宇宙观：一场跨越时空的宇宙探秘之旅

第二次世界大战开始后，以乔治·伽莫夫（George Gamow）和弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）为首的两个核物理学家研究团队，也因为宇宙的起源问题而进行了一番较量。但让他们没想到的是，在这场较量中，两队人马各有斩获，最终也没能决出胜负来。

伽莫夫是一位杰出的物理学家，年纪轻轻便蜚声国际，量子理论刚出现没多久，他就用它来解释粒子的放射性衰变现象。而且，他还十分幽默，是一位出色的科普作家，他曾借着汤普金斯（Tompkins）先生的历险故事，向大家讲解最新的科学思想（见图11-1）。

霍伊尔则是英国天体物理学界的领军人物。与伽莫夫一样，他也热心于科普工作，不仅自己写科幻小说和电视剧，还参与英国广播公司（BBC）的节目录制。霍伊尔并不认同“宇宙始于不久的过去”这种观点，在1950年的一次BBC广播中，他把“一个极炽热、极致密的火球发生爆炸，产生了宇宙并使它膨胀”的观点，简单地称为大爆炸理论，并表示自己无法接受这样的理论。

稳恒态学说

弗雷德·霍伊尔（见图11-2）认为，最基本的生物化学过程是如此的复杂，生命有一个起源简直是不可思议，也是几乎不可能的；即使经过数十亿年的演化，也不足以自然而然地产生生命。他相信，生命只存在于永恒的宇宙中，从一个恒星系统传播到下一个恒星系统，然后慢慢扩散到整个宇宙，这就是所谓的“有生源说”。

在霍伊尔的想象中，宇宙广袤无垠且一直存在，无论何时何地，宇宙看起来都差不多，没有多大变化。基于这个假设，他与两位同事托马斯·戈尔德（Thomas Gold）、赫尔曼·邦德（Hermann Bond）独树一帜，构建了一个稳恒态宇宙模型，并在1948年将它公之于众。

不过，这个理论面临着一个最大的挑战：由于膨胀会降低宇宙的物质密度，那么一个膨胀的宇宙又怎么会看起来一成不变呢？他们的解决方案是，假定宇宙能够不断地产生物质，而且物质的生成速度与膨胀稀释物质密度的速度大小差不多，如此一来，宇宙的物质平均密度就能保持不变了。宇宙中的绝大部分空间都是空无一物的，所以物质的生成速度无须很快。他们认为，既然我们打算让宇宙在某一时刻突然产生大量物质（即大爆炸），那让宇宙以我们不容易察觉的速度，不断地产生极少量的物质又有什么不可以的呢？不管怎样，如果我们假定物理定律是确定不变的，与其在一次奇迹般的事件中产生物质，倒不如持续地产生物质更为合理。

那么，哪个理论才是正确的，大爆炸宇宙论还是稳恒态宇宙论？有一种办法似乎可以平息争论。宇宙中有各种各样的原子。按照伽莫夫所言，这些原子是在大爆炸中合成的。霍伊尔的理论则认为，它们是在恒星内部合成的。究竟孰是孰非？双方已经鸣锣开战，宇宙起源理论命悬一线。

宇宙学的ABC

在第二次世界大战期间，美国有不少物理学家都参与了“曼哈顿计划”，投身于核武器的研制。伽莫夫本来也是合适的人选，却因为没有通过安全调查，无法参加这项计划。于是，在整个20世纪40年代，他一直都在乔治华盛顿大学，带领团队从事核物理研究。

伽莫夫让自己的研究生拉尔夫·阿尔菲（Ralph Alpher）研究在宇宙大爆炸中原子是如何形成的，并以此作为阿尔菲的博士论文题目。等到阿尔菲在1948年准备发表自己的论文时，伽莫夫却坚持要把论文拿给核物理学家汉斯·贝特（Hans Bethe）看一看。他的理由是，贝特是一位非常优秀的物理学家，一定会给出重要的意见，而且，这篇解释宇宙起源的论文，若能由阿尔菲、贝特和伽莫夫三人联名发表，那就更棒了。

（因为阿尔法、贝塔、伽马是希腊字母表的前3个字母，物理学家每天都会在物理公式中见到它们。）就这样，这篇题为《元素的起源》的论文有了3位作者，而且作者的名字是按照字母表顺序排列的。不过，令人遗憾的是，这篇论文的主旨却是错的。核合成反应需要极高的温度，在大爆炸过程中，这样的高温状态维持不了太久，所以只能形成氢、氦和锂这样极轻的元素。

后来，当物理学家罗伯特·赫尔曼（Robert Herman）加入伽莫夫的研究团队时，伽莫夫还开玩笑说，赫尔曼坚决不肯把自己的名字改成戴尔特[Delter，δ（delta）是希腊字母表里的第四个字母]。

瓶中的魔鬼

伽莫夫和阿尔菲把宇宙中的原初物质称为“伊伦”（ylem）。这个名字有点晦涩难解，是中古英语里的神学术语，源自希腊语“原质”（hyle）一词。亚里士多德认为，物质是由“原质”构成的。在图11-3中，魔鬼伽莫夫正从一个装着“伊伦”酒的酒瓶里冒出来。

