關(guān)于作者
西蒙·辛格，劍橋大學(xué)粒子物理博士，前 BBC 節(jié)目制作人雷则。他執(zhí)導(dǎo)的紀(jì)錄片《費(fèi)馬大定理》獲得英國(guó)電影學(xué)院獎(jiǎng)颊咬，同名科普讀物也是暢銷(xiāo)書(shū)。
關(guān)于本書(shū)
本書(shū)是介紹宇宙學(xué)“大爆炸理論”發(fā)展歷史的科普?qǐng)D書(shū)趋距，它不僅收錄了許多珍貴的史料來(lái)論述科學(xué)理論本身的發(fā)展粒氧，更為我們介紹了為大爆炸理論作出貢獻(xiàn)的科學(xué)家們，以及他們背后的趣事节腐。從古人的神話(huà)到科學(xué)時(shí)代的“日心說(shuō)”外盯，本書(shū)為我們梳理了人類(lèi)認(rèn)識(shí)廣闊宇宙的歷史，講述了大爆炸理論如何描述宇宙的誕生與發(fā)展翼雀。
核心內(nèi)容
本書(shū)以大爆炸理論的發(fā)展歷史為核心饱苟，講述了科學(xué)家如何從廣義相對(duì)論出發(fā)，猜想出一個(gè)宇宙創(chuàng)生和膨脹的模型狼渊，并通過(guò)證實(shí)宇宙在膨脹箱熬、解決原子形成的機(jī)制、找到宇宙微波背景輻射等一系列科學(xué)研究狈邑，最終使大爆炸理論被廣泛接受城须。同時(shí)，以大爆炸理論從提出到被廣泛接受的過(guò)程論述了科學(xué)運(yùn)行的方式米苹。
前言
你好糕伐，歡迎每天聽(tīng)本書(shū)。這期為你解讀的是宇宙物理學(xué)科普名著《大爆炸簡(jiǎn)史》驱入。對(duì)“大爆炸”這個(gè)說(shuō)法赤炒，你肯定不陌生了氯析，科學(xué)家已經(jīng)確認(rèn)，宇宙就是從大爆炸中產(chǎn)生和發(fā)展的莺褒。不過(guò)你有沒(méi)有想過(guò)掩缓，科學(xué)上想要確定一個(gè)說(shuō)法是對(duì)的，那肯定要經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)來(lái)證明遵岩，但是在宇宙尺度上你辣，想要證明宇宙是大爆炸而來(lái)的，這怎么證明尘执？怎么做實(shí)驗(yàn)?zāi)M舍哄？
本期音頻要說(shuō)的這本書(shū)就能解答這個(gè)疑惑，它為我們講述了大爆炸理論是如何從一個(gè)猜想到被逐漸接受的過(guò)程誊锭。在大爆炸理論之前表悬，從各民族的創(chuàng)世神話(huà)開(kāi)始，到哥白尼的“日心說(shuō)”震驚世界丧靡，人們對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)不斷改進(jìn)蟆沫，但某種根本認(rèn)識(shí)從來(lái)沒(méi)有改變，那就是宇宙是靜態(tài)的温治、永恒的饭庞，在時(shí)間上無(wú)始無(wú)終。這種共識(shí)或者叫公認(rèn)的思維基礎(chǔ)熬荆，被稱(chēng)為科學(xué)的范式舟山。大爆炸理論卻確立了一個(gè)新的科學(xué)范式，它認(rèn)為宇宙是動(dòng)態(tài)的卤恳、不斷演化的累盗，認(rèn)為時(shí)間和空間都有一個(gè)開(kāi)始的點(diǎn)。大爆炸理論被逐漸證明和接受的過(guò)程突琳，稱(chēng)為科學(xué)的范式轉(zhuǎn)換幅骄。通過(guò)了解這個(gè)過(guò)程，我們可以知道人類(lèi)對(duì)廣闊宇宙的認(rèn)識(shí)歷史本今。
諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者斯蒂芬·溫伯格曾經(jīng)說(shuō)，理解宇宙為我們的生活增加了樂(lè)趣主巍，而它曲折的過(guò)程也包含了悲劇的美感冠息。人類(lèi)對(duì)自身在宇宙中位置的認(rèn)識(shí)，是關(guān)系到終極信仰和人生價(jià)值的大事孕索，它經(jīng)歷了無(wú)數(shù)生死攸關(guān)的大變遷逛艰。為我們展示了這次認(rèn)知上滄海桑田的，是劍橋大學(xué)粒子物理博士西蒙·辛格搞旭，他是 BBC 節(jié)目制作人散怖，也是寫(xiě)故事高手菇绵。在本書(shū)中，他引用了大量既有價(jià)值又通俗易懂的科學(xué)史料镇眷，講述了許多精彩的故事咬最，把大爆炸學(xué)說(shuō)的發(fā)展過(guò)程寫(xiě)得懸念迭起。
