不可避免的发现宇宙不可能是永恒的，反而必定是一个动态的、有限的、无边的宇宙。
1905年，爱因斯坦提出了狭义相对论，探索了时间和空间的交叉问题，敏锐的没有把时间和空间分开，而是把它们结合起来证明我们生活在时间和空间的共同作用中。
1915年，爱因斯坦提出了广义相对论，增加了重力和重力对时间、空间的影响，辩证的揭示出引力的原因——引力不是真正的力，而是空间和时间的形状。
空间有形状还好理解一点，可时间又怎么会有形状呢？空间和时间怎么结合到一起形成了引力？真的是让人好难理解，而相对论本身就是一个极其深奥的理论，完全理解的人并不多。
相对论认为，物体具有引力是因为物体有质量，有质量在这儿，才让空间时间都弯曲了去动态适应这个质量……质量这个术语，被描述成容纳物体和能量的容器，质量大的物体，对空间和时间的影响就大，就表现出大的引力，爱因斯坦说甚至光线也逃离不了引力的作用，远处星体发出的光线刚好通过太阳时，会因为太阳的引力而使光线发生偏移，不再是一条直线。
这真是疯狂的设想，可这个设想居然在不久后被证实，被证实在1919年。
那一年的天文界有一个重大事件：日食。
亚瑟·爱丁顿是英国的天文学家，他在1919年日食发生时，千里跋涉，前往西非的普林西比岛拍摄星图，目的就是想测试一下爱因斯坦的这个理论是否属实：发生日食的时候，太阳会被月亮挡住而暂时没有耀眼的光芒，如果对准太阳拍摄的星图上，真的出现那些应该被太阳挡住的星群，就证明太阳后边星群发出的光线经过太阳时被弯曲了，才会被地球上的人看到，也就是说，爱因斯坦关于空间时间的理论是对的。
结果，亚瑟·爱丁顿的实际测试表明，爱因斯坦的理论真实可信，所以一夜之间，爱因斯坦成了超级明星，他也因此获得1921年的诺贝尔物理学奖。
但是相对论也给爱因斯坦带来一个难解的谜题，把爱因斯坦引入了歧途。
根据相对论可以推导出一个结果，就是物体相互吸引到最后，所有有质量的物体都应该被引力吸引在一起，聚成一个点，但是这又很明显的和宇宙实际情况不符，我们并没有和其他行星甚至太阳挤到一起去，这又是为了什么？
爱因斯坦相信的是永恒的静态宇宙，自然不能接受这种推论，可是永恒宇宙的理论无法解释这一问题，为了不使引力毁掉宇宙，让所有星星包括地球都挤到一起去，爱因斯坦只好假想宇宙中存在一个“力”，这个假想的“力”撑住了宇宙空间，刚好抵消了引力，维持住静态的永恒宇宙，不让所有天体都聚拢到一起去。
但他错了，这个假想的“力”是不存在的，是错误的。
静态宇宙和爱因斯坦的相对论完全不兼容，从相对论只能推导出宇宙不是膨胀的就是收缩的，总之决不可能是静态的。为了证明宇宙是静态的，爱因斯坦只好在相对论里面加上了一个可以抵消引力的反引力——“宇宙常量”。如此一来，宇宙中所有的天体和物质就不会因为引力的作用而聚拢在一起。
当爱因斯坦得知哈勃的观测结果，证实宇宙真的是在膨胀后非常后悔，因此他自己承认了错误：“引入宇宙常数是我这一生所犯的最大错误！”
不过，有意思的是，当爱因斯坦逝世后，那个错误的宇宙常数也被人们渐渐遗忘后，哈勃空间望远镜的观测却带来新的困惑：宇宙中竟然真的存在一个“力”，这个力很强大，并且无处不在，似乎在暗示宇宙中潜伏着庞大物质，在悄悄的产生我们不知道的巨大引力，足以抗衡引力的作用，让我们的宇宙不断膨胀下去。
