宇宙大爆炸学说

罗方扬

我们的宇宙是从哪里来的，又是怎么形成的？这个问题从人类开始仰望星空的时候就已经产生了。

在古代，世界各民族对天地构造、形成等都有自己的一套说法，比如中国古代就有“盖天说”和“浑天说”。

到了18世纪后期，德国哲学家康德和法国科学家拉普拉斯对太阳系的形成各自提出了看法，后人把他们的理论合称为“康德-拉普拉斯星云说”。这一学说解释了太阳系的形成，但是没有解释宇宙的形成。

到了20世纪40年代，俄裔美籍科学家伽莫夫等人正式提出了“宇宙大爆炸学说”。该学说认为，在130多亿年前，我们今天能观测到的全部物质都缩小在一个奇点中，奇点的温度极高，密度极大。然后便发生了大爆炸，现在所有的物质和空间、时间都是大爆炸的产物。爆炸后的10-6秒至1秒，包括质子和中子在内的强子开始形成。爆炸后1秒到10秒，宇宙进一步冷却，由轻子主宰。10秒后，宇宙能量转而由光子主导。化学元素的形成开始于大爆炸后10秒至20分钟内，这个阶段非常重要，决定了今天宇宙的基本化学组成。约在大爆炸30万年后，氢原子和氦原子开始形成，经历复合过程后，宇宙变得透明，光子在其中几乎通行无阻，此后才逐步形成现在的宇宙。

伽莫夫刚提出这个学说的时候，这些内容简直匪夷所思，所以没人相信。随着观测上的一些进展，该学说才被人们逐步接受。概括说来，宇宙大爆炸有3个非常有力的证据：

第一个证据是星系的退行。人们通过观测发现，河外星系都在高速远离地球， 而且距离越远的星系，远离地球的速度越快，有点像炮弹爆炸后弹片飞射出去的样子。换句话说，也就是宇宙在膨胀。这是美国科学家哈勃在20世纪20年代发现的。

第二个证据是微波背景辐射。根据宇宙大爆炸理论，宇宙早期是极端高温的，但是经过漫长的膨胀冷却，现在的温度大约为3开尔文，辐射的波长位于微波波段，而且总体上的分布呈各向同性。这种微波辐射，伽莫夫早在1946年就预测过，但是由于技术原因，无法实现观测。到了1960年，美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在测试一架喇叭形天线时，不经意间发现了宇宙微波背景辐射。这个发现是20世纪天文学上的重大进展，为此两人在1978年获得诺贝尔物理学奖。

第三个证据就是化学元素氦的丰度。目前的观测表明，无论是在太阳还是在绝大多数其他恒星或星系上，都存在氦元素，而且含量大致相同，都是25%左右。这个氦丰度问题无法用热核反应来解释，但是根据大爆炸理论，在大爆炸后10秒至20分钟内，有大约25%的物质聚合成氦。这个理论值和现在实际观测值非常符合。

在描绘这种“硬核”、前沿且诞生多项诺贝尔物理学奖的题材时，采用宇宙微波背景辐射图作为背景，再配上天文台和氦原子结构图来表现。图中蓝黄色的是宇宙微波背景辐射图，中间画了仙女座大星系，右边则是氦原子图。

（责任编辑：白玉磊）