宇宙膨胀速度与宇宙背景辐射频率

爱因斯坦的宇宙模型是静态的，但这个静态模型是不稳定的。根据这个模型，如果某个时刻宇宙受到了一个微扰，宇宙就沿微扰的方向发生变化。假如微扰使宇宙略微变小一点，所有物体之间的距离就会顿刻缩短，从而使引力增强，使宇宙继续收缩，使引力更强，这种正反馈将使宇宙最终缩为一个点。反过来，如果这个微扰使宇宙略微胀大一点，宇宙也会一直膨胀下去。如果宇宙开始膨胀，就意味着它将一直膨胀下去，那么它应该是从一个点膨胀起来的。

早在18世纪，康德（1724—1824）和拉普拉斯（1749—1827）就提出了关于太阳系演化的学说。太阳系既然有其起源、发展和灭亡，宇宙为什么一定是稳定不变的呢？1917年，荷兰著名天文学家德西特（1878─1933）用与爱因斯坦所用的有宇宙常数相同的场方程构造了一个没有物质的、不稳定的、膨胀着的均匀平直宇宙模型。1927年，比利时物理学家勒梅特也独自产生了相似的理论。

1922年，弗里德曼（A.Friedman 1888─1925）、罗伯逊（H.P.Robertson）和沃克（A.G.Walker）对爱因斯坦的宇宙模型进行了动态分析，对爱因斯坦的引力方程重新求解，提出了三种可能的宇宙模型：开放模型、封闭模型和平坦模型。对于开放模型，宇宙是膨胀的，并且将一直膨胀下去。对于封闭模型，宇宙膨胀到一定程度，将会转而收缩，然后再膨胀，再收缩。而平坦模型则是前两种的临界状态。现实宇宙究竟与哪一个模型更接近，还要由观测的数据做最后的结论。但是，无论哪一个模型，都预示着，宇宙有一个起点。在时间为零时，宇宙半径为零。也就是说，宇宙是从一个原始奇点发展起来的。奇点是一个很难想象的东西，但是在广义相对论宇宙学中是不可避免的。

爱因斯坦看到了弗里德曼的结果后，起初以为弗里德曼计算错误，但很快就接受了这个现实。他开始承认，他为了得到平衡解而引入的宇宙常数是没有意义的。爱因斯坦因此错过了对宇宙膨胀这一惊人事实的发现。伟大的爱因斯坦在时间、空间、宇宙的界限等许多方面突破了人类从前的认识，但是在宇宙的动静与否的问题上却未能意识到传统观念的束缚。几年后，爱因斯坦承认，引入宇宙项是他一生之中的重大失误。而最先得到宇宙膨胀这一结果的弗里德曼却在三年后因伤寒不治而亡，年仅37岁。他未能活到自己的发现在1929年被哈勃的观测证实的那一天。

20年代初期，美国天文学家斯莱弗（V.M.Slipher1875-1969）测定了41个星系的视向速度，发现大多数星系在远离我们。由于多普勒效应，这些星系的光谱就会发生红移——整个光谱向红光方向偏移。就如一个奔驰而来的火车的汽笛声会变得刺耳，远去时有变得发闷一样。运动物体发出的波在固定参照系的观察者看来会发生变化。迎向观察者时，波长变短，频率变高，对于光谱而言，就是蓝移。背离观察者时，波长变短，频率变低，就是红移。星系光谱的红移表明星系在远离我们，反过来，也可以根据红移的量计算出星系背离我们而去的退行速度。

所有的天体都远离地球，这并不意味着地球或者太阳系是宇宙的中心。这个情况还可以用球面来说明。如果气球上均匀分布一些斑点，这些斑点就看成是天体。当气球膨胀的时候，从任何一个斑点看来，其它的斑点都远离自己而去，它们的距离都在增大。在三维弯曲的封闭空间，或者一个三维球中，天体之间的远离也表明这个三维球也就是宇宙在膨胀。

1929年，哈勃（Edwin Powell Hubble，1889—1953）分析了他观测的24个星系，发现红移即退行速度与星系的距离成正比。这就是哈勃红移定律，其比例常数就叫做哈勃常数。星系的退行支持了弗里德曼等人的开放模型，也就是说宇宙在膨胀。如果宇宙在膨胀，它的过去一定比现在小，把时间一直向回推，推到时间的起点，宇宙就应该是无穷小，也就是说，宇宙是从一个非常微小的奇点生长出来的。

