极简科学史：检验大爆炸宇宙论

大爆炸宇宙演化理论已得到下列观测事实的检验。

其一，河外天体谱线红移的进一步发现。从1929年哈勃发现了星系的红移量与距离成正比的规律以来，大量的天文观测事实进一步证明了红移的广泛存在。事实上除少数几个近距星系外，其他星系的光谱都呈现红移状态，而且用射电方法测定的红移与可见光波段一致。星系的红移是20世纪以来影响最为深远的宇宙现象，若承认红移是多普勒退行速度效应，则只能得出宇宙正在做整体膨胀的结论，或者说，宇宙中普遍存在的天体退行现象，证实了大爆炸模型的宇宙膨胀理论。

其二，宇宙年龄的测算。大爆炸理论认为宇宙有个开端，那么，从宇宙创生到现在，它经历了多长的演化过程呢？根据大爆炸理论可以计算出宇宙的年龄上限约在200亿年左右。另一方面，大爆炸理论主张，所有的恒星都是在宇宙爆炸后经历一段时间才产生的，因而任何天体的年龄都应当小于200亿年这一宇宙年龄。各种天体年龄的实际测量结果，证实了这一推论。

其三，宇宙微波背景辐射的发现。伽莫夫等人根据大爆炸理论曾预言，今天的宇宙空间应当存在5K左右的微波背景辐射，这是大爆炸早期的光子脱耦后的热动平衡辐射经过宇宙膨胀留下的残迹。十几年后，这一预言被美国贝尔电话实验室的两位科学家彭齐亚斯和威尔逊出人意料的重大发现所证实了。

20世纪60年代，为了实现通过人造卫星进行无线电通信的目的，美国贝尔电话实验室正在研制低噪声接收系统，并在设法找出各种可能干扰通信的噪声源。无线电通信所说的噪声，是指通信广播中影响正常信号传送的各种无规则的电磁波信号。电子电路中，由于电子的无规则热运动也会引起噪声。一般来说，温度愈高，电子的热运动也愈剧烈，形成的噪声也就愈大，因此，噪声的大小与温度有一定对应关系。无线电技术中常用温度高低标志噪声大小，有时对那些不是由热运动造成的噪声，人们也给它一个对应的有效噪声温度，以此表示各种原因的噪声大小。贝尔电话实验室彭齐亚斯和威尔逊当初的工作，就是利用一架方向性很好的喇叭形天线查明天空中各种原因的噪声。要测量天空温度极低的噪声，除了要减小来自地面的干扰以外，还要尽量减小天线和接收器等电路元件对于噪声的贡献。彭齐亚斯和威尔逊为此对仪器作了一番改进。他们制作了一个用液氦冷却的参考终端，使天线温度可与之进行比较，用一个脉冲作接收器，并将其保持在绝对温度4K的低温下。作了这些改进之后，电路各部件的噪声温度大大降低，测量精度大大提高。

1964年5月，他们用这套喇叭形天线装置测量银河系外围气体的射电波强度时（图3.9），发现天空存在着无法消除的背景辐射，它以波长7.35厘米的微波噪声形式存在，相当于3.5K的黑体辐射。彭齐亚斯和威尔逊检查了各种可能产生噪声的原因，结果并未消除这个过剩的噪声温度。在此后他们进行了将近一年的反复测量，发现这个噪声是各向同性的，无偏振，而且不随季节变化。这种噪声是由什么原因造成的呢？他们无法回答。只知道这种辐射不可能来自任何特定的辐射源，因为它没有方向性。

图3.9　测量背景辐射的喇叭形天线

与此同时，美国普林斯顿大学的几位物理学家也在进行着同一方向的研究工作。早在1945年，美国麻省理工学院的迪克等人曾研制了一架灵敏度很高的微波辐射计，用以测量月球和太阳的微波辐射。在测量中，当他们考察大气的辐射和吸收影响时，发现天体背景也有辐射，辐射温度上限约为20K。他们设想，这可能代表了宇宙中所有星系物质的辐射贡献。1946年，迪克等人将这一发现写成论文在《物理学评论》上发表了。他们不知道，这家杂志也刊登了伽莫夫关于大爆炸学说的一篇论文，文中包含的一个推论就是宇宙中可能存在残余的微波背景辐射。

时隔20年后，迪克领导一个小组在普林斯顿从事宇宙学的理论研究。他们根据广义相对论宇宙模型讨论振荡宇宙中元素的形成时，涉及受压缩的热宇宙的反跳和膨胀问题，由此暗示在宇宙膨胀后可能有残余的背景辐射。当他们思考是否能测量到这种残余辐射时，很快回想起20年前测量天空温度的实验。因此，他们决定用喇叭形天线装配一架更加灵敏和稳定的迪克式辐射计，用以测量宇宙背景温度。但是在他们刚刚开展这项工作时，意外地得到了贝尔电话实验室在这方面工作的信息。

事情是这样的，1965年的一天，彭齐亚斯因为别的事情打电话给麻省理工学院的射电天文学家伯克教授，在电话中他顺便谈到自己和威尔逊发现了3K背景噪声之事。伯克回答说，他刚看到普林斯顿迪克小组关于宇宙学的一篇文章的预印本，文中预言，如果宇宙是从非常热的压缩状态演化来的，那么就应当能观测到相当于绝对温度几度的宇宙背景噪声。这一意外的消息使彭齐亚斯非常兴奋，他立即给迪克打电话通报了自己和威尔逊的发现，迪克随即带领一个小组访问了贝尔电话实验室。他们发现，彭齐亚斯等人所测量到的噪声正是他们自己准备寻找的宇宙背景辐射。迪克把彭齐亚斯等人观测到的3K辐射，解释为热宇宙的残余黑体辐射。六个月后，普林斯顿小组完成了辐射计的研制，并且在3.2厘米波长处也观测到宇宙背景辐射温度为3K左右，证实了彭齐亚斯和威尔逊的观测结果。这一发现于1965年向科学界公布后，又有人在1毫米直到70厘米的波段上进行了广泛的测量，结果表明宇宙微波背景辐射是黑体辐射，精确的温度为2.7K（图3.10）。现在一般将这一发现通称为3K宇宙背景辐射。(www.xing528.com)

