专题资料收录 【相对论】之宇宙大爆炸
    令我们这些当代人感到惊诧的是,迟至1917年,那些人类最具智慧的大脑仍然以为我们的银河系就是整个宇宙,而这个银河系大小的宇宙永远都是稳定不变的,既不会变大也不会变小,这就是流传了千百年的稳恒态宇宙观。

    1917年,爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型,但他发现,在这样一个只有引力作用的模型中,宇宙不是膨胀就是收缩。为了使这个宇宙模型保持静止,爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念——宇宙常数,它表示的是一种斥力,同引力相反,它随着天体之间距离的增大而增强。这是一个假想的、用以抵消引力作用的力。

    然而,爱因斯坦很快发现自己错了。因为科学家们很快发现,宇宙实际上是膨胀的!

    最早观察到这一点的是20世纪的天文学之父哈勃。哈勃1889年出生于美国的密苏里州,毕业于芝加哥大学天文系。1929年,哈勃发现所有星系都在远离我们而去,这表明宇宙正在不断膨胀。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀,因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大。

    宇宙的膨胀意味着,在早先,星体相互之间更加靠近,并且在更遥远过去的某一刻,它们似乎在同一个很小的范围内。

    宇宙膨胀的消息传到著名物理学家伽莫夫那里去的时候,立即引起了这位学者的兴趣。乔治伽莫夫出生于俄国,自小对诗歌、几何学和物理学都深感兴趣,在大学时期成为物理学家弗里德曼的得意门生。弗里德曼曾在爱因斯坦之后提出了重要的宇宙膨胀模型,伽莫夫也成为宇宙膨胀理论的热心支持人之一。1945年,人类史上第一颗原子弹爆炸成功,看着蘑菇云升起的照片,伽莫夫突发灵感:把原子弹规模“放大”到无穷大,不就成了宇宙爆炸吗?他把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来,逐渐形成了自己的一套大爆炸宇宙理论体系。

    1948年,伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文,系统地提出了宇宙起源和演化的理论。与我们惯常的想法不同,这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是空间本身在扩展,星系物质随着空间的扩展而分开。

    根据大爆炸宇宙论,极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。伽莫夫还作出了一个非凡的预言:我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,不过温度已降到6K左右。正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气。

    1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭齐亚斯和威尔逊,因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射,经过测量和计算,得出这个残余辐射的温度是2.7K(比伽莫夫预言的温度要低),一般称为3K宇宙微波背景辐射。这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论。

    广义相对论的智慧之处就在于,它从诞生起就能描述整个完整的宇宙,即使那些未知的领域也被全部囊括进去。让它对付像太阳系这样小小的、很普通的时空领域可真是大材小用了。