深度科普: 宇宙真的起源于大爆炸? 我们的世界到底是被谁设计的?

宇宙大爆炸是真实发生过的事情吗？我们是否该相信这一理论呢？

或者，更确切地说，宇宙的设计者到底是谁？

首先来说说广义相对论，它带来的不只是一场思维的狂欢。

在二十世纪初，爱因斯坦向世界展示了他的广义相对论，其核心是驳斥牛顿的引力观念，而提出物体是通过扭曲时空来施加影响。

打了个有趣的比方，假想时空如同一张弹簧床，放上一个分量十足的球，“床面”会随之凹陷；同理，若重球旁有其他小球，自然会沿着曲面滑向重球。

由此，爱因斯坦推测，太阳质量庞大无比，必然会使得经过其引力场的其他星体发出的光线发生弯曲。

这一推测得到了英国科学家爱丁顿的证实。他不仅观察到了太阳背后的恒星，其测算的光线偏折角度与爱因斯坦的广义相对论预测不谋而合。

一项预测能以数学方式表达，并得到观测的证实，这才是真正的科学。

那么，广义相对论是如何与宇宙大爆炸理论联系在一起的呢？

当广义相对论的科学性得到证实后，爱因斯坦便着手用这一理论探索宇宙的运行机理，结果出人意料。

他发现，宇宙似乎极不稳定，每个星体都被更大的质量体所吸引，最终全部陷入同一“陷阱”中。

难道宇宙注定……自我消亡？

当时，静态且稳定的宇宙观占据主流，爱因斯坦对这一计算结果并不信服，因此引入了宇宙常数，以此保持宇宙的稳定。

然而，爱因斯坦的早期计算是正确的，宇宙确实不是静态不变的。

与星体间引力相抗衡的，正是宇宙的膨胀。

比利时科学家勒迈特提出，如果宇宙的确在膨胀，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，宇宙会变得越来越小，最终汇聚成一个微小而密度极大的点，也即所谓的“宇宙蛋”。

这就是大爆炸理论的起点所在。

其次，观测到宇宙膨胀的明亮“路标”。

我们曾说，不能通过观测和实证检验的理论，称不上科学。

果不其然，有人最终观测到了宇宙的膨胀现象。

此人名叫哈勃。

这位天文学家发现了著名的哈勃定律，说白了，就是宇宙中的星体离地球越远，远离地球的速度也越快。这个速度，即著名的“退行速度”。

哈勃定律常被用于估算遥远星系的距离。

例如，曾有人认为仙女座星系位于银河系之内，但哈勃定律的测算结果表明，仙女座与地球的距离超过了银河系的直径，从而得出结论：仙女座属于另一个星系。

科学家的宇宙观测视野因此大大扩展。

那么，宇宙尺度如此遥远宏大，科学家们是如何进行测量的呢？

这就需要借助一种标记物，一种如同夜空中发出强烈光芒的“灯塔”——造父变星。

这类星体亮度不稳定，周期性地发生亮度变化。科学家们发现并掌握了其闪烁周期的规律，通过这一规律，便能推算出星系与地球的距离。

最后，火车出站时的汽笛声，竟然与宇宙有着某种联系？

当火车驶出车站时，初驶的汽笛声通常尖锐，而远去的则显得低沉。

没错，这是初中物理课上讲过的“多普勒”效应。

当火车靠近时，声波的波长缩短，速度越快，波长越短，频率越高；反之，当火车驶离时，声波的波长则会变长，频率降低。

光也是如此。科学家们检测遥远星系的光谱，计算光波的波长，便能得知它们的运动状态与速度。

正是借助这种方法，科学家们发现了红移现象。

红色是可见光中波长最长的，如果星系光谱向红光方向偏移，意味着这些星系正在远离地球，证明了宇宙确实是在不断膨胀，正是这种膨胀在与引力抗衡。

进而，科学家们还发现了星系与地球的距离、离开地球的速度之间的关系，即距离越远，速度越快。

在最为遥远的区域，退行速度甚至可能超过光速。

这就如同一个逐渐被吹大的气球，球面上的每一个点都在互相远离。

因此，你也可以这样设想：如果时间突然逆转，宇宙将以相同的速度收缩，各个星系将以极快的速度汇聚到一起。

由于远离的速度不同，最终所有的天体会在同一时刻汇聚于一点，也就是所谓的奇点。

宇宙大爆炸理论虽然拥有数学模型的支撑和观测的验证，但并非完美无瑕。起初，该理论面临两个显著的问题。

其一是所谓的“时标难题”。哈勃根据其发现的规律计算出宇宙大约有18亿年的历史，而地质学家通过检测发现地球的年龄超过30亿年。

这如何解释？

后来，德国的天文学家巴德使用精确度更高的望远镜辨认出造父变星实际上分为两类：一类较为炽热而明亮，另一类则较为昏暗。哈勃的计算之所以出现偏差，是因为他没有将这两类变星区分开来。