宇宙背景辐射的发现是现代宇宙学中的重大事件，这项成就获得了1978年度的诺贝尔物理学奖，瑞典科学院在颁奖的决定中指出：“彭齐亚斯和威尔逊的发现，是一项带有根本意义的发现，它使我们能够获得很久以前、在宇宙的创生时期所发生的宇宙过程的信息。”3K微波背景辐射的发现，验证了大爆炸理论的预言，是对大爆炸宇宙论的有力支持。

从对大爆炸理论的证实来说，3K背景辐射与宇宙红移的作用有所不同。单从宇宙天体的退行来看，这种现象既可以认为是天体随着空间膨胀而退行，也可以认为先有静止不动的空间存在，宇宙原始物质是在这种空间中爆炸，然后向四面八方飞散出去。但3K背景辐射的存在说明，宇宙的膨胀只可能是前一种情况，不会是后一种情况，因为如果是后一种情况，就无法解释背景辐射的存在。原因在于，在宇宙原始物质爆炸中，辐射总会比物质更快地飞离爆炸地点，物质周围不会有辐射存在。由此说明，所谓大爆炸并不是一团物质在某一固定空间的爆炸，而只能是空间自身的膨胀。

图3.10　宇宙背景辐射的强度遵循黑体谱，对应的黑体温度是3K。图中竖直线段表示各波长处测得的背景辐射相对强度，线段长度表示误差范围，阴影部分是用宽频带方法测得的高频部分

其四，氦丰度的测定。宇宙中天然的化学元素有九十多种，它们的含量很不均等。自然界各种元素的重量百分比，称为元素的丰度，现代宇宙学力图证明化学元素的起源过程，因此一些元素的丰度是相当重要的宇宙学参量。观测表明，各种天体上氢和氦是最丰富的元素，二者的丰度之和约为98%，其次就是碳、氮、氧、氖，再次是锂、铍、硼，比镍重的元素非常稀少。在这些元素成分中，对宇宙学最有意义的是氦的丰度，因为氦的丰度在许多种类不同的天体上都具有大致相同的数值，均为25%左右。这不能不使人们想到，这种现象可能不是由天体的个别情况决定的，而是整个宇宙中某种共性的表现。用恒星内部元素合成机制不足以说明为什么有如此多的氦存在，而根据大爆炸理论，宇宙早期温度很高，产生氦的效率也很高，宇宙中丰富的氦正是在大爆炸之初形成的。按照大爆炸理论，根据宇宙背景辐射的温度，以及由红移推定的宇宙膨胀率，可以计算出宇宙初期形成的氦丰度值恰好在25%附近，这一理论计算值与观测事实非常一致。

另外，宇宙中氢的丰度最高，占70%以上。自然界的元素是在宇宙最初的高温高密度状态下从最简单的氢俘获中子聚合成氘和氦，又在后来的恒星内部合成更重的元素。为什么大部分氢并没有变成氦呢？这同宇宙早期的膨胀速度有关。如果最初大爆炸的高温高密状态能维持一段较长时间不变，那么就有可能全部的氢都变成氦。但实际上，由于宇宙在那个时期的迅速冷却，大部分氢来不及合成氦，宇宙已冷却到不能发生核聚变的地步了。而宇宙冷却是由膨胀引起的，膨胀得越快，冷却得也越快。因此，今天宇宙中有大量氢残留下来，与大爆炸后宇宙膨胀的快慢有直接关系，正是当时的快速膨胀，才使大量的氢保留下来。后来在恒星内部氢可缓慢地聚合成氦及其他元素，同时向外辐射能量，给宇宙带来了光和热，为生命和人类的发生和发展准备了条件。反之，只要当初宇宙膨胀慢一点，就会有大量的氢合成氦，那么今天的宇宙就不会如此光辉灿烂，生命和人类也将不会出现。

在现代宇宙学中有多种宇宙模型理论，其中大爆炸理论得到了上述事实的较好支持，因此它是一种比较成功的宇宙理论。这一理论告诉我们，宇宙有着统一的起源和演化，它开始于一种高温高密度的状态，经历了漫长的膨胀冷却过程之后才演化成今天这种样子。

20世纪，人类对宇宙起源的探索出现了两次高潮，第一次高潮是由哈勃定律的发现引起的，第二次高潮是由微波背景辐射的发现引起的，这两次重要发现都带来了宇宙学的蓬勃发展。从认识过程来看，这两次发现都是先有理论预言而后才有观测结果，如前所述，弗里德曼的膨胀宇宙模型和伽莫夫的背景辐射预言分别为这两个发现提前确立了理论基础，也正因如此，它们才引起了宇宙学界的巨大轰动。而这几件事，都证明了广义相对论宇宙学和大爆炸理论的合理性。我们知道，在天体物理领域或宇宙起源研究方面，进行准确的预言是极其困难的事情，因为这类研究涉及的因素太多，理论很难处理这类复杂关系。大爆炸宇宙论成功地做到了这一点，这无疑是在衡量其正确性的天平上加上了一颗重重的砝码。

生活在地球上相对渺小的人类，竟根据很少的几条原理及观测事实，就对广袤无边的宇宙的起源、演化和发展做出如此精确的描述，这不能不说是人类认识上的一个奇迹，是很值得从认识论和方法论上好好总结的。