爱因斯坦错失的宇宙大爆炸理论,科学家又是怎么发现的?

宇宙大爆炸被提出之前

其实从人类文明诞生开始,人类就开始探寻宇宙。并且不同的文明,还催生不同的宇宙观。就拿中国来说,在中国春秋战国时期,诸子百家中有个叫做尸佼的,在他的著作《尸子》中就记载着:四方上下曰宇,往古来今曰宙。也就是说,他认为宇宙其实是空间和时间的集合。

其实这个想法很自然,这是因为古代没有钟表,古人看时间完全就是凭借天象,比如:一个月就是月亮绕地球一圈。而这个世界到底有多大就取决于宇宙到底有多大。因此,古人意识到宇宙是时间和空间的集合是很自然的,这只不过需要具备一点抽象能力而已。

除了这样的宇宙观,一些古代的学者还提出了一些宇宙模型,比如:天圆地方的宇宙模型。

再比如,古希腊罗马时期由托勒密最终完善好的地心说模型。

后来,哥白尼提出了日心说,又经由伽利略和开普勒完善,日心说成为文艺复兴之后西方对于宇宙的主流观点。

如果我们仔细琢磨就会发现,古人在探讨宇宙时,常常是直接描述宇宙到底是什么?

但你发现没有,他们不会去谈宇宙的开端与宇宙的终局。这其实是当时很普遍的一种观念。当时的人大多认为宇宙是永恒的。翻译过来就是,在大尺度上,宇宙不会随着时间的流逝而变化。即使是到了100多年前,这个观念还是非常主流的,而且物理学的大神爱因斯坦也曾经就是这么认为的。

如果人类一直秉持着这样的观念,大概率人类不会发现宇宙大爆炸了。那人类又是如何发现宇宙大爆炸的呢?

宇宙大爆炸的诞生

这还是要从爱因斯坦说起,1915年爱因斯坦在狭义相对论的基础之上进行了推广,提出了广义相对论。在这个广义相对论中有个大名鼎鼎的广义相对论引力场方程。当时爱因斯坦一琢磨这个方程就疑惑了。因为这个方程预示着宇宙正在膨胀,这就和他“静态宇宙”的观念是不相符的。于是,他大笔一挥就给这个引力场方程加了一个宇宙常数。

这个常数一加进来,只要取合适的值就会让方程描述的宇宙是静态的,也就符合了爱因斯坦的观念,结果却让爱因斯坦错失了宇宙大爆炸。这里多说一句,如果这个常数取其他的数值,方程描述的宇宙就有可能加速膨胀或者减速膨胀。当时,就有学者指出爱因斯坦的广义相对论引力场方程描述的宇宙就应该是膨胀的宇宙。这位学者叫做勒梅特。

他并不能认为应该把宇宙常数去掉,相反,可以利用宇宙常数来描述宇宙实际的膨胀速率。并且以此推导出了一套宇宙模型。

勒梅特的理论其实并没有引起太多的关注。不过,有个叫做哈勃的天文学家,这个时候正在观测银河系外星系的情况,他就发现大部分的河外星系都在发生红移的现象。这种红移现象实际上就说明这些星系正在远离我们。

哈勃发现直接打脸爱因斯坦,因为这个现象说了宇宙在膨胀。这种膨胀不是宇宙的边缘在扩大,也不是星系自己在运动,而是宇宙空间整体的,处处都在发生膨胀。只有这样,才符合哈勃观测到的现象,也就是大多数星系都在远离我们。这里多补充一点,这个膨胀效应实际上要10^8光年的尺度才显示出来。在小尺度上,还是引力是主导。

也就是说,通过哈勃的发现,爱因斯坦的宇宙常数就显得有点多余了。而且通过哈勃的观测现象,我们可以反推宇宙应该有一个起点。基于这些观测,一群粒子物理学家就开始投身到了这方面的相关研究,他们提出了核火球模型,也就是宇宙大爆炸模型的前身。不仅如此,他们还给出了证明大爆炸模型成立的两个关键证据:

宇宙微波背景辐射

氦元素丰度

这里多补充一点,哈勃的观测也算是证据之一。氦元素丰度实际上可以通过观测得到,也确实符合理论的预言。所以,我们就仔细说说这个宇宙微波背景辐射。根据他们的理论,宇宙起源于一次大爆炸。

大爆炸之后,宇宙处于极其高温的状态,宇宙空间剧烈膨胀,随着空间膨胀,温度逐渐下降,早期的宇宙像一锅粒子粥,里面有电子,质子,原子核,光子等微观粒子,它们都挤在一起。到了宇宙大爆炸之后的38万年,宇宙的温度降到了2700度,原子结构得以形成,宇宙大爆炸的余热开始以电磁波的形式在宇宙中穿行,成为遍布全天的背景辐射,因此称之为宇宙微波背景辐射。

也就是说,如果大爆炸理论是成立的,那我们就应该可以观测到宇宙微波背景辐射。在上世纪60年代,两位贝尔实验室的工程师还真的观测到了宇宙微波背景辐射,也因此获得了诺贝尔物理学奖。后来,科学家利用高更精度的设备观测到了精度更高的宇宙微波背景辐射。所以,宇宙大爆炸的2个关键证据都被科学家找到,这才使得这个理论成为了主流的科学理论。