宇宙大爆炸的歷史

它被視為一個不容置疑的科學真理：138億年前，我們所知的宇宙從一個被稱為大爆炸的高溫高密度狀態中誕生。儘管幾十年來有許多嚴肅的替代方案被考慮過，但在整個20世紀，隨著宇宙微波背景的發現，科學界在50多年前達成了共識。儘管許多人試圖重新提出各種各樣的不可信的觀點，並試圖提出新的可能性，但所有這些都在一整套天文數據的重壓下消失了。大爆炸是我們宇宙起源的唯一有效理論。

我們如何發現我們的宇宙開始於一次爆炸？

20世紀初的一系列新發現徹底改變了我們對宇宙的看法。1923年，埃德溫·哈勃測量了螺旋星雲中的單個恆星，測量了它們的變化周期和觀測亮度。由於亨麗埃塔·萊維特在制定萊維特定律(Leavitt"s law)方面所做的工作，萊維特定律將恆星的可變周期與其固有亮度聯繫起來，我們獲得了到星系的距離測量數據。這些星系遠在我們的銀河系之外，大多數居住在數百萬光年之外。

哈勃在仙女座星系發現造父變星M31，為我們打開了宇宙的大門，為我們提供了銀河系以外星系的觀測證據，從而進一步發現了宇宙的膨脹。

結合紅移的測量，我們發現了一個重要的關係：星系離我們越遠，紅移的測量值就越大。一些可能的解釋被提出了，比如這些物體的光在穿越太空時失去了能量，或者更遠的星系比更近的星系移動得更快，好像它們都是由爆炸引起的。

然而，有一種解釋是最令人信服的：宇宙在膨脹。這一解釋與廣義相對論的預測以及在各個方向和地點觀測到的大規模平滑一致。隨著更多更遠的星系被發現，這個解釋被進一步證實：宇宙在膨脹。

星系離我們越遠，它離開我們的速度就越快，它發出的光就越紅

即使是在廣義相對論的背景下，許多有效的解釋再一次出現了。當然，如果宇宙向各個方向膨脹，那麼我們就會看到遙遠的天體遠離我們，越遠的天體後退得越快。但這可能是:

• 因為這些物體也有很大的，無法測量的橫向運動，就好像宇宙也在旋轉一樣，
• 或者因為宇宙在振蕩，如果我們看得足夠遠，我們會看到膨脹逆轉，
• 或者是因為膨脹導致了新物質的緩慢產生，導致了宇宙在時間上看起來是不變的，
• 或者是因為宇宙起源於一種高溫高密度的狀態。

只有最後一個選項代表了熱門的大爆炸。

但如果大爆炸的想法是正確的，那麼將會出現一系列新的預測。在廣義相對論的背景下，膨脹的宇宙是第一個，但還有三個主要的，會導致不同的可觀察結果。

與今天的銀河系相比較的星係數量很多，但是像銀河系一樣年輕的星系本質上比我們今天看到的星系更小，更藍，更混亂，氣體更豐富。

第一個是，如果宇宙起源於一個任意高溫，密度，和更加均勻的狀態來擴展和冷卻我們今天所看到的，那麼當我們看得更遠的時候，我們在回顧過去，我們應該看到宇宙年輕時的樣子。因此，我們應該看到那些更小、質量更小的星系，它們是由距離更遠的更年輕、更藍的恆星組成的，然後才會到達一個根本沒有恆星或星系的時代。

一個電子和質子是自由的，與光子碰撞的宇宙，隨著宇宙的膨脹和冷卻，轉變為一個對光子透明的中性宇宙。這裡顯示的是CMB發射前的電離等離子體(左側)，然後是向中性宇宙(右側部分)的過渡，而中性宇宙對光子是透明的。這是一個氫原子的壯觀的雙光子躍遷，它使宇宙成為中性，正如我們所觀察到的。

第二種推測甚至可以追溯到更遙遠的時代，那就是宇宙應該有一段時間是如此的炙熱和充滿能量，以至於連中性原子都無法形成。因此，在某個非常早期的階段，宇宙從電離等離子體過渡到充滿中性原子的宇宙。在早期階段周圍的任何輻射都只會流向我們的眼睛，只會受到宇宙膨脹的影響。

根據彭齊亞斯和威爾遜最初的觀察，銀河系平面發出了一些天體物理輻射源(中心)，但在上面和下面，剩下的是近乎完美的、均勻的輻射背景。現在已經測量了這種輻射的溫度和光譜，與大爆炸預測的一致。