1932年，爱因斯坦和德西特联合发表一篇著名短文，宣布他放弃了静态宇宙模型及宇宙项。

1948年，美国物理学家伽莫夫（George.Gamov，1904—1968）提出了大爆炸理论。伽莫夫假设宇宙的起点是一个高温高密的原始火球，它相当于广义相对论中的奇点。火球中的物质以基本粒子和辐射的状态存在，并发生剧烈的核聚变反应。火球爆炸，向各方向迅速膨胀，火球体积迅速增大，辐射温度和物质密度急剧下降，核反应停止，期间所产生的各种元素保留下来，成为构成今天宇宙中的各种物质。伽莫夫还预言，大爆炸将会有残余的辐射遗留下来，其温度只有绝对温度几K。

这个假说解释了宇宙的膨胀，但是在其它方面遇到了问题，何况它过于匪夷所思，很快被其它宇宙学假说所取代，被冷落了十几年。直到1964年，几位苏联科学家和英国美国的几位科学家又分别想到这个问题，他们得出的结论是，现在宇宙中应该存在绝对温度为几K的微波背景辐射，其厘米波段的辐射强度甚至要超过射电星系。美国的狄克（R.H.Dicke）、劳尔（P.G.Roll）和威金森（D.T.Wilkinson）设计了一个仪器寻找这个背景辐射。在他们的装置还没有完成的时候，传来了两位并非物理学家的工程师的意外发现。

60年代初期，美国贝尔电话实验室建造了一套巨型天线，用以接受卫星的微波信号，它的定向灵敏度超过了当时所有的射电望远镜。1964年，贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯（A.A.Penzias）和威尔逊（R.W.Wilson）对这套天线进行测试。为了检测天线的低噪声性能，他们避开微波源，将天线指向天空。结果在波长7.35厘米处发现了绝对温度3K左右的微波噪声。无论将天线指向什么天区，微波噪声都存在。进一步的观测表明，这个微波噪声不仅与方向无关，也与时间无关，无论白天黑夜，无论春夏秋冬，这个噪声都没有变化。这个现象让他们困惑，他们曾怀疑是天线本身的问题，1965年初，他们对天线做了彻底的清查，清除了他们在天线上发现的鸽子窝，微波噪声仍然存在。这使他们相信，这种各向同性而均匀的噪声来自外层空间。由于天顶方向与地平方向的大气厚度不同，所以此噪声不会来自地球大气层；又由于银河系的物质分布并非各向同性，所以也不会来自银河系。因此，这种背景噪声只能来自更深广的宇宙。

作为工程师，他们并不知道宇宙学的理论发展，他们只是老老实实地把他们的发现发表在《天体物理杂志》上，向同仁报告，他们在波长7.35厘米处测得的有效温度比预期值高2.5-4.5K，没有一点宇宙学的想法。但是，正准备寻找微波背景辐射的狄克等人立即意识到其中宇宙学意义，狄克、皮伯斯、劳尔和威金森同时在《天体物理杂志》上发表文章，指出彭齐亚斯和威尔逊所发现的就是大爆炸遗留下来的微波背景辐射。

经过进一步的测量，微波背景辐射的温度约为2.7K，有时称之为3K宇宙背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊的偶然发现拯救了大爆炸宇宙论，也使宇宙学成为显学。彭齐亚斯和威尔逊获得了1978的诺贝尔物理学奖。

对历史的回溯看起来简单明了，但实际上直到20世纪50年代，大多数物理学家都不认为研究早期宇宙的细节是一个严肃的科学工作，另外由于文献交流的手段比不上今天，进行宇宙学思考的科学家并不很清楚地知道他人的工作，单是宇宙背景辐射就被独立发现了许多回。这种交流的匮乏也有政治的原因。到了1983年，人们才知道苏联也有一位与彭齐亚斯和威尔逊相似的无线电物理学家什茂诺夫（Shmaonov），他早在1957年就发现了宇宙背景辐射，并用俄文发表，但是他本人和周围的其他人都不知道这个发现的重要性，而知道其重要性的欧美科学家并不知道他的工作。什茂诺夫本人到了1983年才知道大爆炸的预言和彭齐亚斯与威尔逊的发现，而后者已经在5年前因为他们1965年的发现拿到了诺贝尔奖。

