2.宇宙大爆炸

根据哈勃定律及后来对更多天体红移的测定，人们相信宇宙在很长时间内一直在膨胀，宇宙整体物质密度一直在降低。由此判断，越往过去回溯，宇宙应该越小，甚至在某一时刻前宇宙是不存在的。宇宙有一个开端，它只能是演化的产物。1931年，勒梅特提出，既然宇宙在膨胀，如果时间反演，意味着越往过去宇宙越小，直到在过去的某个时刻，整个宇宙的质量都集中在一个点上，勒梅特称之为“原始原子”，时间和空间结构就在那一刻产生。

20世纪40年代末，乔治·伽莫夫（George Gamow）研究了宇宙演化的早期情况。1948年，他发表了关于大爆炸宇宙学模型的论文，提出宇宙是由甚早期温度极高、密度极大的“原始火球”迅速膨胀形成的。如今，大爆炸理论已经得到了理论研究和观测最广泛的支持——宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的，并经过不断膨胀到达今天的状态。但是大爆炸模型只是描述了宇宙诞生时的初始条件及后续演化，它并没有说明这个太初状态是怎么出现的，更没有说明是什么创造了宇宙。

1953年伽莫夫预言在整个宇宙中存在背景辐射，相当于大爆炸留下的余晖，这些辐射高度各向同性，并接近于普朗克黑体辐射，到今天的温度约为10开。1965年，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特·威尔逊（Robert W.Wilson）在微波波段探测到了背景辐射，对应的温度约为3.5开。现代卫星观测得到的宇宙背景辐射的温度约为2.7开（图9-5）。

伽莫夫及其合作者在提出宇宙大爆炸起源时，除了预言存在微波背景辐射外，还预言了宇宙早期核合成应该产生约占宇宙物质总质量25%的氦核（其余75%的物质是氢）。对各种天体氦丰度的测量都显示其值在 25% 左右，用恒星内部热核反应机制不足以说明为什么会有这么多氦。伽莫夫用原初核合成解释了氦元素丰度的来源——宇宙早期温度很高，产生氦的效率也很高。今天宇宙中的大部分氦确实来自于宇宙早期，而恒星产生的氦仅占一小部分，并且大爆炸核合成所得到的轻元素丰度与地点无关，故而自然地解释了为什么各种天体的氦丰度都在 25%。

图9-5 宇宙微波背景辐射

星系退行、微波背景辐射以及轻元素的丰度被认为是现代宇宙学的三大基石。有了这些坚实的天文观测基础，大爆炸宇宙学成了天体物理学中最成熟的理论体系之一。近些年，各种天体物理测量从不同角度、利用不同方法对大爆炸宇宙学做了全方位的检验，其中关于宇宙年龄的测量已被列为第四大基石。大爆炸理论主张所有结构都是在宇宙温度下降后逐渐演化产生的，因此宇宙中所包含的任何物体都不可能比宇宙本身更久远。对宇宙中最古老天体的年龄测量证实了这一点。