前言：什么是宇宙？
戰(zhàn)國時期著名的政治家、先秦諸子百家之一的尸佼在其著作《尸子》中提出，“四方上下曰宇，往古來今曰宙”。用今天的話說，“四方上下”指空間，“往古來今”指時間。宇宙，即時空。從古至今，浩瀚無垠的宇宙都激起了人們強烈的好奇心。時間流逝而不復(fù)返，在遙遠的過去，世界發(fā)生過什么？在不可見的未來，一切又何去何從？仰望星空，遙不可及的星辰和一望無際的星空，讓人心生敬畏，產(chǎn)生無限遐想。
古人憑借豐富的想象力，在極為有限的觀察中，通過神話故事編織出自己的宇宙觀。在我國古代，有“盤古開天辟地”的神話，認為宇宙起初是一片混沌，由盤古用斧頭劈開黑暗，形成天和地；在西方文明，如古希臘神話中，起初只有卡俄斯（混沌），隨后誕生蓋亞（大地），世界便由此開始。在眾多文明中，日月星辰也時常和神明聯(lián)系在一起，表現(xiàn)出人們對宇宙、對自然的崇敬。
對于宇宙的結(jié)構(gòu)，古人也是眾說紛紜。在我國，有認為“天圓地方”的“蓋天說”；有認為天地像雞蛋，“天之包地，猶殼之裹黃”的渾天說；還有認為宇宙是無限的，“日月眾星，自然浮生于虛空之中”的“宣夜說”。
其中，宣夜說與現(xiàn)代天文學(xué)、宇宙學(xué)的一些觀點出奇地相近，使人不由得佩服古人的奇思妙想。在西方，著名的 “地心說”認為宇宙有一個球形外殼，地球位于宇宙中心，日月星辰圍繞地球做圓周運動。
然而，古人畢竟缺乏實際觀測手段，靠思維想象出來的宇宙難免偏離真相。此外，對宇宙的認識往往受到神學(xué)的影響。到了哥白尼提出日心說，以及后來第谷、開普勒、伽利略等人做出開創(chuàng)性的工作之后，關(guān)于天文和宇宙的學(xué)說才逐漸開始擺脫神學(xué)的束縛，用觀測、推理、實證的方法來認識世界。牛頓集前人之大成，根據(jù)大量的觀測和實驗數(shù)據(jù)，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)。從此，對天文和宇宙的研究進入科學(xué)的時代。
從 18 世紀末到 19 世紀末，應(yīng)用科學(xué)的方法，人們對宇宙的認知得到了快速的發(fā)展，對恒星、星系等，都有了一定了解。但是，人們對于宇宙整體的認識還是非常有限。由于歷史上的神學(xué)等原因，人們相信宇宙是靜止、恒定的，以至于 1917 年，愛因斯坦用廣義相對論計算發(fā)現(xiàn)宇宙不是靜態(tài)后，在他的方程中加上了一個宇宙學(xué)常數(shù)項使得宇宙“變得靜止”。
1929 年，哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系光譜的紅移大致與它們離我們的距離成正比。這說明這些星系都在朝遠離我們的方向運動，并且離我們越遠的星系遠離我們的速度越快。一個很好的解釋是，宇宙在膨脹。
想象圖中的線是一根有彈性的繩，繩上標(biāo)記了幾個點；把繩子慢慢拉長，點之間的距離就變長了。假想繩子是一維宇宙，上面生活著一種小人；他們會發(fā)現(xiàn)即使各自都靜靜地待在原地，小人 1 和小人 2 之間的距離也會慢慢變遠。并且，由于繩子各處均勻地拉伸，兩個小人距離越遠，他們之間的繩段越長，遠離彼此的速度就越快。這正好符合哈勃的觀測。宇宙膨脹的觀測事實說明宇宙本身也一直在運動，并非一成不變，顛覆了人們對靜態(tài)宇宙的信念。這被認為是觀測宇宙學(xué)上的第一個巨大的成就。
既然宇宙不是靜態(tài)而是不斷膨脹的，那么宇宙過去是什么樣子的呢？1946 年，喬治?伽莫夫（George Gamow）提出，宇宙曾經(jīng)是一個極度高溫、致密的狀態(tài)，經(jīng)過漫長的膨脹、冷卻、演化，成為了我們看到的樣子。起初，這個理論非常不受待見，其他理論學(xué)家甚至將其戲稱為“大爆炸”。沒錯，這個名字其實是帶有嘲諷意味的。有趣的是，日后伽莫夫的理論成為廣為接受的宇宙學(xué)基本理論時，大家依然把它稱為“大爆炸宇宙學(xué)模型”。
大爆炸宇宙學(xué)提出后經(jīng)過了將近二十年，直到宇宙微波背景輻射被觀測到，才開始被大家接受。早在 1948 年，阿爾弗（A. Alpher）和赫爾曼（R. Herman）根據(jù)伽莫夫的理論進行分析并提出，宇宙中應(yīng)該存在一種各向同性的微波輻射。1964 年，貝爾實驗室的無線電工程師彭齊亞斯（A. Penzias）和威爾遜（R. Wilson）發(fā)現(xiàn)一種奇特的來自天空的噪聲。他們仔細地排除了大氣吸收和天線本身的影響，甚至清理了天線內(nèi)的鳥窩和鳥糞，噪聲依然存在。而且無論他們把天線朝向哪個方向，噪聲都一樣。在持續(xù)了一年的觀察后，他們發(fā)現(xiàn)這種噪聲對應(yīng)于大約 3.5K（開爾文）的黑體輻射。這正是大爆炸宇宙學(xué)預(yù)言的宇宙微波背景輻射！這被認為是觀測宇宙學(xué)上的第二個巨大的成就。
至此，人們終于開始重視伽莫夫的理論。如今更精確的觀測表明，宇宙微波背景輻射約為 2.725K，四舍五入為 3K，所以也叫 3K 背景輻射。著名科幻小說《三體》中，汪淼看到的“宇宙閃爍”就是三體人影響地球?qū)Ρ尘拜椛涞挠^測導(dǎo)致的。打開老式電視機，“雪花”噪聲中也有少部分是背景輻射貢獻的。
大爆炸宇宙學(xué)是如何解釋宇宙微波背景輻射的呢？我們知道，帶電粒子會與電磁場發(fā)生相互作用。宇宙早期溫度極高時充滿了帶電粒子，它們會阻礙光子（電磁波）的運動，使其不得自由。當(dāng)宇宙冷卻致溫度大約 3000K 時，質(zhì)子與電子復(fù)合成氫原子。此時大部分的光子幾乎不與整體呈電中性的氫原子發(fā)生相互作用，因此光子獲得了自由。這種光子在全宇宙到處都是，它們的頻率因為宇宙膨脹產(chǎn)生巨大的紅移，降低至微波波段（波長為毫米量級）。
星系光譜紅移和宇宙微波背景輻射為現(xiàn)代宇宙學(xué)的研究奠定了觀測基礎(chǔ)，使人類終于可以用科學(xué)的方法建立宇宙觀。如今，科學(xué)家對宇宙的觀測已不僅僅局限在電磁波，而是結(jié)合宇宙線、引力波等多種信號，獲得對宇宙更全面、更精確的認識。
本文來自微信公眾號：石頭科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：Xylon
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