接下來(lái)我們就按照科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的四個(gè)步驟欠动，詳細(xì)拆解大爆炸理論被接受的過(guò)程永乌。第一部分，理論的提出具伍。我們說(shuō)說(shuō)大爆炸理論是在什么樣的情況下提出的翅雏，它和愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論有什么聯(lián)系。第二部分人芽，理論的檢驗(yàn)望几。我們說(shuō)說(shuō)天文學(xué)家哈勃如何通過(guò)觀察檢驗(yàn)，證實(shí)了宇宙確實(shí)在膨脹萤厅。第三部分橄抹，理論的完善。我們接著說(shuō)大爆炸學(xué)說(shuō)的缺陷是如何被逐步修改完善的祈坠。最后一部分害碾，我們將介紹最終證明大爆炸學(xué)說(shuō)的決定性證據(jù)，以及它們是如何被找到的赦拘。
第一部分
首先進(jìn)入第一部分慌随，說(shuō)說(shuō)大爆炸理論的起源。從愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論出發(fā)躺同，科學(xué)家猜想出了一個(gè)宇宙創(chuàng)生和膨脹的理論模型阁猜，也就是我們所說(shuō)的大爆炸模型。
愛(ài)因斯坦作為偉大的物理學(xué)家我們都很熟悉蹋艺，他提出了廣義相對(duì)論剃袍，那大爆炸理論和廣義相對(duì)論又有什么關(guān)系呢？要想明白這其中的淵源捎谨，必須先簡(jiǎn)單了解一下廣義相對(duì)論是什么民效。1907年，愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論的研究上取得了重要成果涛救，他發(fā)現(xiàn)時(shí)間和空間都是可以彎曲的畏邢。這有點(diǎn)違背我們的直覺(jué)，但愛(ài)因斯坦說(shuō)检吆，牛頓萬(wàn)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)象舒萎，實(shí)際上都是物體彎曲時(shí)空的表現(xiàn)。他打比喻說(shuō)蹭沛，時(shí)空就好像一張蹦床的表面臂寝，假如我們放一顆球在蹦床上章鲤，蹦床就會(huì)被壓出一個(gè)小坑，如果這顆球的周?chē)€有一些其他小的物體咆贬，它們就會(huì)一起滾到這個(gè)小坑里面败徊。還記得牛頓的那個(gè)故事吧，他說(shuō)蘋(píng)果從樹(shù)上掉下來(lái)是因?yàn)榈厍虻囊ξ卣鳎鴲?ài)因斯坦告訴我們集嵌，蘋(píng)果落下來(lái)是因?yàn)樗诼涞降厍蛸|(zhì)量造成的時(shí)空小坑里。
彎曲時(shí)空聽(tīng)起來(lái)有些科幻御毅，比較抽象根欧，作者用一個(gè)小故事為我們介紹了這個(gè)重要理論是如何被證明的。當(dāng)時(shí)愛(ài)因斯坦猜測(cè)端蛆，太陽(yáng)的質(zhì)量很大凤粗，那么其他恒星發(fā)出的光在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)旁邊的時(shí)候，一定會(huì)被太陽(yáng)巨大的引力彎曲今豆。怎么觀測(cè)和驗(yàn)證這個(gè)想法呢嫌拣？如果一顆恒星在太陽(yáng)的背后，我們從地球上就看不到它呆躲，因?yàn)樗惶?yáng)擋住了异逐。如果太陽(yáng)的引力真的可以彎曲時(shí)空，使星光偏轉(zhuǎn)插掂，那我們就應(yīng)該可以看到躲在太陽(yáng)背后的恒星灰瞻，但是，太陽(yáng)自己的光實(shí)在太強(qiáng)了辅甥，不管什么恒星的光和它比起來(lái)都可以忽略不計(jì)酝润，事實(shí)上只有一種情況下我們可以進(jìn)行這個(gè)觀測(cè)，那就是日全食的時(shí)候璃弄。英國(guó)科學(xué)家愛(ài)丁頓把握住了這個(gè)機(jī)會(huì)要销，他在日全食發(fā)生的時(shí)候進(jìn)行了觀測(cè)，不僅看到了太陽(yáng)背后的恒星夏块，還測(cè)算出這些恒星所發(fā)出的光的偏轉(zhuǎn)角度疏咐，而這個(gè)角度和愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的計(jì)算幾乎一模一樣。
