宇宙大爆炸後形成的引力波，對了解宇宙有何意義？

宇宙大爆炸的50年

美國科學家宣布他們首次探測到了宇宙大爆炸後形成的引力波，

這一發現對了解宇宙如何誕生具有裡程碑式的意義。曾在1980年提出宇宙暴漲概念的理論物理學家、麻省理工學院教授艾倫·古思稱，這一最新研究「絕對有資格獲得諾貝爾獎」——它有助於證明宇宙誕生於138億年前的一次大爆炸。

最早的宇宙學說

宇宙大爆炸學說是目前公認的宇宙起源的「標準學說」。人類對於宇宙從何而來的好奇心古已有之。從東方的盤古開天地到西方的上帝七天創造世界，各民族關於宇宙起源的傳說如出一轍，即都是由超自然的力量「建造」了宇宙。

不單是對宇宙起源的猜測相似，各民族對宇宙結構的最初看法也是驚人的相同。這從三個文明古國對宇宙結構的猜測就可以看出：

古巴比倫人生活於四千年前的兩河流域，他們認為宇宙是一個密封的箱子或小房間，大地是它的底板，底板中央矗立著冰雪覆蓋的區域，幼發拉底河就發源於這些區域中間。大地四周有水環繞，水之外還有天山，以支撐蔚藍色的天穹。

古埃及人在尼羅河兩岸生活，他們心目中的宇宙大體上和古巴比倫人相仿。他們認為宇宙是一個方盒子，南北的長度較長，底面是凹下去的，埃及就處於凹陷的中心。天是一塊平坦的或弧形的天花板，四方有四根天柱，即支撐的山峰，星星是用鏈條懸掛在天上的燈。在方盒子的邊沿，環繞著一條大河，河上有一艘船載著太陽往來。尼羅河是這條河的支流。顯然，這個宇宙模型受當地地貌的影響很深。

中國古代佔主導地位的宇宙模型是「渾天說」。發明地動儀的張衡是它的主要擁護者。「渾天說」認為，天好像一個雞蛋殼籠罩在一片汪洋之上，陸地似蛋黃，浮在蛋清般的水中，恰好位於天的正下方。但是，蛋殼和蛋黃的比喻只是為了說明天與地的位置關係，古人可沒有把腳下的大地看成是球形的。儘管唐代天文學家一行在大地測量中曾發現用「地平說」解釋不了的事實，可惜他沒敢懷疑「渾天說」。

從上面的例子可以看出，古人並不區分天地與宇宙，他們以為日月星辰是天空的一部分。比如，他們都認為大地是平坦靜止的，天空由極高的山峰支撐著，日月星辰在天空中運動。這種天地宇宙觀是人類早期遊牧生活的反映，那時人們住在帳篷裡，他們想當然地認為宇宙的結構和帳篷是一樣的。在這裡，人們按照自己的居所造出了心目中的宇宙，就好像按照自己的形象創造神的形象一樣。

但是，這種地外有水、水外罩天的「地平說」是先天不足的。古人最搞不懂的是：大地的外面全是汪洋，那麼太陽落山後豈不是要沉到水中熄滅了嗎？再說，太陽昨天從西方落下，怎麼今天早上又從東方升起？這一夜太陽到哪裡去了？

中國古代還有人曾嘗試用陰陽五行相生相剋的觀念解釋這個問題，但並不成功。畢竟這個宇宙模型與現實的差距太遠了。

「大爆炸」是個貶義詞

自從哥白尼提出「日心說」以來，

幾代天文學家不斷更新望遠鏡和天文理論，逐漸認識到不但太陽不是宇宙的中心，就連銀河系也不是。銀河系在本超星系團中也不過是個「小兄弟」，宇宙很可能沒有中心。但宇宙總該有個開始，它始於何時呢？

愛因斯坦在20世紀初提出的狹義相對論和廣義相對論，使人類對時間和太空本質的認識又前進了一大步。天文學家意識到，要想研究大尺度的天文現象，必須藉助相對論這個工具。1927年，比利時天文學家勒梅特（此人同時也是天主教神父）發表了愛因斯坦引力場方程的一個嚴格解，並由此指出宇宙是在膨脹的。

