宇宙大爆炸理论：值得信服的理由

关于宇宙的起源，目前最被认可的是大爆炸宇宙论。但值得注意的是，关于宇宙起源问题，即便是最让人信服的大爆炸宇宙论，它也只是一种科学假说，而不是被证实的科学理论。

科学假说并不同于科学理论。以人类认识宇宙起源为例，原来人们并不知晓宇宙的起源，科学假设就从已知的关于宇宙的相关事实与知识出发，推向宇宙真实的起源；这样，原来未知的宇宙起源问题，逐渐成为已知的内容，并被普遍地证实。所以，真正的宇宙起源真相，就是大爆炸宇宙论的形成、发展史，是大爆炸宇宙论与其他宇宙起源假说之间的竞争、更迭的历史。

这样看来，大爆炸宇宙论作为科学假说，它是建立在一定实践经验基础上，并有一定科学证据的一种理论。大爆炸宇宙论既不是毫无事实根据的猜想、传说，也不是冥想、臆（yì）测（凭想象，揣测）。当然，大爆炸宇宙论还具有相当的推测性；从目前掌握的证据来看，大爆炸宇宙论的基本思想和主要论点，还是基于不够完善的科学知识和不够充分的事实材料推导出来的，它还不是对宇宙起源的确切可靠的认识。同时，大爆炸宇宙论作为假说，具有明显的过渡性。我们很难去确定，大爆炸宇宙论最终在事实与证据面前是继续被继承发展，还是被驳斥淘汰。但大爆炸宇宙论确实是目前揭示宇宙起源真相的一种最令人信服的假说。

大爆炸宇宙论的创立者，主要包括勒梅特^[1]、哈勃^[2]、伽莫夫^[3]等人。

1927年，比利时天体物理学家勒梅特求得一个广义相对论场方程解，从而在理论上得到宇宙正在随着时间而膨胀的结论。勒梅特曾在比利时鲁汶大学学过建筑工程。第一次世界大战期间，勒梅特作为土木工程师在比利时军队中担任炮兵军官。一战后进入神学院学习，并在1923年正式担任天主教掌握文教的司铎（duó），成为一名高级牧师。其后，勒梅特到英国剑桥大学和美国麻省理工学院学习天文物理学，从而了解了美国天文学家哈勃和沙普利^[4]有关宇宙膨胀的研究。1927年回比利时后，勒梅特担任鲁汶大学天体物理学教授，提出了宇宙膨胀的猜想。1932年，勒梅特又进一步提出“原始原子”爆炸起源的理论。

20世纪40年代，美籍俄罗斯人，著名物理学家和天文学家伽莫夫与他的两个学生阿尔菲和赫尔曼^[5]一起，把爱因斯坦的相对论引入到宇宙学中。伽莫夫在1946年正式提出大爆炸宇宙论。大爆炸宇宙论认为，宇宙诞生于137亿年前，由一个致密炽热的奇点在一次大爆炸后膨胀形成。

