介绍宇宙学“大爆炸理论”

西蒙·辛格，剑桥大学粒子物理博士，前 BBC 节目制作人。他执导的纪录片《费马大定理》获得英国电影学院奖，同名科普读物也是畅销书。

关于本书

本书是介绍宇宙学“大爆炸理论”发展历史的科普图书，它不仅收录了许多珍贵的史料来论述科学理论本身的发展，更为我们介绍了为大爆炸理论作出贡献的科学家们，以及他们背后的趣事。从古人的神话到科学时代的“日心说”，本书为我们梳理了人类认识广阔宇宙的历史，讲述了大爆炸理论如何描述宇宙的诞生与发展。

核心内容

本书以大爆炸理论的发展历史为核心，讲述了科学家如何从广义相对论出发，猜想出一个宇宙创生和膨胀的模型，并通过证实宇宙在膨胀、解决原子形成的机制、找到宇宙微波背景辐射等一系列科学研究，最终使大爆炸理论被广泛接受。同时，以大爆炸理论从提出到被广泛接受的过程论述了科学运行的方式。

前言

你好，欢迎每天听本书。这期为你解读的是宇宙物理学科普名著《大爆炸简史》。对“大爆炸”这个说法，你肯定不陌生了，科学家已经确认，宇宙就是从大爆炸中产生和发展的。不过你有没有想过，科学上想要确定一个说法是对的，那肯定要经过反复的实验来证明，但是在宇宙尺度上，想要证明宇宙是大爆炸而来的，这怎么证明？怎么做实验模拟？

本期音频要说的这本书就能解答这个疑惑，它为我们讲述了大爆炸理论是如何从一个猜想到被逐渐接受的过程。在大爆炸理论之前，从各民族的创世神话开始，到哥白尼的“日心说”震惊世界，人们对宇宙的认识不断改进，但某种根本认识从来没有改变，那就是宇宙是静态的、永恒的，在时间上无始无终。这种共识或者叫公认的思维基础，被称为科学的范式。大爆炸理论却确立了一个新的科学范式，它认为宇宙是动态的、不断演化的，认为时间和空间都有一个开始的点。大爆炸理论被逐渐证明和接受的过程，称为科学的范式转换。通过了解这个过程，我们可以知道人类对广阔宇宙的认识历史。

诺贝尔物理学奖获得者斯蒂芬·温伯格曾经说，理解宇宙为我们的生活增加了乐趣，而它曲折的过程也包含了悲剧的美感。人类对自身在宇宙中位置的认识，是关系到终极信仰和人生价值的大事，它经历了无数生死攸关的大变迁。为我们展示了这次认知上沧海桑田的，是剑桥大学粒子物理博士西蒙·辛格，他是 BBC 节目制作人，也是写故事高手。在本书中，他引用了大量既有价值又通俗易懂的科学史料，讲述了许多精彩的故事，把大爆炸学说的发展过程写得悬念迭起。

接下来我们就按照科学范式转变的四个步骤，详细拆解大爆炸理论被接受的过程。第一部分，理论的提出。我们说说大爆炸理论是在什么样的情况下提出的，它和爱因斯坦的广义相对论有什么联系。第二部分，理论的检验。我们说说天文学家哈勃如何通过观察检验，证实了宇宙确实在膨胀。第三部分，理论的完善。我们接着说大爆炸学说的缺陷是如何被逐步修改完善的。最后一部分，我们将介绍最终证明大爆炸学说的决定性证据，以及它们是如何被找到的。