不過，勒梅特只是在理論上指出了宇宙膨脹的可能性，證實宇宙膨脹的人是美國天文學家愛德溫·哈勃。1925年，哈勃根據河外星系的形狀對其分類，得出一個重要結論：星系看起來都在遠離地球而去，且距離越遠，遠離速度越快。哈勃於1929年發表的這個初步結論後來被更多觀測所證實，成為人們公認的「哈勃定律」（也叫「紅移定律」）。

哈勃定律的重要意義在於，它表明宇宙並非如天文界以前所認為的那樣是靜止的。它顯示出眾多的河外星系就像一個膨脹氣球上的斑點，隨著膨脹而互相遠離，而且這個過程已有100億年至200億年的歷史。

1932年，勒梅特提出假說：既然宇宙一直在膨脹，那麼反推回去，宇宙最初應該聚集在一個密度和溫度極高的「原始原子」（也叫「宇宙蛋」）中，後來它發生四散的爆炸，才形成了今天的宇宙。勒梅特的成果一開始並未受到關注，直到更有名望的英國物理學家愛丁頓重視了這一成果，宇宙起源於「宇宙蛋」的假說才引起科學家們的普遍關注。

「大爆炸」是從英文名稱Big Bang翻譯過來的，直譯的話應為「嘭的一大聲」。1949年3月，英國天文學家弗雷德·霍伊爾參加了BBC的一次廣播節目，在節目中，霍伊爾將宇宙從一個點爆炸產生的理論戲稱為「這個大爆炸的觀點」。這就是「大爆炸」一詞的來源。其實，霍伊爾並不支持大爆炸理論。他是與大爆炸對立的宇宙學模型——穩恆態理論的倡導者，因為對大爆炸宇宙學說懷有敵意，所以他才起了這個頗有嘲諷之意的名字。但後來的觀測事實卻逐步確立了大爆炸宇宙學說的主導地位，猶如達爾文學說在生物學中的地位一樣。

穩態還是動態？

儘管人們知道世間的一切都在運動中，只是到了哈勃發現紅移定律後，動態宇宙的觀念才進入人類的考量。人們甚至從來沒有想過宇宙也會演化，即便牛頓和愛因斯坦也都主張宇宙是穩定的。

根據牛頓的萬有引力定律，宇宙中的一切物質都會相互吸引。如果真是這樣，所有的星球都會因相互吸引而聚在一起，不再有穩定的宇宙了。牛頓本人也同意這種觀點，為此他辯解說：「如果恆星的數量是無限的，就不會聚集到一處，因為太空也是無限的，並沒有一個可供聚集的『中心點』。」

從廣義相對論可以推導出，宇宙要麼在膨脹，要麼在收縮。為此，愛因斯坦在公式中加入了一個「宇宙常數」，使得計算出的宇宙既不膨脹，也不收縮，保持穩恆狀態。後來，他把加入「宇宙常數」的舉動稱為自己「一生中最大的錯誤」。

1948年，奧地利天文學家邦迪和戈爾德提出一種理論，承認宇宙膨脹但否定大爆炸。後來霍伊爾發展了這個理論。霍伊爾認為，在星系散開的過程中，星系之間又形成新的星系；形成新星系的物質是「無中生有」的，而且運動的速度非常緩慢，用現在的技術無法測出。結論是，宇宙自始至終基本上保持著同一狀態：過去宇宙是什麼模樣，未來宇宙仍是什麼模樣；宇宙既沒有開始，也沒有結束。這種理論被稱為「連續創生論」，對應的宇宙模型是「穩恆態宇宙」。

1946年，俄裔美國天體物理學家伽莫夫將廣義相對論與化學元素生成理論聯繫起來，提出了「熱大爆炸」宇宙模型。他堅信，如果宇宙是從一個極其緻密、高溫的狀態中爆炸產生的，早期大爆炸的輻射就應該殘存在我們周圍。伽莫夫的學生阿爾法和博士後赫爾曼隨後計算出，伴隨大爆炸產生的輻射在宇宙膨脹過程中應該逐漸損失能量，因此現在應該以射電輻射的形式存在，作為一個均質背景從天空的四面八方射來；由於時間久遠，其輻射溫度相當於攝氏零下270℃（絕對溫度3 K）。在這麼低的溫度下，輻射是處於微波的波段。因為用光學望遠鏡看不見微波，天文學家沒法給這個理論找到觀測上的支持。

