宇宙在什麼狀態下誕生

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宇宙的創世起源為何?不同文化有不同的傳說。 這個大哉問在科學的歷程上又是如何發展的呢?看科學家如何透過望遠鏡拼湊拼圖，組成這幅偉大的圖像

圖說：宇宙由時間與空間中的一個點誕生，科學家發現大霹靂造成的輻射之後，才證實了這個想法。

宇宙在灼熱緻密的狀態下誕生，這是科學史上非常重要及完整的概念，弗瑞德?霍伊爾稱之為大霹靂。 不過，這個概念問世至今還不到百年，披頭四樂團在1960年代轟動樂壇時，天文學家都還沒證明大霹靂確實存在。 50年前的夏天，科學家終於發現確實證據，這個證據就是宇宙微波背景輻射，但其實當時已有許多間接證據。

回顧歷史， 大霹靂的概念問世於俄聯數學家亞歷山大?弗里特曼1922年發表的論文中。 弗里特曼發現，從愛因斯坦描述空間、時間和物質特性的廣義相對論方程式看來，可能有不同種類的宇宙存在。 有些宇宙起初很小，但會隨時間而擴大；有些宇宙一開始很大，但會隨時間而縮小。 有些宇宙從一個極小的點擴大到某個程度，又縮小成一個點，或許會再「跳入」另一回合的擴大和縮小。 當時沒有任何確實證據可證明我們的宇宙與這些數學模型相符。

但這並沒有讓弗里特曼就此放棄研究。 他在1923年出版的《空間與時間構成的世界》中寫道，「由於缺乏可靠的天文資料，引用任何數字來說明宇宙的年齡都沒有意義，但如果為了好奇而計算宇宙從一個小點誕生到目前所花的時間，也就是「創世」至今已經過了多久，得出的數字應該是百億年左右。 」這個說法相當接近科學界目前普遍認可的138億年，但當時沒有人注意。

是星系還是星雲?

但是弗里特曼不知道，其實已經有天文資料支持他的說法。 美國羅威爾天文台的維斯托?斯里弗一直在研究來自當時稱為「星雲」（螺旋形雲狀物質）的光。 當時科學家仍在爭議這類天體到底是銀河系內的氣體雲（恆星可能的形成處）？ 還是比銀河系遙遠許多、體積也大得多的星系？

出乎斯里弗意料的是，他發現來自這些螺旋狀星雲的光有「紅移」現象，而且紅移幅度相當大（參見〈重點解析〉一欄）。 這個現象最單純的解釋就是這些天體正快速遠離我們，而紅移則是源自都卜勒效應。 紅移現象顯示這些天體的距離確實在銀河系以外。 但還有另一種可能。 在弗里特曼發現的宇宙擴張模型中（但斯里弗不知道這個模型），空間隨時間而拉長時也會造成類似的紅移效應。

關於螺旋狀星雲特性的爭議在1924年解決。 艾德溫?哈柏當時在美國加州威爾森山剛剛完工的2.5公尺口徑望遠鏡工作。 這具望遠鏡的觀測能力遠高於斯里弗可使用的望遠鏡，因此可藉由研究該「星雲」中的造父變星等變星，測量地球到仙女座星雲（現稱星系）的距離。 這項資料加上對其他星雲測距的結果，一舉證明了螺旋形天體其實是宇宙中的遙遠星系。 現在時機已經成熟，科學家可將紅移和距離整合起來，放入廣義相對論的方程式，用來描述我們的宇宙。

完成這項工作的是比利時數學家及天文學家喬治?勒梅特。 勒梅特居住在比利時，但曾經造訪過英國劍橋大學、美國哈佛大學及威爾森山。 他見過斯里弗和哈柏，知道當時最新的觀測結果，但完全不知道弗里特曼的研究。 因此當他獨立發現與弗里特曼相同的愛因斯坦方程式解時，是以實際宇宙觀測的結果來解釋這個方程式。 他把所有資料彙集在一起，依照經驗法則，看起來較模糊的星系一定比較明亮的星系更遠，從而發現星系的紅移幅度取決於它與地球的距離，也就是「速度」與距離成正比。 但他也發現這不是都卜勒效應。 如同他在1927年曾經提到的，紅移是「宇宙擴張的效應」。

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