在說今天的內(nèi)容之前，我們先討論一個(gè)問題，一個(gè)科學(xué)理論如何才能被稱為是一個(gè)正確的科學(xué)理論？你想一下。
首先它要包含舊的科學(xué)理論，或者是已經(jīng)被觀測證實(shí)的現(xiàn)象。比如開普勒的理論就包含了哥白尼的理論，那牛頓的理論就包含了開普勒的理論，愛因斯坦的理論又包含了牛頓的理論，可以看出舊理論和新理論之間的關(guān)系，就跟套娃是一樣。
第二，新理論需要解釋舊理論無法解釋的現(xiàn)象，例如開普勒的理論就描述了行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律，牛頓的理論就解釋了行星的軌道為什么是橢圓，為什么周期的平方和半長軸的立方成正比。愛因斯坦的理論就解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)每世紀(jì)43角秒的誤差?？梢钥闯?，新理論和舊理論之間的關(guān)系并不是簡單、粗暴地推翻，而是不斷地修正。
第三，新理論需要提出可被證偽的預(yù)言，并且得到觀測實(shí)證。比如，開普勒的三大定律出來以后，人們首次準(zhǔn)確的預(yù)言了內(nèi)行星的凌日現(xiàn)象，牛頓的理論所作出的預(yù)言就比較多了，當(dāng)然愛因斯坦的更多，也更加神奇。這些預(yù)言都得到了證實(shí)。
所以只要具備以上三條，我們就可以大膽地認(rèn)為這個(gè)理論暫時(shí)性是正確的，沒有問題。好，有了以上的共識(shí)，我們就說今天的內(nèi)容，為什么人們選擇了大爆炸，放棄了穩(wěn)恒態(tài)。
上節(jié)課我們說，大爆炸和穩(wěn)恒態(tài)都包含了兩個(gè)重要的觀測事實(shí)，宇宙膨脹以及宇宙學(xué)原理，所以在很長時(shí)間內(nèi)，人們無法分辨出兩個(gè)理論誰對(duì)誰錯(cuò)。
但好處是，兩個(gè)理論對(duì)宇宙做出了不同的預(yù)言，第一個(gè)是對(duì)氦來源的分歧，大爆炸認(rèn)為宇宙誕生的時(shí)候是從氫和氦開始的，而穩(wěn)恒態(tài)認(rèn)為所有的氦都是從恒星中產(chǎn)生的。
但事實(shí)上，宇宙中的氦的含量非常高，雖然像太陽這樣的恒星每秒就能產(chǎn)生5億噸氦，但是就算是把宇宙中所有的恒星都加起來，也不足以解釋宇宙中氦的含量。
其次，如果氦真的只是從恒星中誕生的話，那氦的分布應(yīng)該跟恒星的分布密切相關(guān)，但是觀測事實(shí)表明，氦要比恒星分布得更加廣泛，更加均勻。所以從氦的含量和分布就能看出，大爆炸理論關(guān)于核合成的預(yù)言更符合觀測事實(shí)。
第二個(gè)是對(duì)星系形成時(shí)間的分歧，大爆炸理論認(rèn)為宇宙中的星系基本上是同一時(shí)間形成的，所以我們?cè)阢y河系附近就找不到嬰兒星系，但只要我們往遠(yuǎn)處看，就能看到嬰兒星系了。
而穩(wěn)恒態(tài)理論認(rèn)為，隨著宇宙的膨脹，星系在不斷地形成，所以我們應(yīng)該能在銀河系的附近找到嬰兒星系。
這個(gè)預(yù)測的分歧，在上世紀(jì)的60年代就有了結(jié)果，因?yàn)槿藗冞@時(shí)已經(jīng)擁有了一種新型望遠(yuǎn)鏡，射電望遠(yuǎn)鏡，相比于光望遠(yuǎn)鏡它更像是一臺(tái)巨大的收音機(jī)，專門用來捕捉來自遙遠(yuǎn)宇宙的無線電波，并且把它們轉(zhuǎn)化成可視圖像，或者是聲音，給人們提供了一種新型的觀測手段，它可以看到光學(xué)望遠(yuǎn)鏡看不到的景象。
