宇宙从一粒尘埃开始 - 9堂极简宇宙课

爱因斯坦的广义相对论如此震撼的原因之一，是因为它是爱因斯坦对自由落体运动这个普通现象的关注和冥想而激发出来的一整套纯思考概念。让人高兴的是，我们能够沿着这个最让爱因斯坦高兴的想法，一直走到罗伯特森对宇宙的可能历史的划分；可以按照这个最简单优雅的想法，一直发展到前人未曾经历也意想不到的丰硕领域。

本书所讲的宇宙，当然是我们身处其中的这个宇宙，而不是想象中的那个宇宙，无论它何等美丽。今天，广义相对论已经被测试到极精确的程度——上一章谈到的LIGO引力波探测器就是近年来最惊人的例子。

现在我们的目标，就是要看看，作为一个整体的宇宙与爱因斯坦的理论框架契合得多么好。这需要收集证据，证明我们是生活在一个不断扩张的宇宙中，而这个宇宙始于大爆炸。

我们的第一个任务就是，看宇宙是否现在就在扩张，是以什么样的速度在扩张。我们已经找到一个说明宇宙在扩张的证据：来自遥远星系的光产生了红移。根据广义相对论，红移的产生是因为宇宙的扩张导致光线扭曲产生波峰波谷的结果。这意味着，从遥远星系来到银河系的光的波长在增加，而且在这段旅程的时间内，光的波长的红移与两个星系距离的增加成正比。空间在伸展，光也随之伸展。如果红移是因为宇宙的扩张而产生的，那我们就可以预测，从最远的星系过来的光应该产生最大的红移，因为光走过的距离越长，空间便伸展得越厉害。现在我们来看一些真实数据，验证一下我们的预言。

我们采用了美国宇航局星系数据库在网上的公开资源，来看看样本星系的红移如何随着它们到地球距离的变化而变化。本书到目前为止，都是我们自己进行的测算，所以现在启用一个数据库听上去是在作弊，一个小小的作弊。对于一个业余天文爱好者来说，花几千英镑买一个说得过去的望远镜、一个摄谱仪、一个数字成像系统和一台电脑，便可以对最远为100百万秒差距的星系进行红移测量。对于那些有高度怀疑精神和值得赞扬的热心读者，我们鼓励你们走这条路。事实上，对那些出于任何原因选择不相信数据库的人，你应该走这条路，因为它会告诉你，你的意见是错误的，数据库是对的。乐于证明自己的观点是错误的，这是人类最应该培养的重要技能之一，更别说是科学家了。

要想知道红移如何依赖于星系的距离，我们需要有遥远星系的准确距离。这对于一个业余天文爱好者来说比较难。我们之前讲过，造父变星法可以用来测量近距离星系的单个恒星的距离。对于较远的星系，如果知道它含有一个超新星，而我们碰巧又观测到了这颗超新星，那就也能算出它的距离。但仅此而已。要得到一个完整的星系距离图，我们需要用另外一种方法来测量星系的距离。

测量遥远星系的距离可以用好几种广泛应用的方法，其中最准确的一种是北美天文学家布伦特·塔利和里克·费舍尔于1977年提出的方法。塔利-费舍尔法可用于测量螺旋星系，这种星系因其美丽的螺旋形状得名。银河系和仙女座都是螺旋星系，图6.1是仙女座的照片，其中的星星排列成光盘状，绕着中心的一个轴旋转。塔利-费舍尔方法通过测量螺旋星系的亮度和它的光谱线1的宽幅来计算它的距离，详解见框11（146页）。然而，秉承本书的精神，我们也要用一个简单的“奥格莫尔海边”式的方法加以检验，说明更精细的距离测算方法是有道理的。

