解密宇宙是个大课题

宇宙是如何诞生的？相信许多小朋友对这个问题充满了好奇。

古代，由于观测手段有限，那时的人们认为地球是宇宙的中心，日月星辰都围绕地球运动。直到哥白尼创立“日心说”，人们的宇宙观才开始发生巨大变化，开始意识到地球和其他行星一样都围绕太阳运动，并没有什么特别之处。

现在我们知道，太阳只不过是银河系千亿颗恒星中非常普通的一员，而我们所处的银河系又是宇宙中千亿个星系中普通的一员。宇宙的广袤无垠，远远超出任何一个人的想象力。那么宇宙是如何诞生的呢？这个问题并没有绝对答案！到目前为止，“宇宙大爆炸”理论与实验观测和理论推导符合得最好，成为被天文界所公认的宇宙起源理论。

哈勃发现“哈勃定律”

宇宙起源于一场大爆炸，听起来就非常疯狂！这个学说是如何提出的呢？1929年，著名的天文学家埃德温·哈勃观测了24个邻近星系，他把这些星系发出的光谱与实验室中相应的光谱做了对比，结果发现所有的谱线都向波长长的一段移动了一段距离。哈勃意识到这很可能是所有星系都在远离我们，并且远离的速度与距离成简单的正比关系，这个规律就是大名鼎鼎的“哈勃定律”。哈勃发现星系在做相互分离运动，打破了人们心中静止宇宙的古老观念。

从牛顿到爱因斯坦，都认为宇宙是静态而永恒的，哈勃的这一发现再一次撼动了人们的宇宙观。爱因斯坦曾经为了让他的广义相对论符合静态的宇宙，在他的引力场方程中加入了宇宙学常数。在哈勃发现宇宙膨胀之后，爱因斯坦承认这是他所犯下的最大错误。

哈勃的发现意味着什么呢？意味着在遥远的过去，星系之间的距离非常近，很可能所有的物质都聚集在一个非常小的空间内，这为后来的“宇宙大爆炸”学说提供了重要的观测依据。

测量宇宙大爆炸后的余温

哈勃发现“哈勃定律”20年后，著名的美籍俄裔物理学家伽莫夫从理论上提出：宇宙起源于一场大爆炸。他的计算表明，原初大爆炸的“火球”由于膨胀而逐渐冷却，到今天已经降低到绝对温度10K（当时的计算较粗糙，精确值大约2.7K）。正如熄火的炉子，火虽然已熄灭，但余温仍在。最初，没人把伽莫夫的计算当真，没有在天文界引起轰动，毕竟“异乎寻常的理论，需要异乎坚定的证据”来支持嘛。

证据来了1 1964年5月，贝尔实验室的两位美国工程师彭齐亚斯和威尔逊在美国新泽西州用一台喇叭形天线指向天空，目的是想测定来自天空的无线电噪声。当他们开始测量的时候发现扣除了大气吸收和天线本身的影响后，还有一些无法消除的背景噪声一直存在！为此，他们甚至赶走了在天线内筑巢的鸽子。后续的观测表明，这种令人头疼的噪声与天线的指向无关，是来自全天空的辐射，具有各向同性，故称之为“宇宙微波背景辐射”。后来证明，这种辐射正是宇宙大爆炸的余温，充斥着整个宇宙。电视机在没信号时，屏幕上跳动的雪花中大约1%正是宇宙背景辐射的贡献。“宇宙微波背景辐射”被称为20世纪60年代天文学的四大发现之一。

近年来，美国国家航空航天局先后向太空发射了COBE和WMAP太空探测器，以更高的精度测量了微波背景辐射的温度，当今的精确测量值为2.72 548±0.00 057 K。

宇宙天体氦元素的丰度

在微波背景辐射发现的同时，天文学家就注意到，宇宙天体中所包含的氦元素大约都在24%左右（其余是氢和其他极少量的轻元素），这一数值远远超出了恒星内部核反应所能生成的氦元素。1964年，天文学家根据“宇宙大爆炸”理论计算了大爆炸本身能够生成的氦元素丰度，结果为23%—25%，与观测值符合得很好，这又为“宇宙大爆炸”理论增加了证据。

因此，“宇宙大爆炸”虽然听起来疯狂，但却一次次通过了天文观测的检验，成为迄今为止解释宇宙起源的最好模型。

漂浮在宇宙学上空的“两朵乌云”：暗物质与暗能量

地球对于人类来说已经非常巨大，但质量却只有太阳的三十万分之一，而银河系又拥有数以千亿颗像太阳这样的恒星。现代天文学的观测表明，即便银河系内所有恒星的质量加起来也不足以维持其稳定运转，需要有额外的看不见的物质产生额外的引力，天文学家把这些看不见的物质称为“暗物质”。

暗物质不参与电磁相互作用，因此用任何光学手段都无法探测到，并且它们与普通物质的相互作用非常微弱，直接探测非常困难，关于它们的性质人们知之甚少。除了暗物质之外，“暗能量”更加扑朔迷离。

上世纪90年代，天文学家通过对超新星“巡天”的研究发现，宇宙的膨胀不是减速，也不是匀速，而是出乎意料的加速。是什么力量驱动了宇宙加速膨胀呢？现在认为是一种无处不在的“暗能量”为幕后推手。有人认为暗能量是量子涨落产生的真空能，但定量的计算表明，真空能的大小与观测值不符。

因此，暗物质、暗能量是漂浮在现代宇宙学上空的“两朵乌云”。人们对暗物质、暗能量的最终认识，必将对宇宙起源问题产生深远影响。

知识链接：

20世纪60年代天文学的四大发现

20世纪60年代天文学的一系列发现和所取得的进展中，有4项被认为特别重要：星际分子、类星体、微波背景辐射和脉冲星。它们被誉为60年代中的四大天文发现。

星际分子：20世纪30年代，发现了第一种星际分子，到80年代末，已发现80多种，且许多都是很复杂的有机分子，少数分子是地球上很难找到的或者根本找不到的。星际分子的发现有助于人类对星云特性的深入了解，可以帮助揭开生命起源的奥秘。

类星体：第一颗类星体3C48是1960年发现的，第二颗类星体3C273是1963年发现的。这两个天体在外貌上看起来都像是颗恒星，但红移值比星系都大。看来，它们不可能是恒星。这种类似恒星而又不是恒星的天体就被称为“类星体”。

微波背景辐射：1964年，美国人为了检验一台巨型天线的低噪声性能，他们发现，无论把天线指向何方，总能收到一定噪声。科学家对这种微波辐射进行了分析。所谓辐射，就是电磁波，也就是光子气体。进一步精确测量显示，这种辐射的温度相当于绝对温度3K的黑体辐射。由于这种辐射充满整个天球，形成整个宇宙背景的辐射，所以称为3K宇宙微波背景辐射。

脉冲星：1967年，英国发现第一颗脉冲星。它是20世纪30年代就预言的中子星，主要是由一种叫作中子的基本粒子组成超密恒星，它的直径只有10千米左右，自转特别快，周期性地发出脉冲。

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