从此以后，这个被科学界抛弃的“宇宙常数”再次回到了人们的视线中，被改了名字叫做“暗能量”，并且逐渐成为科学界的主流观点，可惜爱因斯坦已经无法预知会出现这样的结果。（关于“暗能量”的问题更为复杂，它将是我们这个宇宙的死亡证书，在以后的章节中还有仔细去探讨。）
下面我们继续来看看大爆炸理论和科学验证是如何交叉着一步步前行的。
2、大爆炸理论的提出
进入二十世纪，爱因斯坦不经意的使我们讨论起宇宙有起点和终点的科学可能性，但是探讨宇宙的起源和归宿问题，将会产生很强的宗教反响和文化反响。
文化将反思：我们从哪儿来？又将去往哪里？
这是人类的一个终极问题，因为不知来源和归宿，就不知责任与义务。
数千年来，思索人类的终极问题，都是属于宗教学者的事儿。科学家关心的是事物发生的过程，找出其中的证据；宗教学者思索的是事物为什么会发生？对世界有什么意义？
尽管宗教和科学很不一样，但都是在积极的追求真理，所以，提出日心说的哥白尼出身宗教，把望远镜引入科学领域的伽利略是个虔诚的教徒，而现代关于宇宙起源的大爆炸理论同样是由神职人员提出，这个神职人员就是比利时的天主教神父——乔治·勒梅特，是他明确提出宇宙不是从来就有的，而是经过漫长岁月逐渐形成的。
这可真是意料之外，科学的方案居然再次带上了宗教色彩，和宗教有了不解之缘。
勒梅特曾经是个土木工程师，在第一次世界大战时的比利时军队中担任炮兵军官。战后的勒梅特前往剑桥大学和美国麻省理工学院学习，1927年回国后，对宇宙天文学非常感兴趣，他细致研究了当时已经有的观测依据后，提出很多设想和预测，其中有个理论是说宇宙并非无始无终的永恒存在，但是却不得不一直停在起始点的新颖说法，让我们现在还处于探索之中。但是勒梅特更重要的理论还是出自相对论，他深入研究相对论后提出一个在当时堪称激进的理论：宇宙不是静止的，宇宙是膨胀的！
勒梅特神父想到，假如宇宙是膨胀的，那么在遥远的过去，宇宙要比现在小一点——昨天比今天小，前天又比昨天小，宇宙最终就会小到不可想象，直到聚集在一个小点上……大爆炸理论就此产生了。
勒梅特认为宇宙起始于一个他称之为“原始原子”的东西，这是个无限致密的热的宇宙蛋，在过去的某个不确切时间爆炸了，这才起始了宇宙的运动，带来一切我们目前所知道的东西。勒梅特的提议可能会使科学家惊奇，但是教皇庇护十二世却很赞成并且宣扬这个理论，原因是理论与圣经里的创世纪相呼应。只是，更尊重科学的勒梅特却给教皇写信提出了自己的异议：“不要这样说，这是科学理论，由此得到的预测可以测量，可以检验，您的信仰与此无关……。”
勒梅特的理论可以测量，但如何检验？大爆炸的事情发生在无数年前，证据不可能很快被找到，除非出现强有力的证据，或者有更合理的宇宙理论出现，否则勒梅特的大爆炸理论，还难以确立应有的科学地位。
当他和爱因斯坦探讨自己的理论时，爱因斯坦给出的回答是：“数学上是对的，物理上真讨厌。”但就是这个讨厌的东西，在几年后却不可思议的得到了证实。
证实这样一个大胆的宇宙理论需要很多方面的证据，涉及很多学科很多人一起交叉印证，但是最根源的却在于现代光谱学的突破性发展。
几千年来，人类观察宇宙的手段从肉眼发展到望远镜和人造卫星，视野从太阳系扩展到银河系和河外星系，而对宇宙的认识则经历了蒙昧时期的神话，古代哲人的猜测，文艺复兴以来的科学革命，直到20世纪现代宇宙学的诞生，而光谱学在现代宇宙学中，就占据着极为重要的地位。
