030421宇宙是从大爆炸中诞生的吗(上)-何香涛-第1部分

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　　何香涛，北京师范大学天文系教授。毕业于北京师范大学物理学系，毕业后留校任教。现任中国天文学会副理事长，北京天文学会理事长，发表多篇天文学著作，是我国著名的天文学专家。

　　内容简介

　　1932年勒梅特首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个“原始原子”中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。美籍俄国天体物理学家伽莫夫第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型：宇宙开始于高温、高密度的原始物质，最初的温度超过几十亿度，随着温度的继续下降，宇宙开始膨胀。

　　1965年，彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙背景辐射，后来他们证实宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹，从而为宇宙大爆炸理论提供了重要的依据。他们也因此获1978年诺贝尔物理学奖。20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10…43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释。

　　宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且我们尚不知晓宇宙开始爆炸和爆炸前的图景。

　　全文

　　今天我给大家演讲的题目是《宇宙是从大爆炸中诞生的吗》，大家一看这个题目就会联想翩翩，首先想到很奇怪；再一个感觉觉得有点不可思议，怎么会是大爆炸呢？那我们就看一下，这个宇宙究竟是怎样诞生的，为什么我们会想到大爆炸？

　　上一个世纪最早想到这件事情的是一个匈牙利的天文学家叫勒马特；他怎么想到的呢？我们知道上一个世纪初期以后，物理学的发展都很快。其中在物理学里边有一个很重要的规律，就是这个物质结构和次序都是从简单到复杂，那么描写这个量呢？有一个物理参数叫做熵；这个熵说什么呢？就是说任何一个事物，宇宙世界，这个发展次序都是从简单到复杂。所以我们宇宙中的熵也是在不断地增加，从简单到复杂，最简单是什么呢？最简单就是一个小的单元。所以勒马特就想到，这个宇宙最初的可能就是从一个原始的原子诞生的，然后这个原子演变演变最后演变成现在的宇宙。这就符合这个物理规律，这个熵是不断增加的。这是勒马特最早提出来的一个设想。

　　但是真正想到大爆炸理论，还是从我们物理学里边的老祖宗开始，也就是上一个世纪最伟大的物理学家爱因斯坦。大家知道，爱因斯坦创立了广义相对论，这张照片是爱因斯坦非常天真的一张照片。那么他创立了广义相对论以后，这个广义相对论最主要的一个用途就是来描写宇宙。所以广义相对论产生以后，就有了一个理论基础来描述我们的宇宙，但是光有这么一个理论还不行，还需要天文学家有一个实践。天文学家里边有一位非常有名的人哈勃。大家知道天上飞着一个空间望远镜，就叫做哈勃空间望远镜。为什么呢？就是为了纪念哈勃，这位天文学家有很大的功劳，他主要的功劳是什么呢？他证明了宇宙在不断地膨胀，通过观测来证明。

　　那么有这两点。一个是有了一个广义相对论；一个是有观测事实。这个观测事实呢，就证明了我们的宇宙在不断地膨胀。这两件事情加在一起，当时就有几位物理学家首先提出了大爆炸的思想，那么主要的一位叫做伽莫夫。伽莫夫就想到，如果按照广义相对论的理论再加上一些原子的反应过程，就有可能推算出我们宇宙的演化历史。伽莫夫有个学生叫阿尔文，他把这个稿子投到当时著名的一个刊物叫《物理学评论》，一位编辑也是他的朋友叫做贝瑟。伽莫夫就建议把他的名字也加上，所以这篇文章最后就按照希腊文的三个字母αβγ，就变成叫做αβγ理论。

　　中间有其他的一些人又做了很多的修正和补充，就使得这个理论慢慢就越来越完善。那么这个大爆炸理论提出来以后，它最核心的一点他就指出来，如果他这个理论要是成立的话，我们这个宇宙一边膨胀，一边降低温度。那么降到现在，宇宙最边沿的就是四周的温度，应该降到多少度呢？应该降到五度左右，大家注意，这个五度是指的绝对温标。我们说绝对温标是这样，如果它要是五度的话，相当于摄氏温度负二百多度，摄氏温度的负273度才是绝对温标的0度，这个温度是非常非常低。但是他预言了这件事情，非常的凑巧，他预言了以后呢！就等待着看看有没有观测的结果，天文学家也做了很多努力去观测。但是一想这个温度这么低，你们可以想一想，这样低的一个温度去观测，那实在是太困难了，也就是说，零下负二百多度去观测，那太困难了，天上星星的温度都比这高得多。

