宇宙大爆炸學說

羅方揚

我們的宇宙是從哪里來的，又是怎么形成的？這個問題從人類開始仰望星空的時候就已經產生了。

在古代，世界各民族對天地構造、形成等都有自己的一套說法，比如中國古代就有“蓋天說”和“渾天說”。

到了18世紀后期，德國哲學家康德和法國科學家拉普拉斯對太陽系的形成各自提出了看法，后人把他們的理論合稱為“康德-拉普拉斯星云說”。這一學說解釋了太陽系的形成，但是沒有解釋宇宙的形成。

到了20世紀40年代，俄裔美籍科學家伽莫夫等人正式提出了“宇宙大爆炸學說”。該學說認為，在130多億年前，我們今天能觀測到的全部物質都縮小在一個奇點中，奇點的溫度極高，密度極大。然后便發生了大爆炸，現在所有的物質和空間、時間都是大爆炸的產物。爆炸后的10-6秒至1秒，包括質子和中子在內的強子開始形成。爆炸后1秒到10秒，宇宙進一步冷卻，由輕子主宰。10秒后，宇宙能量轉而由光子主導。化學元素的形成開始于大爆炸后10秒至20分鐘內，這個階段非常重要，決定了今天宇宙的基本化學組成。約在大爆炸30萬年后，氫原子和氦原子開始形成，經歷復合過程后，宇宙變得透明，光子在其中幾乎通行無阻，此后才逐步形成現在的宇宙。

伽莫夫剛提出這個學說的時候，這些內容簡直匪夷所思，所以沒人相信。隨著觀測上的一些進展，該學說才被人們逐步接受。概括說來，宇宙大爆炸有3個非常有力的證據：

第一個證據是星系的退行。人們通過觀測發現，河外星系都在高速遠離地球， 而且距離越遠的星系，遠離地球的速度越快，有點像炮彈爆炸后彈片飛射出去的樣子。換句話說，也就是宇宙在膨脹。這是美國科學家哈勃在20世紀20年代發現的。

第二個證據是微波背景輻射。根據宇宙大爆炸理論，宇宙早期是極端高溫的，但是經過漫長的膨脹冷卻，現在的溫度大約為3開爾文，輻射的波長位于微波波段，而且總體上的分布呈各向同性。這種微波輻射，伽莫夫早在1946年就預測過，但是由于技術原因，無法實現觀測。到了1960年，美國科學家彭齊亞斯和威爾遜在測試一架喇叭形天線時，不經意間發現了宇宙微波背景輻射。這個發現是20世紀天文學上的重大進展，為此兩人在1978年獲得諾貝爾物理學獎。

第三個證據就是化學元素氦的豐度。目前的觀測表明，無論是在太陽還是在絕大多數其他恒星或星系上，都存在氦元素，而且含量大致相同，都是25%左右。這個氦豐度問題無法用熱核反應來解釋，但是根據大爆炸理論，在大爆炸后10秒至20分鐘內，有大約25%的物質聚合成氦。這個理論值和現在實際觀測值非常符合。

在描繪這種“硬核”、前沿且誕生多項諾貝爾物理學獎的題材時，采用宇宙微波背景輻射圖作為背景，再配上天文臺和氦原子結構圖來表現。圖中藍黃色的是宇宙微波背景輻射圖，中間畫了仙女座大星系，右邊則是氦原子圖。

（責任編輯：白玉磊）