大爆炸的觀測證據(jù)
對于生活在遙遠的未來、居住在這個超星系里的天文學(xué)家來說，他們又將如何去演繹宇宙的歷史？想要探討這個問題，我們必須先回顧一下，支撐我們目前的宇宙觀——大爆炸理論的幾大支柱。
第一個支柱是愛因斯坦的廣義相對論。在它出現(xiàn)之前的近300年里，牛頓理論一直是天文學(xué)幾乎所有分支的基礎(chǔ)。從地球到星系，不論在什么尺度下，牛頓理論都能準(zhǔn)確預(yù)言物體的運動狀態(tài)。但是，對于無窮大的物質(zhì)集合，牛頓理論就完全不適用了。廣義相對論突破了這個局限。1916年，愛因斯坦公布了廣義相對論，并且提出了一個包含宇宙學(xué)常數(shù)的簡單方程，用來描述宇宙。此后不久，荷蘭物理學(xué)家威廉·德西特（Willem de Sitter）就求出了方程的一個解。德西特的結(jié)果似乎與當(dāng)時人們公認(rèn)的宇宙圖景完全一致：宇宙是被廣袤且永恒不變的虛空包圍著的一座宇宙島。
宇宙學(xué)家們很快意識到，這種永恒不變的靜止?fàn)顟B(tài)是一種誤解。事實上，德西特的宇宙會永遠膨脹下去。比利時物理學(xué)家喬治·勒邁特（Georges Lema tre）后來證明，愛因斯坦的宇宙學(xué)方程預(yù)言，宇宙要么膨脹，要么收縮，無限、均勻、永恒不變的宇宙不可能存在。后來被人稱為“大爆炸”的理論，就是在這個觀點的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的。
第二個支柱出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家們觀測到了宇宙的膨脹。第一個為宇宙膨脹提供觀測證據(jù)的人，是美國天文學(xué)家維斯托·斯萊弗（Vesto Slipher），當(dāng)時他用恒星光譜測量了鄰近星系的速度。正在移向地球的恒星發(fā)出的光波會被壓縮，波長變短，導(dǎo)致星光顏色向藍色端偏移（藍移）；正在遠離我們的天體發(fā)出的光波則被拉伸，波長變長，顏色向紅色端偏移（紅移）。通過測量遙遠星系發(fā)出的光波是被壓縮還是拉伸，斯萊弗就能確定它們是在移向我們還是遠離我們，還能測量它們的運動速度。（當(dāng)時的天文學(xué)家們甚至不能確定，這些今天被稱為“星系”的暗弱光斑，究竟是獨立的恒星集團，還是銀河系中的氣體星云。）斯萊弗發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都正在遠離我們而去。我們似乎處在一個膨脹宇宙的中心。
不過，我們通常并不把宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)歸功于斯萊弗，而是將功勞算在了美國天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）的頭上。（不然就不會有哈勃空間望遠鏡，而應(yīng)該是斯萊弗空間望遠鏡了。）哈勃不僅測定了鄰近星系的速度，還測定了它們的距離。這些測量讓他得出了兩個重要的結(jié)論，足以說明宇宙膨脹發(fā)現(xiàn)者的桂冠非他莫屬。第一，哈勃證明這些星系確實非常遙遠，從而證明它們和我們所處的銀河系一樣，是獨立的恒星集團。第二，他發(fā)現(xiàn)星系的距離與速度之間存在簡單的對應(yīng)關(guān)系：星系的速度正比于它與我們之間的距離。也就是說，一個星系到我們的距離是另一個的兩倍，那么它遠離我們而去的速度也會是另一個星系的兩倍。距離與速度之間的這一關(guān)系，恰好是宇宙正在膨脹的標(biāo)志。哈勃的測量結(jié)果后來不斷得到修正，最近一次修正使用了遙遠超新星的觀測數(shù)據(jù)——正是這次修正導(dǎo)致了暗能量的發(fā)現(xiàn)。
第三個支柱是宇宙微波背景中的黯淡光輝。這是美國貝爾實驗室的物理學(xué)家阿諾·彭齊亞斯（Arno Penzias）和羅伯特·威爾遜（Robert Wilson），在1965年追查射電干擾源時意外發(fā)現(xiàn)的。科學(xué)家們很快就意識到，這種輻射正是宇宙膨脹早期階段殘留下來的一種遺跡。它意味著宇宙最初是灼熱而致密的，后來才逐漸冷卻，變得越來越稀薄。
熾熱的早期宇宙還是核聚變的理想場所，這是大爆炸理論的最后一個觀測支柱。當(dāng)宇宙溫度高達10億到100億K時，較輕的原子核能夠聚變?yōu)檩^重的原子核，這個過程被稱為“大爆炸核合成”（big bang nucleosynthesis）。隨著宇宙的膨脹，溫度會迅速下降，因此核合成只能持續(xù)短短幾分鐘，聚變也只能發(fā)生在最輕的幾種元素之間。宇宙中的大部分氦和氘都是在那個時候形成的。天文學(xué)家對宇宙中氦和氘豐度的測量結(jié)果，與大爆炸核合成的理論預(yù)言吻合。核合成還準(zhǔn)確預(yù)言了宇宙中質(zhì)子和中子的豐度，為大爆炸理論提供了進一步的證據(jù)。