光谱学对于现代宇宙学来说，其中一个重要作用就是可以测算宇宙中的星体距离。
1842年，在维也纳，一个名叫多普勒的奥地利物理学家，发表了一篇讨论双星颜色的论文。他认为：如果有两颗恒星在万有引力作用下，围绕同一轨道运行，其中一颗朝向我们运动，而另一颗则远离我们运动，那么让来自这两颗星的光通过三棱镜，仔细观察它们的光谱，就会发现不仅光的波长有变化，光的颜色也完全不同……。
今天，我们知道，宇宙的秘密，就隐藏在这光线里。
光线投射在三棱镜上，折射出的七色光谱中存在许许多多线条，其中有明显的线，还有一些不太清楚比较淡的线。
宇宙中不管什么星球，只要它发出点点星光来到地球，形成的全都是各种谱线。
经过在地球上的无数次试验后，科学家们发现，当光源向我们接近，发出的谱线就会向光谱的蓝端移动，这叫“蓝移”；如果光源在后退，这些谱线会向光谱的红端移动，这叫“红移”。
光谱学的理论成了以后天文学家的观测利器。
1929年的很多个夜晚，洛杉矶威尔逊山的天文台里，艾德温·哈勃一直在那架口径为2.54米的大型望远镜前观测星系的谱线特征，最终，他得出一个重要结论：所有光源的谱线都发生了红移，说明所有星星都在离我们远去，准确说他们不止远离我们，它们相互之间也在远离，而且距离我们越远的星系，远离速度越快，这就是“哈勃定律”。
哈勃定律经过谱线学的数据证实是可信的，这给勒梅特神父的大爆炸理论提供了一个有力的证据，来证明宇宙是膨胀的，并且每秒都在膨胀。（让我们暂时回到1800年前，在中国的古代三国时候，东吴的太常卿徐整在《三五历记》中提出了天地经历着膨胀运动：“天日高一丈，地日厚一丈。”这种具体数字虽然没有任何观测依据，但至少与当时的历史地理文化并不冲突，其基本思想与今日大爆炸宇宙模型更是有异曲同工之妙。）
但是哈勃找到的证据还不够充分，我们还需要继续去寻找大爆炸曾经发生过的更多证据。
3、最后的证据
在宇宙的最初，如果真有大爆炸的发生，那么在那一刻的元素会因为核聚变反应产生极高的热量向外辐射，而我们肯定可以测量到残余的热量痕迹，否则就说明大爆炸理论是不正确的。
问题是这个爆炸的残余证据何时才能找到。
让所有人都没有想到的是，科学家们突然之间就很意外的找到了，把天文学的历史又向前翻开了新的一页。
这一切有点不可思议，但是宇宙确实是一直在轻轻讲述自己的历史，那诞生时的热量痕迹，勒梅特早就预测到存在，只是我们没有听到而已。
鲍勃·威尔森和阿诺·彭齐亚斯是美国科学家，但不是研究宇宙天文学的专家，他们当时是给贝尔实验室搞卫星通讯的。1965年，在美国新泽西州，两人使用贝尔实验室的巨大无线电望远镜做其他实验时，却总是得不到清晰的电波，收听到的声音里充满了静噪，这噪音非常象是把收音机或者电视机放到空白频道上所发出的嘶嘶声，这嘶嘶声是怎么回事儿，哪儿来的？
城市的干扰？
飞机的信号？
小动物的影响？
但是这噪音不管从哪里来，肯定是有一个来源。
这噪音来自各个方向，天上地下的每个角度、每个角落里都有，彭齐亚斯和威尔森被折磨的快要发疯了，但他们不知道他们找到了宇宙天文学上的重大证据，可以用来证明宇宙并非永恒的证据，而这也正是美国普林斯顿大学迪克教授所领导的研究小组一直在苦苦寻找的宇宙微波背景辐射——那大爆炸的瞬间所爆发出来的残余力量。