以下就是我们的简单方法。既然所有的螺旋星系看上去都很像，那我们不妨大胆假设，它们的大小都差不多。在这个假设下，如果知道其中一个星系的距离，我们就可以知道所有星系的距离。比如说，从地球上看，有一个星系的大小是仙女座的一半，我们就可以假设，它离我们的距离是我们到仙女座的距离的两倍，以此类推。所有螺旋星系大小相等，这种假设是否妥当我们不知道，不过我们大概可以说，它们的大小变化不至于影响全局。无论如何，我们已经有了来自美国国家航空航天局数据库的精确数据，正好可以对比一下这个简单方法在精确得玲珑剔透的数据面前能不能站得住脚。仙女座在天空的角度大小是6200角秒2，从地球到仙女座的距离，通过造父变星测量法得出的结果是780000秒差距，或者说是250万光年。我们的老朋友NGC4535的角度大小是410角秒，假设它和仙女座一样大，那它就比仙女座远14倍，即它的距离是1千2百万秒差距。我们总共从美国国家航空航天局数据库随机选择了16个星系，它们的距离和红移数据见表格6.1。星系的照片见图6.2。这些星系都是螺旋星系，红移都在0.001和0.02之间。除此之外，它们没有什么特别。

框11 塔利-费舍尔关系

塔利-费舍尔关系可以用来判断一个遥远螺旋星系的距离。它研究的是一个螺旋星系绕轴旋转的速度和它的亮度之间的关系。根据牛顿的万有引力定律，一个遥远星体围绕着该星系的中心轨道运转的速度是由这个星系的质量决定的，见框5（60页）。这是有道理的，因为质量越大的星系施加的引力就越大，也就是说，围绕它的星体可以用更高的速度运转而不会飞到太空去。但是，星体发射的光波长和我们在地球上观测到的光波长部分取决于该星体相对于地球的运动速度。具体地说，如果该星体向地球运动，光会产生轻微的蓝移；如果远离地球运动，则会产生轻微的红移。这种颜色（波长）的变化不是由空间的扩张引起的。

它的产生就像是快速运动的救护车上的高音警笛在经过你时音调变低。

这就是多普勒效应。这是因为警笛发射的声波在救护车靠近的时候受到压缩（波长变短），在救护车离去时受到拉伸（波长变长）。因为光也是波动，所以也有多普勒效应。对于一个螺旋星系来说，这个波长的小小变化意味着，我们在地球上观测到的光谱线不完全固定于一个波长，它们相对平均水平被拉长了一点，一部分光产生了红移，一部分光产生了蓝移。拉长的大小取决于星体的运动速度以及我们之前说的星系的质量。另外，星系发射的光的量取决于它的质量，这一点很明显，因为质量越大的星系包含越多的星体。既然多普勒效应导致光谱线的加宽和星系发出的光量都取决于星系的质量，则多普勒增量和星系发射的光量一定有某种联系，比如，星系旋转得越快，光谱线的增量就越大，而且它们的质量也越大。我们可以用这种关联计算地球到星系的距离，因为从地球上测量，该星系的距离越远，亮度就越低。只要我们开始就通过使用独立的测量方法（比如造父变星法）测准了几个螺旋星系的距离，校准了这一方法即可。

我们选择了0.02这个上限，因为我们希望能用肉眼识别那些螺旋星系，这样我们才能够用“奥格莫尔海边”的方法去估算它们到银河系的距离。我们已经知道，红移越大说明距离越远，在空中呈现的距离也越小。根据图6.2，可以看到，对于红移最高的星系UGC6533，我们只能勉强能看出它的螺旋形状，更远一些的星系我们就很难辨认，因此我们倾向于选择较大的更容易看清的星系作为我们的研究对象。