總之我們知道了脐供，廣義相對(duì)論是一種描述引力的理論凳鬓，它可以用來(lái)計(jì)算宇宙中一切物體的相互作用，并且比牛頓的引力方程更加精確患民。于是，愛(ài)因斯坦迫不及待地用廣義相對(duì)論的引力公式去計(jì)算宇宙運(yùn)行的方式垦梆，這一算可不得了匹颤，計(jì)算結(jié)果表明宇宙是不穩(wěn)定的仅孩，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)印蓖。也就是說(shuō)辽慕，宇宙好像正在自我毀滅。這是一個(gè)荒謬的結(jié)果赦肃，因?yàn)槲覀儾](méi)有觀測(cè)到宇宙正在毀滅的跡象溅蛉。宇宙并沒(méi)有坍縮，那一定還有什么力量在對(duì)抗引力他宛，于是“宇宙正在膨脹”的猜想被提出來(lái)船侧，說(shuō)，正是這種膨脹的力量在對(duì)抗引力厅各、抵消引力镜撩。
從廣義相對(duì)論出發(fā)，比利時(shí)科學(xué)家勒邁特發(fā)展出一個(gè)宇宙創(chuàng)生和膨脹的理論队塘。他指出袁梗，假如宇宙真的在膨脹，那么今天的宇宙一定比昨天的大憔古，昨天一定比前天大遮怜，如果一直這樣倒推回去，就會(huì)得出結(jié)論鸿市，說(shuō)宇宙一定誕生于一個(gè)很小的锯梁、致密的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)被形象地稱(chēng)為“宇宙蛋”灸芳。也就是說(shuō)涝桅，“宇宙蛋”從一個(gè)點(diǎn)開(kāi)始發(fā)生大爆炸，并一直膨脹烙样，直到變成現(xiàn)在我們看到的宇宙模樣冯遂。這就是我們所說(shuō)的大爆炸理論的起源。你看谒获，一種新學(xué)說(shuō)的猜想就這么出現(xiàn)了蛤肌，從愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論出發(fā)，導(dǎo)致了對(duì)宇宙膨脹的猜想批狱，大爆炸理論也就隨著誕生了裸准，提出這個(gè)猜想的是比利時(shí)科學(xué)家勒邁特。
第二部分
不過(guò)赔硫，新猜想的提出只是科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的第一步炒俱，人們開(kāi)始意識(shí)到宇宙并不是靜止的、永恒的，說(shuō)到這里你一定會(huì)問(wèn)：我們?cè)趺床拍苤烙钪媸遣皇钦娴脑谂蛎浤厝ㄎ颍拷酉聛?lái)我們就進(jìn)入第二部分砸王，說(shuō)說(shuō)哈勃定律是如何證明宇宙在膨脹，并算出了宇宙的年齡峦阁。
哈勃這個(gè)名字我們都不陌生谦铃，人類(lèi)第一臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡叫哈勃望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)望遠(yuǎn)鏡就是以美國(guó)著名天文學(xué)家愛(ài)德溫·哈勃的名字命名的榔昔，而哈勃定律是他一生最大的科學(xué)成就驹闰。這個(gè)定律描述的是，宇宙中撒会，星系離地球的距離和它相對(duì)于地球運(yùn)動(dòng)的速度之間的比例關(guān)系嘹朗。一個(gè)是離我們有多遠(yuǎn)，一個(gè)是跑得有多快茧彤，在宇宙尺度上測(cè)量這兩個(gè)數(shù)據(jù)可不是一件容易的事骡显。那科學(xué)家是怎么測(cè)量的呢？
我們先看看如何測(cè)量一個(gè)星系離地球的距離曾掂，這要依靠宇宙中一種很特別的恒星：造父變星惫谤。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)珠洗，亮度也隨之變化溜歪，看上去像是在有規(guī)律地閃爍。1912年许蓖，美國(guó)哈佛大學(xué)天文臺(tái)的一位聾啞志愿者萊維特蝴猪，通過(guò)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(jí)別的大發(fā)現(xiàn)膊爪，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)性自阱，而亮度又與觀測(cè)距離有緊密的關(guān)聯(lián)。你看米酬，問(wèn)題一下就變得簡(jiǎn)單了沛豌，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赃额，觀察它的閃爍周期加派，我們就知道星系離我們的距離了。造父變星因此被稱(chēng)為“宇宙燈塔”跳芳。哈勃正是使用這種方法芍锦，測(cè)出了許多星系離地球的距離。
