宇宙出生于“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(gè)哥們提出來這個(gè)腦洞的，然后又用證據(jù)鏈證明了這個(gè)腦洞的。要知道，科學(xué)屆就是證明個(gè)1+1=2都：（我們可以這樣證明'1+1 = 2'： 首先，可以推知： αε1 (∑x)(α=) βε2 (∑x)(∑y)(β=.&.~(x=y)) ξε1+1 (∑x)(∑y)(β=∪.&.~(x=y)) 所以對于任意的集合γ，我們有 γε1+1 (∑x)(∑y)(γ=∪.&.~(x=y)) (∑x)(∑y)(γ=.&.~(x=y)) γε2 根據(jù)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》
言歸正傳，今天的主題是說書，書名《大爆炸簡史》，這本書就能解答這個(gè)問題，它會告訴咱們大爆炸理論是如何從一個(gè)猜想到被逐漸接受的過程。（作者：西蒙·辛格，劍橋大學(xué)粒子物理博士，前 BBC 節(jié)目制作人。）如果有說的不對的找他別找我哦。
創(chuàng)世神
在大爆炸理論之前，從各民族的創(chuàng)世神話開始，到哥白尼的“日心說”震驚世界，人們對宇宙的認(rèn)識不斷改進(jìn)，但某種根本認(rèn)識從來沒有改變，那就是宇宙是靜態(tài)的、永恒的，在時(shí)間上無始無終。這種共識或者叫公認(rèn)的思維基礎(chǔ)，被稱為科學(xué)的范式。大爆炸理論卻認(rèn)為宇宙是動態(tài)的、不斷演化的，認(rèn)為時(shí)間和空間都有一個(gè)開始的點(diǎn)。大爆炸理論被逐漸證明和接受的過程，稱為科學(xué)的范式轉(zhuǎn)換。通過了解這個(gè)過程，我們可以知道人類對廣闊宇宙的認(rèn)識歷史。（了解的人都知道這個(gè)過程是多么的血淋淋）
大爆炸
接下來我們就按照科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的四個(gè)階段，一起探索大爆炸理論被接受的過程。
首先進(jìn)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么關(guān)系呢？要搞清楚這些彎彎繞，先簡單了解一下廣義相對論是什么。
1907年，愛因斯坦在廣義相對論的研究上取得了突破，他發(fā)現(xiàn)時(shí)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(xiàn)象，實(shí)際上都是物體彎曲時(shí)空的表現(xiàn)。他打比喻說，時(shí)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(gè)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(gè)小坑里面。還記得牛頓的那個(gè)故事吧，他說蘋果從樹上掉下來是因?yàn)榈厍虻囊ξ?，而愛因斯坦告訴我們，蘋果掉下來是因?yàn)樗诼涞降厍驂撼龅臅r(shí)空小坑里。
大爆炸
聽上去好像有點(diǎn)道理，最重要是怎么證明。
于是愛因斯坦猜測，太陽的質(zhì)量很大，那么其他恒星發(fā)出的光在經(jīng)過太陽旁邊的時(shí)候，一定會被太陽巨大的引力彎曲。
怎么觀測和驗(yàn)證這個(gè)想法呢？
如果一顆恒星躲在太陽的背后，我們從地球上就看不到它，因?yàn)樗惶枔踝×恕?/p>
但如果太陽的引力真的可以彎曲時(shí)空，使星光偏轉(zhuǎn)，那我們就應(yīng)該可以看到躲在太陽背后的恒星，可是，太陽自己的光實(shí)在太強(qiáng)了，強(qiáng)到其它的光統(tǒng)統(tǒng)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(jìn)行這個(gè)觀測，那就是日全食。
英國科學(xué)家愛丁頓把握住了這個(gè)機(jī)會，他在日全食發(fā)生的時(shí)候進(jìn)行了觀測，不僅看到了太陽背后的恒星，還算出這些恒星所發(fā)出的光的偏轉(zhuǎn)角度，而這個(gè)角度和愛因斯坦廣義相對論的計(jì)算幾乎一毛一樣，我真他么服氣了。（這兩個(gè)姓愛的配合的真好）
大爆炸
現(xiàn)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(jì)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(gè)寶貝，愛因斯坦就想算算這宇宙是咋運(yùn)行的，這一算可不得了，結(jié)果表明宇宙不穩(wěn)定，宇宙中的每一個(gè)天體都將最終被拉向其他更大質(zhì)量的天體，直到它們?nèi)繅嬋胪粋€(gè)坑內(nèi)。（就是大魚吃小魚，最后最大的那一條把大家都吃了，乖乖?。?/p>
這結(jié)果告訴我們，宇宙好像正在自我毀滅。這一定是個(gè)玩笑，因?yàn)槲覀儾]有觀測到宇宙正在自殺的跡象。