　　但就在这时，有两位工程师是贝尔实验室的两位工程师，一位叫彭齐亚斯，一位叫威尔逊。他们两个人在做什么实验呢？就在做通信实验，用他背后这个天线在做通信实验。他们为了使他这个通信实验的灵敏度提高，他们就把这个天线做得非常的精致，也就是说噪音非常低，那么他这个天线如果在传输的时候，它的温度大约也就是三百度，如果说不做传输工作，它本身就是它本身固有的噪音应该非常非常低。他们认为几乎就应该到了绝对温度的0度，也就是说要到了负273度，他们认为最多有0。5度，这个天线的本底噪音就这么低。那么它这样低，他们要实验，那么这个天线对到任何一个地方。你们可以想一想，都有温度。只有对在什么地方，对到宇宙，对到天空，如果对到天空里边，不对着太阳，也不对着其他的星球，那个地方的温度应该是什么呢？应该是0度，而且应该是绝对0度，一点温度都没有。但是对着宇宙以后呢！非常出乎他们的意料，总是有那么一点温度干扰他们这个仪器，也就是说，仪器里边总接收到那么一点温度。

　　这时候他们就通知了在普林斯顿当时正在从事理论研究的一些天文学家，这些天文学家知道以后欣喜若狂，说你们这个东西太重要了，就是伽莫夫预言的大爆炸的这个温度。是不是呢？这就是后来在他们的启发下做的测量，那么测量的结果的的确确存在着，我们管它叫做微波背景辐射，这就是全宇宙中的微波背景辐射。

　　那么这个辐射是什么特征呢？这个辐射很有意思，如果我们把这个辐射仔细分析一下，看上去好像有点不均匀。这个颜色就代表一个温度，好像北边稍微温度高一点，南边温度稍微低一点。其实不然，这一点点差别，并不是宇宙背景辐射的差别，而是由于我们地球的运动，使得温度有一点点改变。如果你把这一点点温度修正了以后，你就会发现这个宇宙四周来的辐射是完全均匀的，这是第一点。

　　第二点更重要的，这个辐射是一个黑体辐射。我们看一下什么叫黑体辐射，就说这个辐射的谱形是由于有温度来造成的。我们说这种辐射有各种可能性，你比如说X射线辐射，那就不是黑体辐射，可能某一个仪器发射的。如果说你烤这个煤火炉，在煤火炉旁边烤，这个就是典型的热辐射。它出来的谱就是典型的黑体谱。而这个谱大家看一下，上边的每一个每一个点就是具体的观测值。那横坐标，就是它的波长，纵坐标就是它的强度。这个谱是一个黑体谱，换句话说，我们这个宇宙的四周，的的确确是一个完全均匀的，一个黑体的辐射的一个剩余谱。这个理论和大爆炸的理论非常吻合，因为大爆炸认为我们的宇宙不断膨胀，一边膨胀温度就一边降低，降到现在大约是5度左右，因此它测出来是2。7度或者大约说是3度，正好和这个理论非常吻合。然后那些天文学家就鼓励他们赶紧发表你们的文章。这两个人就在《天体物理学》杂志上投了一篇稿子，题目就叫做《对天线的一次的温度的过热的测量》。就说我测量来测量去，天线有一点过热。就这么一篇文章，不足千字的文章，就决定了我们宇宙的确是从大爆炸来的，所以很快这两个人就获得了诺贝尔物理学奖，这个理论也就被大家承认了。

　　在座的一定要想，你就光这么一条理论就认为是大爆炸，会不会还有其他的可能性？这一条是非常重要的，为什么说这一条非常重要呢？因为这一条不是先有的观测，后去搞的理论。而是我们先有了一套理论，而这条理论就是以大爆炸为基础。那么这个观测呢，果然就出来了。而且这套理论在观测验证以前，认为好像是也很难想像，说我们这个宇宙是大爆炸有点不可思议。所以这个观测出来以后，对大爆炸理论是一个非常有利的支持，这是最重要的一个支持之一。

　　除此之外还有一个重要的支持。既然你是大爆炸，那我们这个宇宙意味着什么呢？在不断地膨胀，是不是不断膨胀，也要由观测来验证，那么这个观测主要就是由哈勃来完成的，在上个世纪的20年代到30年代，哈勃工作在美国的威尔逊天文台。他在观测什么？他在观测河外星系。我们说哈勃本来还有一个功劳，他就证明了除了银河系之外还有和我们银河系一样的，很多的河外星系。这是他的一个功劳，但是他另外一个功劳比这个功劳还要大。他就是去测量这些河外星系相对于银河系有没有运动，他就测量这个，怎么测量呢？就测量河外星系的运动速度，我们说运动速度是可以测量的，通过测量它的光谱，根据多谱勒运动，我们就可以算出它的运动速度来，那么测量的结果非常地惊人。