红移小于0.001的星系也有。事实上，离我们最近的仙女座的红移就是0.001。它的意思是光偏移到光谱的蓝色部分，这意味着仙女座是朝着地球运动的，并将在40亿年后撞击地球。仙女座的蓝移是由多普勒效应引起的，我们已经在框11（146页）中详细说明过。一旦我们理解了星系不仅因为宇宙的扩张而移动，我们就能理解仙女座的蓝移。因为星系的运动还受到各自引力作用的影响，如同地球围绕太阳公转，太阳又围绕银河系的中心运转一样；所以，对于星系的运动，我们既要考虑它们受到的空间扩张的影响，也要考虑星系的这种“固有运动”：这就会导致在宇宙扩张引起的红移之上还有多普勒红移或蓝移。对于仙女座来说，蓝移占绝对的主导地位，因为它离我们这么近，以至于宇宙扩张对于它的光的影响非常小。然而，对于那些足够遥远的星系，它们的宇宙学红移足够大，以至于能够淹没它们固有运动产生的多普勒效应——这就是为什么我们只选择距离在4百万秒差距以上的星系，其对应的红移在0.001以上。

在表6.1中，到其他星系的大概距离都是用和我们测量NGC4535一样的方法算出来的，它们都归在“估算距离”和那一栏。这些数据将会与专业人员算出的“测量距离”加以对比。

表中最近的星系是NGC1313，它的距离是大约4百万秒差距，红移为0.00157。最远的星系是UGC6533，它的红移为0.0179，要大10倍多。从表中数据看，最远的星系红移最大，因此红移越大往往会被联想成星系的距离越远。这与我们对宇宙扩张的看法相符。为了让我们的观察更视觉化，我们可以在图标上绘制数据，这就是图6.3。

数据中的模式跃然纸上：所有的点都散布在一条直线周围。图6.4是埃德温·哈勃于1929年提出的这类表的变体图。哈勃的纵轴和我们的稍有不同，因为他选择用星系的“退行速度”，而不是红移，来表现他的结果。我们不久就会看到，退行速度等于红移乘以光速，所以哈勃的数据一直延伸到红移高达0.003（1000千米/秒除以3×105千米/秒）。

我们的表和哈勃的表都有一条直线贯穿那些数据点。它们对应于“最佳拟合线”，意思就是，它们就是贯穿这些数据的最优线路。这16个星系的数据都散布在直线附近，但因为这些测量距离都是不确定的，所以数据与直线的一致性反映了真实的情况。我们的意思是，如果我们对星系的红移值有信心，则与塔利-费舍尔测量法相比，这条直线能够更好地测量星系的距离。比如，表格中NGC0011的红移是0.0146，它的测量距离是5千5百万秒差距，但是从表6.3左边的表格看，参照直线，你可以得出结论，这个距离值有一点低，实际距离可能有6千5百万秒差距左右。要注意的是，和NGC0011对应的数据点是右数第六个点³。

左边表中的直线对应的方程是z=2.23×10^-4Mpc^-1×d，这里的d是距离，z是红移。值得注意的是，只要观测到红移值，我们就能算出到任何天体的距离——也就是说，取红移值，除以2.23×10^-4，就能算出百万秒差距距离（这样得出NGC0011的值是65.5）。这又为天文学家们提供了一种测量遥远天体距离的新方法。严格地说，这个方程只适用于红移在0.001和0.02之间的天体，因为我们还没有给此范围之外的天体制图4。数字2.23×10^-4Mpc^-1叫作图表的梯度。这是一个很重要的数字，它不仅能校准红移与距离之间的关系，还能告诉我们空间扩张的速度。

我们现在就来看看为什么。

一个距离地球为d的星系，光需要d/c的时间到达地球，c是光速。

在这段时间里，宇宙和光的伸展程度是一样的，就是红移z。意思就是，此星系在d/c的时间里退行了地球zd的距离，也就是说，此星系退行地球的速度是v=zd/（d/c）=cz，这就是哈勃在他的纵轴上取代红移使用的退行速度。哈勃的图表展现的是我们现在所说的哈勃定律，它指出，星系的退行速度v=Hd，H值等于哈勃图表的梯度值。我们理所当然的把H叫作哈勃常量，它是物理学界最重要的数字之一，因为我们马上就会看到，这个数字告诉了我们宇宙的伸展速度。根据哈勃的原始数据，H值大约在500千米/秒/百万秒差距（这个数值你可以直接从他的图表中读出）。根据图表，H值等于光速乘以直线的梯度，即3×10⁵km/s×2.23×10^-4Mpc^-1=67千米/秒/百万秒差距。显然，我们的数据和哈勃的数据不相符。差错就出在，哈勃低估了星系的距离，就像他当初正确地指出仙女座远在银河系之外一样。尽管如此，他的制图还是第一个表明宇宙是在不断扩张的实验证据。