意外的發現

1964年，貝爾實驗室的無線電工程師阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜製作了一個非常精密的微波探測天線並進行試驗。試驗的目的是讓該儀器接收衛星發回的微弱信號，並把數據記錄下來，以改善衛星通信品質。為了測量來自太空的微弱信號，他們採用方向性特別好的喇叭形天線以減少無線電干擾。

1964年5月，彭齊亞斯和威爾遜進行了初步的測量。出乎兩人的意料，在7.35厘米波長的微波段上，扣除大氣雜訊、天線結構的固有雜訊及地面雜訊後，最後還有3.5K的剩餘雜訊。為了找出這剩餘雜訊的來源，他們首先考慮的是天線本身產生的電雜訊是否比預期的高。為此，彭齊亞斯和威爾遜仔細檢查了天線金屬板的接縫，趕走了曾在天線的喉部築巢的鴿子，並清掃了天線，除去了鴿子巢居期間在天線喉部塗上的一層「白色的電介質」（鴿糞）。但是，所有努力均未能消除這個剩餘雜訊。

從1964年到1965年兩年間，彭齊亞斯和威爾遜發現，這個消除不掉的雜訊，不但在一天之中沒有變化，在一年四季也沒有變化，且是一種與方向無關、亦無偏振的穩定不變的雜訊。看來，這種雜訊不是來自人造衛星，也不會來自太陽或銀河系，更不可能來自河外星系的某個射電源——因為以上這些來自某個輻射源的信號是有方向性的：當天線指向這個方向時，接收到的信號就較強；背對這個方向時，接收到的信號就較弱。而實際測得的這些微波雜訊完全不隨方向變化，這就足以證明這些雜訊一定不是來自任何一個射電源，它必定來自銀河系之外的、更廣闊的宇宙。它在各方向上分布均勻，瀰漫於整個天空背景上，而它的等效溫度為3K左右，彭齊亞斯和威爾遜就給它起名為「3K微波背景輻射」。但這種微波背景輻射究竟是什麼原因造成的？他們無法回答。

這個神秘的消除不掉的微波雜訊的來源及意義，很快從普林斯頓大學的天體物理學家那裡得到了解釋。彭齊亞斯在一次偶然的電話聯繫中，從朋友貝爾納·伯克（麻省理工學院的射電天文學家）那裡得知，普林斯頓大學的一個天體物理研究小組不久前發表了一篇論文的預印本，文中預言，3厘米波長的微波段應當接收到溫度為10K的雜訊。彭齊亞斯與威爾遜很快就向這篇文章的作者、普林斯頓大學的物理教授迪克等人發出邀請，並進行了互訪。他們相信，彭齊亞斯和威爾遜發現的這一消不掉的雜訊，很可能正是普林斯頓大學以迪克為首的研究小組已經理論預言、並正在努力尋找但還沒有找到的東西。這次互訪促成了兩項不同領域研究成果的絕妙合作，使貝爾電話實驗室為提高衛星通信品質而進行的非常實用的研究項目，意外獲得了完全屬於基礎理論研究的、純粹是宇宙學探索的一項根本性的重大發現。

這個偶然的發現為微波背景輻射的相關預言提供了堅實的驗證，並為大爆炸假說提供了有力的證據。發現的過程雖然偶然，但彭齊亞斯和威爾遜並未輕易放過這個異常現象，終於得出了重要結論。他倆因此獲得了1978年諾貝爾物理學獎。瑞典科學院在頒獎的決定中指出：「彭齊亞斯和威爾遜的發現是一項帶有根本意義的發現：它使我們能夠獲得很久以前，在宇宙的創生時期所發生的宇宙過程的資訊。」