有趣的是飞盆，通過(guò)測(cè)量出仙女座星系距離地球的距離娄琉，哈勃解決了一場(chǎng)在當(dāng)時(shí)聞名世界的大辯論次乓，也就是像仙女座星云這樣的天體到底是在銀河系以?xún)?nèi)還是在銀河系以外，那時(shí)的科學(xué)家對(duì)這個(gè)問(wèn)題爭(zhēng)論不休车胡。這個(gè)問(wèn)題為什么重要呢檬输？因?yàn)檫@將決定人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的大小。而哈勃證明了匈棘，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析命。于是主卫，“銀河系是唯一星系”的概念被突破，人類(lèi)認(rèn)識(shí)的宇宙從一個(gè)銀河系一下子擴(kuò)大到無(wú)數(shù)個(gè)星系鹃愤，探索宇宙結(jié)構(gòu)的新篇章也開(kāi)始了簇搅。
接著我們來(lái)說(shuō)第二個(gè)數(shù)據(jù)，如何測(cè)量一個(gè)星系的速度软吐。我們知道瘩将，大部分星系都離地球數(shù)百萬(wàn)光年遠(yuǎn)，測(cè)量它們的速度可不像交通警察測(cè)量一輛車(chē)有沒(méi)有超速那么簡(jiǎn)單凹耙，不過(guò)兩者的科學(xué)原理都是一樣的姿现，都用到了“多普勒效應(yīng)”。
什么是多普勒效應(yīng)呢肖抱？作者舉了一個(gè)有趣的例子：說(shuō)有一只青蛙蹲在荷葉上休息备典，每過(guò)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∫馐觯現(xiàn)在假設(shè)這只青蛙一邊繼續(xù)有規(guī)律地拍水提佣，一邊還往岸邊移動(dòng)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)荤崇，往岸邊的方向拌屏，水波之間的間隔變短了，也就是波長(zhǎng)變短了术荤，而另一個(gè)方向上倚喂，一圈圈水波之間的距離變長(zhǎng)了。這就是多普勒效應(yīng)：當(dāng)物體在向著觀察者運(yùn)動(dòng)的同時(shí)發(fā)出一個(gè)波喜每，觀察者感覺(jué)到的波長(zhǎng)比實(shí)際的縮短了务唐，并且速度越快，波長(zhǎng)就越短带兜；反過(guò)來(lái)枫笛，當(dāng)物體離開(kāi)觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者會(huì)感覺(jué)波長(zhǎng)變長(zhǎng)了刚照。因?yàn)楣庖彩且环N波刑巧，測(cè)量星系速度的問(wèn)題也就變得簡(jiǎn)單了，我們只需要檢測(cè)遙遠(yuǎn)星系的光譜，看看它們發(fā)出光波的波長(zhǎng)啊楚，就知道它們的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和速度了吠冤。經(jīng)過(guò)大量的觀察檢驗(yàn)，哈勃發(fā)現(xiàn)恭理，幾乎所有星系的光波都看上去變長(zhǎng)了拯辙。因?yàn)榧t色是可見(jiàn)光中波長(zhǎng)最長(zhǎng)的一邊，測(cè)量到的星系光譜朝紅色光方向偏移的這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“星系紅移”颜价。這說(shuō)明這些星系都在遠(yuǎn)離地球涯保，宇宙確實(shí)是越來(lái)越大，正是這種膨脹在對(duì)抗引力周伦。
哈勃測(cè)量出星系離地球的距離和速度之后夕春，經(jīng)過(guò)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)专挪，那么它遠(yuǎn)離地球的速度也越快及志。也就是說(shuō)，假如一個(gè)星系離地球距離是另一個(gè)星系的3倍遠(yuǎn)寨腔，那么它遠(yuǎn)離的速度也是另一個(gè)的3倍那么快速侈。這就是哈勃定律。它不僅證明了宇宙正在膨脹脆侮，還說(shuō)明了如果我們把時(shí)間倒退回去锌畸，不管處在任何地方，多遠(yuǎn)的星系都會(huì)在同一時(shí)間回到同一個(gè)點(diǎn)靖避。這潭枣，不就是大爆炸開(kāi)始的那個(gè)點(diǎn)嗎？更進(jìn)一步的是幻捏，通過(guò)這個(gè)定律盆犁，哈勃計(jì)算出了宇宙的年齡，原來(lái)篡九，我們的宇宙已經(jīng)18億歲了——等一下谐岁！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(duì)是吧榛臼？這一點(diǎn)后面我們馬上就說(shuō)到伊佃。