如果宇宙背景辐射是大爆炸的遗迹，那么它应该具有黑体辐射的特性，也就是说，它应该处于热平衡的熵最大状态。1989年11月，美国发射了一颗宇宙背景探索卫星（COBE），在没有地球大气干扰的地球轨道上对宇宙背景进行观测，卫星观测的大量数据表明，宇宙背景辐射谱与黑体辐射的理论值极其吻合。大爆炸理论模型被更多的人所接受。

把宇宙3K背景辐射和河外星系的红移结合起来，大爆炸就是一个自然的结论。随着宇宙的膨胀，背景辐射的温度会下降，半径增加一倍，温度降低一半。反过来推，宇宙早期不仅非常小，也非常热。回推到宇宙诞生的30亿年，宇宙温度是4000K，回推到宇宙诞生1秒钟的时候，宇宙温度是100亿K，根据高能物理，此时的宇宙成分只能是一些基本粒子。再“冷”一些的时候，核反应才能够出现，中子和质子先聚合在一起，进一步聚合成氦原子核。氦核的活动大约持续了3分钟，用完了所有的中子，剩下的质子就成了氢原子核。因而宇宙的主要成分应该是氢和氦，它们的比例为4：1，这一点与天文观测的结果极为吻合。宇宙中某一元素的量与氢元素之间的比例称为元素的丰度，迄今为止，大爆炸理论计算出来的各种元素的丰度与天文观测得到的结果符合得很好，这也是支持大爆炸理论的重要证据。

大爆炸理论的标准模型也有一些不能解释的问题。在谈论到大爆炸宇宙学时，需要指出宇宙和可见宇宙或者观测宇宙的区别。由于光的传播速度是有限的，我们所能看到的最大的宇宙尺度就是光速乘上宇宙的年龄。随着宇宙年龄的增大，我们所能看到的宇宙范围也随之增大。以此回推到宇宙诞生10-35秒，温度为3?1028开的时候，可见宇宙的半径为3毫米。今天宇宙中的所有物质和能量都在半径3毫米的三维球内。但是，从宇宙诞生到10-35秒，光只能前进3?10-27米，这被称为视界尺度，它远远小于反推出来的3毫米。由于早期宇宙视界过小，出现了一个磁单极问题。早期宇宙存在大量的磁单极，而现在的宇宙并没有观测到磁单极。所以需要有一个使极性相反的磁单极综合的机制。1980年，美国青年粒子物理学家古斯（Alan Guth）提出了一个想法，可以解决上面两个问题。他认为在宇宙大爆炸的极早期从10-35秒到10-33秒宇宙经历了短暂的加速膨胀，这个膨胀幅度极为巨大，可以使宇宙从10-27米的尺度膨胀到今天的可见宇宙的尺度。这个阶段称为暴胀。暴胀的原因是一种反引力的作用，其具体机制可由高能物理的新进展得到解释。暴胀之后，宇宙又进入“正常”的膨胀。暴胀的大爆炸宇宙模型很好地解释了今天的大多数天文观测。需要指出的是，暴胀理论并没有实验上的证据，它只是对大爆炸理论标准模型的理论补充的一种。

经过几十年发展，大爆炸学说已经得到公认的宇宙学模型。大爆炸模型描述了宇宙创生到现在从简单到复杂的演化过程，物理学家甚至已经能够回推出宇宙诞生10-44秒的状态。

包含了暴胀阶段的大爆炸宇宙模型所描述的宇宙演化过程大致如下：

创生期：这是物理学家所能推算出来的最早的宇宙时期，时空本身在这一阶段形成。相应的宇宙年龄为10-44秒—10-36秒，这一阶段的动力学应该用量子引力学或者量子宇宙学来描述。物质的相互作用形式为超统一和大统一。

暴胀期：这是宇宙的极早期，时间在10-36—10-32秒，由于大统一相变，宇宙在这段时间里的膨胀大大超出了“正常的”大爆炸速度，所以称为暴胀。宇宙的不对称性开始形成，夸克、胶子等粒子在此期间产生。暴胀之后，宇宙又恢复了“正常的”膨胀速度。