宇宙如果沒有坍縮，那一定還有什么力量在對抗引力，于是“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(gè)基礎(chǔ)，比利時(shí)有個(gè)叫勒邁特家伙指出，要是宇宙真的在膨脹，那么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(jié)論，說宇宙一定誕生于一個(gè)很小的、致密的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)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(xiàn)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(qiáng)忍著不笑出聲，宇宙竟然是卵生）
大爆炸
第二階段，哈勃定律證明宇宙在膨脹并算出了宇宙的年齡。
哈勃這名字我們也熟，因?yàn)楣h(yuǎn)鏡。而哈勃定律才是他一生最大的科學(xué)成就。這個(gè)定律說的是，宇宙中，星系離地球的距離和它相對于地球運(yùn)動的速度之間的比例關(guān)系。一個(gè)是離我們有多遠(yuǎn)，一個(gè)是跑得有多快，看看科學(xué)家是怎么測量的呢？
大爆炸
先了解一下怎么測量一個(gè)星系到地球的距離，要依靠一種特別的恒星：造父變星。這是一種不穩(wěn)定的恒星，因?yàn)樗鼈兲幱谝环N周期性的膨脹和收縮狀態(tài)，亮度也隨之變化，看上去像是在有規(guī)律地閃爍。
1912年，美國哈佛大學(xué)天文臺的一位聾啞志愿者萊維特，通過研究麥哲倫星云中25顆造父變星的照片資料，獲得了一個(gè)宇宙級別的大發(fā)現(xiàn)，那就是：造父變星的閃爍周期和它的亮度有緊密的關(guān)聯(lián)性，而亮度又與觀測距離有緊密的關(guān)聯(lián)。
你看，問題一下就變得簡單了，當(dāng)我們想知道一個(gè)星系離地球有多遠(yuǎn)時(shí)，只需要找到這個(gè)星系中的一顆造父變星，觀察它的閃爍周期，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(dāng)時(shí)聞名世界的大辯論，就是像仙女座星云這樣的天體到底是在銀河系以內(nèi)還是在銀河系以外，那時(shí)的科學(xué)家對這個(gè)問題爭論不休。
這個(gè)問題為什么重要呢？因?yàn)檫@將決定人類認(rèn)識宇宙的大小。而哈勃證明了，這些星云離地球的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銀河系的直徑，所以它們是在銀河系以外。
于是，“銀河系是唯一星系”的概念被突破，探索宇宙結(jié)構(gòu)新篇章的大幕拉開了。
大爆炸
下面來看怎么測量一個(gè)星系的速度。我們知道，大部分星系都離地球數(shù)百萬光年遠(yuǎn)，測量它們的速度可不像交通警察查超速那么簡單，不過兩者的科學(xué)原理都是一樣的，都用到了“多普勒效應(yīng)”。
什么是多普勒效應(yīng)呢？舉個(gè)有趣的例子：有一只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(xiàn)一圈一圈間隔相同的水波?，F(xiàn)在假設(shè)這只青蛙一邊繼續(xù)有規(guī)律地拍水，一邊還往岸邊移動，我們就會發(fā)現(xiàn)，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(gè)方向上，一圈圈水波之間的距離變長了。這就是多普勒效應(yīng)：當(dāng)物體在向著觀察者運(yùn)動的同時(shí)發(fā)出一個(gè)波，觀察者感覺到的波長比實(shí)際的縮短了，并且速度越快，波長就越短；反過來，當(dāng)物體離開觀察者運(yùn)動時(shí)，觀察者會感覺波長變長了。
大爆炸
因?yàn)楣庖彩且环N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(yuǎn)星系的光譜，看看它們發(fā)出光波的波長，就知道它們的運(yùn)動狀態(tài)和速度了。經(jīng)過大量的觀察檢驗(yàn)，哈勃發(fā)現(xiàn)，幾乎所有星系的光波都看上去變長了。因?yàn)榧t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(xiàn)象被稱為“星系紅移”。這說明這些星系都在遠(yuǎn)離地球，宇宙確實(shí)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后，經(jīng)過計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)數(shù)據(jù)之間有非常嚴(yán)格的數(shù)學(xué)關(guān)系：離地球越遠(yuǎn)，那么它遠(yuǎn)離地球的速度也越快。也就是說，假如一個(gè)星系離地球距離是另一個(gè)星系的3倍遠(yuǎn)，那么它遠(yuǎn)離的速度也是另一個(gè)的3倍那么快。
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(shí)間倒退回去，不管處在任何地方，多遠(yuǎn)的星系都會在同一時(shí)間回到同一個(gè)點(diǎn)。這，不就是大爆炸開始的那個(gè)點(diǎn)嗎？