经过重新校准后，星系与地球的距离翻了一番，宇宙的年龄也随之增加了一倍。

经过后续科学家们的多次校准，目前估计宇宙的年龄介于100亿至200亿年之间。

尽管存在巨大的误差范围，但这个问题终究得到了部分解决。

另一个问题是“原子丰度”，这个术语可能让一些人在理解上感到困惑。

实际上，原子丰度指的是宇宙中各种原子的相对丰富程度。

例如，地核主要由铁原子构成，地球大气主要由氮和氧原子组成，而太阳则主要由氢和氦原子构成。

如果大爆炸确实产生了宇宙和时间，那么按理说，各种原子的数量应该相对均衡。

但实际情况并非如此。

氢和氦两种原子在宇宙中的所有原子中占据了99.9%。

这似乎有些不公平。

带着这个疑问，科学家们提出了解答。

美国核物理学家乔治•伽莫夫提出，宇宙刚诞生时是一锅由氢原子构成的“汤”，其他原子都是通过氢原子的核反应产生的。

这个理论虽然表述简单，但实际验证却非常复杂。

伽莫夫利用数学工具，计算出了从大爆炸至今的宇宙在任一时刻的温度和密度。

还有另一个关键证据。

这个证据非常著名，甚至在刘慈欣的《三体》中也有提及：那就是宇宙微波背景辐射。

大爆炸发生之初，宇宙充满了光。在30万年之后，随着宇宙温度下降，一部分光开始穿越宇宙向外辐射。

科学家们认为，这些光波辐射即使经过100多亿年也不会完全消失，这就是我们所称的“宇宙微波背景辐射”，也是支持大爆炸理论的最重要证据之一。

然而，这种辐射非常微弱，相当于零下260摄氏度的天体释放的热量。

按常理，寻找这样的辐射似乎极为困难，但幸运的是，科学家们在偶然中真的探测到了它。

贝尔实验室有一台非常精密的射电天线，原本用于接收卫星信号。科学家们在检测天线时，发现无论朝向哪个方向，都能接收到一种微波噪声。

尽管他们尝试了各种方法来排除干扰，包括检查、重新布线和清洁天线，但始终无法消除这种噪声，于是得出结论：这种噪声就像背景音一样，是自然存在的。

很快，研究宇宙的天文科学家们给出了解释：这种无法消除的微波噪声，正是科学家们一直苦苦追寻的宇宙微波背景辐射！

最后，霍金的宇宙大爆炸之外的模型。

霍金对大爆炸理论持支持态度，他与数学家罗杰•彭罗斯共同提出了“彭罗斯-霍金奇点定理”。

他们通过严谨的数学论证证明，如果广义相对论是正确的，并且宇宙中确实如我们观测到的那样充满了恒星、星系等物质，那么宇宙在遥远的过去，一定是从一个奇点中诞生的。

然而，霍金后来引入了量子理论，提出了一个与传统观念完全不同的无边界宇宙模型。

众所周知，物理学的两大核心理论分别是管理宏观现象的相对论和管理微观现象的量子力学。

但令人不解的是，这两个理论似乎各司其职，互不侵犯，用相对论来研究粒子，用量子力学来研究天体，都是不可行的。

霍金则认为，在研究奇点时，必须将相对论和量子力学结合起来考虑。

根据广义相对论，宇宙要么拥有无限长的历史，要么以奇点作为开端。但当量子力学被纳入考虑时，就会出现第三种可能性：一个“有限无界”的宇宙。

这意味着宇宙在空间和时间上是有限的，但却没有明显的边界。

就像地球一样，体积固定，但我们无论朝哪个方向走，始终都在地球上。

无边界宇宙模型中的宇宙是一个四维的时空网络。

在这个宇宙中，时空就像地球的表面，是有限的，但却没有边界，也没有奇点。

这个宇宙是完全自足的，不受外界事物影响，没有开始和结束，它仅仅是存在。

当然，这只是一种理论假设，目前主流的宇宙模型仍然是大爆炸理论。

总结

1，对于普通人来讲，看待相对论、奇点等物理概念时，我们通常是从哲学角度进行感性理解；

2，真正的科学理论应该能够用数学公式来表述，并敢于接受实践检验；

3，科学并不自诩已经穷尽了真理，也不自以为是地认为可以解释一切现象，它只是在认识事物的道路上迈出了一步；

4，我们对科学的崇敬，不仅仅是对每一个既定公式的盲目崇拜，而是保持谦逊和质疑精神，始终仰望星空，不断探索未知。

因此，相信我们生活在一个真实的世界，也许更令人心安。