半小时弄懂“宇宙大爆炸”

哈勃的研究告诉我们宇宙正在膨胀，这也就是说宇宙每一天都在变大，有可能在很久以前，宇宙是很小的。这与早前亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）和乔治·莱马特在20世纪20年代的研究结果相当吻合，他们运用爱因斯坦广义相对论中的方程式证明，宇宙在诞生之时极为致密，后来随着时间逐渐膨胀。

我们可以用宇宙变大的速率——哈勃常数——反过来计算出宇宙从何时开始膨胀，现在我们得到的答案是138亿年前。如果对宇宙膨胀的过程进行逆向推导，你会发现宇宙中的所有物质之间变得越来越紧密。如果这一推导过程是遵照广义相对论进行的，那么所有的空间（或可称为时空）最终都会集中在一个奇点上，正是广义相对论预测的位于黑洞中心的那个体积无限小、密度无限大的点，空间和时间的概念都终结于这一点。

这些线索共同表明，一个极小、极热的点在大约138亿年前发生了爆炸，而时间和空间即起源于此，天文学家称其为“宇宙大爆炸”。从此以后，在爆炸中产生的宇宙就一直不断地膨胀同时冷却。

“宇宙大爆炸”这个词是英国天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）在1949年某次接受BBC（英国广播电台）采访时提出的创造性用法，他同时也是该理论的一位主要批评者。霍伊尔提倡的是“稳恒态宇宙模型”——他认为宇宙几乎一直是以我们现在所看到的样子存在着的。和宇宙大爆炸形成鲜明对比的是，时间和空间在稳恒态模型下的宇宙中没有开端，也没有结束。这一理论是在1948年由霍伊尔、亨曼·邦迪（Hermann Bondi）和托马斯·戈尔德（Thomas Gold）提出的。

他们另辟蹊径的原因在于，大爆炸理论在20世纪40年代遇到了一个很大的问题：它认为宇宙比地球还要年轻。由于无法精确测量星系之间的距离，当时的天文学家严重高估了哈勃常数——宇宙膨胀速度的度量值。由于他们认为眼下宇宙膨胀的速度比以前快得多，便大大低估了宇宙的年龄。天文学家最初通过哈勃常数计算得到的宇宙的年龄仅为20亿年，但是地质学家却已经在地球上发现了30亿年前产生的岩石。

稳恒态宇宙模型认为，随着空间的伸展，会有新的物质诞生来填补空白，并以此来解释人们观察到的宇宙的膨胀。如此一来，宇宙的整体密度随着时间的推移依然会保持稳定。这也就意味着新的恒星和星系会在一堆比它们老得多的恒星和星系中横空出世。在这样一个稳定的宇宙中，相邻的恒星和星系的年龄应该是不尽相同的。

因此，20世纪40年代，如同科学史上多次上演的故事一样，这两种对立的理论之间存在分歧。人们唯一可以做的是，分别使用它们来预测宇宙应该是什么样的，之后再将目光投向宇宙，根据这些预测来寻找能够支持它们的证据。

稳恒态宇宙模型并不需要解释宇宙在演化到现在这个样子的过程中发生了什么，因为它一直都是以现在的状态存在的。而大爆炸理论就比较麻烦了，它不仅仅认为空间和时间有一个开端，并且还认为起初的宇宙与现在的状态截然不同。如果要让大家相信大爆炸理论是正确的，那么你就需要解释一个极小、极热的点是如何演化成我们看到的充满恒星和星系的大宇宙的。

如果今天的宇宙曾经比一个原子还要小，那么它的温度将会非常高——在大爆炸发生一秒后高达100亿摄氏度。天文学家可以根据我们目前所掌握的粒子物理学知识，来推测在极端条件下会发生什么，比如大型强子对撞机这样的粒子加速器就一直在做这样的事——模拟大爆炸发生之后的环境。

最初，“婴儿宇宙”中充满了能量，但是在大爆炸发生后的第一秒内，极高的温度足以将能量转化为物质。质子、中子、电子就是在这段时间内形成的——正是这些粒子构成了原子。然而，在膨胀仅仅持续了一秒钟之后，宇宙的温度已经稍微下降一些，无法再产生更多的粒子了。

随后，一些质子和中子结合到一起，形成了一种名为“氘核”的粒子（亦称重氢核，氢原子的一种形式）。第三分钟时，宇宙的高温仍能维持核聚变的进行，但又不至于温度高到会将已生成的粒子炸开。一些氘和质子结合到一起形成了氦原子核——这与太阳中心处将氢转变为氦的过程是一样的。天文学家称之为“核合成”。

不过，在大爆炸发生20分钟后，宇宙已经进一步地冷却下来，以至于无法使这一过程继续进行。计算表明，在这17分钟的爆发性核聚变过程中，宇宙中大约有1/4的氢都转化成了氦。

于是，这就成了大爆炸理论的基本前提。一旦聚变过程停止，直到数百万年后第一批恒星出现，并制造出更重的元素之前，都不会再有任何能够改变宇宙组成部分的方法了，因此今天的宇宙应该仍是由75%的氢和25%的氦组成的。而天文学家在观察现在的宇宙时，的确也得出了这样的结果——这是支撑大爆炸理论的关键论据。