第一部分

首先进入第一部分，说说大爆炸理论的起源。从爱因斯坦的广义相对论出发，科学家猜想出了一个宇宙创生和膨胀的理论模型，也就是我们所说的大爆炸模型。

爱因斯坦作为伟大的物理学家我们都很熟悉，他提出了广义相对论，那大爆炸理论和广义相对论又有什么关系呢？要想明白这其中的渊源，必须先简单了解一下广义相对论是什么。1907年，爱因斯坦在广义相对论的研究上取得了重要成果，他发现时间和空间都是可以弯曲的。这有点违背我们的直觉，但爱因斯坦说，牛顿万有引力定律提出的那种物体与物体之间相互吸引的引力现象，实际上都是物体弯曲时空的表现。他打比喻说，时空就好像一张蹦床的表面，假如我们放一颗球在蹦床上，蹦床就会被压出一个小坑，如果这颗球的周围还有一些其他小的物体，它们就会一起滚到这个小坑里面。还记得牛顿的那个故事吧，他说苹果从树上掉下来是因为地球的引力吸引着它，而爱因斯坦告诉我们，苹果落下来是因为它正在落到地球质量造成的时空小坑里。

弯曲时空听起来有些科幻，比较抽象，作者用一个小故事为我们介绍了这个重要理论是如何被证明的。当时爱因斯坦猜测，太阳的质量很大，那么其他恒星发出的光在经过太阳旁边的时候，一定会被太阳巨大的引力弯曲。怎么观测和验证这个想法呢？如果一颗恒星在太阳的背后，我们从地球上就看不到它，因为它被太阳挡住了。如果太阳的引力真的可以弯曲时空，使星光偏转，那我们就应该可以看到躲在太阳背后的恒星，但是，太阳自己的光实在太强了，不管什么恒星的光和它比起来都可以忽略不计，事实上只有一种情况下我们可以进行这个观测，那就是日全食的时候。英国科学家爱丁顿把握住了这个机会，他在日全食发生的时候进行了观测，不仅看到了太阳背后的恒星，还测算出这些恒星所发出的光的偏转角度，而这个角度和爱因斯坦广义相对论的计算几乎一模一样。

总之我们知道了，广义相对论是一种描述引力的理论，它可以用来计算宇宙中一切物体的相互作用，并且比牛顿的引力方程更加精确。于是，爱因斯坦迫不及待地用广义相对论的引力公式去计算宇宙运行的方式，这一算可不得了，计算结果表明宇宙是不稳定的，宇宙中的每一个天体都将最终被拉向其他更大质量的天体，直到它们全部坠入同一个坑内。也就是说，宇宙好像正在自我毁灭。这是一个荒谬的结果，因为我们并没有观测到宇宙正在毁灭的迹象。宇宙并没有坍缩，那一定还有什么力量在对抗引力，于是“宇宙正在膨胀”的猜想被提出来，说，正是这种膨胀的力量在对抗引力、抵消引力。

从广义相对论出发，比利时科学家勒迈特发展出一个宇宙创生和膨胀的理论。他指出，假如宇宙真的在膨胀，那么今天的宇宙一定比昨天的大，昨天一定比前天大，如果一直这样倒推回去，就会得出结论，说宇宙一定诞生于一个很小的、致密的点，这个点被形象地称为“宇宙蛋”。也就是说，“宇宙蛋”从一个点开始发生大爆炸，并一直膨胀，直到变成现在我们看到的宇宙模样。这就是我们所说的大爆炸理论的起源。你看，一种新学说的猜想就这么出现了，从爱因斯坦的广义相对论出发，导致了对宇宙膨胀的猜想，大爆炸理论也就随着诞生了，提出这个猜想的是比利时科学家勒迈特。

第二部分

不过，新猜想的提出只是科学范式转变的第一步，人们开始意识到宇宙并不是静止的、永恒的，说到这里你一定会问：我们怎么才能知道宇宙是不是真的在膨胀呢？接下来我们就进入第二部分，说说哈勃定律是如何证明宇宙在膨胀，并算出了宇宙的年龄。

哈勃这个名字我们都不陌生，人类第一台太空望远镜叫哈勃望远镜。这个望远镜就是以美国著名天文学家爱德温·哈勃的名字命名的，而哈勃定律是他一生最大的科学成就。这个定律描述的是，宇宙中，星系离地球的距离和它相对于地球运动的速度之间的比例关系。一个是离我们有多远，一个是跑得有多快，在宇宙尺度上测量这两个数据可不是一件容易的事。那科学家是怎么测量的呢？