热大爆炸理论

伽莫夫团队里的成员平时除了没事开开玩笑以外，其余的时间都在认真地研究宇宙。

阿尔菲和赫尔曼意识到，大爆炸造成的后果是可以被检验的。如果这个理论是正确的，那么在一开始的时候，光子应该随处可见，而且它们会与带电粒子（如电子、质子和氦原子核）发生散射。随着宇宙因为膨胀而逐渐冷却，经过几十万年的时间，所有的带电粒子全部都结合成了氢原子和氦原子。到那个时候，光子便不再与这些气体发生作用，而是继续在宇宙中自由穿行。所以，如果大爆炸真的发生过，那么大爆炸留下的辐射遗迹应该充斥于整个宇宙。

等到物质的平均温度下降到3100开^[1] ，光子最后一次与带电粒子发生散射，所以，从统计上讲，这个辐射遗迹看起来应该是由温度为3100开的物质发出来的。处于这个温度的物质呈白热状态，它发出的辐射主要集中在电磁波谱的可见光区域，因此，绝大多数光子都应该位于可见光波段。不过，宇宙自那以后剧烈地膨胀，使这个辐射遗迹发生了极大的红移。据阿尔菲和赫尔曼估计，这个辐射遗迹现在已经移动到了微波波段，看上去就像是温度只有绝对零度以上5开的物质发出来的。

恒星内部的核合成

与此同时，伽莫夫的竞争对手霍伊尔，已经解决了恒星内部的核合成问题。早在20世纪40年代末至50年代初，霍伊尔就已经完成了这个课题的第一批论文。与所有的科学研究一样，核物理研究也讲求合作，所以，霍伊尔的研究工作是以伽莫夫、贝特和其他人所提出的重要理论为基础展开的。1957年，伯比奇夫妇[杰弗里·伯比奇（Geoffrey Burbage）和妻子玛格丽特·伯比奇（Margaret Burbage）]、威利·福勒（Willy Fowler）以及霍伊尔合作发表了一篇综述性文章（根据作者的姓名缩写，又被称为B

FH论文），详细描述了恒星内部的核合成过程。虽然霍伊尔被公认为恒星核合成理论的主要提出者，但福勒却是诸位作者里唯一一位获得诺贝尔奖的。

霍伊尔团队的研究结果是正确的。化学元素周期表里的元素，除去最轻的几种，其余的都是在恒星内部和超新星爆发中形成的。当恒星慢慢走向衰老，它的外层大气开始膨胀，并最终飘散在太空中，形成行星状星云。图11-4向我们展示了一个特别美丽的行星状星云。在恒星内部合成出来的元素，大部分被释放到了太空中，混入气体云，而这些气体云正是下一代恒星的“育儿所”。

那么，这是否说明宇宙处于稳恒态？不！霍伊尔虽然打赢了化学元素的起源之战，最后却在宇宙的起源之争中落败。

宇宙的背景噪声

1964年，阿尔诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert Wilson）在美国新泽西州的贝尔实验室（Bell Labs），建造了一架灵敏的喇叭天线（见图11-5）。可天线总是接收到烦人的噪声，两人一度以为是天线出了问题，想尽了一切办法去除噪声，但都无济于事。最后，还是由普林斯顿大学的天体物理学家罗伯特·迪克（Robert Dicke）、吉姆·皮伯斯（Jim Peebles）和戴维·威尔金森（David Wilkinson）给出了解释：彭齐亚斯和威尔逊发现的噪声，其实是宇宙微波背景辐射，也就是阿尔菲和赫尔曼预言的那个辐射遗迹。

科学家对这个背景辐射进行了精密的测量，发现它等同于温度处于绝对零度以上2.7开的物质发出的辐射。同光子在最后一次与带电粒子发生散射时的温度相比，这个温度还不及前者的千分之一，也低于阿尔菲和赫尔曼的预估值，这是因为当时的科学家还没能精确地测量出宇宙的年龄以及其他与之相关的宇宙学参数。

截至目前，科学家已经先后派出了一系列空间探测器，对宇宙微波背景辐射展开研究（见图11-6）。如果去掉我们自身运动造成的影响，这个辐射几乎是均匀地遍布于整个天空，但早期宇宙中的物质结团，却让这个辐射的温度在不同的地方存在微小的差异，物质密度高的那些区域，日后会出现如星系团之类的物质结构。这些温度差异如今已被精确地测量出来，它为我们提供了有关早期宇宙的物质结构及演化的丰富信息，还告诉了我们宇宙的准确年龄。同时，它也证实了宇宙中的物质绝大部分都是暗物质。我们之所以看到这个背景辐射，唯一的解释就是宇宙始于138亿年前的一次热大爆炸。

1. 把这个值减去273.15，就可以把温度的单位从开尔文温标转换成摄氏温标。——译者注