大爆炸与宇宙的年龄

大爆炸意味着什么

大爆炸是对宇宙如何从极其炽热、致密的早期状态，演化为今天我们所见的更冷、更分散的宇宙的科学描述。这个名字听起来像一次爆炸，但这一理论真正讲的是拉伸。

从那以后，空间本身一直在膨胀，带着星系彼此远离。随着膨胀，宇宙逐渐冷却，于是在数十亿年里先后形成了粒子、原子，然后是恒星和星系。

这一理论是科学中经受检验最充分的观点之一。它不试图解释为什么会有宇宙，但它与大量精细测量结果相吻合。

线索一：膨胀的宇宙

20世纪20年代，乔治·勒梅特推算出，一个遵循爱因斯坦引力理论的宇宙可能正在膨胀。1929年，埃德温·哈勃证明，遥远的星系正在远离我们，而且离得越远，退行得越快。

这一规律如今称为哈勃-勒梅特定律，正是空间在各处同时被拉伸时会出现的情形。来自遥远星系的光也被拉长，向更红的颜色偏移，天文学家称之为红移。

把膨胀像电影倒放一样往回推，一切都会变得更近、更密、更热。这一推理指向一个在有限时间以前的开端。

线索二：宇宙微波背景

在最初约38万年里，宇宙是一团由带电粒子组成的发光迷雾，光无法穿过。当它冷却到足以形成原子时，迷雾散去，光才得以自由传播。

那束古老的光至今仍充满天空的每一个方向。膨胀把它拉伸成了微弱的微波，如今只比绝对零度高约2.7度。1965年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在他们的射电天线中偶然发现了这一挥之不去的噪声。

COBE、WMAP和欧洲空间局的普朗克等卫星绘制了这片辉光中细微的温度起伏。这些起伏是后来星系的种子，把它们与模型拟合，就得出了约138亿年的年龄。

线索三：轻元素

在最初的几分钟里，整个宇宙热到足以让原子核发生聚变，有点像恒星的核心。计算预测，这段短暂的时期应当产生按质量计约四分之三的氢和四分之一的氦，以及微量的氘和锂。

天文学家测量最古老的气体和恒星时，发现的比例与此非常接近。仅靠恒星不可能产生这么多氦，所以这一吻合有力地支持了炽热的早期宇宙。

“可观测宇宙”是什么意思

光以固定的速度传播，所以我们只能看到那些自宇宙变得透明以来，其光线已有时间到达我们的天体。我们周围的这片区域就是可观测宇宙。

你可能以为它的半径是138亿光年，但实际上约为460亿光年。原因是光在途中时空间仍在膨胀，所以光源现在比光离开时远得多。

任何星系中的每一位观测者，都有以自己为中心的可观测宇宙。在它的边缘之外，几乎肯定还有更多的宇宙；我们只是还看不到，也许永远也看不到。

常见误解

“它是空间中某一点上的爆炸。”宇宙没有中心，也没有外部。膨胀在各处同时发生，很像气球充气时上面的圆点都在彼此远离。

“星系正在太空中飞离我们。”主要是星系之间的空间在增长。邻近的星系仍可能因引力而相互靠近；仙女座星系就正朝我们而来。

“大爆炸解释了最初的那一瞬间。”在最早的时刻，我们的物理学失效了。宇宙暴胀等理论试图描述那个时代，但之前有什么，以及这个问题本身是否有意义，仍然没有答案。

“科学家总在改宇宙的年龄。”不同的方法都得出大约138亿年。关于当前的膨胀速率存在一个小而持续的分歧，称为哈勃张力，但它并不推翻基本图景。