我们先看看如何测量一个星系离地球的距离，这要依靠宇宙中一种很特别的恒星：造父变星。这是一种不稳定的恒星，因为它们处于一种周期性的膨胀和收缩状态，亮度也随之变化，看上去像是在有规律地闪烁。1912年，美国哈佛大学天文台的一位聋哑志愿者莱维特，通过研究麦哲伦星云中25颗造父变星的照片资料，获得了一个宇宙级别的大发现，那就是：造父变星的闪烁周期和它的亮度有紧密的关联性，而亮度又与观测距离有紧密的关联。你看，问题一下就变得简单了，当我们想知道一个星系离地球有多远时，只需要找到这个星系中的一颗造父变星，观察它的闪烁周期，我们就知道星系离我们的距离了。造父变星因此被称为“宇宙灯塔”。哈勃正是使用这种方法，测出了许多星系离地球的距离。

有趣的是，通过测量出仙女座星系距离地球的距离，哈勃解决了一场在当时闻名世界的大辩论，也就是像仙女座星云这样的天体到底是在银河系以内还是在银河系以外，那时的科学家对这个问题争论不休。这个问题为什么重要呢？因为这将决定人类认识宇宙的大小。而哈勃证明了，这些星云离地球的距离远远大于银河系的直径，所以它们是在银河系以外。于是，“银河系是唯一星系”的概念被突破，人类认识的宇宙从一个银河系一下子扩大到无数个星系，探索宇宙结构的新篇章也开始了。

接着我们来说第二个数据，如何测量一个星系的速度。我们知道，大部分星系都离地球数百万光年远，测量它们的速度可不像交通警察测量一辆车有没有超速那么简单，不过两者的科学原理都是一样的，都用到了“多普勒效应”。

什么是多普勒效应呢？作者举了一个有趣的例子：说有一只青蛙蹲在荷叶上休息，每过一秒它就用脚拍一下水，这样我们就能看到湖面上出现一圈一圈间隔相同的水波。现在假设这只青蛙一边继续有规律地拍水，一边还往岸边移动，我们就会发现，往岸边的方向，水波之间的间隔变短了，也就是波长变短了，而另一个方向上，一圈圈水波之间的距离变长了。这就是多普勒效应：当物体在向着观察者运动的同时发出一个波，观察者感觉到的波长比实际的缩短了，并且速度越快，波长就越短；反过来，当物体离开观察者运动时，观察者会感觉波长变长了。因为光也是一种波，测量星系速度的问题也就变得简单了，我们只需要检测遥远星系的光谱，看看它们发出光波的波长，就知道它们的运动状态和速度了。经过大量的观察检验，哈勃发现，几乎所有星系的光波都看上去变长了。因为红色是可见光中波长最长的一边，测量到的星系光谱朝红色光方向偏移的这种现象被称为“星系红移”。这说明这些星系都在远离地球，宇宙确实是越来越大，正是这种膨胀在对抗引力。

哈勃测量出星系离地球的距离和速度之后，经过计算，发现这两个数据之间有非常严格的数学关系：离地球越远，那么它远离地球的速度也越快。也就是说，假如一个星系离地球距离是另一个星系的3倍远，那么它远离的速度也是另一个的3倍那么快。这就是哈勃定律。它不仅证明了宇宙正在膨胀，还说明了如果我们把时间倒退回去，不管处在任何地方，多远的星系都会在同一时间回到同一个点。这，不就是大爆炸开始的那个点吗？更进一步的是，通过这个定律，哈勃计算出了宇宙的年龄，原来，我们的宇宙已经18亿岁了——等一下！我们现在都知道地球的年龄是45亿岁，所以这个18亿岁的数字肯定不太对是吧？这一点后面我们马上就说到。