現(xiàn)在，我們知道哈勃如何測(cè)量出星系離地球的距離和速度沛善，并得出了哈勃定律航揉，這不僅驗(yàn)證了宇宙在膨脹，證實(shí)了大爆炸理論的猜想金刁，還計(jì)算出了宇宙的年齡是18億歲帅涂。哈勃的研究成果發(fā)布后议薪，越來(lái)越多人開(kāi)始接受大爆炸理論，不過(guò)隨著關(guān)注度的提升媳友，大爆炸理論越來(lái)越多的缺陷也被人們發(fā)現(xiàn)斯议。在科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，理論的修改完善往往會(huì)經(jīng)歷一個(gè)漫長(zhǎng)的時(shí)間醇锚。就好像當(dāng)初哥白尼剛提出“日心說(shuō)”的時(shí)候哼御，人們都不太支持，這其實(shí)和教會(huì)的約束關(guān)系不太大焊唬，而是因?yàn)檫@個(gè)模型模擬天體運(yùn)行規(guī)律的準(zhǔn)確率實(shí)在是有點(diǎn)低艇搀。
第三部分
大爆炸理論也不例外，在科學(xué)領(lǐng)域求晶，任何理論模型都不是一開(kāi)始就完美的，往往表現(xiàn)出與觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)不一致或不準(zhǔn)確的問(wèn)題衷笋。大爆炸理論的支持者們?cè)?0世紀(jì)初面臨的最緊迫芳杏、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(lái)我們進(jìn)入第三部分辟宗，說(shuō)說(shuō)大爆炸模型中的這兩個(gè)缺陷是如何被修改完善的爵赵。
我們先說(shuō)第一點(diǎn)，時(shí)標(biāo)困難泊脐。剛剛我們講到空幻，哈勃算出宇宙的年齡是18億歲，但是古地質(zhì)科學(xué)家通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)容客，地球的年齡超過(guò)了30億歲秕铛，這不就像女兒比她的媽媽還要老一樣荒謬嗎！解決這個(gè)問(wèn)題的是一位叫巴德的德國(guó)天文學(xué)家缩挑。隨著人類(lèi)觀測(cè)技術(shù)的提升但两，天文望遠(yuǎn)鏡的精度在不斷進(jìn)步，巴德通過(guò)200英寸的望遠(yuǎn)鏡發(fā)現(xiàn)了一顆造父變星供置，叫天琴 RR 型星谨湘，從而發(fā)現(xiàn)造父變星其實(shí)有兩類(lèi)。他發(fā)現(xiàn)更新的一類(lèi)更熱也更加明亮芥丧，而哈勃并不知道這樣的區(qū)別紧阔，于是錯(cuò)誤地將更明亮的一類(lèi)與本就比較暗的一類(lèi)造父變星作了比較食听，計(jì)算出的星系距離比實(shí)際的距離少了許多沮脖。經(jīng)過(guò)巴德的重新校準(zhǔn)涧卵，星系離地球的距離提高了一倍吩坝，于是根據(jù)哈勃定律嚷量，宇宙的年齡也大了一倍跟继。再后來(lái)隘冲，還有其它科學(xué)家不斷努力修正誤差互例，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)困難就這么解決了这敬。
接著我們說(shuō)第二個(gè)缺陷航夺，原子豐度。原子豐度就是宇宙中各種原子豐富的程度崔涂。我們都知道阳掐，世界是由各種各樣原子組成的，就拿地球來(lái)說(shuō)吧冷蚂，地心是由鐵組成缭保，包裹地球的大氣則主要是氮和氧，而太陽(yáng)中的原子則是氫和氦占了主導(dǎo)地位蝙茶。早期的大爆炸理論說(shuō)艺骂，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)生隆夯，空間和時(shí)間誕生了钳恕，一個(gè)單一的、質(zhì)量巨大的原子隨著爆炸開(kāi)始分裂成碎片蹄衷，小的碎片又繼續(xù)碎成更小的碎片忧额，于是各種各樣的小原子誕生了，在這種情況下愧口，各種各樣原子的數(shù)量應(yīng)該相對(duì)均衡睦番，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。微觀物理學(xué)家告訴我們耍属，宇宙中最豐富的元素就是氫托嚣，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% 恬涧，而其他像金這樣的重原子則是非常稀少的注益。這就是原子豐度的問(wèn)題，解決了這個(gè)問(wèn)題溯捆，我們就能知道大爆炸的時(shí)候究竟發(fā)生了什么丑搔，我們現(xiàn)在看到的世界又是怎么來(lái)的。