伽莫夫

1904年3月4日，伽莫夫出生于俄罗斯敖德萨的一个世代军官家庭。在第一次世界大战和第二次世界大战期间，外祖父是当地的大主教，整个家族都有学习科学的传统。伽莫夫的父亲是一名当地高中俄语和文学教师，母亲在一所女子中学教授地理和历史。伽莫夫从小除学习俄语外，还学习法语和德语。当伽莫夫7岁时，母亲就教他阅读法国著名科幻小说家凡尔纳^[6]的著作，但他的母亲在他9岁时病逝了。从1914年到1920年期间，伽莫夫在敖德萨师范学校学习。1922年，伽莫夫在新俄罗斯大学继续接受大学教育，不久转到列宁格勒大学攻读光学。1924年，只有20岁的伽莫夫在列宁格勒高等炮兵指挥学校教授物理学，并被授予红军炮兵上校军衔。后来加入美国籍的伽莫夫，在美苏两国严重对峙的麦卡锡时代^[7]，这段被授予军衔的人生经历还困扰了他相当长的一段时间，当然这是后话了。在列宁格勒大学求学期间，伽莫夫师从著名宇宙学家弗里德曼，学习弗里德曼宇宙模型。原本伽莫夫立志跟随弗里德曼从事天文学的博士研究，但由于1925年弗里德曼去世，伽莫夫不得不改了专业。1928年，伽莫夫获得哲学博士学位后，留学德国哥廷根大学从事量子物理研究，并成功地将量子理论应用到原子核，解释了α衰变原因。后来，伽莫夫又到丹麦的哥本哈根大学，师从著名物理学家玻尔^[8]从事核物理研究。其后，又到英国的剑桥大学卡文迪许实验室，师从著名物理学家卢瑟福^[9]继续从事核物理研究。在欧洲从事核物理研究期间的1931年，年仅28岁的伽莫夫被苏联政府召回，担任列宁格勒科学院首席研究员，并在列宁格勒大学担任物理学教授。在当时的苏联，在斯大林的执政之下，伽莫夫感到自由的天性受到压制，创造力受到束缚，所以过得非常不开心，想逃离制度的牢笼，然而苦于没有机会。1933年，伽莫夫出席在比利时布鲁塞尔召开的一次会议时，终于找到了机会脱离苏联，所以他并没有按原定计划会议结束后回国，而是选择去了法国巴黎，在居里研究所从事科学研究。1934年，伽莫夫移居美国，在密执安大学担任讲师，并在同年秋天被聘为哥伦比亚特区的华盛顿大学教授。正是在华盛顿大学工作期间，伽莫夫主要从事宇宙学和天体物理学研究，发展了大爆炸宇宙模型。同时，伽莫夫也研究了宇宙初始阶段化学元素起源的问题，认为各种元素是在中子连续俘获过程中产生的。1954年，伽莫夫担任加利福尼亚大学伯克利分校教授，1956年改任科罗多大学教授，并将研究方向转向了分子生物学。此时，伽莫夫提出了蛋白质遗传密码的设想，认为DNA双螺旋结构中由氢键生成而形成空穴的4个角为4个碱基，4个碱基的不同排列组合就构成遗传密码。

伽莫夫摆弄DNA模型

伽莫夫是丹麦皇家科学院院士，美国物理学会、美国天文学会、美国哲学会、国际天文联合会会员。伽莫夫还是一位杰出的科普作家，在他一生正式出版的25部著作中，就有18部是科普作品。我们现在还能在书店中买到他的许多风靡全球的科普作品，如1946年的《宇宙间原子能与人类生活》、1952年的《宇宙的产生》、1960年的《物理学基础与新领域》、1961年的《物理学发展过程》等。而伽莫夫最著名的科普作品是1947年的《从一到无穷大》、1965年的《物理世界奇遇记》和1966年的《震惊物理学的三十年：量子理论的故事》。由于伽莫夫在普及科学知识方面所做出的杰出贡献，1956年，荣获联合国教科文组织颁发的卡林伽科普奖。

