科普 |《大爆炸简史》:一场伟大的比赛，赛场就是宇宙本身

大爆炸理论如何成为主流学说，带你感受创世纪的真正时刻。

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听书笔记 

西蒙·辛格是剑桥大学的粒子物理学博士，前电视节目制作人，畅销科普读物作者。

一、宇宙红移

20世纪初，天文学家发现了“红移”现象，即星光光谱的位置都在往红色那边移动。根据多普勒效应，是运动带来了波长的改变，红移意味着光源在远去，反过来，蓝移意味着光源在靠近。地球周围几乎所有星系都出现了红移效应，以惊人的速度远离地球。研究还进一步发现，红移的真正原因是宇宙空间在膨胀，使得坐落在空间上的星系距离被拉伸。

既然宇宙在膨胀，那么它在过去一定比现在要小。我们可以推断出在过去的某一时刻，所有的星系都集中在一个点，这个点也许就是宇宙的创生点。这就是宇宙大爆炸理论的第一项证据。

然而这项证据有一个严重的缺陷，即从红移现象推断出的宇宙年龄仅有18亿年，比当时估算的地球年龄34亿年还要小。于是，人们又重拾宇宙永恒不变的保守派观点，形成了与大爆炸相抗衡的宇宙模型：稳恒态模型。它对红移现象提出了新的解释，认为宇宙虽然在膨胀，但同时会产生新的物质来填补膨胀留下的空隙，从而使宇宙的总体密度保持不变。由于宇宙是无限大的，所以膨胀后仍然是无限大的。它认为宇宙没有创生点，所以也根本不存在年龄的问题。

二、物质构成

双方在探索宇宙物质来源上展开了第二轮较量。宇宙中氢与氦元素最多，占到99.9%，而金银等重金属元素却很罕见。如何解释这些元素的来源和它们的比例呢？大爆炸理论的掌门人俄国科学家伽莫夫提出：宇宙的不同元素来源于大爆炸中的“核聚变”。核聚变是指两个质量较小的原子核聚合形成较大的原子核。在宇宙大爆炸的一瞬间，温度高达4万亿摄氏度，宇宙就是一锅能量汤。随着空间膨胀，温度下降，质子、中子、电子这些基本粒子出现了，同时也出现了氢元素，因为1个质子就是1个氢原子核，它是结构最简单的元素。时间又过去5分钟，宇宙继续冷却，粒子失去了自由存在的条件，核聚变开始启动。

伽莫夫理论计算出来的氢氦含量与实际观测高度吻合，但是却无法解释重元素的合成机制，因为随着大爆炸后温度急速下降，核聚变被终止了。“稳恒态模型”的掌门人霍伊尔提出，重元素是由恒星核聚变完成的。恒星在晚年收缩并升温时，带来了核反应，恒星就像是一个炼丹炉，越是在生命的后期阶段，越能合成更重的元素。当恒星最终死亡时，星体爆炸，使它制造出来的元素散播到整个星际空间，与漂浮在宇宙中的其他物质混合在一起，又凝聚为新的恒星与行星，为生命的出现提供了可能。

伽莫夫对轻元素的解释和霍伊尔对重元素的解释完整地勾画了宇宙元素的合成机制。但是霍伊尔的理论适用于大爆炸模型，而他自己的理论却无法解释轻元素的合成。在这个问题上，大爆炸理论借助对手的贡献获得了胜利。

与此同时，天文学家还发现，由于此前严重低估了星系与地球的距离，所以宇宙年龄随之不断翻倍，终于锁定到100亿到200亿年之间。大爆炸的宇宙年龄悖论问题也终于解决。

三、星系分布

大爆炸理论认为，年轻的星系只存在于宇宙深处，它们的光线要经过数十亿年才能到达地球，因此我们能看到它们处在年轻时候的样子。而在我们附近的星系都是成年星系，它们早已随着宇宙年龄的增长而逐渐成熟。但永恒派却认为，年轻星系应该是均匀分布在地球的远处和近处。

这种年轻的星系叫做“类星体”，也就是类似恒星的天体。它们是星系演化的早期阶段。科学家们发现，距离越是遥远，类星体就越常见，几乎每一个类星体都位于宇宙的极深处。毫无疑问，这个结果有力地证明了大爆炸模型。

四、宇宙微波

三轮比拼过后，永恒派无疑已经尽失人心，一项决定性的证据彻底宣判了永恒派宇宙观的死亡，这个王牌证据叫做“宇宙微波背景辐射”。在第二轮物质构成的较量中，伽莫夫团队曾提出预言：宇宙诞生之初，粒子混乱的运动对光产生了散射作用，就像是漫天大雾，阻挡了光的发射。30万年以后，随着宇宙冷却，光第一次冲破束缚射向太空。这段时间内宇宙膨胀了1000倍，光也相应被拉长1000倍，达到微波长度。预言指出，宇宙应该处处充满这种微波，那是大爆炸留下的遗迹。但是，伽莫夫的预言没人相信。

1964年，美国工程师彭齐亚斯和威尔逊在接收卫星信号时收到了无法消除的噪音，无论何处、无论何时、无论在天空的哪个方向，都有噪声的存在。后经证实，这正是宇宙微波背景辐射，是宇宙诞生时期的回音。预言得到证实，大爆炸找到了存在的铁证，并获得了最后的胜利。稳恒态模型大势已去，大爆炸理论终于成为绝对的主流学说。

解读 | 韩春苗

媒体编辑，国际新闻学硕士，全国广播影视“十佳百优”理论人才。

播音 | 张煜

策划编辑 | 陈艳

音频编辑 | 陈子夫