這次輪到著名的核物理學(xué)家喬治·伽莫夫登場(chǎng)了提揍。既然原子分裂的路走不通啤月，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(shuō)大爆炸發(fā)生后劳跃，宇宙開(kāi)始于無(wú)數(shù)最簡(jiǎn)單谎仲、最小的氫原子。他用了一個(gè)形象的比喻刨仑，說(shuō)宇宙開(kāi)始于一鍋致密的郑诺、向外膨脹的“氫原子湯”夹姥，而其他所有原子都是由氫原子通過(guò)核反應(yīng)產(chǎn)生的。我們知道辙诞，任何原子之間形成的反應(yīng)都取決于密度和溫度辙售，伽莫夫利用哈勃對(duì)宇宙膨脹的測(cè)量結(jié)果，得到了宇宙從大爆炸到今天任何時(shí)刻的溫度和密度飞涂，經(jīng)過(guò)計(jì)算他發(fā)現(xiàn)旦部，大爆炸發(fā)生后的1秒鐘之內(nèi)，宇宙急劇膨脹并冷卻较店，溫度從幾萬(wàn)億度下降到了幾十億度士八，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)氦原子核梁呈，這和天文學(xué)家觀測(cè)到的氫氦比例幾乎一模一樣婚度。這樣一來(lái)我們就知道了，宇宙中99.9%的物質(zhì)就是這么來(lái)的官卡。
那更重一些的原子是怎么生成的呢陕见？要想將氫、氦變成各種各樣更重的原子味抖，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”的概念灰粮，簡(jiǎn)單說(shuō)就是一顆恒星仔涩，比如太陽(yáng)，進(jìn)入晚年后粘舟，會(huì)因?yàn)槿剂虾谋M而降溫壓縮熔脂，而壓縮又會(huì)使得恒星再次加熱，這種反復(fù)的過(guò)程會(huì)提供不同的致密環(huán)境柑肴，導(dǎo)致更多的核反應(yīng)霞揉。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)境晰骑。比如碳原子适秩，就是由氦原子通過(guò)復(fù)雜的反應(yīng)生成的。發(fā)現(xiàn)恒星坩鍋這個(gè)概念的人硕舆，就是給大爆炸理論命名的英國(guó)天文學(xué)家霍伊爾秽荞。不過(guò)有趣的是，霍伊爾實(shí)際上是大爆炸理論的反對(duì)者抚官。在1949年扬跋，英國(guó)天文學(xué)家霍伊爾參加了 BBC 的一次廣播節(jié)目，在節(jié)目里凌节，他把宇宙從一個(gè)點(diǎn)急劇膨脹而產(chǎn)生的理論戲稱(chēng)為“那個(gè)砰的一聲的大爆炸觀點(diǎn)”钦听。因?yàn)榛粢翣枌?duì)這個(gè)學(xué)說(shuō)懷有敵意洒试，起這個(gè)名字，包含著一種嘲諷和不屑的意思朴上。但是你看垒棋，作為反對(duì)大爆炸學(xué)說(shuō)的人，他也無(wú)意間幫助修補(bǔ)了大爆炸理論的缺陷余指。
一個(gè)科學(xué)理論的修改完善捕犬，往往會(huì)經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的過(guò)程和許多科學(xué)家的努力。現(xiàn)在我們知道了酵镜，科學(xué)家是如何提升宇宙年齡的估計(jì)值碉碉，從而解決了時(shí)標(biāo)困難，也知道了科學(xué)家如何通過(guò)對(duì)原子的研究淮韭，還原了大爆炸發(fā)生時(shí)的情況」噶福現(xiàn)在，距離科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的完成還差最后的臨門(mén)一腳靠粪，只要找到最后一個(gè)決定性證據(jù)蜡吧，就能完美證明大爆炸理論。
第四部分
那接下來(lái)占键，我們就進(jìn)入最后一個(gè)部分昔善，看看大爆炸學(xué)說(shuō)是怎么完成了科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的最后一步。