根據原子變得中性和電離的溫度，我們預計這種輻射只會在絕對零度以上幾度，將其轉移到今天光譜的微波部分。這就是術語「宇宙微波背景」的由來。此外，因為它有一個熱源，但是隨著宇宙的膨脹紅移，我們也期望它的光譜會呈現出一個特殊的形狀：黑體光譜。輻射本底最初是在3公里左右被探測到的，後來進行了進一步的測量，因此我們不僅知道它是2.7255公里，而且它的光譜絕對是黑體，與反射光的解釋不一致。(這可以用另一種解釋來解釋。)

COBE對宇宙微波背景輻射光譜的測量表明，宇宙大爆炸留下的餘輝是一個完美的黑體，其反射星光的方式，如果像准穩態模型所預測的那樣，就無法解釋我們所看到的。

最後，還有第三個預言：根據宇宙的早期歷史，元素應該是通過核聚變以特定的比率形成的。今天，這應該意味著在任何恆星形成之前，宇宙應該是:

• 75%的氫(質量)
• 25%的氦- 4,
• 0.01%的氘，
• 0.01%的氦- 3,
• 十億分之一的鋰- 7。

這是它，沒有比這更重的元素了。氫，氦，每一個都有一些同位素，還有一點點鋰。

通過大爆炸核合成預測氦-4、氘、氦-3和鋰-7的丰度，觀察結果顯示在紅圈中。宇宙有75-76%的氫，24-25%的氦，少量氘和氦-3，還有微量的鋰。在氚和鈹衰變之後，這就是我們剩下的東西，它保持不變直到恆星形成。

從觀察上看，這也得到了證實。來自早期星系或遙遠類星體的遙遠光線，被介入的氣體雲吸收，使我們能夠探測到氣體的內容。2011年，我們發現了兩個原始的氣體雲，準確地探測到氫和氦的比例，並(首次)發現了一群沒有氧和碳的氣體：新形成的恆星的首批產物。

不同氣體種群的吸收光譜(左)允許我們得到元素和同位素的相對丰度(中)。2011年，首次發現了兩個不含重元素的遙遠氣體雲和原始氘氫比(右)。

要獲得宇宙微波背景輻射所具有的均勻性、光譜和溫度，唯一的方法是在宇宙膨脹的背景下為其假設一個熱源。早在20世紀40年代，喬治·伽莫夫和他的合作者們就已經推測出了這一現象。20世紀60年代，阿諾·彭齊亞斯和鮑勃·威爾遜首次發現了這一現象。

宇宙的大尺度結構是通過全天空調查和地面和天基天文台的深場測量來確定的，它揭示了一個與大爆炸一致的宇宙，而不是其他的宇宙。

元素丰度的演變，從無金屬的早期階段到貧金屬的中期階段，再到我們今天所觀察到的晚期富金屬階段，都證明了大爆炸的有效性。

現在有許多關於宇宙大爆炸後不久的原始氣體的獨立觀察，顯示了相對於氫的敏感氘量。觀測與大爆炸理論預測之間的一致，是我們對宇宙起源的最佳模型的又一次勝利。

如果你能對這四種觀測結果提出另一種解釋，你就能開始找到一種替代大爆炸的可行方法。解釋觀察到的宇宙膨脹、大規模結構和星系演化、宇宙微波背景及其溫度和光譜特性，以及宇宙中元素的相對丰度和進化，你將挑戰我們宇宙起源的理論。

大爆炸之後，宇宙幾乎是完全均勻的，充滿了物質、能量和輻射，處於迅速膨脹的狀態。隨著時間的推移，宇宙不僅形成了元素、原子、團塊和團簇，導致了恆星和星系的形成，而且整個時間都在膨脹和冷卻。沒有其他可選的理論能與之匹敵。

50多年來，沒有其他選擇能夠實現這四項指標。我們今天看到的宇宙微波背景輻射是無法替代的。不是因為缺乏嘗試或缺乏好的想法，因為這就是數據所顯示的。科學家其實也不相信大爆炸，但他們基於一系列的觀察得出這個結論。那些古老的、不可信的替代理論的最後一批追隨者最終正在消亡。大爆炸不再是科學事業的革命性終點，這是我們建立的堅實基礎。它在預測方面取得的成功是壓倒性的，目前還沒有其他方法能與它在描述宇宙方面的科學準確性相匹配。

該文原作者為：天體物理學家和作家伊森·西格爾

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