数值为67千米/秒/百万秒差距的哈勃常量意味着，由于空间的扩张，一个离地球1百万秒差距的星系在以67千米/秒的速度做和地球反向的运动（同理，一个10百万秒差距的星系以670公里/秒做和地球反向的运动）。在空间一直匀速扩张的情况下，这种红移（或者退行速度）和距离的线性关系正是我们意料之中的。这意味着，我们的螺旋星系数据确认空间一直在匀速扩张，至少在过去的300亿年以来如此（因为我们最远只能看到100百万秒差距的星系，光到达那些星系刚好需要3亿年时间）。

一个能够很好地把哈勃定律视觉化的方法就是：在一个气球的表面画很多小点，然后给气球充气。那些点都随着气球的胀大而向外扩散，点之间的距离越远，它们彼此远离的速度就越快。如果气球的膨胀率保持不变，气球上由每个点测出的相对于任何其他点的哈勃常量都是一样的，这样我们就有了一个“直线气球哈勃制图”。把这些点换成星系，就成了我们研究的螺旋星系数据。气球的表面是一个二维例子；

一个三维的例子就是正在烤箱里烘焙的葡萄干蛋糕。在蛋糕膨胀的同时，里面的葡萄干也彼此远离。因此，大爆炸就像是我们烘制的一个巨大的（可能是无限大的）稠密的面团。所以，我们的宇宙更像是一个正在烘制的蛋糕，而不是一个充气的气球。这也说明了一个当今宇宙学中常见的误区：在我们邻近的星系以外，我们观察到的星系似乎都在和我们做反向运动。这不代表我们就是宇宙的中心，就像我们无法说气球上任何一个点是气球的中心一样。应该说，数据支持这种概念，而这种概念又源于广义相对论，其中的星系在一个不断扩张的宇宙中飞驰。

作为分析的最后一步，让我们来看看图6.3右边的图表，也就是我们对星系距离的简单估算。我们得出的哈勃常量H=79千米/秒/百万秒差距，这和准确答案的差距已经很小了。尽管和左图相比，数据离直线更加分散，但是红移值随着距离的增加而增加的趋势还是很明显的。总的来说，两种方法一致表明，所有螺旋星系的大小都差不多，这个假设命题还是不错的。一个简单方法得出的大致结果能够得到精确方法的印证，这无疑是个好消息——这就像是一个合理性测试。更鼓舞人心的是，我们得知，来自于欧洲航天局的普朗克卫星提供的哈勃常量最精确的结果是67.8±0.9千米/秒/百万秒差距。这就是了不起的物理学：任何人，只要拥有一个说得过去的业余望远镜和一套几千英镑的工具，就能够在他家的后院里证明我们生活于其中的宇宙正在不断扩张中，并且宇宙扩张的速度5可以测量。

现在来小结一下。我们对16个距离在4和84百万秒差距之间的螺旋星系进行了观察，得出的结论是：在过去的3亿年时间里，宇宙一直在匀速扩张。我们知道这一点，因为哈勃制图的数据都落在一条直线上。

这和我们基于广义相对论所做的猜想一致。虽然我们使用的是数据库的数据，而不是亲自测量的数据，但希望读者们在这个阶段不会因此而心塞。随着对宇宙的探索越来越深入，这是不可避免的。我们需要的测量数据不再是一个相机和一个奥格莫尔海边的地图就能满足的。否则，我们没有必要花费亿万英镑制造高端望远镜和大型强子对撞机。孤独的实验科学家的年代已经基本结束，尤其在粒子物理学和宇宙学领域，因为所有的简单测量法都已经尝试过了。而且说实话，它们也丧失了不少魅力。在18世纪末期，华兹华斯对在剑桥大学三一学院入口处的牛顿雕像这样写道：