彭齐亚斯和威尔森得知普林斯顿团队的研究目的后，立刻进行了联系，在确认结果后双方分别发布了他们的成果。他们的论文一夜之间粉碎了静态的永恒宇宙论，最终使大爆炸理论适用于解开宇宙的谜团。也正因为这个发现，彭齐亚斯和威尔森共同赢得了诺贝尔物理奖。
但是证据还是不够，依然不够充分证明大爆炸理论的正确性。
时光飞逝，这个证据在四十年后才姗姗来迟。
2006年 12月3日，瑞典皇家科学院宣布，将本年度诺贝尔物理学奖，授予美国科学家约翰·马瑟和乔治·斯穆特，以表彰他们的研究成果，有力支持了大爆炸学说，使人们对宇宙的起源，有了接近一致的认识。
两位美国科学家的研究成果都和宇宙微波背景辐射有关，是支持大爆炸理论的最终证据。他们的发现处于宇宙学中很专业、复杂的领域，叫做宇宙微波背景辐射被证实具备黑体谱形和各向异性，这两大特征都指向宇宙是从大爆炸中诞生。
黑体谱形和各向异性？
这是两个听起来就让人头痛的名词，但是我们完全可以简化一下去理解它，不要担心，其实是很简单的一件事儿。
按照大爆炸理论，可以推测出大爆炸发生时，曾经爆发出强大的巨型热量，这些庞大热量经过漫长年代后，绝大部分已经消散，只剩下残余的一点点热量还再继续随着宇宙的膨胀而奔涌。这种残余的热量就是我们目前所说的宇宙微波背景辐射，但是大爆炸早已结束，这些热量全都丧失了本源，再也看不出是什么物质所发出的热量。（我们知道热量是由物质发出的，只要分析热量的特征就能知道它是什么物质发出的，而那些时间太久的热量会随着时间的流逝越来越难以看出本来面目，于是我们假设这些热量是由完全黑暗的物体所发出，这种黑暗物体就简称黑体，这种完全黑暗的黑体所发出的热量就叫做黑体辐射，在现实中是永远不可能存在的，是只能无限接近的一种假想物体。）
宇宙大爆炸残余的热量，同样是一种时间非常古老的热辐射，古老的早已看不出是由什么物体所发出，所以它在特征上应该很象一个黑体所发出的热量，而我们如果在实际观测中发现了这种残余热量确实无限相似于实验室中黑体发出的热量特征，就可以从一个方面证明宇宙大爆炸理论的正确性。
但是对微波背景辐射的测量工作一直都是在地面上进行，地球大气中的分子对于这种微小热量的吸收和反射，严重阻碍了天文学家去证实这个猜想。
按照这个思路，美国宇航局在1989年发射了历时15年研制成功的宇宙微波背景辐射探测卫星，约翰·马瑟和乔治·斯穆特就是这颗卫星的研发者，经过他们的不懈努力，终于成功的从太空中测出了宇宙微波辐射的特性，那是人们在自然界中所曾见到的最接近黑体的热量谱形，从而为大爆炸理论提供了进一步支持。
这种辐射具备了黑体谱形，就可以证明辐射本身出自大爆炸那一刻吗？
不，还不够，因为外太空的温度出奇的保持一致，这有些不合道理，宇宙这么辽阔，不可能这边的温度和那边的温度保持一致，难道是我们的观测出了问题？
只有温度出现差异才能说明宇宙从一开始有着热的地方和冷的地方，也就是说，早期宇宙物质密度存在差别，也必须这样才能让物质积聚成恒星和星系。否则，所有地方的温度都相同的话，其直接后果就是宇宙中的物质没有密度，全都均匀分布，而整个宇宙就会象一滩淤泥、一锅稀粥一样搅拌在一起。