　　怎么个惊人法呢？就发现我们宇宙就像气球一样，在不断地膨胀，在不断地扩大。什么叫在不断地膨胀呢？就说我们看到的河外星系，每一个星系我们测量它的速度以后都发现这个速度是一个正的速度，也就说这个河外星系在远离我们，无一例外。所有的河外星系都在远离我们，而且这个远离是非常有规律的。所以这个宇宙的膨胀就非常有利的支持了大爆炸理论，我们看一下这个膨胀的过程，大家看出来了吧，这就是模拟宇宙在不断膨胀的情况。

　　除了宇宙膨胀以外，还有没有其他的观测事实来证明大爆炸理论呢？我们说还有一个非常重要的观测事实，什么观测事实呢？就是我们测量宇宙中的元素的含量，我们说宇宙中的元素，当初根据大爆炸理论的话，应该是首先生成的是元素中最简单的元素。最简单元素是什么呢？是氢，所以宇宙中氢是首先产生的，而且氢的含量应该非常多，那么有了氢以后，这个氢在逐渐地通过原子核的聚变过程。就是说原子核和原子核通过聚变反应，在不断地生成更重的元素，那么紧接着氢，下一个要生成的元素是什么呢？就是氦，也就是说氢通过聚变反应来生成氦，这个反应非常非常重要，为什么说重要呢？目前呀，所有的恒星它的产能，也就说它辐射的能量就是通过氢聚变成氦得到的原子核的能量。当然最典型的是什么呢？就是我们的太阳，我们太阳为什么发光呢？如果你指望着像烧煤球炉子一样，来烧煤球，那得多少煤也不行，靠其他的化学也不行，维持这么多年是不可能的。那么惟一的就是太阳上边的氢，通过聚变过程来生成氦，这样一个核反应过程就给我们提供了几乎是无穷无尽的能量。你看重要不重要？非常重要。我们可以顺便说一下，我们这个人类开发核能源，很重要的原因，就是通过太阳的产能得到的启发。

　　比方说我们地面用的氢弹就是一种聚变反应，原子弹是一个分裂反应那么现在人类还不满足，正在搞受控热核反应，受控热核反应是什么呢？就是制造一些小太阳，如果那个要实现的话，你可以想像看，氢都可以聚变成氦。好了，既然宇宙中的元素，是有恒星在燃烧过程中通过氢来聚变成氦，当然这有个过程。我图上面说的很清楚，它也聚变成氦的同位素，叫做氘，然后再合成叫做氚，最后就合成有四个中子和质子的氦。

　　那么这个过程我们可以算出来，宇宙中大体上有多少个恒星，这个恒星的年龄有多大？那么现在宇宙中应该有多少氢？有多少氦？就算出来了。那算出来的结果和观测非常地不符合，怎么不符合呢？如果说我们这个宇宙中的氦完全是由每一个单个的恒星，通过氢聚变成氦的热核反应产生的。那么宇宙中的氦大概有多少呢？也不过只有百分之几，只有百分之几，占到总含量的百分之几。可是我们现在测量结果发现宇宙中的氦非常多，多到有多少呢？宇宙中的氦大约占了宇宙中总元素的四分之一，也就是说有25％是氦，70％多是氢，然后再加上其他的一些元素。那么这个问题就来了，这些氦是怎么产生的呢？就要问这个问题。

　　那么用正常的办法，我们把天上所有的恒星都把它整个都加起来，把它年龄也计算出来。然后产生了多少氦？我们可以算出来，用这些正常的手段是绝对产生不了宇宙中这么多氦的。那么最后的结论是什么呢？只有在当初通过一个非常时期，也就是说一次大爆炸的过程，那么在大爆炸过程中就会迫使很多氢聚变成氦，然后在造我们这个恒星的时候，就不单是纯粹由氢来造了。而是由氢再加上氦一起来造的这个恒星。所以恒星在造的时候，已经就含了好多个氦的元素含量已经多了，因此我们现在测出来宇宙中的元素含量才有了这么多的氦。所以我们概括起来大家就知道了，一个主要的观测事实呢，就是说宇宙是膨胀的。还有一个非常重要的观测事实呢，我们宇宙膨胀到现在，它的剩余温度正好和我们预算的一样，它的温度是多少呢？我们说是3度K或者说摄氏负270度。还有一条就是宇宙中有这么多的氦元素，也是通过大爆炸来产生的。所以我们总括起来，有哪些证据来支持大爆炸呢