大爆炸理論被韋布望遠(yuǎn)鏡推翻了嗎？

曲炯

最近，小伙伴轉(zhuǎn)來(lái)一篇網(wǎng)文，發(fā)表在“藝術(shù)和思想學(xué)院”（Institute of Art and Ideas， iAi），上面說(shuō)：人類斥巨資造了“詹姆斯·韋布”太空望遠(yuǎn)鏡，N 年后上了天，終于看到了“宇宙盡頭”的景觀。它傳送回來(lái)的宇宙圖像令人驚嘆，但對(duì)于大多數(shù)專業(yè)的天文學(xué)家和宇宙學(xué)家呢？則是令人驚訝，因?yàn)檫@些圖像根本不是理論預(yù)測(cè)的宇宙景觀。一篇論文的標(biāo)題以坦率的感嘆開頭：“恐慌！”這些圖像跟“大爆炸”理論沖突了！雖然論文沒(méi)有詳細(xì)說(shuō)與哪些理論預(yù)測(cè)矛盾，但是新數(shù)據(jù)讓“大爆炸”理論的追隨者深感恐慌。“現(xiàn)在我發(fā)現(xiàn)自己夜不成寐。”堪薩斯大學(xué)物理與天文系的一位助理教授 Allison Kirkpatrick 說(shuō)，“想知道是不是我做過(guò)的一切都是錯(cuò)的。”

乍一看，這篇文章有板有眼，還引用了業(yè)內(nèi)人士的觀點(diǎn)，似乎是挺靠譜的，不禁讓人為價(jià)值百億美元的韋布望遠(yuǎn)鏡的前途擔(dān)心了起來(lái)。

宇宙的未來(lái)會(huì)是什么樣子呢？宇宙學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為宇宙的未來(lái)有兩種可能：第一種是它的平均密度高于某一臨界密度，使得它膨脹到最大體積后敗給自身的引力，造成坍縮式的“大擠壓”。

科學(xué)家害怕理論被推翻？

iAi 的這篇網(wǎng)文，雖然成功地碰瓷到了重磅科學(xué)機(jī)構(gòu)的注意，但相信它既不是第一個(gè)也不是最后一個(gè)。那么，如果我們看到類似的文章，該如何判斷真?zhèn)文兀?/p>

不要糾纏細(xì)節(jié)去讀他們說(shuō)的“術(shù)語(yǔ)”，真的槽多無(wú)口。要跳出細(xì)節(jié)抓要點(diǎn)：“韋布”太空望遠(yuǎn)鏡本身基于“大爆炸”理論設(shè)計(jì)，它所在的紅外波段是根據(jù)這個(gè)理論的預(yù)言定量定制的。如果理論本身出了問(wèn)題，那么“韋布”上天之后就是瞎子一個(gè)。而它已經(jīng)在定制的波段上拿到了大批數(shù)據(jù)，就說(shuō)明它的理論基礎(chǔ)在大層面上站穩(wěn)了。

拿著“韋布”望遠(yuǎn)鏡基于“大爆炸”理論拍出的照片來(lái)反對(duì)“大爆炸”理論，就像什么呢？就像一個(gè)人被送到空間站，體驗(yàn)到失重的感覺，他又驚又喜地說(shuō)：“在這里沒(méi)有重力哎！說(shuō)明引力理論是錯(cuò)的！”——這個(gè)空間站和把他送上來(lái)的火箭飛船都是基于引力理論設(shè)計(jì)的好不好？

在轉(zhuǎn)向正題之前，我們?cè)偕晕⒍嗾f(shuō)幾句促進(jìn)理解的溫柔話。民間科學(xué)家對(duì)正統(tǒng)科學(xué)家——姑且這么稱呼吧，便于理解，無(wú)褒貶義——的一個(gè)誤解是：他們以為后者想維護(hù)科學(xué)成果，會(huì)為已有理論被推翻而恐慌。

其實(shí)科學(xué)家晝思夜想、殫精竭慮的，也是想推翻已有的成果啊，每糾一個(gè)錯(cuò)，都有獲大獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)銀子的機(jī)會(huì)。科學(xué)家想維護(hù)的，無(wú)非是科學(xué)思維罷了。況且，假如一個(gè)理論真要被推翻了，研究新理論就意味著更多的機(jī)會(huì)，科學(xué)家高興還來(lái)不及呢。