在仔细分析了卫星测量的太空温度数据之后，1992年，马瑟和斯穆特向世界宣布，发现了宇宙微波背景辐射在不同方向上存在一个温度差异，但是差异极小，只有十万分之几。但这么微小的差异相对于宇宙中的巨量物质来说，已经足够让宇宙中的不同地方因为一点点密度的差异而产生各种各样的天体系统。
宇宙从此进入了“精确研究”时代，这是一个划时代的天文发现，还是迄今为止大爆炸理论最强有力的证据。
最后，我们再补充一点关于大爆炸理论的旁证，就是现代光谱学对宇宙学的另外一个重要贡献——确定宇宙中发出光线的星体上，都存在什么元素。
有什么样的化学元素，就会形成什么样的光谱。而光谱线就是隐藏化学元素身份的“指纹”，当我们在实验室里标明每种化学元素的指纹后，宇宙星球的元素构成就清晰可见，历历在目了。
公元1880年前后，英国天文学家威廉·哈金斯，用一台装有高色散分光仪的20厘米望远镜，发现太阳和恒星的光谱线中，都有着清晰的氢和氦的特征线。于是他得出结论：太阳和恒星主要是由氢和氦构成的。这一发现等于宣告，太阳和一颗其他的普通恒星没有什么差别。
天文学也因此再进了一步，原来地球不是宇宙的中心，太阳也同样不是宇宙的中心。
那构成我们的元素又是哪里来的呢？
寻找这个问题的答案排上了科学家的日程。
1946年，英国科学家霍伊尔提出一个推测，在极端高温高压高密度条件下，氢会聚变成氦，氦聚变生成其他的重元素，这一种极端变化将会发生在非常非常热的星核中，至于氮、碳和其他元素周期表上的元素，都是由氢和氦一步步的聚变形成。
（此时的人类还没有掌握核聚变技术，也还没有氢弹。至于利用核爆炸的高温高压，将石墨变成金刚石，或者利用核爆的强大中子流生产超铀元素，直到很多年后才进入人类的视线。）
霍伊尔的理论虽然仅仅是个预测而已，可是在科学上，大多数理论总是先有预测，后有验证，凡是提出合理预测的人，无一不是天才人物。这个预测在人类掌握了氢弹技术后被证实为完全正确，被叫做核合成理论，成为大爆炸理论的一个旁证。
此时，人类才意识到一个有趣的现象——因为宇宙大爆炸的时间太短暂，来不及聚变出较重的元素，只能制造出氢和氦，所以在元素周期表上，氦后面的每一个元素，都是恒星造出来的……组成我们身体的每个原子全都可以追溯到大质量恒星的核心内，在高温高压高密度下通过核聚变而形成，最后又在恒星燃料燃尽后被爆发回太空，喷发、散播到遥远的远方。在其中一些星球上，这些恒星的尘埃最终演化出人类。
我们都是星尘，这还竟然是真的。
我们所有人都有关联，动物、植物相互间与地球和宇宙的其他物质，都是同源而生。
我们不比宇宙高级，我们只是其中的一部分。
我们不是宇宙的中心，但我们身在其中，想着搞明白这一切。
4、大爆炸理论的确立
现在，回顾一下我们目前对宇宙的理解是建立在哪些基础之上。
首先是爱因斯坦的广义相对论。
广义相对论出现之前，牛顿经典力学作为大部份天文学的基础，已有将近300年的历史，但是它对宇宙中的天体运动无法一一适用，尤其是完全不符高速情况下的物质运动。而广义相对论突破了这个限制，完美的诠释了宇宙中的天体运动，并预测了黑洞的存在。
按照相对论的要求，宇宙一定会膨胀或者收缩。后来的大爆炸理论，就是基于这个理论。