月光皎滟，落我枕边，

循光望去，遥遥可见——

教堂门厅，大理石端。

牛顿塑像，身躯伟岸。

手持棱镜，神情淡然。

思维浩渺，陌海无边。

智者独闯，永驾风帆。

然而，它们的魅力也没有尽失。它们还是能够帮助我们理解，甚至参与到那些取代个人操作的大型实验合作中，去获得关于宇宙的精确数据。如果我们花些时间去理解这些数据是如何获得的，并能够理解这些测量方法，那就没有理由不去利用这些数据，在陌生的思想海洋中独自航行，被现代科学提供的对现实的无比准确的描述所折服。所以从现在起，我们将大量依赖当今天文学家团队收集的数据，快速驶向目前理解知识的前沿。

我们离大爆炸理论的成立还有些距离。因为虽然确认了宇宙在至少过去3亿年内以匀速不断扩张的事实，但这只是排除了罗伯特森列表（136—137页）中的第四个可能性：最初爱因斯坦本人认定的永恒静止宇宙的观点。现在需要证明的是，宇宙已经不断扩张了近140亿年。

方法如下：我们要假设原本有一次大爆炸，并论证大爆炸会带来的后果。当然，支持大爆炸理论的证据有很多，但是，在猜想的过程中看看猜想能给我们带来些什么，这往往是尖端科学产生的基础。正如理论物理学派代表人物理查德·费曼在寻找自然规律的时候所说：

“一般地说，我们按照以下步骤来寻找新的规律。首先我们提出猜想，然后计算这个猜想的可能性结果，以及如果猜想是正确的，那结果意味着什么。然后，我们把计算结果和大自然比较，用实验或者体验的方式，和观察做对比，看是否成功。如果和实验不符，那猜想就是错误的。这就是科学的关键。无论你的猜想多么华丽，无论你何等聪明，无论你是什么人物，无论你姓甚名谁，如果和实验不符，猜想就是错误的。仅此而已。”

这里，我们的猜想是，我们生活在一个年龄有限的扩张的宇宙中，也就是说，曾经有一次大爆炸。换句话说，我们猜想的宇宙不是罗伯特森列表中的可能性1（向未来无限扩张），就是可能性2（先扩张，然后收缩大崩塌）。这个猜想让我们不得不预测宇宙中氢和氦的相对含量，然后计算结果，与大自然做比较，就像费曼所说的那样，看看结果是否成立。

如果我们的宇宙是从大爆炸开始的，而且之后不断扩张，那在遥远的过去的某个时刻，曾经有两个点靠得非常近。那些遥远天体的组成粒子，曾经就像你身体里的粒子一样，相距不到一厘米。它们当然可能比一厘米还近，但是这个想法已经令人难以置信了。我们想说的是，对于一个有生以来不断扩张的宇宙来说，一定有一个时刻，其中所有事物都以极高的密度紧紧地挤在一起。想象一下，把太阳系的所有行星都挤压成豌豆大小吧，不用说银河系的所有天体，更不用说宇宙中的所有星系。对于一个粒子物理学家来说，组成原子的粒子没有可识别的大小，所以，可观测宇宙中所有物质都曾经在一个极其微小的空间内，这个概念并不像它听上去那么疯狂。无论如何，我们现在不需要天马行空，只要假设曾经，很久以前，宇宙的密度比现在要大得多得多。仅仅这个想法就会带来很多收获。