大爆炸
更進(jìn)一步的是，通過這個(gè)定律，哈勃計(jì)算出了宇宙的年齡，原來，我們的宇宙已經(jīng)18億歲了—— 等一下！我們現(xiàn)在都知道地球的年齡是45億歲，所以這個(gè)18億歲的數(shù)字肯定不太對是吧？后面會解釋的。（孩子咋還比媽年紀(jì)大呢？現(xiàn)在就給我個(gè)解釋）
哈勃的研究成果發(fā)布后，越來越多人開始接受大爆炸理論，隨著關(guān)注度的提升，大爆炸理論越來越多的漏洞也被人們發(fā)現(xiàn)。在科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的過程中，理論的修改完善往往會經(jīng)歷一個(gè)漫長的時(shí)間。
大爆炸
在科學(xué)領(lǐng)域，任何理論模型都不是一開始就完美的，往往表現(xiàn)出與觀測和實(shí)驗(yàn)不一致或不準(zhǔn)確的問題。大爆炸理論的支持者們在20世紀(jì)初面臨的最緊迫、最重要的兩個(gè)缺陷就是“時(shí)標(biāo)困難”與“原子豐度”。
接下來我們進(jìn)入第三階段，看大爆炸模型中的這兩個(gè)缺陷是如何被修改完善的。
先說第一點(diǎn)，時(shí)標(biāo)困難。剛我們講到，哈勃同學(xué)說宇宙的年齡是18億歲，但是古地質(zhì)科學(xué)家通過檢測發(fā)現(xiàn)，地球的年齡超過了30億歲，這不是很荒唐嗎！
大爆炸
這個(gè)問題的是一位叫巴德的德國天文學(xué)家解決的。隨著觀測技術(shù)的提升，天文望遠(yuǎn)鏡的精度在不斷進(jìn)步，巴德通過200英寸的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆造父變星，叫天琴 RR 型星，從而發(fā)現(xiàn)造父變星其實(shí)有兩類。
他發(fā)現(xiàn)更新的一類更熱也更加明亮，而當(dāng)時(shí)哈勃并不知道這樣的區(qū)別，于是錯(cuò)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(jì)算出的星系距離比實(shí)際的距離少了許多。經(jīng)過巴德的重新校準(zhǔn)，星系離地球的距離提高了一倍，于是根據(jù)哈勃定律，宇宙的年齡也大了一倍。
再后來，還有其它科學(xué)家不斷努力修正誤差，確定宇宙的年齡應(yīng)該在100億歲到200億歲之間，大爆炸理論的時(shí)標(biāo)困難就這么解決了。
大爆炸
接著說第二個(gè)缺陷，原子豐度。原子豐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占了主導(dǎo)地位。
早期的大爆炸理論說，宇宙所有的物質(zhì)和能量都曾經(jīng)壓縮在一個(gè)點(diǎn)，隨著大爆炸的發(fā)生，空間和時(shí)間誕生了，一個(gè)單一的、質(zhì)量巨大的原子隨著爆炸開始分裂成碎片，小的碎片又繼續(xù)碎成更小的碎片，于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(shù)量應(yīng)該相對均衡，但實(shí)際情況是輕一些的原子和重一些的原子數(shù)量極度不均衡。
大爆炸
微觀物理學(xué)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占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。這就是原子豐度的問題，解決了這個(gè)問題，我們就能知道大爆炸的時(shí)候究竟發(fā)生了什么，我們現(xiàn)在看到的世界又是怎么來的。
這次輪到著名的核物理學(xué)家喬治·伽莫夫登場了。既然原子分裂的路走不通，而氫原子又占了宇宙中所有原子的90%，于是伽莫夫大膽地提出了一個(gè)完全相反的路子：說大爆炸發(fā)生后，宇宙開始于無數(shù)最簡單、最小的氫原子。
大爆炸
他用了一個(gè)形象的比喻，說宇宙開始于一鍋致密的、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(yīng)產(chǎn)生的。經(jīng)過計(jì)算他發(fā)現(xiàn)，大爆炸發(fā)生后的1秒鐘之內(nèi)，宇宙急劇膨脹并冷卻，溫度從幾萬億度下降到了幾十億度，基本的氫原子核反應(yīng)形成了比較輕的氦核，差不多10個(gè)氫原子核可以生成一個(gè)氦原子核，這和天文學(xué)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(zhì)就是這么來的。
大爆炸
那更重一些的原子是怎么生成的呢？要想將氫、氦變成各種各樣更重的原子，需要不同溫度的致密環(huán)境。
這里要提到一個(gè)叫“恒星坩鍋”的概念，簡單說就是一顆恒星，比如太陽，進(jìn)入晚年后，會因?yàn)槿剂虾谋M而降溫壓縮，而壓縮又會使得恒星再次加熱，這種反復(fù)的過程會提供不同的致密環(huán)境，導(dǎo)致更多的核反應(yīng)。