上一個(gè)部分我們提到畔乙，伽莫夫認(rèn)為大爆炸剛剛發(fā)生時(shí)宇宙的溫度極高君仆，那時(shí)，宇宙中還有一種成分牲距，那就是大量的光返咱，可以說(shuō)是光的海洋，隨著宇宙的膨脹和冷卻牍鞠，大約30萬(wàn)年后咖摹，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(méi)有改變地穿過(guò)了宇宙难述。伽莫夫說(shuō)萤晴，這些穿過(guò)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(huì)完全消失胁后，而是在星空深處無(wú)處不在硫眯。這些原始光波輻射，正是能夠證明大爆炸理論的終極王牌择同，它是大爆炸留下的殘余輻射两入，被稱(chēng)為“宇宙微波背景輻射”。以前敲才，科學(xué)家們并不知道它的存在裹纳，因?yàn)樗浅Ｎ⑷踉衿希⑷醯绞裁闯潭饶兀肯喈?dāng)于零下260多攝氏度的天體散發(fā)的熱量剃氧。
那么宇宙微波背景輻射是怎樣被找到的呢敏储？說(shuō)來(lái)也巧，科學(xué)的突破往往是無(wú)心插柳的結(jié)果朋鞍。
伽莫夫提出理論后的20年已添，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室制作了一臺(tái)非常精密的射電天線，用來(lái)接收一顆名叫“回聲”的衛(wèi)星發(fā)射回來(lái)的微弱信號(hào)滥酥。射電天線想要準(zhǔn)確地接收到信號(hào)更舞，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)迫癥坎吻，他們檢測(cè)天線的性能缆蝉，把天線對(duì)著天空的各個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)瘦真，不管往哪個(gè)方向刊头，射電天線總會(huì)接收到一種微波噪音。他們想盡了一切辦法诸尽，排除周?chē)锌赡艽嬖诘臒o(wú)線電干擾原杂，用一年的時(shí)間重新檢查、布線您机，甚至清除了天線上的鴿子窩和鳥(niǎo)糞污尉，但仍然無(wú)法消除這個(gè)噪音。兩位科學(xué)家對(duì)外公布了他們的觀測(cè)結(jié)果：這個(gè)消除不了的微波噪音是天然存在的往产，它像背景一樣無(wú)處不在。
很快某宪，熟悉宇宙學(xué)研究進(jìn)展的科學(xué)家就對(duì)這個(gè)發(fā)現(xiàn)給出了正確的解釋?zhuān)哼@個(gè)消除不了的微波噪音仿村，就是宇宙大爆炸的殘留輻射，是科學(xué)家們苦苦尋找的宇宙背景微波輻射兴喂！在著名科幻小說(shuō)《三體》里面蔼囊，有一個(gè)讓人印象極深的細(xì)節(jié)，是三體人為了向地球科學(xué)家證明自己的存在衣迷，上演了一出“整個(gè)宇宙將為你閃爍”的奇觀表演畏鼓，說(shuō)的就是三體人在短時(shí)間內(nèi)改變這個(gè)宇宙微波背景輻射的輻射量，造成一種閃爍效果的現(xiàn)象壶谒。大爆炸理論的終極證據(jù)云矫，就這樣在無(wú)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)汗菜，當(dāng)然還有一絲運(yùn)氣让禀，找到了這個(gè)證據(jù)挑社。微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)和確認(rèn)也讓人們相信，大爆炸是能描述宇宙起源和演化的最好理論巡揍，這個(gè)范式終于確立痛阻。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(kù)恩在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》這本書(shū)中提出的腮敌，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是科學(xué)中公認(rèn)的理論體系或思維基礎(chǔ)阱当。科學(xué)范式的轉(zhuǎn)變糜工，要求科學(xué)家們沖破原來(lái)的束縛弊添，對(duì)很多基本的理論重新定義。有時(shí)候啤斗，一個(gè)偶然的發(fā)現(xiàn)表箭，就可能在一夜之間改變科學(xué)的面貌。在大爆炸理論提出之前钮莲，人們公認(rèn)宇宙是靜止的免钻、永恒的，時(shí)間與空間沒(méi)有關(guān)系崔拥，宇宙沒(méi)有開(kāi)始也沒(méi)有結(jié)束〖颍現(xiàn)在，大爆炸理論已經(jīng)被廣泛接受链瓦，確立了新的科學(xué)范式拆魏，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?jí)嚎s在一個(gè)點(diǎn)慈俯，隨著空間和時(shí)間本身的爆炸渤刃，空間和時(shí)間在那一刻誕生了，隨著宇宙急劇膨脹并冷卻贴膘，經(jīng)過(guò)演化成為我們現(xiàn)在看到的樣子卖子。