核合成时期：这是宇宙的早期，年龄大约在100秒左右。这是各种轻元素的形成时期，氦、氘、锂等在此阶段形成。

近期：宇宙年龄到10万年时，宇宙温度下降到4000K，宇宙变得透明，从相当均匀的状态演化到有各种结构的状态，各种尺度的星体及星系在这一阶段形成。到现在，宇宙冷却到3K，已有约150亿年高寿。

大爆炸理论重要理论支持除了星系光谱红移、3K宇宙背景辐射和天体构成的元素丰度之外，还有一个旁证，已观测的所有天体的年龄都不超过200亿年。

任何一门科学理论都没有穷尽客观世界的规律。广义相对论也将随着科学实践的发展而发展。从1950年代未到1970年代初，对广义相对论经典理论的研究已经大大深化，其数学结构和理论的蕴含能够更加清楚地显示出来。一些新的引力理论如规范场理论，超引力论，量子引力论等也给广义相对论引力论带来了新的活力，可以相信，随着科学实践和理论的更深、更高、更广的发展，广义相对论一定会趋于更完美。人类对宇宙创生和宇宙未来的认识，也将会有突破性进展。这正如爱因斯坦所说：“我认为人类世界的可理解性是一个奇迹，……而且它随着我们的认识的不断发展而加强”

物理学对最大客体宇宙的研究和对最小客体基本粒子的研究有着密切的关系。高能物理领域每一次进展都使大爆炸理论获得发展。按照大爆炸理论，宇宙的演化是从高温到低温，从高能到低能。物理学的发展则是从低温到高温，从低能到高能。牛顿物理学所处理的是能量最低，相互作用最弱的物理现象。要研究越早期的宇宙，就需要越高能的物理学。于是，对物质的基本构成及相互作用规律的研究，和对于宇宙的起源的研究就成了一个硬币的两面。人类的理智在最基本的问题上聚合在一起了。

地球乃至太阳系都只是茫茫宇宙中的小颗粒。人类只是这个颗粒上的微尘。作为宇宙演化的一个小小分支，人类的身体中仍然保留中宇宙演化的遗迹。人体中的微量重元素是50亿到100亿年前超新星爆发时产生的；铁、碳、氮、氧、钙等是在恒星阶段产生的；锂、铍、硼等，则来自星际环境中的宇宙线。最轻的元素氢和氦，则是宇宙早期的产物。作为个体的人的生命与宇宙相比只是短暂的一瞬，它的命运可能与宇宙的变化无关。但是人类的命运与宇宙的变迁有着密切的关系。

大爆炸理论并不是一个上帝创世纪的理论。这是一个对宇宙演化的一个物理学的解释。人类自身也是宇宙演化的一个产物，大爆炸理论和大统一理论是人类理性的野心和雄心，我们可以把这理解为一个孩子要追问他最早最早的那个祖先，也可以理解为一个人造的机器人比如深蓝想要研究人类的奥秘。但是，人类的奇特之处在于，这种野心经过几千年的努力竟然有了一个眉目。人类似乎已经知道了我们从哪里来。当然，也许几千年以后的人们会把我们今天的理论看作神话，就像我们看待上帝创世纪一类的故事。

我们要到哪里去，宇宙的命运将会如何？这是人类仍然要关心、要理解的问题。

【注释】

[1]事见《列子·天瑞》，原文为：“杞国有人，忧天地坠，身亡所寄。废寝食者。又有忧彼之忧者，因往晓之。曰：天积气耳。亡处亡气，若屈伸呼吸。终日在天中行止，奈何忧崩坠乎。其人曰：天果积气。日月星宿不当坠乎？晓之者曰：日月星宿亦积气中之有光耀者。只使坠亦不能有所中伤。其人曰：奈地坏何？晓者曰：地积块耳，充塞四墟，无处无块，若踌步呲蹈，终日在地上行止，奈何忧其坏？其人舍然大喜，晓之者亦舍然大喜。长庐子闻而笑之曰：虹霓也，云雾也，风雨也，四时也，此积气之成乎天者也。山岳也，河海也，金石也，火木也，此积形之成乎地者也。知积气也，知积块也，奚谓不坏？夫天地空中之一细物，有中之最巨者，虽终难穷，此固然矣。难测难识，此固然矣。忧其坏者，诚然大远，言其不坏者，亦为未是。天地不得不坏，则会归于坏。遇其坏时，奚为不忧哉？子列子闻而笑曰：言天地坏者亦谬，言天地不坏者亦谬。坏与不坏，吾所不能知也。”