各種不同的恒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(huán)境。比如碳原子，就是由氦原子通過復(fù)雜的反應(yīng)生成的。發(fā)現(xiàn)恒星坩鍋這個(gè)概念的人，就是給大爆炸理論命名的英國天文學(xué)家霍伊爾。（我曾經(jīng)想拿高溫的恒星涮火鍋，這哥們是高壓鍋...）
大爆炸
一個(gè)科學(xué)理論的修改完善，往往會經(jīng)過漫長的過程和許多科學(xué)家的努力?，F(xiàn)在我們知道了，并還原了大爆炸發(fā)生時(shí)的情況?，F(xiàn)在，距離科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的完成還差最后的臨門一腳，只要找到最后一個(gè)決定性證據(jù)，就能完美證明大爆炸理論。
最后一個(gè)階段，看看大爆炸學(xué)說是怎么完成了科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的最后一步。
前面我們提到，大爆炸發(fā)生時(shí)溫度極高，那時(shí)，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30萬年后，宇宙的溫度降到大約3000攝氏度，這時(shí)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多億年后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余輻射，被稱為“宇宙微波背景輻射”。
以前，科學(xué)家們并不知道它的存在，因?yàn)樗浅Ｎ⑷?，微弱到什么程度呢？相?dāng)于零下260多攝氏度的天體散發(fā)的熱量。
大爆炸
那么宇宙微波背景輻射是怎樣被找到的呢？說來也巧，科學(xué)的突破往往是無心插柳的結(jié)果。
伽莫夫提出理論后的20年，美國的貝爾實(shí)驗(yàn)室制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(wèi)星發(fā)射回來的微弱信號。射電天線想要準(zhǔn)確地接收到信號，最關(guān)鍵的就是清除噪音。
實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家有輕微的強(qiáng)迫癥，他們檢測天線的性能，把天線對著天空的各個(gè)方向進(jìn)行測量，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)，不管往哪個(gè)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(shí)間重新檢查、布線，甚至清除了天線上的鴿子窩和鳥糞，但仍然無法消除這個(gè)噪音。兩位科學(xué)家對外公布了他們的觀測結(jié)果：這個(gè)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(xué)家就對這個(gè)發(fā)現(xiàn)給出了正確的解釋：這個(gè)消除不了的微波噪音，就是是科學(xué)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(jù)，就這樣在無意之間找到了，兩位科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜憑借堅(jiān)忍不拔的毅力和豐富的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)然還有一絲運(yùn)氣，找到了這個(gè)證據(jù)。而兩位科學(xué)家也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
科學(xué)范式這個(gè)概念是托馬斯·庫恩在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》這本書中提出的，簡單的說就是科學(xué)中公認(rèn)的理論體系或思維基礎(chǔ)。
科學(xué)范式的轉(zhuǎn)變，要求科學(xué)家們沖破原來的束縛，對很多基本的理論重新定義。有時(shí)候，一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)，就可能在一夜之間改變科學(xué)的面貌。
大爆炸
在大爆炸理論提出之前，人們公認(rèn)宇宙是靜止的、永恒的，時(shí)間與空間沒有關(guān)系，宇宙沒有開始也沒有結(jié)束?，F(xiàn)在，大爆炸理論已經(jīng)被廣泛接受，確立了新的科學(xué)范式，它告訴我們宇宙是有創(chuàng)生的：在大約150億年前，宇宙的所有物質(zhì)和能量都壓縮在一個(gè)點(diǎn)，隨著空間和時(shí)間本身的爆炸，空間和時(shí)間在那一刻誕生了，經(jīng)過演化成為我們現(xiàn)在看到的樣子。
大爆炸
說到這里，大爆炸理論的發(fā)展歷史就介紹完了，有什么想說的和奇怪的腦洞，留言吧。