顺便说一句，整个可观测宇宙曾经被挤压在一个极小的空间，这并不等于说，在大爆炸发生时，宇宙是从一个极小的空间内爆发的。“可观测的”这个词在其中有很重要的作用。可观测宇宙是我们所知的所有存在着并且看得见的事物的集合⁶。宇宙可能比这还要大，但我们看不到，因为光速“只有”30万千米每秒，来自极遥远地方的光还没有照到我们这里。因此我们不知道宇宙到底有多大——它可能是无限大，那样的话，在大爆炸的时候它可能就是无限大的。更形象的表述还是那个烤蛋糕的类比。大爆炸刚刚发生后，粒子之间的距离还是很近的，但随着时间的推移，“蛋糕”越来越大，粒子（就像葡萄干一样）彼此越离越远。这个类比可以让我们把大爆炸看成一个曾在宇宙中任何地方发生过的事件，我们甚至可以把它重新命名为大伸展。同时，没有理由表明这个“蛋糕”在开始时不可以是无限大的，但它还是可以扩张，粒子之间的距离还是可以随着时间的推移越来越远。

现在我们把注意力放在宇宙曾经比现在更稠密、粒子相互靠得很近的物理条件上。我们可以立即断定，那时一定很热。对于任何一个给自行车胎打过气的人来说，气体受到挤压就会变热这个概念一定不会陌生。这里我们让时光倒流一下。在气体和岩石组成星体、星体汇聚组成星系之前，我们要回到足够远之前，甚至当原子——质子、中子、电子的组合体——也会被这灼热的温度熔化掉的时候，回到当宇宙还是一团炽热的致密的毫无特征的基本粒子的时候，也就是质子、中子、光子、电子和中微子的时候。这时候的温度大概是10亿摄氏度，而宇宙刚刚诞生了几秒钟7。这时候也许有暗物质存在，但是我们知道，它们和普通物质的互动非常微弱，也就是说它们在即将出现的局势中无足轻重。如果你不相信，也可以理解，因为我们毕竟还没有提出任何证据。我们暂且猜想这些暗物质是被动的，看有什么情况发生。

我们已经把时间上溯到当宇宙是10亿摄氏度的时候，因为我们想知道宇宙中化学元素的起源和丰富程度，这是宇宙中原始的质子中子第一次开始组合成原子的时候。尽管这只是一个猜测（一个基于我们之前的观察，认为宇宙正在扩张而做出的假设），对于在这个温度下会产生的物理反应，我们不需要再做猜测了。下面将要阐述的都是经过重重验证的核物理学。

孤立的中子不会存活很久。一个中子的寿命大约是10分钟，之后它就会蜕变成质子、电子和中微子。“孤立”这个词很重要，因为中子如果和质子结合在一起组成原子核，那就能永久存在了。在这团致密的10亿摄氏度的混沌中，一个中子在蜕变之前能够和一个质子碰撞结合，在强大的核力量下形成一个氘原子核。如果这团混沌的温度更高，氘原子核就会再次解体，但是在10亿摄氏度以下，氘原子核是稳定的。它又能和更多的质子或其他的氘原子核熔合形成氦，最终形成少量的锂。

大爆炸之后约3分钟，宇宙逐步扩张冷却，温度降到了核聚变反应的条件之下，初始元素合成结束。这个过程就叫作太初核合成。核物理学教科书里写明了产出物的成分：约25%的氦和75%的氢，还有少量氘和锂，具体数量取决于宇宙中光子数量和所有质子中子数量的比率。反过来说，如果能测出氘的含量，就能算出光子和质子的比率。

