深度科普：宇宙真的起源于大爆炸？我們的世界到底是被誰設計的？

宇宙大爆炸是真實發生過的事情嗎？我們是否該相信這一理論呢？

或者，更確切地說，宇宙的設計者到底是誰？

首先來說說廣義相對論，它帶來的不只是一場思維的狂歡。

在二十世紀初，愛因斯坦向世界展示了他的廣義相對論，其核心是駁斥牛頓的引力觀念，而提出物體是通過扭曲時空來施加影響。

打了個有趣的比方，假想時空如同一張彈簧床，放上一個分量十足的球，“床面”會隨之凹陷；同理，若重球旁有其他小球，自然會沿著曲面滑向重球。

由此，愛因斯坦推測，太陽質量龐大無比，必然會使得經過其引力場的其他星體發出的光線發生彎曲。

這一推測得到了英國科學家愛丁頓的證實。他不僅觀察到了太陽背后的恒星，其測算的光線偏折角度與愛因斯坦的廣義相對論預測不謀而合。

一項預測能以數學方式表達，并得到觀測的證實，這才是真正的科學。

那么，廣義相對論是如何與宇宙大爆炸理論聯系在一起的呢？

當廣義相對論的科學性得到證實后，愛因斯坦便著手用這一理論探索宇宙的運行機理，結果出人意料。

他發現，宇宙似乎極不穩定，每個星體都被更大的質量體所吸引，最終全部陷入同一“陷阱”中。

難道宇宙注定……自我消亡？

當時，靜態且穩定的宇宙觀占據主流，愛因斯坦對這一計算結果并不信服，因此引入了宇宙常數，以此保持宇宙的穩定。

然而，愛因斯坦的早期計算是正確的，宇宙確實不是靜態不變的。

與星體間引力相抗衡的，正是宇宙的膨脹。

比利時科學家勒邁特提出，如果宇宙的確在膨脹，那么今天的宇宙一定比昨日的要大，而昨日的又比前日的要大；逆向推理，宇宙會變得越來越小，最終匯聚成一個微小而密度極大的點，也即所謂的“宇宙蛋”。

這就是大爆炸理論的起點所在。

其次，觀測到宇宙膨脹的明亮“路標”。

我們曾說，不能通過觀測和實證檢驗的理論，稱不上科學。

果不其然，有人最終觀測到了宇宙的膨脹現象。

此人名叫哈勃。

這位天文學家發現了著名的哈勃定律，說白了，就是宇宙中的星體離地球越遠，遠離地球的速度也越快。這個速度，即著名的“退行速度”。

哈勃定律常被用于估算遙遠星系的距離。

例如，曾有人認為仙女座星系位于銀河系之內，但哈勃定律的測算結果表明，仙女座與地球的距離超過了銀河系的直徑，從而得出結論：仙女座屬于另一個星系。

科學家的宇宙觀測視野因此大大擴展。

那么，宇宙尺度如此遙遠宏大，科學家們是如何進行測量的呢？

這就需要借助一種標記物，一種如同夜空中發出強烈光芒的“燈塔”——造父變星。

這類星體亮度不穩定，周期性地發生亮度變化。科學家們發現并掌握了其閃爍周期的規律，通過這一規律，便能推算出星系與地球的距離。

最后，火車出站時的汽笛聲，竟然與宇宙有著某種聯系？

當火車駛出車站時，初駛的汽笛聲通常尖銳，而遠去的則顯得低沉。

沒錯，這是初中物理課上講過的“多普勒”效應。

當火車靠近時，聲波的波長縮短，速度越快，波長越短，頻率越高；反之，當火車駛離時，聲波的波長則會變長，頻率降低。

光也是如此。科學家們檢測遙遠星系的光譜，計算光波的波長，便能得知它們的運動狀態與速度。

正是借助這種方法，科學家們發現了紅移現象。

紅色是可見光中波長最長的，如果星系光譜向紅光方向偏移，意味著這些星系正在遠離地球，證明了宇宙確實是在不斷膨脹，正是這種膨脹在與引力抗衡。

進而，科學家們還發現了星系與地球的距離、離開地球的速度之間的關系，即距離越遠，速度越快。

在最為遙遠的區域，退行速度甚至可能超過光速。

這就如同一個逐漸被吹大的氣球，球面上的每一個點都在互相遠離。

因此，你也可以這樣設想：如果時間突然逆轉，宇宙將以相同的速度收縮，各個星系將以極快的速度匯聚到一起。

由于遠離的速度不同，最終所有的天體會在同一時刻匯聚于一點，也就是所謂的奇點。

宇宙大爆炸理論雖然擁有數學模型的支撐和觀測的驗證，但并非完美無瑕。起初，該理論面臨兩個顯著的問題。

其一是所謂的“時標難題”。哈勃根據其發現的規律計算出宇宙大約有18億年的歷史，而地質學家通過檢測發現地球的年齡超過30億年。

這如何解釋？

后來，德國的天文學家巴德使用精確度更高的望遠鏡辨認出造父變星實際上分為兩類：一類較為熾熱而明亮，另一類則較為昏暗。哈勃的計算之所以出現偏差，是因為他沒有將這兩類變星區分開來。

