第五节
宇宙的诞生

宇宙大爆炸理论

哈勃定律指出，随着时间的推进，宇宙一直在膨胀。我们利用逆向思维，让时间倒流的话，倒推出来，宇宙一开始应该是非常小的。这就是宇宙大爆炸理论的基本思想。

宇宙大爆炸是现在被人们广为接受的关于宇宙起源的理论。大爆炸理论说的是，宇宙一开始是一个没有体积、密度无限大的奇点，随后发生了大爆炸，时间和空间被创造出来。

宇宙一开始是炙热的，充满了能量，并且温度极高。但是随着宇宙的膨胀，它慢慢地冷却下来，各种粒子开始形成。又在万有引力的作用下，物质聚合到一起，形成了天体和星系。经过138亿年的时间，逐渐发展成今天的模样。

宇宙大爆炸理论，最早是在1927年，由比利时宇宙学家勒梅特（Georges Lemaître）提出的，勒梅特解出了爱因斯坦广义相对论场方程的一个严格解，提出了宇宙最早开始于一个“原初原子”（primordial atom）的爆炸，这就是最早的宇宙大爆炸理论。以当时的眼光看，大爆炸理论只能被当作一种理论，几乎没有任何坚实的实验证据。

宇宙大爆炸理论的流行，要归功于两位美国科学家彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson），他们于1965年发现了宇宙微波背景辐射（cosmicmicrowave background radiation），为宇宙大爆炸理论提供了强有力证据。

宇宙微波背景辐射

在20世纪60年代，射电望远镜已经被发明出来。传统望远镜是由透镜组成的，有两块大玻璃就能够观察星空。但射电望远镜并不是玻璃做的，从形状上来看，它跟卫星电视的接收天线是一样的。射电望远镜的优势在于，它可以接收传统望远镜接收不到的信号。

传统的天文望远镜主要用来接收可见光，而射电望远镜是用来接收比红外线（infrared）波长还要长的电磁波信号，因此就做成了天线的形状。

波长在红外线以上的电磁波不会因为大气层的散射而过多地衰减，所以只要把射电望远镜的口径做得足够大，就能探测到更多的电磁波信号。当时彭齐亚斯和威尔逊两个人并没有明确的目的，只是单纯地想用射电望远镜看看宇宙里都有哪些电磁波信号。为了排除一切可能的信号干扰，他们挑选了远离城市的僻静之地进行观测。

神奇的是，不论望远镜指向什么方向，总有一个频段处在微波范围内的微弱信号存在，跟我们平时用的微波炉的波长类似。

现实世界中的仪器总是有误差的，一般人可能会把这个信号理解为背景噪声。但是两位科学家发挥了钻牛角尖儿的极致精神，他们排除了一切可能性，最后得出结论：这个信号只能是从宇宙的最深处传来的。

为什么会得出这样的结论呢？因为如果信号是从宇宙中某个特定位置传来的话，它的 强弱一定是与方向有关的 ，望远镜瞄准这个方向会收到最强的信号。然而两位科学家观测到的微波信号却与观测的方位关系不大，所以信号源一定不是某个具体的星体，而是遍布在宇宙空间当中的。

一个合理的解释就是，该信号作为一种“背景信号”，是从宇宙深处传来的，并且是宇宙各个方向的最深处，因此才是“背景”，所以被命名为宇宙微波背景辐射。其实宇宙微波背景辐射很容易观察到，当没有信号输入时，老式电视机屏幕上会出现雪花点，这些雪花点有很大一部分就是宇宙微波背景辐射的信号。

宇宙微波背景辐射如何佐证宇宙大爆炸理论？

宇宙微波背景辐射的存在很好地佐证了宇宙大爆炸理论的正确性。

根据多普勒效应，凡是从宇宙深处传来的电磁波，都经过了充分的红移。也就是说，信号在发出之前，它的频率应该比微波高不少。如果宇宙大爆炸理论是正确的，那么宇宙在早期刚刚发生爆炸的时候，由于能量和温度都极高，宇宙应该处于“一锅热汤”的状态。

而宇宙微波背景辐射是从宇宙深处传来的，倒推回138亿年前，它应当恰好记录了宇宙诞生之初的状态。根据计算，我们把微波背景辐射的频率用红移反推回去，就会发现这些微波从宇宙深处传来之初，确实是处于一种炽热的状态。微波背景辐射作为宇宙诞生之初的印记，提升了宇宙大爆炸理论的可信度。 4pZOnBUlX7Lbcc8Byfak2U/r7zKs5GSyo4iKyBCvuUR3F2iHGbiMius3KPuCbyyO