现代宇宙学的第二个基础，来自于埃德温·哈勃在上世纪20年代观测到的宇宙膨胀。他不仅测定了邻近星系的速度，还测出了它们的距离，发现了所有的星系都是和银河系结构一样的恒星集团，让人类的目光一下子跳出了银河系之外。他还发现当恒星朝向地球运动时，光波波长会遭到压缩而缩短，使得光色偏蓝。当发光体远离地球时，光波长则会被拉扯变长，使光色看起来偏红。透过测量遥远星系发出的光波是被拉长或压短，发现大部份星系都离我们而去，这是大爆炸理论的一个坚实基础。
第三个基础是微弱的宇宙微波背景辐射，那是1965年贝尔实验室的彭齐亚斯与威尔森在追溯无线电波噪声原因时无意间发现的。这种辐射很快地被确认是宇宙膨胀的早期阶段所遗留下来的，它代表宇宙刚开始是处于高热致密的状态，然后因膨胀而冷却、变得稀薄。再一次有力证明了宇宙诞生之初曾经发生过一次大爆炸。
最后一个观测基础是：高热致密的早期宇宙是发生核融合的理想处所。当宇宙的温度到达绝对温度10亿至100亿度时，较轻的原子核会融合成较重的原子核，此过程称为核合成作用，只会发生在大爆炸最初的数分钟内，只来得及产生最轻的几种元素。宇宙中大多数的氦是在那时产生的，氘与重氢也是。目前测得的氦与氘之丰度，符合大爆炸核合成作用的预测，成为大爆炸理论的佐证。
大爆炸理论得到了大多数科学家的赞成，那我们就回到天地初生那一刻，试着推导一下这个具体过程。
起初，所有的一切都凝聚在一起，挤压在一个点中。
世界的本源之力，最基本的力有四种，分别是引力、电磁力、强的和弱的原子核力。它们互相结合在一起，把空间时间和物质都凝聚在一起（稍后章节将会仔细讲到为什么是这四种力）。
最开始，一点点细微的量子起伏（量子理论同样在以后的章节中详细探讨，此处只用知道这是一种量子的状态即可），导致这四种力的平衡被打破，引力突然从这四种力中分离出来，而其他三种力也迅速、猛烈的分开，宇宙也就这么爆炸了。
随着爆炸散发出巨大的能量，宇宙开始冷却。
三分钟后，宇宙的温度降到5.5亿摄氏度，这个温度可以让原子核形成，最轻的氢原子就最先形成，而且部分的氢原子开始聚变为氦原子。
38万年后，第一道光线划破天空，将黑暗的宇宙照亮，由彭齐亚斯和威尔士找到的宇宙微波背景辐射发生在那个时候，10亿年后，群星形成，产生了氮、氧和碳等重元素，霍伊尔预言了这些元素的形成方式和来源。
……。
90亿年后，质量和引力组合形成一颗新的恒星，压力导致核心发热，热量引发核聚变，它诞生时的第一缕光芒吹散了残余气体。与此同时，在这颗恒星的周围，有一大块没被吹散的星尘被尘埃碎片反复撞击，越来越大，吸引到许多彗星坠落，带来大量液态水聚集在这个星球的表面，水下神秘的化学反应最终产生生命，把这颗普通的行星变成了一颗蔚蓝色的美丽星球——地球。
137亿年后，宇宙继续膨胀到无限辽阔，繁星遮盖天空。太阳系有八个行星，第三个行星上覆盖着碳基生命，他们中的一些人相信无限小尺寸也能形成无限大的规模。
你要是没看懂，没事儿，地球上成千上万个碳基生命用了数千年时间来思索我们宇宙的起源，这其中的复杂程度足以使任何人头大。
大爆炸之前那个原点中的物质是怎么排列的？
这个“点”又是来自何方？
既然空间和时间都不存在，那这个点存在什么位置？
最大的疑问还是大爆炸本身，这个点为了什么原因竟然会爆炸？
…… ……。
我们的世界，我们的太阳系，我们的宇宙，这就是我们目前所知道的冰山一角。
工作还在继续，推演还在进行。
宇宙大爆炸之前和之后，还有许多问题需要我们一一探讨。