經過重新校準后，星系與地球的距離翻了一番，宇宙的年齡也隨之增加了一倍。

經過后續科學家們的多次校準，目前估計宇宙的年齡介于100億至200億年之間。

盡管存在巨大的誤差范圍，但這個問題終究得到了部分解決。

另一個問題是“原子豐度”，這個術語可能讓一些人在理解上感到困惑。

實際上，原子豐度指的是宇宙中各種原子的相對豐富程度。

例如，地核主要由鐵原子構成，地球大氣主要由氮和氧原子組成，而太陽則主要由氫和氦原子構成。

如果大爆炸確實產生了宇宙和時間，那么按理說，各種原子的數量應該相對均衡。

但實際情況并非如此。

氫和氦兩種原子在宇宙中的所有原子中占據了99.9%。

這似乎有些不公平。

帶著這個疑問，科學家們提出了解答。

美國核物理學家喬治?伽莫夫提出，宇宙剛誕生時是一鍋由氫原子構成的“湯”，其他原子都是通過氫原子的核反應產生的。

這個理論雖然表述簡單，但實際驗證卻非常復雜。

伽莫夫利用數學工具，計算出了從大爆炸至今的宇宙在任一時刻的溫度和密度。

還有另一個關鍵證據。

這個證據非常著名，甚至在劉慈欣的《三體》中也有提及：那就是宇宙微波背景輻射。

大爆炸發生之初，宇宙充滿了光。在30萬年之后，隨著宇宙溫度下降，一部分光開始穿越宇宙向外輻射。

科學家們認為，這些光波輻射即使經過100多億年也不會完全消失，這就是我們所稱的“宇宙微波背景輻射”，也是支持大爆炸理論的最重要證據之一。

然而，這種輻射非常微弱，相當于零下260攝氏度的天體釋放的熱量。

按常理，尋找這樣的輻射似乎極為困難，但幸運的是，科學家們在偶然中真的探測到了它。

貝爾實驗室有一臺非常精密的射電天線，原本用于接收衛星信號。科學家們在檢測天線時，發現無論朝向哪個方向，都能接收到一種微波噪聲。

盡管他們嘗試了各種方法來排除干擾，包括檢查、重新布線和清潔天線，但始終無法消除這種噪聲，于是得出結論：這種噪聲就像背景音一樣，是自然存在的。

很快，研究宇宙的天文科學家們給出了解釋：這種無法消除的微波噪聲，正是科學家們一直苦苦追尋的宇宙微波背景輻射！

最后，霍金的宇宙大爆炸之外的模型。

霍金對大爆炸理論持支持態度，他與數學家羅杰?彭羅斯共同提出了“彭羅斯-霍金奇點定理”。

他們通過嚴謹的數學論證證明，如果廣義相對論是正確的，并且宇宙中確實如我們觀測到的那樣充滿了恒星、星系等物質，那么宇宙在遙遠的過去，一定是從一個奇點中誕生的。

然而，霍金后來引入了量子理論，提出了一個與傳統觀念完全不同的無邊界宇宙模型。

眾所周知，物理學的兩大核心理論分別是管理宏觀現象的相對論和管理微觀現象的量子力學。

但令人不解的是，這兩個理論似乎各司其職，互不侵犯，用相對論來研究粒子，用量子力學來研究天體，都是不可行的。

霍金則認為，在研究奇點時，必須將相對論和量子力學結合起來考慮。

根據廣義相對論，宇宙要么擁有無限長的歷史，要么以奇點作為開端。但當量子力學被納入考慮時，就會出現第三種可能性：一個“有限無界”的宇宙。

這意味著宇宙在空間和時間上是有限的，但卻沒有明顯的邊界。

就像地球一樣，體積固定，但我們無論朝哪個方向走，始終都在地球上。

無邊界宇宙模型中的宇宙是一個四維的時空網絡。

在這個宇宙中，時空就像地球的表面，是有限的，但卻沒有邊界，也沒有奇點。

這個宇宙是完全自足的，不受外界事物影響，沒有開始和結束，它僅僅是存在。

當然，這只是一種理論假設，目前主流的宇宙模型仍然是大爆炸理論。

總結

1，對于普通人來講，看待相對論、奇點等物理概念時，我們通常是從哲學角度進行感性理解；

2，真正的科學理論應該能夠用數學公式來表述，并敢于接受實踐檢驗；

3，科學并不自詡已經窮盡了真理，也不自以為是地認為可以解釋一切現象，它只是在認識事物的道路上邁出了一步；

4，我們對科學的崇敬，不僅僅是對每一個既定公式的盲目崇拜，而是保持謙遜和質疑精神，始終仰望星空，不斷探索未知。

因此，相信我們生活在一個真實的世界，也許更令人心安。