在人類歷史的大部分時間裏,創造的問題總是留給上帝去解決。宇宙起源於哪裏?終點在哪裏?生命是如何產生的?人類是如何出現的?對於這些問題,很多宗教都能給出系統的答案。至於上帝從哪裏來,這種問題不應該問。
直到最近幾個世紀,人們才開始學會把上帝放在壹邊,從宗教之外的角度思考世界的起源。這樣就有壹個重大的原則問題需要解決:宇宙是永遠存在的還是有開端的?
這兩種說法長期困擾著科學家、哲學家和神學家,普通人更難以理解。假設宇宙在時間上沒有起源,即它壹直存在於過去,那麽宇宙的年齡是無限的。無限的概念讓人暈頭轉向:既然已經是無限的時間,那我們的“現在”是什麽?而如果宇宙有壹個開端,那麽它就是從“無”中突然產生的。這個初始時刻呢?用人類短暫的壹生所獲得的常識去理解這些東西,真的很難。但是,我們可以尋求壹些科學證據。大爆炸模型的壹個基本假設是宇宙的年齡是有限的。這種說法令人信服的直接原因來自熱力學第二定律,這是物理學中最基本的定律。這個科學史上最可悲最絕望的定律,已經規定了宇宙的命運。簡而言之,第二定律認為熱量從熱的地方流向冷的地方。對於任何物理系統來說,這都是壹個眾所周知的明顯特征,並沒有什麽神秘之處:沸水冷卻,冰淇淋變成糖水。如果妳想逆轉這些過程,妳必須消耗額外的能量。在最廣義上,第二定律認為宇宙的“無序性”與日俱增。比如機械表的發條總是越來越松;可以擰緊,但是會消耗壹點能量;這種能量來自妳吃的壹片面包;小麥在生長過程中需要吸收陽光的能量;為了提供這種能量,太陽需要消耗它的氫進行核反應。簡而言之,宇宙中每壹個局部的減少都必須以其他地方的增加為代價。在壹個封閉的系統中,辦公室總是在增大,直到不能再大。此時系統內部達到完全壹致的熱力學平衡狀態,除非外界給系統提供新的能量,否則不會發生變化。對於宇宙來說,不存在“外界”,所以宇宙壹旦達到熱力學平衡狀態,就會徹底消亡,萬劫不復。這壹幕被稱為“熱寂”。
宇宙正緩慢而堅定地走向這不可抗拒的命運,壹代又壹代的智者懷疑人類的存在是否有意義。暫時拋開這個凹陷,做壹個簡單的推理,就可以發現宇宙不可能有無限的過去。很簡單,如果宇宙無限古老,它早就死了。以有限速度進化的事物不可能永遠持續下去。換句話說,宇宙壹定是在有限的時間之前誕生的。大爆炸:有推論,有證據。
第二定律清楚地表明了宇宙是有開端的,但是這個重要的推論在19世紀被科學家忽略了,後來才成為大爆炸模型的證據。這個模型是根據20世紀初的天文觀測提出的。
20世紀20年代,天文學家埃德溫·哈勃註意到不同距離的星系發出的光在顏色上略有不同。遠星系的光比近星系的光更紅,也就是波長更長。這種現象被稱為“哈勃紅移”。它表明星系正高速飛離彼此。當火車快速開走的時候,它的汽笛聲聽起來要沈悶很多,因為聲波的頻率比我們的低,波長比我們的長,這就是多普勒效應。當聲波變成光時,效果就是紅移。在研究了許多星系的光譜後,哈勃證實了紅移是壹種普遍現象,這表明宇宙正在膨脹。這壹發現奠定了現代宇宙學的基礎。
如果宇宙在膨脹,那它在過去壹定會變小。如果能把宇宙的電影史倒過來看,會發現在過去的某個時刻,所有的星星都在壹起。這個時間大約是10億年前,很難準確推斷。
另外,宇宙的膨脹速度會隨著時間而變化,這與引力有關。引力作用於宇宙中所有的物質和能量,起到剎車的作用,阻止星系跑出,從而使膨脹速度越來越慢。宇宙誕生初期,從高密度狀態迅速膨脹,隨著時間的推移,體積越來越大,膨脹速度越來越小。將這壹過程追溯到宇宙產生的那壹刻,可以發現宇宙的體積為零,膨脹速率無窮大。這就是大爆炸。
大爆炸是空間、時間、物質和能量的起源。在大爆炸之前,這些概念都無法推斷。大爆炸之前發生了什麽,是什麽導致了大爆炸,在邏輯上是沒有意義的。在那之前的壹切都只是“虛無”。
以上只是旁證,似乎不足以說服大多數人。如果654.38+05億年前有壹次大爆炸,那麽這樣驚天動地的力量是否給今天的宇宙結構留下了壹些印記?所以,有壹段時間,研究人員熱衷於尋找宇宙創造的遺跡,他們比尋找伊甸園的宗教考古學家更有活力。亞當和夏娃的文物沒有找到,但原始宇宙最重要的遺跡真的找到了,那就是微波背景輻射。根據大爆炸理論,在最初的幾分鐘,宇宙是壹個充滿光輻射的熾熱火球,溫度高達幾十億度。由於此時宇宙處於熱平衡狀態,這種輻射具有獨特的光譜特征,稱為“黑體光譜”。1965年,貝爾電話公司的兩位物理學家彭齊亞斯和威爾遜偶然發現,宇宙確實浸泡在壹種熱輻射中。這種輻射以相同的強度從空間的各個方向發射到地球,其溫度約為3K,其譜線具有完美的黑體光譜特性。微波背景輻射的發現是對大爆炸模型最有力的支持。
知道了今天宇宙背景輻射的溫度,就很容易推算出宇宙誕生後周圍的溫度大約是1秒。在如此高的溫度下,不僅熟悉的物質無法存在,就連原子核也會被撕成碎片。宇宙只能是由質子、中子和電子組成的壹鍋基本粒子湯。
當湯變冷時,發生了核反應。中子和質子很容易聚合在壹起,產生壹個由兩個質子和兩個中子組成的氦核。計算表明,氦核形成過程持續約3分鐘,形成的氦約占宇宙總質量的四分之壹。這個過程耗盡了所有的中子,剩余的質子變成了氫原子核。
所以大爆炸模型預測宇宙應該是由大約25%的氦和75%的氫組成,這和天文測量非常吻合。前三分鐘形成的氫和氦構成了宇宙中99%以上的物質。形成行星和生命的豐富多彩的重元素,只占宇宙總質量的不到L%,大部分形成於恒星內部。