大爆炸？到底是什么炸了？

既然說(shuō)“韋布”望遠(yuǎn)鏡是基于“大爆炸”理論設(shè)計(jì)制造的，那么“大爆炸”又是怎么回事呢？

1929 年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃發(fā)表了他的觀測(cè)結(jié)果：所有的遙遠(yuǎn)星系都在離我們而去，并且距離銀河系越遠(yuǎn)，就退行得越快。

首先我們就要問(wèn)：如何知道星系在離我們而去呢？雖然我們都知道恒星不恒，它們確實(shí)會(huì)運(yùn)動(dòng)，但與它們和地球的距離尺度相比，它們的運(yùn)動(dòng)還是太不顯眼了。

這就要提到一個(gè)詞“紅移”。

上世紀(jì)初，人們就注意到許多恒星的光譜和太陽(yáng)光譜不同，不單是組成成分造成的譜線不同問(wèn)題，還有個(gè)有趣的現(xiàn)象，就是所有譜線都朝著頻率較低的紅光區(qū)平移了，這個(gè)現(xiàn)象就叫“紅移”。造成紅移的原因有好幾個(gè)，但最典型的，就是天體在遠(yuǎn)離我們而去。它向我們發(fā)出的光，上一個(gè)波峰的光源離我們還有 N 光年，下一個(gè)波峰的光源離我們就有 N 光年+10 納米了（隨意舉例的數(shù)字），對(duì)于地球上的觀測(cè)者來(lái)說(shuō)，就看到光線的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，頻率變低，有點(diǎn)“發(fā)紅”了。

在較近的尺度內(nèi)，也有一些恒星或星系在朝向我們運(yùn)動(dòng)，這個(gè)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成譜線向高頻端（藍(lán)端）移動(dòng)，我們把這個(gè)稱為“藍(lán)移”。在宇宙里，紅移是壓倒多數(shù)的。

回到哈勃（物理學(xué)家，不是以他命名的那臺(tái)太空望遠(yuǎn)鏡）的發(fā)現(xiàn)上來(lái)，“遙遠(yuǎn)星系在離我們而去”這個(gè)好懂，也能有許多推論，甚至可以說(shuō)“行，它們不喜歡我們”，而“距離我們?cè)竭h(yuǎn)，退行得越快”說(shuō)明什么呢？這一條說(shuō)明，它們之間也互相看著不順眼，也在彼此遠(yuǎn)離。就像我們吹氣球時(shí)，氣球上的所有點(diǎn)都在互相遠(yuǎn)離一樣，并且原本相隔越遠(yuǎn)的，彼此之間的退行速度越快。

從哈勃的這個(gè)發(fā)現(xiàn)，可以得到一個(gè)令人驚人的結(jié)論，就是既然現(xiàn)在的星系都在彼此遠(yuǎn)離，那么我們把時(shí)間倒推回去，推到 140 億年前，它們就是從同一個(gè)點(diǎn)跑出來(lái)的。這個(gè)結(jié)論，就是“大爆炸”。

為什么相信大爆炸理論？

“大爆炸”意味著宇宙有一個(gè)起點(diǎn)，這個(gè)可能會(huì)讓某些人備受鼓舞—— “我們?cè)缇驼f(shuō)這個(gè)世界是被創(chuàng)造出來(lái)的吧！”不過(guò)，對(duì)于一件事，蒙對(duì)的和推導(dǎo)實(shí)證出來(lái)的，科學(xué)只認(rèn)后者。

關(guān)于“大爆炸”也會(huì)產(chǎn)生一些涉及哲學(xué)的思辨，比如，“大爆炸之前發(fā)生了什么？”而時(shí)間作為宇宙——至少，作為眼前這個(gè)宇宙——的一個(gè)屬性，在宇宙出現(xiàn)之前不該存在，因此也談不上“之前”。

當(dāng)牛頓提出萬(wàn)有引力理論的時(shí)候，就意識(shí)到，宇宙中的天體會(huì)因?yàn)橐Χ涞揭黄鹱兂梢粋€(gè)點(diǎn)，他的解決辦法是認(rèn)為有無(wú)限個(gè)天體施加著朝外拽的力，這樣就可以避免——其實(shí)并不會(huì)，按照數(shù)學(xué)方法，無(wú)限個(gè)天體最終也會(huì)聚到一起的。

雖然“大爆炸”的理論部分是從愛因斯坦的廣義相對(duì)論推出來(lái)的，但愛因斯坦顯然比較喜歡靜態(tài)宇宙的信念，還在廣義相對(duì)論里加了個(gè)宇宙常數(shù)，微調(diào)了一下，來(lái)維持宇宙不脹不縮。“大爆炸”理論則揭示了一個(gè)演化中的宇宙，結(jié)束了靜態(tài)宇宙的概念。愛因斯坦后來(lái)說(shuō)：“加這個(gè)宇宙常數(shù)可能是我犯過(guò)的最大錯(cuò)誤。”