不包括其内核生成的氦，太阳的氦含量在27%左右，这是一个很好的开端。然而，在核物理学计算结果和天文学观测结果之间进行精确对比不是那么容易的，主要因为恒星会在内核将氢熔合，制造更重的元素。当恒星燃料用尽并爆炸之后，这些新出炉的原子核就会散布于周围，污染了太初核合成生成的环境。为了规避由于无法确定死星带来的污染量而引起的不确定性，天文学家选择那些星体运动不是很大的区域。一个可行的办法就是查看氧含量。如果宇宙某些区域的氧含量很少，我们就可以推论，在恒星内部的原子核反应生成物还没有污染周边环境。有这样一个区域叫作电离氢区，尤其在矮星系常见，这个区域满足我们的条件。天文学家还可以找那些遥远、亮度大的叫作类星体的天体，其中有一些在100亿光年以外。我们能看到这些天体，是因为它们出现在大爆炸之后的40亿年以内，这个时间不足以产生恒星核合成，所以这些类星体存在于相对原始的环境中。不出所料，这些区域的氦含量是25%，氢含量是75%。

对于宇宙初期氘含量最准确的测量就是对这些类星体的测量，得出的结果是每百万个氢原子核有约30个氘原子核。原始元素的丰度还能通过观测来自极老星体的外层光线获得，它反映了组成它的原始气团的成分。在银河系内有年龄远超100亿年的星体，这些被叫作“锂高原之星”的天体被用来测量宇宙初期的锂含量。在这些星体的外层，每100亿氢原子核有约1个锂原子核。

原始氦和氢的相对含量的预测结果和研究结果的高度一致，给宇宙扩张论提供了第一条证据，证明宇宙不仅仅在过去3亿年来不断扩张（如哈勃制图所示），而且从它是一团10亿度的等离子体（等离子体是带电粒子组成的炽热气体）以来就一直如此。理论计算同样能解释氘原子和锂原子的原始丰度8。我们已经说过，这些丰度只有在知道光子和质子的比率之后才能算出：按照宇宙平均水平，只有当光子和质子或中子的比率为17亿比1时，才能够让预测结果和研究结果一致。我们将在第8章用完全不同的方法来验证这个数据。

大爆炸核合成在几分钟后结束，留下了遍布宇宙的原始元素，它们多以原子云状态存在，偶尔也有以恒星状态存在的。这里，我们有必要说明一下另一类重元素的起源。它们产生的时间在宇宙史上要晚得多，是恒星中心核反应的产物。第一批恒星是由原始氢和氦元素构成的，它们在燃烧过程中把内核的原子核聚合成重元素，例如碳和氧。量大的元素，比如铁，也可以用这种方法生成，但是更重的金属，比如金和银，它们的形成方式更加壮观。大的恒星在几十亿年之后逐渐耗竭死亡。质量最大的开始爆炸，产生了超新星。最重的元素是在超新星的熔炉中锻造出来的。这时，新合成的元素遍布宇宙空间，为后来行星（例如地球）的产生埋下了种子。这就是太阳外层的氦含量比银河系内最老的恒星要稍高一些的原因：在太阳产生之前已经经历生命周期的恒星给太阳制造了污染物，包括氦，还有氧、氖、铁和其他我们在太阳光谱上探测到的比氢重的元素。我们对大自然的理解再一次取得了一致性。

现在，让我们沿着宇宙的进化史一直向前，看看还能否找到更多的线索来印证大爆炸理论。下一个标志性事件，是宇宙冷却，让电子和初始原子核能够组合起来形成原子。这时的温度大概是几千度，我们通过地球上的实验室操作已经对这个过程很了解了。在温度降温到这个程度之前，宇宙中存在的大多是由光子和中微子构成的无特征的等离子体，加上少量氢原子核和电子的混合物。等离子体开始时过于炽热，电子和原子核运动太快，不可能组合在一起形成原子（它们可以因为彼此间的电磁吸引而捆绑在一起，因为它们有不同的电荷）。但是，随着宇宙逐渐冷却，粒子的运动速度减缓，这时一个电子被一个原子核吸附形成原子的可能性大大增加。这个标志性事件——氢原子和氦原子的形成——对宇宙中的光子产生了非常重大的影响。

原子形成后发生了天翻地覆的变化。在此之前，光子走不了多远就会撞到一个电子或者原子核。这是因为光子和带电粒子是严重相斥的9。但是当几乎所有的带电粒子都组合成中性的原子时，状态就变了：

