本文全文发表在《中国国家天文》2008年第8期，请勿转载

8大爆炸理论与稳恒态理论

既然宇宙是膨胀的，星系在离我们远去，那么我们沿时间上溯，就会发现这些星系在过去都离我们更近。在过去的某个时刻，一个现在远处的星系会和我们紧挨在一起。这个时刻是什么时间呢？如果宇宙的膨胀率一直不变的话，根据现代测量的哈勃常数估计，大约是140亿年前（实际的宇宙膨胀速率不是完全不变的，因此数值与此略有差别，但数量级是相同的）。在这个时刻，我们今天所能看到的整个宇宙，都会缩小到几乎一个点上，因此那时宇宙的密度必然是非常高的。压缩气体会使它变热，而使气体膨胀则会使之降温，因此在宇宙早期物质的密度和温度都应该很高。所谓宇宙大爆炸理论，指的就是宇宙曾经历过一个温度、密度都非常高的阶段，随后随着宇宙的膨胀，温度、密度都会降低，这一过程有点类似炸弹爆炸，因此，大爆炸理论的主要对手霍伊尔在一次BBC的科普广播讲座中把它称之为大爆炸理论（big bang theory）。

应该指出的是，宇宙大爆炸和普通爆炸还是有很大区别的。在普通爆炸中，炸弹集中在空间中的一点上，爆炸后弹片四散飞入周围的空间。但在宇宙大爆炸中，是整个空间在膨胀，而不是物质从一点飞向周围。我们上面说过，空间有可能是封闭的，也可能是平直的或开放的。平直和开放的空间当然都是无限的，但这两种情形也可以发生宇宙大爆炸，这时其无限空间中的每一小块空间都膨胀长大，形成我们今天所能观测到的宇宙。

按照宇宙大爆炸的理论，我们今天的宇宙仅存在了有限长的时间—大约140亿年（使用更精确的数据，是137.3亿年）。人们自然会感到很困惑，在这之前难道宇宙就不存在吗？英国天文学家霍伊尔(Hoyle)、邦迪(Bondi)、戈尔德(Gold)等人对宇宙只存在有限的时间感到很不舒服。受电影《死亡之夜》（Dead of night）中循环发生的场景启发，他们提出了稳恒态宇宙理论。根据这一理论，星系间的相互距离随着宇宙膨胀越来越大，但会有新的物质出现，来填补由于膨胀所增加的空间。因而宇宙在整体上是稳恒的，任何一个时刻看上去都差不多。尽管霍伊尔无法解释清楚新的物质如何被产生出来，而且这也违反了物理学中的能量守恒原理，但是在他看来，这比整个宇宙被一下子创生出来还是容易理解得多。而且，当时大爆炸理论还有一个困难，如上所述当时测得的哈勃常数比今天大7倍，导致大爆炸模型里宇宙的年龄只有20亿年，比已知的地球年龄还短，而霍伊尔的稳恒态理论没有这个困难。

稳恒态宇宙模型由于预言任一时刻的宇宙都差不多，是比较容易证伪的。当时（上世纪50年代），人们观测宇宙距离天体最好的办法是观测射电源，这基本上是一些类星体。如果射电源的密度和强度分布像稳恒态宇宙模型预言的那样在任一时刻都相同，那么人们所能观测到的源的数量应该反比于源强度的3/2次方。对于大爆炸宇宙理论，星系存在形成和演化的过程，因此未必满足这个关系式。与霍伊尔同在剑桥的射电天文学家赖尔(Ryle)等人的观测表明，射电源的分布的确不满足这个关系。不过，赖尔等人与霍伊尔存在严重的个人矛盾，他们的早期工作也存在许多错误，因此在一段时间内，双方唇枪舌剑，问题没有完全解决。1959年，一家杂志曾在当时最著名的天文学家中做过民意测验，结果11位专家支持大爆炸理论，8位专家支持稳恒态理论，剩下的14位则或者不确定，或者两者都不支持。但是，到60年代中期，观测技术已经得到改进，有充分的观测证据可以排除稳恒态理论了，即使是霍伊尔等人，虽然此时仍拒绝接受大爆炸理论，但也不得不承认他们原来的模型无法成立。

我们上面说，宇宙大爆炸是根据观测到的宇宙膨胀的事实，向过去追溯推出的结论，那么追溯上去到大爆炸那一刻，宇宙究竟是什么样子呢？勒梅特认为，最早的时候所有的物质都凝聚成一个超级原子，这个原子是不稳定的，衰变时发生大爆炸，分裂成我们今天所知道的物质，这只是他的一个猜想，还不是一个完整的科学理论。伽莫夫和他的学生阿尔弗（Alpher）、赫尔曼(Herman)则认识到，尽管“宇宙开始的最初时刻”听上去很玄，但其实这时宇宙的状态完全可以用当时刚刚发展起来的核物理理论加以研究。我们知道，原子中大部分质量集中在原子核中，因此当密度非常高的时候，原子核将密切接触。另一方面，由于温度也很高，因此这些原子核也将被打碎。因此，在宇宙早期，物质应该以中子、质子等基本核子的形式存在。伽莫夫等人意识到，利用核物理理论和统计热力学，可以很自然的解释氢和氦的来源。在很早的时候宇宙温度很高，原子核也会分成亚原子粒子，随着宇宙的膨胀，温度降低，就可以形成基本的核子：质子和中子，其它的原子核都是由它们组成的。最轻的原子核—氢核—其实就是一个质子。在大爆炸时核子间相互反应，就会形成一些复合的原子核，比如氢的同位素氘，以及氦核等等。根据这个理论算出来的氢和氦应该分别占3/4和1/4，与天文观测符合得很好。

不仅如此，阿尔弗等人在利用统计物理学理论研究时还发现，宇宙早期的高温应该产生大量的光子，这些光子在大爆炸之后应该在宇宙中自由传播，今天将以微波波段的黑体辐射形式存在，各个方向温度都基本相同（差异约为十万分之一），这是大爆炸理论所独有的重要预言。果然，1964年贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊发现了宇宙微波背景辐射，证实了这个理论的预言，大爆炸理论从此被绝大多数天文学家所接受。

那么，在核合成时期之前，如果我们再向上追溯，宇宙又是什么样呢？遗憾的是，这涉及到极高能量的物理，而对于这样的物理规律，我们了解还比较少，虽有一些猜测，但还远非确定，因此这里尚有许多未解决的问题。有的书中描述宇宙大爆炸时谈到大爆炸那一点是个奇点，这个说法也造成了一些人的误解，觉得很难理解宇宙如何突然从一个点冒出来。实际上，所谓奇点不过是说广义相对论失效的点，这本身只表明广义相对论不是一个完备的理论，而只是某种更深层次理论的近似。我们知道广义相对论与量子力学理论难以统一，因此它肯定不会是最终的理论。当宇宙的特征尺度达到所谓普朗克长度的时候（约10－33厘米），引力的量子力学效应将非常明显，我们现在基于广义相对论作出的推论肯定要失效。更基本的理论必须能描述量子引力。在这样的量子引力理论中（现在的超弦理论和圈量子引力等是构建量子引力理论的不同尝试），也许可以克服这个困难而不出现奇点。另一方面，如下面所述，也可能在达到这个尺度之前，某些新物理就改变了宇宙演化的方式，例如宇宙发生暴胀等。因此，现在说到大爆炸理论一般只是指宇宙早期经历过高温高密的阶段，而并不是指宇宙一定从一个奇点产生。

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