戴铭钰

大爆炸留下的最后一点能量

宇宙既包含着古往今来的时间，也包含着上下左右的空间，而我们就生活在这个宇宙之中。自启蒙之后，人类就一直在疑惑：这个宇宙究竟是什么样子的？它是从哪里来的？这些困扰了人类几千年的问题，直到20世纪初才开始有了一点儿模模糊糊的答案，那就是——宇宙是从大爆炸中来的。在138亿年前的某一个时刻，一个小小的不经意的点，突然发生了大爆炸，大爆炸里产生出了空间，也产生出了时间，而我们现实生活中的一切，都是从那个大爆炸中产生出来的。

宇宙大爆炸理论最早出现在爱因斯坦的相对论中，且按照相对论的观点，宇宙还在不断地膨胀。其后，很多科学家参与了这场讨论。1927年，比利时的神父、宇宙学家乔治·爱德华·勒梅特提出，宇宙的膨胀可追溯到一个极其致密的状态，他称其为远古的“超级原子”，这就是大爆炸理论。

“宇宙大爆炸实在是荒谬之极！”这是所有人初次听到这个说法时的反应。但是，现在的一些观测数据已经证明，宇宙大爆炸是真实存在的。

宇宙发生大爆炸之后，因为没有化学元素，因而没有任何物质的存在。一切都是刚刚开始的状态，到处充斥着粒子，就像一锅热粥那样。40万年之后，这锅热粥变得冷却，电子和质子结合在一起形成了原子，其中以氢原子和氦原子为主，它们都是透明的气体。此外，宇宙中还存在着光子，光子可以冲过冷却的“浓汤”，在浩瀚的宇宙中穿行。

不过，不要以为这缕光芒能够被看到。由于宇宙还处在大爆炸的过程中，空间也还在飞速地向外扩张，所以，光子在传播的过程中波长变短了，从而超出了光学波段的范畴，变成了我们看不到的微波。虽然望远镜看不到光，但是探测器可以接收到这些微波，这些微波就是宇宙大爆炸残留下来的痕迹。寒冷宇宙的温度该是0℃，但这些微波的能量却是3K，也就是3℃左右，且不管朝哪个方向探测，宇宙空间的大致温度都是3K，因此它们被称为“3K宇宙微波背景辐射”。

3K宇宙微波背景辐射是宇宙大爆炸论的证据之一，经过天文学家长期的一系列观测，他们从许多方面都为宇宙大爆炸理论找到了各式各样的证据。

大爆炸理论的四大支柱

几乎就在大爆炸论出现的同一时刻，美国天文学家哈勃等人发现，所有星云都在互相远离。其中离我们越远的星系，离去的速度越快，它们发出的光谱的波长也会发生改变，光谱会向着红段移动，这就是红移——星系越远，红移也就越严重。这些飞奔而去的星系表明，宇宙确实是在大爆炸中产生的，这就是哈勃定律。哈勃定律是支撑起宇宙大爆炸理论最简单也是最坚强的支柱。

第二次世界大战推动了原子弹的产生和发展，而对原子弹的研究既让人们了解了化学元素的演化，也给地球上林林总总的化学原子找到了一个共同的起源。于是，微小的原子开始与宏大的宇宙联系在了一起，建立起宇宙大爆炸理论的另一大支柱。

按照目前观察到的情况推测，宇宙的初期只含有氢元素与氦元素，它们都是气体，然后产生出恒星，恒星就是一个高温冶炼炉，较为复杂的元素就是在恒星燃烧的过程中产生出来的。那些林林总总的恒星天体，比如红矮星、蓝巨星、红巨星等等，都处于热核反应之中，并在最后经过超新星爆发，抛洒出巨量的化学元素，四处蔓延，有的就进入了地球，所以地球上的元素是从宇宙中来的。测量各种元素的大概产量（也就是元素的丰度），也证明了宇宙曾发生过大爆炸，因此，化学元素丰度成为了宇宙大爆炸的又一个有力证明。