纵观伽莫夫的一生，最著名的还是提出了大爆炸宇宙论。

《从一到无穷大》里的插图

《物理世界奇遇记》中的插图

宇宙大爆炸的思想大致来源于三方面的研究：一是星系的红移现象，二是广义相对论在宇宙学中的应用，三是伽莫夫等人创立的量子力学核合成原理。

在哈勃之前，已经有许多天文学家找到了星系光谱红移的证据。哈勃通过更翔实的资料，发现了哈勃定律，说明宇宙在不断地膨胀，从而形成了宇宙大爆炸的思想。而伽莫夫让宇宙大爆炸更加“数学化”。伽莫夫认为，宇宙是在不断地膨胀过程当中，过去的宇宙比现在小，则根据热力学和统计物理学知识，物质体积在缩小时，温度会升高；反之，物质体积在增大时，温度会降低，所以宇宙的过去比现在温度高。到1948年，伽莫夫已经知道，核反应对温度是有要求的，只有温度达到一定高度时，某些核反应才能进行；伽莫夫还根据量子力学的核合成原理，精确地计算出不同温度区间内发生的核反应。这样，伽莫夫通过计算对大爆炸宇宙有两个“预言”：一是在宇宙大爆炸的初期，大约30万年左右的时间里，当时的温度条件使光子不再参与宇宙核反应，那些光子可以保留到现在；但因为宇宙一直在膨胀，所以那些光子也随着宇宙的膨胀而温度降低，波长变长；伽莫夫计算出这些光子相当于今天的5K^[10]左右的黑体辐射（如今的数据为2.7K）。这就是宇宙的背景辐射，极有可能被今天的仪器测量到。二是根据原子核合成原理进行计算，发现原初的核合成（宇宙大爆炸后100秒左右发生的宇宙范围内的核反应）后，氢占76%，氦占23%，其余为极少量的锂和铍，其他重元素（整个宇宙中全部重元素也只占1%左右）都不能在原初核合成中产生。

1965年，当时还是美国贝尔实验室的青年工程师彭齐亚斯^[11]和英国天文学家威尔逊^[12]偶然发现，他们用于做射电天文研究的通信卫星，在回波接收器的20英尺号角状天线上有4080 MHz的额外噪声无法消除，而且是全天空各向同性^[13]的，显然这个噪音不可能来自任何一个天体或固定的信号源。他们最终通过确认后发现，这就是宇宙背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊也因为这个发现获得了1978年的诺贝尔物理学奖。可惜的是，提出这个猜测的伽莫夫已经在10年前去世了，否则他肯定能获得或共享诺贝尔物理学奖。1989年美国发射了COBE探测卫星，证明在2.7 K的黑体辐射的全波段上，伽莫夫的“预言”和实验是完全符合的，从而进一步证明了宇宙背景辐射的存在和正确性。COBE探测卫星还探测到背景辐射有微小的各向异性^[14]，这说明宇宙初期就存在非对称性。主持这项研究的美国航天局天体物理学家马瑟和斯穆特^[15]因此获得了2006年诺贝尔物理学奖。同一个课题，两次获得诺贝尔物理学奖，这在诺贝尔奖历史上是不多见的，说明它们的成果非常重要，从而证实了伽莫夫的第一个“预言”。

彭齐亚斯（前）和威尔森（后）摄于1964年，贝尔实验室天文台

1989年11月18日发射的COBE探测卫星

COBE探测卫星结构图

COBE卫星测绘的著名宇宙微波背景辐射各向异性的数据图

证实伽莫夫第一个“预言”的证据还有美国宇航局天文学家通过威尔金森各向异性微波探测器，在2003年2月11日拍摄到宇宙“婴儿期照片”。这张照片显示的是微波光线来自宇宙大爆炸后的38万年，也就是距今大约130多亿年前的情景。据科学家对照片信息的解读，当时的宇宙中充满着辐射的电磁波。照片也告诉我们，宇宙大爆炸时间距今约137亿年；宇宙中最早的恒星诞生于宇宙大爆炸发生后的2亿年左右。另外，照片也帮助我们进一步去了解占宇宙73%的神秘暗能量的性质。(www.xing528.com)

从1984年开始，已经就有天文学家去尝试测量氦丰度^[16]，以检验伽莫夫的“预言”是否正确。到1991年，天文学家实测得到氦丰度为23.9%±0.3%，结果与伽莫夫的“预言”相吻合。这样，伽莫夫的第二个“预言”也被证实了。

当然，我们也期待越来越多的天体物理学家和天文学家投入到这项研究中去，为宇宙起源学说提供更真实的事实证据。

威尔金森各向异性微波探测器提供的宇宙“婴儿期照片”

【注释】

[1]勒梅特，比利时天文学家，提出“原始原子”爆炸起源的理论。后来被伽莫夫发展成为大爆炸宇宙学。勒梅特还研究过恒星形成理论、宇宙线和三体问题等。他的主要著作《宇宙演化的讨论》《原始原子假说》。

