羅方揚(yáng)

我們的宇宙是從哪里來的，又是怎么形成的？這個問題從人類開始仰望星空的時候就已經(jīng)產(chǎn)生了。

在古代，世界各民族對天地構(gòu)造、形成等都有自己的一套說法，比如中國古代就有“蓋天說”和“渾天說”。

到了18世紀(jì)后期，德國哲學(xué)家康德和法國科學(xué)家拉普拉斯對太陽系的形成各自提出了看法，后人把他們的理論合稱為“康德-拉普拉斯星云說”。這一學(xué)說解釋了太陽系的形成，但是沒有解釋宇宙的形成。

到了20世紀(jì)40年代，俄裔美籍科學(xué)家伽莫夫等人正式提出了“宇宙大爆炸學(xué)說”。該學(xué)說認(rèn)為，在130多億年前，我們今天能觀測到的全部物質(zhì)都縮小在一個奇點(diǎn)中，奇點(diǎn)的溫度極高，密度極大。然后便發(fā)生了大爆炸，現(xiàn)在所有的物質(zhì)和空間、時間都是大爆炸的產(chǎn)物。爆炸后的10-6秒至1秒，包括質(zhì)子和中子在內(nèi)的強(qiáng)子開始形成。爆炸后1秒到10秒，宇宙進(jìn)一步冷卻，由輕子主宰。10秒后，宇宙能量轉(zhuǎn)而由光子主導(dǎo)?；瘜W(xué)元素的形成開始于大爆炸后10秒至20分鐘內(nèi)，這個階段非常重要，決定了今天宇宙的基本化學(xué)組成。約在大爆炸30萬年后，氫原子和氦原子開始形成，經(jīng)歷復(fù)合過程后，宇宙變得透明，光子在其中幾乎通行無阻，此后才逐步形成現(xiàn)在的宇宙。

伽莫夫剛提出這個學(xué)說的時候，這些內(nèi)容簡直匪夷所思，所以沒人相信。隨著觀測上的一些進(jìn)展，該學(xué)說才被人們逐步接受。概括說來，宇宙大爆炸有3個非常有力的證據(jù)：

第一個證據(jù)是星系的退行。人們通過觀測發(fā)現(xiàn)，河外星系都在高速遠(yuǎn)離地球， 而且距離越遠(yuǎn)的星系，遠(yuǎn)離地球的速度越快，有點(diǎn)像炮彈爆炸后彈片飛射出去的樣子。換句話說，也就是宇宙在膨脹。這是美國科學(xué)家哈勃在20世紀(jì)20年代發(fā)現(xiàn)的。

第二個證據(jù)是微波背景輻射。根據(jù)宇宙大爆炸理論，宇宙早期是極端高溫的，但是經(jīng)過漫長的膨脹冷卻，現(xiàn)在的溫度大約為3開爾文，輻射的波長位于微波波段，而且總體上的分布呈各向同性。這種微波輻射，伽莫夫早在1946年就預(yù)測過，但是由于技術(shù)原因，無法實(shí)現(xiàn)觀測。到了1960年，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜在測試一架喇叭形天線時，不經(jīng)意間發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射。這個發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)天文學(xué)上的重大進(jìn)展，為此兩人在1978年獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

第三個證據(jù)就是化學(xué)元素氦的豐度。目前的觀測表明，無論是在太陽還是在絕大多數(shù)其他恒星或星系上，都存在氦元素，而且含量大致相同，都是25%左右。這個氦豐度問題無法用熱核反應(yīng)來解釋，但是根據(jù)大爆炸理論，在大爆炸后10秒至20分鐘內(nèi)，有大約25%的物質(zhì)聚合成氦。這個理論值和現(xiàn)在實(shí)際觀測值非常符合。

在描繪這種“硬核”、前沿且誕生多項(xiàng)諾貝爾物理學(xué)獎的題材時，采用宇宙微波背景輻射圖作為背景，再配上天文臺和氦原子結(jié)構(gòu)圖來表現(xiàn)。圖中藍(lán)黃色的是宇宙微波背景輻射圖，中間畫了仙女座大星系，右邊則是氦原子圖。

（責(zé)任編輯：白玉磊）