總結(jié)
說(shuō)到這里，大爆炸理論的發(fā)展歷史就介紹完了刑峡，下面簡(jiǎn)單總結(jié)一下這期音頻分享的內(nèi)容洋闽。
首先，我們說(shuō)到了愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是一種描述引力的理論突梦，并且比牛頓的萬(wàn)有引力理論更加有效诫舅。由廣義相對(duì)論對(duì)宇宙的預(yù)測(cè)出發(fā)，宇宙在膨脹的理論猜想被提出來(lái)宫患，因?yàn)槿绻钪娌慌蛎浀脑?huà)刊懈，我們就會(huì)得出宇宙在毀滅這個(gè)荒謬的結(jié)論。
其次，我們說(shuō)到了哈勃通過(guò)對(duì)“宇宙燈塔”造父變星的研究俏讹，測(cè)量出了許多星系距離地球的距離当宴，接著又通過(guò)星系紅移的現(xiàn)象確認(rèn)了星系正在離我們遠(yuǎn)去，并得到了它們遠(yuǎn)去的速度泽疆，由這兩個(gè)數(shù)據(jù)他最終提出了哈勃定律户矢，不僅證明了宇宙在膨脹，還計(jì)算出宇宙的年齡是18億歲殉疼。
接下來(lái)梯浪，我們說(shuō)到了大爆炸理論的缺陷和完善的過(guò)程∑澳龋科學(xué)家通過(guò)對(duì)造父變星分類(lèi)的研究挂洛，提升了對(duì)宇宙年齡估計(jì)的精度，將宇宙的年齡估值提高到了大約100 億歲到200億歲眠砾。另一方面虏劲，科學(xué)家研究出大爆炸剛剛發(fā)生時(shí)宇宙中只有最輕、最小的氫原子褒颈，后來(lái)隨著溫度的下降又生成了氦原子柒巫，而各種各樣的重原子則是通過(guò)恒星坩鍋的激烈反應(yīng)而誕生的。這樣谷丸，不僅解決了原子豐度的問(wèn)題堡掏，也基本解釋了宇宙成分為什么是現(xiàn)在我們看到的樣子。
最后刨疼，我們說(shuō)到了大爆炸發(fā)生時(shí)殘余了一種輻射泉唁，它在太空中無(wú)處不在，卻因?yàn)榕既坏脑虿疟晃覀冇^測(cè)到揩慕，這就是最終證明了大爆炸理論的宇宙背景微波輻射亭畜。到這里，大爆炸學(xué)說(shuō)成為了一種幾近完美的科學(xué)理論迎卤。
宇宙學(xué)還在繼續(xù)發(fā)展拴鸵，探測(cè)宇宙的技術(shù)還在不斷進(jìn)步，像被稱(chēng)為“中國(guó)天眼”的 FAST 超大型射電望遠(yuǎn)鏡等觀測(cè)設(shè)備日益成熟止吐，這些技術(shù)的進(jìn)步讓宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)不斷發(fā)展。現(xiàn)在侨糟，科學(xué)家們可以更精確地測(cè)量大爆炸模型中的各種參數(shù)碍扔，發(fā)現(xiàn)了很多意想不到的結(jié)果，比如說(shuō)秕重，宇宙的膨脹正在加速不同。而現(xiàn)在科學(xué)家們還在努力研究，究竟是什么在讓宇宙加速膨脹。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為二拐，加速膨脹的“推手”就是暗能量服鹅。這是一種充斥太空的、具有斥力效果的能量百新。宇宙越膨脹企软，空間越大，暗能量就越多饭望，斥力就越大仗哨，所以宇宙就在加速膨脹。那么宇宙的命運(yùn)究竟會(huì)怎樣呢铅辞？也許科學(xué)的發(fā)展會(huì)給我們意想不到的答案厌漂，也許科學(xué)范式轉(zhuǎn)變的道路永遠(yuǎn)沒(méi)有終點(diǎn)。
最后多提一句斟珊，作為 BBC 的節(jié)目制作人苇倡，本書(shū)作者辛格還曾經(jīng)做過(guò)關(guān)于數(shù)學(xué)另一段科學(xué)史的紀(jì)錄片《費(fèi)馬大定理》，該片獲得了英國(guó)電影學(xué)院獎(jiǎng)囤踩，同名科普書(shū)《費(fèi)馬大定理》也是一本暢銷(xiāo)書(shū)旨椒，每天聽(tīng)本書(shū)欄目已經(jīng)上線，期待你的收聽(tīng)高职。
撰稿：八光分文化·晨旭
腦圖：劉艷
轉(zhuǎn)述：江寧