由于射電波的能量很低，所以射電望遠(yuǎn)鏡的直徑一般很大，能夠達(dá)到幾十米，上百米。而且我們還能將不同地方的射電望遠(yuǎn)鏡連接在一起，組成一個(gè)數(shù)千米寬的虛擬射電望遠(yuǎn)鏡。
通過射電望遠(yuǎn)鏡的觀察，人們發(fā)現(xiàn)宇宙中很多的射電源距離地球很遠(yuǎn)，其中一個(gè)典型的例子就是類星體，意思就是看起來像恒星的一種天體，以前人們不知道它們是啥，所以就給它先起了這樣一個(gè)名字。
現(xiàn)在我們知道，它就是嬰兒星系，在它的中心有一個(gè)非常巨大，且正在大量吞噬物質(zhì)的黑洞，所以在類星體的一側(cè)都有一個(gè)物質(zhì)噴流，我們發(fā)現(xiàn)他們距離我們至少30億光年以上，從來沒有銀河系的附近找到過這樣的天體。
其實(shí)類星體不僅能在射電望遠(yuǎn)鏡中看到，可見光望遠(yuǎn)鏡也可以，視亮度就跟普通的恒星一樣亮，甚至X射線波段的望遠(yuǎn)鏡也能看到它們，這說明了啥？
你想一下，它距離我們最少30億光年，退行速度可以達(dá)到光速的1/3，這說明了一個(gè)類星體的輻射功率能夠達(dá)到一個(gè)星系的幾萬倍，它的輻射主要就來自于黑洞的物質(zhì)噴流。
如果在我們銀河系附近來這么一個(gè)東西，即使距離我們數(shù)百萬光年，它的輻射也能殺死地球上的任何一個(gè)細(xì)胞。所以說根據(jù)觀測，大爆炸理論又勝一籌。
還有一個(gè)更為重要的預(yù)測分歧，伽莫夫的原始火球預(yù)示著我們的宇宙空間有一個(gè)底層輻射，這個(gè)輻射的性質(zhì)是這樣的：在空間各個(gè)方向都有，它的能量譜是一個(gè)黑體譜，溫度為5K，處于微波波段。
這是伽莫夫在上世紀(jì)40年代做出的預(yù)測，但他當(dāng)時(shí)認(rèn)為這種輻射現(xiàn)在已經(jīng)檢測不到了，而且在他的理論中也有一些錯(cuò)誤的地方，所以伽莫夫的研究就走進(jìn)了死胡同，慢慢的被人遺忘了。
但在普林斯頓大學(xué)有一個(gè)研究小組，由物理學(xué)家羅伯特·迪克領(lǐng)導(dǎo)，成員包括皮伯斯、威爾金森、若厄等人，他們也在研究宇宙大爆炸理論。
在上世紀(jì)60年代，他們計(jì)算出了關(guān)于背景輻射更多的細(xì)節(jié)，并且在普林斯頓大學(xué)地質(zhì)系的樓頂上裝了一臺(tái)射電望遠(yuǎn)鏡用來偵測這種輻射。
他們的望遠(yuǎn)鏡是二戰(zhàn)時(shí)間留下的雷達(dá)湊出來的，所以可想而知，這個(gè)設(shè)備自身的輻射干擾可能都比微波背景輻射要強(qiáng)，所以他們測不出來。
但在距離他們只有48公里的地方，有兩個(gè)人也正在用一個(gè)形狀奇怪的號(hào)筒型天線對(duì)著天空尋找無線電信號(hào)，但他們找的并不是空間的底層輻射。
而是在找氣球上的信號(hào)發(fā)射器發(fā)回的無限電波，這兩個(gè)人是威爾遜和彭齊亞斯，他倆供職于新澤西州霍姆德爾鎮(zhèn)的貝爾實(shí)驗(yàn)室。
他倆進(jìn)行的項(xiàng)目隸屬于美國海軍的一個(gè)科研項(xiàng)目，所以他們用的望遠(yuǎn)鏡要比迪克他們的望遠(yuǎn)鏡要好得多，但想要尋找微弱的電磁信號(hào)，就需要排除一切其他雜波的干擾。