光子不会轻易逃离原子。宇宙因此从不透明的状态过渡到透明状态。这发生在核合成38万年之后，人称重组时期10。这是宇宙发展史上的一个重要时刻，在太空写下了辉煌的一笔。

图6.5是有关宇宙史的三个简图。第一幅图描述的是光子在炽热的等离子团中的带电粒子间横冲直撞；在第二幅图中，我们把时间拨到了重组时期之后，光子现在都是做直线运动，一直持续到撞到什么东西为止，因为宇宙是很空的，充满了不断稀释的中性氢和氦的气体，所以大多数光子就一直运动到现在。第三幅图描述的是这些古老的光子现在来到了地球。引用普林斯顿大学物理学家罗伯特·迪克、詹·皮保斯、彼得·劳尔和大卫·威尔金森1964年的一句话：“宇宙会是由高温状态的黑体辐射充满的吗？”

迪克和他的同事们是在听到这则消息时提出这一疑问的：在新泽西的贝尔实验室，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊用望远镜发现了出乎意料的微波背景。来自宇宙微波背景的光子在今天会被作为微波发现，这一事实正是意料之中的，因为重组之后的宇宙扩张使光子产生红移，变成了微波的波长。在20世纪60年代中期，这个发现轰动一时。换句话说，地球一直沉浸在微波辐射中，而如果宇宙真的在生成原子之前经过了一段炽热期，就会产生这种辐射。

有意思的是，今天的宇宙充满了宇宙微波背景辐射，这一想法并不是彭齐亚斯和威尔逊最早提出的，尽管他们因此获得了诺贝尔奖。最早提出这个观点的是乔治·伽莫夫、拉尔夫·阿尔弗、罗伯特·赫尔曼和汉斯·贝特四人，他们在几十年前的1948年灵感爆发，写了11篇研究论文，提出了大爆炸核合成理论11。伽莫夫等人的观点超出了他们的时代，一直被埋没，直到1964年宇宙微波背景被发现为止。

人们一直都在仔细研究着宇宙的微波背景及其属性，而且今天还在继续研究。这个最古老的光就是一个充满信息量的宝库，它为地球上的天文学家们提供了研究大爆炸之后发生了什么的机会。我们在第8章会对宇宙微波背景做更多的探讨。但是现在，我们要来看看这些来自时间起点的古老光子，它们经过了拉伸，作为微波，在地球上被我们发现。

图6.6是20世纪90年代初由宇宙背景辐射探测卫星（COBE）提供的关于宇宙微波背景的测量图。它显示了微波到达地球后的波长分配情况。曲线的高度表明了微波的亮度，曲线的形状表明了它在不同波段是如何分配的。我们能看到，最常见的波长约2毫米。显而易见，测量数据点和理论预测线完全吻合。

这条理论预测线最开始是由德国物理学家麦克斯·普朗克在19世纪末期提出的，普朗克是量子物理学早期发展的中心人物。这条曲线对应着一个温度在2.73开氏度（刚过零下270摄氏度）的物体的发射光谱。

普朗克的计算和COBE的探测结果的惊人吻合，与迪克等人在谈到“黑体辐射”时预想的相同。这里，术语“黑体”用以描述在同一温度下，所有气体的能量被其组成粒子发射的方式。因为宇宙微波背景的光子来自原始等离子体，它们应该表现出近乎完美的黑体光谱，这就是COBE所探测到的。

对近乎完美的微波辐射黑体光谱的观测，是我们对大爆炸理论的第二条强有力的证明。

简言之，大爆炸核合成和宇宙微波背景的存在为我们提供了强有力的证据，证明了宇宙曾经在很久以前处于炽热致密的状态。然而，我们还可以做更深的研究，因为爱因斯坦方程还能对宇宙的进化做更准确的描述，从它的初始时刻一直到遥远的未来，前提是我们能够测量宇宙今天的构成部分。于是，我们下面就必须给宇宙称重了。