如何證明宇宙大爆炸真的發生過？

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群星璀璨、萬物有理

在138億年前，整個可觀測的宇宙是一個極其微小的點，溫度超過一萬億度。這是一個非常簡單但非常大膽的理論，但它也不是一個輕鬆或簡單的理論。事實上，即使是在一百年前，這聽起來也完全是荒謬的，但我們現在卻在說，這沒什麼大不了的。但就像科學上的任何東西一樣，像這樣的簡單語句都是由大量獨立的證據構成，它們都指向同一個結論——在這種情況下便是宇宙大爆炸，我們的宇宙歷史模型。那如何證明宇宙大爆炸真的發生過？有5個大爆炸的證據：

起初，宇宙膨脹得非常非常快，圖片：Flickr/Jamie, CC BY-SA

Top1、夜空是黑暗的

想像一下，我們生活在一個完全無限的宇宙中，時間和空間都是如此。這些閃閃發光的恆星集合永遠在每個方向上運行，而宇宙只是一直存在，而且永遠都是。那就意味著無論你在天空中看到什麼，只要隨便找個方向，然後盯著看——你一定會在某個地方找到一顆星星。這是無限宇宙的必然結果。如果這個宇宙一直存在，那麼就有足夠的時間從那顆恆星發出光，以相對緩慢的c速度穿過宇宙，到達你的眼球。

即使有任何干涉的塵埃的存在，也不會減少從無限大宇宙中擴散出來恆星累積光。因此，天空應該閃耀著眾多星星的光芒。相反它是黑暗、空虛、空白、黑暗的。德國物理學家海因里希·奧爾伯斯可能不是第一個注意到這一明顯的悖論的人，但他卻堅持了這個觀點：這就是眾所周知的Olbers悖論。簡單的決議？要麼宇宙不是無限的，要麼它不是無限的、或者是沒有？（顯然是有的）。

Top2、類星體存在

在20世紀50年代和60年代，研究人員發明了靈敏的射電望遠鏡，在天空中發現了奇怪的無線電波。通過重大的天文調查，科學家們確定這些准恆星射電源「類星體」，是非常遙遠但非常明亮的活躍星系。對於這個討論來說，最重要的是這個結論「非常遙遠」的部分。

因為光從一個地方到另一個地方需要時間，所以我們不像現在這樣看到恆星和星系，但就像成千上萬或幾十億年前一樣。這意味著更深入地觀察宇宙也會更深入地觀察過去。在遙遠的宇宙中看到許多類星體，這意味著這些天體在數十億年前是非常普遍的。但在我們本地的最新社區里幾乎沒有類星體。它們在遙遠的宇宙中是很常見的，應該在周圍看到更多。簡單的結論是：宇宙的歷史與今天不同。

Top3、越來越大

我們生活在一個不斷膨脹的宇宙中。平均而言，星系離所有其他星系越來越遠。當然，一些小型的局部碰撞是由剩餘的重力作用產生的，比如銀河系將在幾十億年後與仙女座星系發生碰撞。但在很大程度上，這種簡單、擴張性的關係是正確的。這是天文學家埃德溫·哈勃在20世紀早期發現的，在發現「星系」實際上是一件事之後不久在膨脹的宇宙中，規則很簡單。

每個星系都在從(幾乎)每個星系中後退。來自遙遠星系的光將會被紅移——它們釋放光的波長將會變得更長，因此從其他星系的角度來看會更紅。你可能會想，這是由於單個星系在宇宙中運動的緣故，但是數學並沒有增加。一個特定星系的紅移量與它的距離有關。更近的星系會有一定程度的紅移。一個兩倍遠的星系會得到兩倍的紅移。

四倍的距離?沒錯，是紅移的四倍。為了解釋這一點，僅僅是星系在繞著旋轉，必須有一個非常奇怪的陰謀，宇宙所有的銀河系公民都同意在這個非常特定的模式中移動。相反，有一個更簡單的解釋：星系的運動是由這些星系之間的空間延伸造成的。我們生活在一個動態的、演化的宇宙中，它在過去更小，將來會更大。

Top4、殘留輻射

讓我們玩一個遊戲：假設過去的宇宙更小，這意味著它的密度會更大更熱，對吧？對——宇宙的所有都將被捆綁在一個更小的空間里，更高的密度意味著更高的溫度。在某些時候，當宇宙比現在小一百萬倍時，所有的東西都會被打碎，變成等離子體。在這種狀態下，電子將脫離它們的核宿主而自由地遊動，所有這些物質都沐浴在強烈的高能輻射中。但是，隨著嬰兒宇宙的膨脹，它會冷卻到一個點，在這個點上，電子會突然在原子核周圍穩定地穩定下來，形成第一個完整的氫原子和氦原子。

在那一刻，瘋狂強烈的輻射會在新的透明的宇宙中暢通無阻。隨著宇宙的膨脹，開始白熱的光會冷卻，冷卻，冷卻到絕對零度以上的溫度，將波長固定在微波範圍內。當我們把微波望遠鏡對準天空時，看到了什麼？一個背景輻射的沐浴，四周環繞著我們。嬰兒的宇宙照片，從一個早已逝去的時代寄來的明信片，一段時間的光，幾乎和宇宙本身一樣古老。

Top5、元素

把時鐘往回推，甚至比宇宙微波背景的形成還要早，在某種程度上，事情是如此強烈，如此瘋狂以至於連質子和中子都不存在。這只是它們的基本部分，夸克和膠子的湯。但是，當宇宙膨脹並從它存在的最初幾分鐘冷卻下來的時候，最輕的核，像氫和氦，凝結形成。現在有一個相當不錯的核物理處理方法，可以利用這些知識來預測我們宇宙中最輕的元素的相對數量。預測：凝結的湯應該產生大約四分之三的氫，四分之一的氦和少量的「其他」。

然後挑戰天文學家，他們發現了什麼？宇宙由大約四分之三的氫、四分之一的氦和更少的「其他」組成。當然，還有更多的證據。但這只是我們現代宇宙大爆炸的起點。多個獨立的證據線都指向同一個結論：我們的宇宙大約有138億年的歷史，開始於一個微小的點！

博科園-科學科普｜文：Paul Sutter/Live Science

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