支持“大爆炸”理論的另外一個(gè)觀測(cè)結(jié)果，是宇宙微波背景。“大爆炸”那一刻，那個(gè)極小的宇宙必然是密集白熱的，而到了今天，向遙遠(yuǎn)的“宇宙邊緣”望去，我們應(yīng)該還能觀測(cè)到“爆炸”的余輝。而因?yàn)橐粋€(gè)膨脹的宇宙，這個(gè)光的波長(zhǎng)會(huì)拉伸得非常厲害，跑到微波波段，這個(gè)微波信號(hào)是無(wú)論朝宇宙的哪個(gè)方向看都是一樣的。1965 年，美國(guó)的彭齊亞斯和威爾遜無(wú)意中檢測(cè)到了這個(gè)白天晚上冬天夏天橫著看豎著看都是一樣強(qiáng)度的微波噪聲，并因此獲得了 1978 年的諾貝爾獎(jiǎng)。

“大爆炸”理論還有許多其他觀測(cè)證據(jù)，最主要的有宇宙中原始輕元素（這個(gè)詞沒(méi)打錯(cuò)，是“輕”不是“氫”）的豐度以及大尺度結(jié)構(gòu)和星系的形成演化。

如果是真的，那炸之前呢？

已知的物理定律都不能推導(dǎo)“大爆炸之前”（如果我們能說(shuō)“之前”的話）宇宙的狀態(tài)：為什么就炸了？怎么炸的？宇宙是唯一的嗎？是有無(wú)數(shù)個(gè)宇宙大泡泡，我們只是其中之一嗎？我們是不是在一個(gè)巨大的黑洞里，卻以為這是宇宙？目前所有理論都還停留在假說(shuō)階段。

然而對(duì)于比較有把握的部分，“大爆炸”理論有一些好玩的推論，比如，雖然“大爆炸”距我們只有 140 億年，卻因?yàn)橛钪媾蛎洠覀兡芨兄摹坝钪孢吘墶痹缫丫嚯x我們 460 億光年了。越來(lái)越多的星系會(huì)因?yàn)橛钪娴牟粩嗯蛎浂t移得越來(lái)越厲害，最終從視線中消失，變得不可觀測(cè)。

宇宙的未來(lái)會(huì)是什么樣子呢？宇宙學(xué)家曾經(jīng)認(rèn)為宇宙的未來(lái)有兩種可能：第一種是它的平均密度高于某一臨界密度，使得它膨脹到最大體積后敗給自身的引力，造成坍縮式的“大擠壓”。第二種則認(rèn)為它的膨脹會(huì)不斷減速，但永遠(yuǎn)不會(huì)停止，最后宇宙在不斷膨脹的過(guò)程中不斷冷卻，漸漸趨于絕對(duì)零度，也就是“大凍結(jié)”。

現(xiàn)代觀測(cè)發(fā)現(xiàn)宇宙的加速膨脹之后，人們意識(shí)到可觀測(cè)的宇宙會(huì)漸漸退出我們的視野。有的理論認(rèn)為，基本物質(zhì)可能會(huì)在持續(xù)膨脹中被撕裂，但這些就需要更多的觀測(cè)證據(jù)來(lái)驗(yàn)證或否定了。

我們的文章是從“韋布”望遠(yuǎn)鏡說(shuō)起的，就再說(shuō)說(shuō)它吧。“韋布”太空望遠(yuǎn)鏡的任務(wù)是做宇宙早期發(fā)展史的考古工作，它的任務(wù)就是“往遠(yuǎn)處看，往久遠(yuǎn)之前看，那里有‘大爆炸后幾億年內(nèi)的嬰兒宇宙的景象”。所以“韋布”望遠(yuǎn)鏡的波段通過(guò)周密的理論計(jì)算，被仔細(xì)調(diào)整到 0.6 到 28 微米。這種定量計(jì)算，可不是“宇宙沒(méi)膨脹！紅移是因?yàn)楣饩€累到了！”這種拍腦袋的胡話。它的初期觀測(cè)數(shù)據(jù)，也完美地夯實(shí)了“大爆炸”理論的基礎(chǔ)，無(wú)數(shù)科學(xué)家為之興奮不已，并期待著它更多更新更全面的發(fā)現(xiàn)，為揭示宇宙演化史的工作提供更多依據(jù)。

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