不仅是恒星的演化，星系的演化也证明，宇宙确实发生过大爆炸。天文学家发现，在遥远宇宙边缘的星系一般很年轻，刚刚诞生不久，而与我们比较近的星系，年龄则较大。不仅如此，星系在大尺度上的分布是均匀的，也符合宇宙大爆炸理论。由此，星系的演化和分布成为了宇宙大爆炸论的另一个理论支柱。

上文提及的“3K宇宙微波背景辐射”则是大爆炸理论的第四大支柱，也是最有力的支柱。这是20世纪60年代，2位无线电工程师在无意中发现的，他们发现天空中存在着微波辐射，且在任何方向都存在，这是天空背景的辐射。其实，这是138亿年前宇宙大爆炸留下的余晖，也就是所谓的“3K宇宙微波背景辐射”。

宇宙从哪里来的？首先，这是高深的哲学;其次，这是高深的科学。天文学家需要解决这个问题，于是提出了宇宙大爆炸理论，这个理论总是让局外人觉得好奇和好笑。但是，经过了50多年的风风雨雨，天文学家的很多发现组合在一起，让宇宙大爆炸理论有了4个坚强的支柱，它不再是猜测，而成为真正的科学。

诺贝尔物理学奖与大爆炸

科学是什么？科学是人们探索的过程，它分为两个部分：一部分是理论，另一部分是实践。诺贝尔奖也颁发给两类人：一部分颁发给提出理论的人，另一部分则奖励证明理论的人。但作为宇宙大爆炸理论最早的奠基人，爱因斯坦却没有因此得奖。

当诺贝尔物理学奖一个个地颁发出来之时，许多人都提议给爱因斯坦颁奖，但诺贝尔奖组委会保持着冷静的心态，他们认为宇宙大爆炸理论有点不可思议。然而，随着天文学的发展，越来越多的观测证据出现，他们也开始动摇了，把这最著名的科学奖项颁发给了对宇宙大爆炸理论作出贡献的卓越人士。迄今已经有多个诺贝尔物理学奖跟宇宙大爆炸理论有关。

比如，1964年，“3K宇宙微波背景辐射”被阿諾·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现，在经历了十几年的技术考验之后，2位发现者在1978年获得了诺贝尔物理学奖。

在宇宙微波背景辐射发现之后，还需要有人作进一步的理论解释。1977年，美国科学家乔治·斯穆特发表了题为《宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性》的论文，并因此与约翰·马瑟分享了2006年诺贝尔物理学奖。

又如，在观测遥远的超新星时，可以发现具有相同爆炸能量的超新星，由于距离地球的远近不同，亮度也不一样。这导致了进一步的结论产生——宇宙还在加速膨胀中。这项成果的取得者亚当·里斯也在2011年获得了诺贝尔物理学奖。

再如，恒星的演化不仅证明了宇宙大爆炸理论，还诞生了引力波这个概念。2017年，对探测引力波作出贡献的3位科学家也因此获得了诺贝尔奖。2019年，又一个诺贝尔物理奖颁发给了研究宇宙大爆炸的科学家吉姆·皮布尔斯，他帮助建立了现代宇宙演化的标准模型，其工作涉及到大爆炸理论的各个方面，丰富了宇宙大爆炸的理论。

当影响巨大的诺贝尔奖颁发的时候，会把全世界的目光吸引过来，这也进一步推动了宇宙大爆炸理论走向普通民众，让人们逐渐理解了大爆炸是怎么回事，让这个大胆的猜想走向科学。

回望宇宙大爆炸理论刚诞生的时候，证据少得可怜，但是随着探天利器的发展，仅仅经过了50多年，它就已经成为了一个广受认可的理论，甚至可以说成为了真理。今后，还会有更多关于大爆炸方面的观测者或者理论科学家获奖，比如原初引力波，第一代恒星发出的光芒等都是可能获得诺贝尔奖的科学项目，它们会像宇宙大爆炸那样，让宇宙大爆炸理论迅速传播，广为人知。