比如被大氣電離層反射回來的無線電廣播，雷達(dá)信號(hào)，還有設(shè)備自身的熱輻射，所以他倆就用液氮把探測設(shè)備的溫度降到了4K，在排除了一切可能的干擾之后，他們總是能夠在天空的任何一個(gè)方向看到來源不明的熱噪信號(hào)。
這其實(shí)就是迪克他們苦苦尋找的微波背景輻射，但彭齊亞斯和威爾遜當(dāng)時(shí)并不知道這是啥，他們沒有讀過伽莫夫的論文，也沒有讀過皮伯斯在1965年的《天體物理學(xué)期刊》上發(fā)表的論文，在論文中皮伯斯詳細(xì)地介紹了微波背景輻射細(xì)節(jié)的推導(dǎo)過程。
最后是通過一位射電天文學(xué)家伯克，牽線搭橋，才讓兩個(gè)團(tuán)隊(duì)互相知道對(duì)方的研究和發(fā)現(xiàn)，那威爾遜和彭齊亞斯也因?yàn)樗麄儫o意中的發(fā)現(xiàn)，稀里糊涂的獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。
上圖就是當(dāng)時(shí)威爾遜和彭齊亞斯測量結(jié)果的模擬圖，綠色就是微波背景，中間的一道白線是我們銀河系的盤面，可以看出這幅圖沒有更多微波背景輻射的細(xì)節(jié)，看不到溫度的波動(dòng)，因?yàn)樗麄兊奶炀€當(dāng)時(shí)只能在一個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行測量。
不過當(dāng)時(shí)根據(jù)他倆的測量還是將微波背景輻射的溫度修正到了3.5K，當(dāng)年伽莫夫預(yù)測的是5K，其實(shí)還是比較接近的。
微波背景的發(fā)現(xiàn)是大爆炸理論的一個(gè)決定性的證據(jù)，也預(yù)示著穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型氣數(shù)已盡，但是霍伊爾還是做了最后的掙扎，他說：穩(wěn)恒態(tài)也能預(yù)測出微波背景，但這不是大爆炸的余溫，而是宇宙中的星光被星云散射以后形成的。
確實(shí)有這種可能，畢竟宇宙中的恒星很多，他們發(fā)出的光線也可以在空間中傳播，然后被星云、塵埃散射，形成一個(gè)低溫背景。
但這里需要注意的是，恒星只是近似于黑體，而不是完美的黑體，就拿我們太陽來說，太陽作為一個(gè)整體，它從內(nèi)到外的溫度都不一樣，并不是一個(gè)熱平衡的狀態(tài)，它里面的溫度更高，外面的溫度更低，所以太陽就是一個(gè)多層等離子體組成的火球。
因此太陽的輻射出來的能量，是多個(gè)黑體疊加在一起的輻射總和，所以恒星并不是完美的黑體，只是近似于黑體。
如果真如霍伊爾所說的那樣，那么微波背景輻射就不是一個(gè)完美的黑體譜。不過要測量微波背景和黑體譜之間的差異，非常困難。
直到1989年我們才發(fā)射了第一顆衛(wèi)星“微波背景探測器”（COBE），對(duì)微波背景進(jìn)行了更為細(xì)致的測量，1992年發(fā)回來的數(shù)據(jù)顯示，微波背景輻射在各個(gè)頻段都都完美的符合黑體譜。并且把微波背景輻射的問題修正到了2.725K。
至此所有曾經(jīng)與大爆炸抗衡的所有理論都銷聲匿跡了。因?yàn)橹挥写蟊ɡ碚摽梢阅依ㄓ钪媾蛎?，宇宙學(xué)原理，并且只有他做出來的所有預(yù)言，符合我們的觀測事實(shí)。
這就是為什么我們相信宇宙起源于大爆炸，因?yàn)榇蟊ǚ衔覀兊目茖W(xué)方法。好了今天的內(nèi)容就到這里。