现在，我们知道哈勃如何测量出星系离地球的距离和速度，并得出了哈勃定律，这不仅验证了宇宙在膨胀，证实了大爆炸理论的猜想，还计算出了宇宙的年龄是18亿岁。哈勃的研究成果发布后，越来越多人开始接受大爆炸理论，不过随着关注度的提升，大爆炸理论越来越多的缺陷也被人们发现。在科学范式转变的过程中，理论的修改完善往往会经历一个漫长的时间。就好像当初哥白尼刚提出“日心说”的时候，人们都不太支持，这其实和教会的约束关系不太大，而是因为这个模型模拟天体运行规律的准确率实在是有点低。

第三部分

大爆炸理论也不例外，在科学领域，任何理论模型都不是一开始就完美的，往往表现出与观测和实验不一致或不准确的问题。大爆炸理论的支持者们在20世纪初面临的最紧迫、最重要的两个缺陷就是“时标困难”与“原子丰度”。接下来我们进入第三部分，说说大爆炸模型中的这两个缺陷是如何被修改完善的。

我们先说第一点，时标困难。刚刚我们讲到，哈勃算出宇宙的年龄是18亿岁，但是古地质科学家通过检测发现，地球的年龄超过了30亿岁，这不就像女儿比她的妈妈还要老一样荒谬吗！解决这个问题的是一位叫巴德的德国天文学家。随着人类观测技术的提升，天文望远镜的精度在不断进步，巴德通过200英寸的望远镜发现了一颗造父变星，叫天琴 RR 型星，从而发现造父变星其实有两类。他发现更新的一类更热也更加明亮，而哈勃并不知道这样的区别，于是错误地将更明亮的一类与本就比较暗的一类造父变星作了比较，计算出的星系距离比实际的距离少了许多。经过巴德的重新校准，星系离地球的距离提高了一倍，于是根据哈勃定律，宇宙的年龄也大了一倍。再后来，还有其它科学家不断努力修正误差，确定宇宙的年龄应该在100亿岁到200亿岁之间，大爆炸理论的时标困难就这么解决了。

接着我们说第二个缺陷，原子丰度。原子丰度就是宇宙中各种原子丰富的程度。我们都知道，世界是由各种各样原子组成的，就拿地球来说吧，地心是由铁组成，包裹地球的大气则主要是氮和氧，而太阳中的原子则是氢和氦占了主导地位。早期的大爆炸理论说，宇宙所有的物质和能量都曾经压缩在一个点，随着大爆炸的发生，空间和时间诞生了，一个单一的、质量巨大的原子随着爆炸开始分裂成碎片，小的碎片又继续碎成更小的碎片，于是各种各样的小原子诞生了，在这种情况下，各种各样原子的数量应该相对均衡，但实际情况是轻一些的原子和重一些的原子数量极度不均衡。微观物理学家告诉我们，宇宙中最丰富的元素就是氢，其次是氦，这两种最轻最小的原子占了宇宙中所有原子的99.9% ，而其他像金这样的重原子则是非常稀少的。这就是原子丰度的问题，解决了这个问题，我们就能知道大爆炸的时候究竟发生了什么，我们现在看到的世界又是怎么来的。

这次轮到著名的核物理学家乔治·伽莫夫登场了。既然原子分裂的路走不通，而氢原子又占了宇宙中所有原子的90%，于是伽莫夫大胆地提出了一个完全相反的路子：说大爆炸发生后，宇宙开始于无数最简单、最小的氢原子。他用了一个形象的比喻，说宇宙开始于一锅致密的、向外膨胀的“氢原子汤”，而其他所有原子都是由氢原子通过核反应产生的。我们知道，任何原子之间形成的反应都取决于密度和温度，伽莫夫利用哈勃对宇宙膨胀的测量结果，得到了宇宙从大爆炸到今天任何时刻的温度和密度，经过计算他发现，大爆炸发生后的1秒钟之内，宇宙急剧膨胀并冷却，温度从几万亿度下降到了几十亿度，基本的氢原子核反应形成了比较轻的氦核，差不多10个氢原子核可以生成一个氦原子核，这和天文学家观测到的氢氦比例几乎一模一样。这样一来我们就知道了，宇宙中99.9%的物质就是这么来的。