微波背景輻射的發現和確認使絕大多數物理學家相信，大爆炸是描述宇宙起源和演化的最好理論。

大爆炸學說被後來的觀測研究逐一證實：1989年的一個早晨，美國航空航天局將COBE衛星送上太空。

COBE最初9分鐘的觀測結果表明，宇宙微波背景輻射具有完美的黑體輻射譜。宇宙大爆炸理論進一步得到證實。美國學者約翰·馬瑟和喬治·斯穆特根據COBE衛星測量結果進行分析計算後發現，宇宙微波背景輻射與絕對溫度2.7K黑體輻射非常吻合，此外，微波背景輻射在不同方向上的溫度有著極其微小的差異，也就是說存在各向異性。這兩位學者也因此獲得2006年度諾貝爾物理學獎。

宇宙概括史

按照目前的認識，我們可以大致描述宇宙創生以來的過程：

137億年前——在大爆炸發生的瞬間，宇宙的體積為零，溫度無限高。大爆炸開始後，隨著宇宙的膨脹，輻射的溫度隨之降低。大爆炸1秒鐘之後，溫度降低到了100億度，這個溫度是太陽中心溫度的一千倍。此時的宇宙中主要包含光子、電子、中微子和它們的反粒子，以及少量的質子和中子。此時粒子的能量極高，它們相互碰撞併產生大量不同種類的正反粒子對。

中微子和反中微子之間以及它們和其他粒子之間的相互作用非常微弱，所以它們並沒有互相湮滅掉，以至於直到今天它們仍然存在。

宇宙繼續膨脹，溫度的降低使得粒子不再具有如此高的能量，它們開始結合。與此同時，大部分正反電子相互湮滅，併產生了更多的光子。大爆炸100秒後，溫度降到了10億度，這相當於最熱的恆星的內部溫度。一個質子和一個中子組成氚核（重氫）；氚核再與一個質子和一個中子形成氦核。根據計算，大約有四分之一的質子和中子轉變為氦核和少量更重元素。其餘的中子衰變為質子，也就是氫原子核。

幾個小時後，氦和其他元素的產生停止了。在這之後的100萬年左右，宇宙中沒有新物質形成，只有太空在膨脹。當溫度降低到幾千度時，電子和原子核不能再抵抗彼此間的吸引力而結合成原子。由於宇宙存在著小範圍的不均勻，區域性的坍縮開始發生，其中一些區域在區域外物體引力的作用下開始緩慢地旋轉。當坍縮的區域逐漸縮小，由於角動量的守恆，它自轉的速度就逐漸加快。當區域變得足夠小時，自轉的速度足以平衡引力的作用，像我們銀河系這樣的鐵餅狀星系就誕生了。另外一些區域則由於沒有發生旋轉而形成橢圓形星系。這種星系的整體不發生旋轉，但它的某些部分穩定地繞著它的中心旋轉，因而也能平衡引力坍縮。

由於星系中的星雲仍有不均勻性，它們被分割為更小的星雲，並進一步收縮形成恆星。恆星由於引力坍縮產生的高溫引發核聚變，聚變產生的能量又抵抗了繼續收縮的引力，恆星得以穩定地燃燒。品質越大的恆星燃燒得越快，因為它需要釋放更多的能量才能平衡自身更強的引力，它們甚至會在短短1億年裡耗盡自己的燃料。

恆星有時會發生被稱為「超新星」的巨大噴發，這種噴發令其餘一切恆星都顯得黯淡無光。這時，一些恆星在晚期產生的重元素就會被拋回到星系中，成為構成下一代恆星的磚瓦。我們的太陽就是第二代或第三代恆星，它含有大約2%的這種重元素。還有少量的重元素聚集並形成了繞恆星公轉的行星，地球就是其中之一。

五十年前，生活在這顆不起眼星球上的靈長類動物發現了宇宙大爆炸殘留的痕跡——微波背景輻射。又過了四十多年，一位叫霍金的物理學家在名為《喬治的宇宙秘密鑰匙》的兒童科幻小說中這樣描述宇宙的誕生：「宇宙起源有點像沸騰水中的泡泡。宇宙的開端，可能出現了許多小泡泡，然後消失。泡泡膨脹的同時，一些泡泡會不斷縮小直至消失；而一些泡泡在膨脹到一定尺度後，還可以繼續以不斷增大的速率膨脹，形成我們今天看到的宇宙。

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