宇宙始于大爆炸

对一次巨变型爆炸的温度标志的找寻，最终变成了里程碑式的理论一“我们的宇宙膨胀自一个奇点"的一个证据。这是人类历史上最伟大的发现之一。

宇宙诞生于一种炙热、稠密状态（英国著名天文学家弗雷德·霍伊尔称之为“大爆炸”）这个理念是最重要、最确凿的科学概念之一。然而，这个伟大理念的诞生还不到100年，甚至直到英国披头士乐队（也叫甲壳虫乐队）大红大紫的20世纪60年代初，天文学家都还没能找到真的发生过宇宙大爆炸的确凿证据。50年前的这个夏天，铁定的证据终于浮现。

故事得从头说起。大爆炸理论起源于俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼在1922年发表的一篇论文。弗里德曼在文章中指出，由艾伯特·爱因斯坦提出的，旨在描述空间、时间和物质行为的“广义相对论”的公式，其实允许不同种类的宇宙存在的可能性。例如，一些宇宙在开始时很小，但随着时间变化而膨胀变大；一些宇宙在开始时很大，但随着时间变化而个头缩水；还有一些宇宙成长自一个很小的点，逐渐膨胀到一定的规模，然后又坍缩回到一个点，或许由此“跳进”另一个膨胀和坍缩周期。

可是，在弗里德曼的年代，并没有任何坚固的证据能证明这些数学模型当中的任何一个与我们所在宇宙的情况匹配。不过，这并没有妨碍弗里德曼“天马行空”般地进行猜测。他在自己于1923年出版的一本书——《作为空间和时间的世界》中写道：“因为缺乏可靠的天文学数据，对于任何描述我们宇宙生涯的数字的引用都是徒劳的。然而，如果我们出于好奇心而要计算宇宙从一个点变到目前状态所花的时间，也就是从所谓的‘创世’到现在的时间，那么我们会得到的数字等于几十亿年。”尽管这个数字很接近目前公认的宇宙年龄——138亿年，但在当时却没有任何人关注弗里德曼的这个说法。

是星系，还是星云？

弗里德曼不知道的是，当时实际上已经有天文学数据支持他的说法。在美国的洛威尔天文台，维斯托·梅尔文·斯莱弗一直在研究来自于当时被称作“星云”（由物质组成的螺旋状“云”）的天体的光线。当时的天文学家对这个问题争论不休：这些星云是位于银河系内恒星形成地点的气体云，还是位于银河系外很远地方的大得多得多的天体（天文学家现在称之为“星系”）？

出乎斯莱弗预料的是，他发现来自于螺旋星云的光线大量红移。对此最简单的解释就是，这些天体正在迅速离开我们，红移是由多普勒效应造成的。这就暗示这些星云的确远在银河系以外。但还有另一种可能性。在由弗里德曼发现的膨胀宇宙模型（斯莱弗对此一无所知）中，一种类似的红移效应是由空间随着时间推移而被拉伸所产生的。

有关螺旋星云本质的争论在1924年被终结。当时，美国加利福尼亚州的威尔逊山上新安装了一部100英寸口径的望远镜，它比斯莱弗使用的望远镜强大了很多。运用这部新望远镜，埃德温·哈勃研究了仙女星云（或称仙女星系）内部的变光星（也称造父变星），由此得以测量出仙女星云与地球之间的距离。这一测量结果再加上对其他星云与地球之间距离的测量，就一锤定音地证明了螺旋星云的确是位于宇宙深处的星系。

至此，是合并考虑红移和距离，并把它们代入广义相对论的公式里，提供对我们所在宇宙的描述的时候了，而完成这个工作的人是比利时数学家兼天文学家乔治·勒梅特，正是他在这方面“两两相加等于四”。

勒梅特常住比利时，但他造访过英国、美国哈佛和威尔逊山，对这方面的所有观测都很了解。不过，他对弗里德曼的工作全然不知。正因此，虽然他最终独立地发现了与弗里德曼一样的对爱因斯坦公式的解法，但他的算法却与弗里德曼的截然不同——弗里德曼的算法完全基于理论和推测，而勒梅特对爱因斯坦公式的诠释则基于对真实宇宙的观测。把所有观测结论加在一起，再通过一个经验法则（暗弱的星系一定比明亮的星系远离地球）来估算距离，他发现一个星系的红移取决于它与地球之间的距离——它的移动“速度”与它和地球的距离成正比。勒梅特还认识到这并不是多普勒效应，正如他在1927年表述的那样：红移是“宇宙膨胀的一种宇宙效应”。

勒梅特还算出了红移与距离之间的关系，并给出了一个数字——每兆（百万）秒差距575千米，现在这个数字被称作“哈勃常数”（为何会这样，请接着往下读）。也就是说，距离我们1兆秒差距的星系正在以每秒575千米的速度后退，距离我们2兆秒差距的星系正在以每秒1150千米的速度后退，以此类推。

1927年，勒梅特的论文发表在一本名不见经传的比利时杂志上，而且就算他寄了一本样刊给当时顶尖的英国天文学家亚瑟·艾丁顿，也照样没引起人们对这篇论文的注意。忙着登场的哈勃

与此同时，哈勃则忙个不停。他招募了一名初级天文学学者（却是全球最佳观测者）——弥尔顿·赫马森来测量星系红移，他自己则运用一系列技术来测量星系距离。1929年，哈勃和赫马森发表了一篇基于对24个星系的研究结果的论文，其中20个星系的红移是由斯莱弗测量的，另外4个星系的红移是由赫马森测量的。