那更重一些的原子是怎么生成的呢？要想将氢、氦变成各种各样更重的原子，需要不同温度的致密环境。这里要提到一个叫“恒星坩锅”的概念，简单说就是一颗恒星，比如太阳，进入晚年后，会因为燃料耗尽而降温压缩，而压缩又会使得恒星再次加热，这种反复的过程会提供不同的致密环境，导致更多的核反应。各种不同的恒星就像不同的高压锅，为各种各样重原子的生成提供了极端环境。比如碳原子，就是由氦原子通过复杂的反应生成的。发现恒星坩锅这个概念的人，就是给大爆炸理论命名的英国天文学家霍伊尔。不过有趣的是，霍伊尔实际上是大爆炸理论的反对者。在1949年，英国天文学家霍伊尔参加了 BBC 的一次广播节目，在节目里，他把宇宙从一个点急剧膨胀而产生的理论戏称为“那个砰的一声的大爆炸观点”。因为霍伊尔对这个学说怀有敌意，起这个名字，包含着一种嘲讽和不屑的意思。但是你看，作为反对大爆炸学说的人，他也无意间帮助修补了大爆炸理论的缺陷。

一个科学理论的修改完善，往往会经过漫长的过程和许多科学家的努力。现在我们知道了，科学家是如何提升宇宙年龄的估计值，从而解决了时标困难，也知道了科学家如何通过对原子的研究，还原了大爆炸发生时的情况。现在，距离科学范式转变的完成还差最后的临门一脚，只要找到最后一个决定性证据，就能完美证明大爆炸理论。

第四部分

那接下来，我们就进入最后一个部分，看看大爆炸学说是怎么完成了科学范式转变的最后一步。

上一个部分我们提到，伽莫夫认为大爆炸刚刚发生时宇宙的温度极高，那时，宇宙中还有一种成分，那就是大量的光，可以说是光的海洋，随着宇宙的膨胀和冷却，大约30万年后，宇宙的温度降到大约3000摄氏度，这时一部分非常微弱的原始光就没有改变地穿过了宇宙。伽莫夫说，这些穿过宇宙的原始的光波辐射，即使是在100多亿年后的今天也不会完全消失，而是在星空深处无处不在。这些原始光波辐射，正是能够证明大爆炸理论的终极王牌，它是大爆炸留下的残余辐射，被称为“宇宙微波背景辐射”。以前，科学家们并不知道它的存在，因为它非常微弱，微弱到什么程度呢？相当于零下260多摄氏度的天体散发的热量。

那么宇宙微波背景辐射是怎样被找到的呢？说来也巧，科学的突破往往是无心插柳的结果。

伽莫夫提出理论后的20年，美国的贝尔实验室制作了一台非常精密的射电天线，用来接收一颗名叫“回声”的卫星发射回来的微弱信号。射电天线想要准确地接收到信号，最关键的就是清除噪音。实验室的两位科学家有轻微的强迫症，他们检测天线的性能，把天线对着天空的各个方向进行测量，结果却发现，不管往哪个方向，射电天线总会接收到一种微波噪音。他们想尽了一切办法，排除周围所有可能存在的无线电干扰，用一年的时间重新检查、布线，甚至清除了天线上的鸽子窝和鸟粪，但仍然无法消除这个噪音。两位科学家对外公布了他们的观测结果：这个消除不了的微波噪音是天然存在的，它像背景一样无处不在。

很快，熟悉宇宙学研究进展的科学家就对这个发现给出了正确的解释：这个消除不了的微波噪音，就是宇宙大爆炸的残留辐射，是科学家们苦苦寻找的宇宙背景微波辐射！在著名科幻小说《三体》里面，有一个让人印象极深的细节，是三体人为了向地球科学家证明自己的存在，上演了一出“整个宇宙将为你闪烁”的奇观表演，说的就是三体人在短时间内改变这个宇宙微波背景辐射的辐射量，造成一种闪烁效果的现象。大爆炸理论的终极证据，就这样在无意之间找到了，两位科学家彭齐亚斯和威尔逊凭借坚忍不拔的毅力和丰富的经验，当然还有一丝运气，找到了这个证据。微波背景辐射的发现和确认也让人们相信，大爆炸是能描述宇宙起源和演化的最好理论，这个范式终于确立。两位科学家也因此获得了诺贝尔物理学奖。