[2]关于美国著名天文学家哈勃对大爆炸宇宙论的贡献，主要在于1929年发现的哈勃定律，具体内容可参阅《从多普勒效应到哈勃定律》一文。

[3]乔治·伽莫夫（George Gamow，1904～1968）是美籍俄罗斯人，著名物理学家和天文学家，以倡导宇宙起源于“大爆炸”的理论闻名，对译解遗传密码作出过贡献，提出了放射性量子论和原子核的“液滴”模型。伽莫夫还是非常著名的科普作家，他的著作《物理世界奇遇记》《从一到无穷大》等科普著作一直是畅销书。

[4]哈洛·沙普利（Harlow Shapley，1885～1972）是美国著名的天文学家，美国科学院院士，曾任哈佛大学天文台台长，美国天文学会会长。

[5]拉尔夫·阿舍尔·阿尔菲（Ralph Asher Alpher，1921～2007）和罗伯特·赫尔曼（Robert Herman，1914～1997）都是美国宇宙学家，他们都研究宇宙大爆炸理论和宇宙微波背景辐射。

[6]儒勒·凡尔纳（Jules Verne，1828～1905）是著名小说家、剧作家及诗人。凡尔纳一生创作了大量优秀的文学作品，以《在已知和未知的世界中的奇异旅行》为总名，代表作为三部曲《格兰特船长的儿女》《海底两万里》《神秘岛》以及《气球上的五星期》《地心游记》等。他的作品对科幻文学流派有着重要的影响。

[7]二战后的美国，战争的阴影还没有消散，冷战的恐怖气氛又接踵而至。美国一方面在国际上与苏联对抗，另一方面在国内清除所谓的“共产主义意识形态”，打击这股势力。从20世纪40年代末到50年代初，美国掀起了以“麦卡锡（Joseph McCarthy，1908～1957）主义”为代表的反共、排外运动，涉及美国政治、教育和文化等领域的各个层面。在苏联当过军官的伽莫夫在那个特殊的年代里，自是有“惶惶”之感。

[8]尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885～1962）是丹麦著名量子物理学家。玻尔通过引入量子化条件，提出了玻尔模型来解释氢原子光谱；提出互补原理和哥本哈根诠释来解释量子力学；他还是哥本哈根学派的创始人，对20世纪物理学的发展有深远的影响。因“他对原子结构以及由原子发射出的辐射的研究”获得1922年诺贝尔物理学家。可参阅《谁是主宰者》一书中的《诺贝尔奖得主的“孵化师”》和《思想领域中最高的音乐神韵》两篇文章。

[9]欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）是新西兰著名物理学家，原子核物理学之父。可参阅《谁是主宰者》一书中《诺贝尔奖得主的“孵化师”》一文。

[10]K指开尔文，温度的单位之一，开尔文与摄氏度的换算关系：K（开尔文）=273.15+T（摄氏度）。

[11]阿诺·阿伦·彭齐亚斯（Arno Allan Penzias，1933～）是美国射电天文学家。

[12]罗伯特·威尔逊（Sir Robert Wilson，1927～2002）是英国天文学家。

[13]各向同性指物体的物理、化学等方面的性质不会因方向的不同而有所变化的特性，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同，亦称均质性。物理性质不随量度方向变化的特性。即沿物体不同方向所测得的性能，显示出同样的数值。如所有的气体、液体（液晶除外）以及非晶质物体都显示各向同性。

[14]各向异性是指物质的全部或部分化学、物理等性质随着方向的改变而有所变化，在不同的方向上呈现出差异的性质。各向异性是材料和介质中常见的性质，在尺度上有很大差异，从晶体到日常生活中各种材料，再到地球介质，都具有各向异性。值得注意的是，各向异性与非均匀性是从两个不同的角度对物质进行的描述，不可等同。

[15]约翰·马瑟（John C. Mather，1945～）和乔治·斯穆特（George Fitzgerald Smoot Ⅲ，1945～）都是美国天体物理学家和宇宙学家。

[16]丰度是指一种化学元素在某个自然体中的重量占这个自然体总重量的相对份额（如百分数）。