这足以让哈勃发布迄今已赫赫有名的发现——红移一距离关系。它指出，星系与我们之间的距离与星系红移所暗示的速度直接成正比。这与勒梅特在这之前两年发表的结论完全相同，却被称为“哈勃定律”。在哈勃与赫马森的联合论文中，哈勃常数的数值被定为每兆秒差距500千米每秒，它与勒梅特所定数值“十分可疑”地接近。然而，哈勃和赫马森的论文中丝毫未提及斯莱弗或勒梅特。事实上，哈勃爱慕虚荣却又郁郁寡欢、还很喜欢自吹自擂这一点在科学圈子内是出了名的，他为了沽名钓誉不遗余力，而且很多时候都成功得手。

这一次，消息如野火一般传开。勒梅特情有可原地有点不高兴。他还致信艾丁顿，提醒对方他1927年寄去的论文。艾丁顿随即竭尽所能地传播勒梅特对上述发现有优先权的消息，包括把勒梅特的论文翻译成英文。虽然勒梅特最终得到了自己该有的荣誉，但哈勃还是设法让这条定律以他的名字来命名。

勒梅特一怒之下并未就此作罢。哈勃感兴趣的只是使用红移来测量距离，而从未尝试用红移和距离来测试任何的宇宙学模型。实际上，大多数相对论学家当时都认为相对论的公式不可当真，因为它们根本不能反映现实世界。而勒梅特却相信这些公式并非儿戏，于是他尝试用它们来描述宇宙是怎样开始的。1931年，他猜测宇宙可能在非常致密的状态下始于猛烈的“焰火”，随后剧烈膨胀变成我们今天所知的样子。他在自己1946年出版的一本书中描述了这些理念，把宇宙的起源说成要么是“原始的原子”，要么是“宇宙蛋”。这激发了生于俄罗斯的美国人乔治·伽莫夫的研究热情，他在同事拉尔夫·阿尔弗和罗伯特·赫曼的帮助下，吸收这些理念并将它们发扬光大。

阿尔弗意识到，来自于勒梅特“焰火”的热量应该在宇宙中充盈电磁辐射，而这些辐射今天仍然该以低温无线电波的形式存在。1948年，他在英国著名科学杂志《自然》上发表论文说：“现在的宇宙温度被发现是大约5开（-268℃）。”伽莫夫推广了这个理念（需要说明的是，今天他常被误认为是这个理念的最早提出者），但当时无人相信这类宇宙背景辐射能够被探测到，所以这个理念很快就被人遗忘了。

大爆炸的困境

“大爆炸理论”于20世纪50年代被普遍接受，但当时它面临一个主要问题。今天星系离开我们的速度，能告诉我们它们从脱离勒梅特的“宇宙蛋”（当时它们都被压缩在这个“蛋”中）至今已过去了多长时间。这就是“宇宙的年龄”，它与哈勃常数有关——这个常数的数值越大，星系分离的速度就越快，宇宙也就越年轻。对于每兆秒差距500千米每秒的数值来说，宇宙年龄只有大约10亿年，但对于太阳和恒星的已知年龄来说，这个宇宙年龄根本就不可能成立（因为太阳和恒星的年龄都比它长）。这鼓励了大爆炸理论的对手理论一《宇宙稳态模型》。该模型认为，宇宙一直都存在，而且一直在膨胀，但随着空间拉伸以使得新的星系来充填空隙，新的原子随之产生。然而，随着更好的望远镜和精度更高的观测，哈勃常数被证明比勒梅特和哈勃的估计值小得多——还不到每兆秒差距i00千米每秒，大爆炸理论逐渐占了上风。

1964年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊为了射电天文学用途，改造了一部为测试卫星通讯而建造的射电望远镜。这部望远镜位于美国新泽西州的克劳福德山，属于贝尔电话公司所有。在它能被用于天文学观测之前，必须对它进行校正。彭齐亚斯和威尔逊发现，这部望远镜看来摆脱不了一种干扰：无论他们把它对准天空中的哪个部位，一种微弱的无线电噪声总是会出现。他们对此一筹莫展。1964年12月，彭齐亚斯偶然向另一位射电天文学家伯纳德·伯克提到了这桩烦心事，后者说他知道普林斯顿大学（距此地仅30分钟车程）的一个团队或许能解释这个问题。

普林斯顿大学这个团队的领头人是吉姆·皮伯斯和罗伯特·迪克，与他们一起工作的是彼得·劳尔和戴维·威尔金森。迪克曾独立提出了与阿尔弗相同的理念，他还抢先一步启动了一个项目——建造一部望远镜来寻找预测中的宇宙背景辐射。当彭齐亚斯和威尔逊找到他们时，这部望远镜已近完工。两个团队经碰头后，很快就意识到彭齐亚斯和威尔逊发现的噪声很可能正是“大爆炸的回声”。1965年7月，他们在美国《天体物理学学报》上发表了两篇论文。迪克、皮伯斯、劳尔和威尔金森首先登场，展示有关早期炙热宇宙残留辐射的理论。在彭齐亚斯和威尔逊接下来的论文《对4080兆秒差距每秒条件下多余天线温度的测量》中，他们没有提及这一发现的可能重要性，只是说“对观测到的多余噪声温度的一个可能的解释，由迪克、皮伯斯、劳尔和威尔金森在这期（刊物）的一封伴随信件中给出”。科学家的严谨和谦虚由此充分体现。然而，这却是大爆炸真的发生过的确凿证据。

在接下来的几十年中，有三颗重要的人造卫星探索了大爆炸的细节。其中第一颗是发射于1998年的“宇宙背景探测器”，它探测到了由星系种子（星系正是从这些种子里生长出来的）产生的宇宙背景辐射中的波纹。至此，大爆炸理论取得了最终胜利。