科学范式这个概念是托马斯·库恩在《科学革命的结构》这本书中提出的，简单的说就是科学中公认的理论体系或思维基础。科学范式的转变，要求科学家们冲破原来的束缚，对很多基本的理论重新定义。有时候，一个偶然的发现，就可能在一夜之间改变科学的面貌。在大爆炸理论提出之前，人们公认宇宙是静止的、永恒的，时间与空间没有关系，宇宙没有开始也没有结束。现在，大爆炸理论已经被广泛接受，确立了新的科学范式，它告诉我们宇宙是有创生的：在大约150亿年前，宇宙的所有物质和能量都压缩在一个点，随着空间和时间本身的爆炸，空间和时间在那一刻诞生了，随着宇宙急剧膨胀并冷却，经过演化成为我们现在看到的样子。

总结

说到这里，大爆炸理论的发展历史就介绍完了，下面简单总结一下这期音频分享的内容。

首先，我们说到了爱因斯坦的广义相对论是一种描述引力的理论，并且比牛顿的万有引力理论更加有效。由广义相对论对宇宙的预测出发，宇宙在膨胀的理论猜想被提出来，因为如果宇宙不膨胀的话，我们就会得出宇宙在毁灭这个荒谬的结论。

其次，我们说到了哈勃通过对“宇宙灯塔”造父变星的研究，测量出了许多星系距离地球的距离，接着又通过星系红移的现象确认了星系正在离我们远去，并得到了它们远去的速度，由这两个数据他最终提出了哈勃定律，不仅证明了宇宙在膨胀，还计算出宇宙的年龄是18亿岁。

接下来，我们说到了大爆炸理论的缺陷和完善的过程。科学家通过对造父变星分类的研究，提升了对宇宙年龄估计的精度，将宇宙的年龄估值提高到了大约100 亿岁到200亿岁。另一方面，科学家研究出大爆炸刚刚发生时宇宙中只有最轻、最小的氢原子，后来随着温度的下降又生成了氦原子，而各种各样的重原子则是通过恒星坩锅的激烈反应而诞生的。这样，不仅解决了原子丰度的问题，也基本解释了宇宙成分为什么是现在我们看到的样子。

最后，我们说到了大爆炸发生时残余了一种辐射，它在太空中无处不在，却因为偶然的原因才被我们观测到，这就是最终证明了大爆炸理论的宇宙背景微波辐射。到这里，大爆炸学说成为了一种几近完美的科学理论。

宇宙学还在继续发展，探测宇宙的技术还在不断进步，像被称为“中国天眼”的 FAST 超大型射电望远镜等观测设备日益成熟，这些技术的进步让宇宙大爆炸学说不断发展。现在，科学家们可以更精确地测量大爆炸模型中的各种参数，发现了很多意想不到的结果，比如说，宇宙的膨胀正在加速。而现在科学家们还在努力研究，究竟是什么在让宇宙加速膨胀。有一种观点认为，加速膨胀的“推手”就是暗能量。这是一种充斥太空的、具有斥力效果的能量。宇宙越膨胀，空间越大，暗能量就越多，斥力就越大，所以宇宙就在加速膨胀。那么宇宙的命运究竟会怎样呢？也许科学的发展会给我们意想不到的答案，也许科学范式转变的道路永远没有终点。

最后多提一句，作为 BBC 的节目制作人，本书作者辛格还曾经做过关于数学另一段科学史的纪录片《费马大定理》，该片获得了英国电影学院奖，同名科普书《费马大定理》也是一本畅销书，每天听本书栏目已经上线，期待你的收听。

撰稿：八光分文化·晨旭