從古到今，宇宙起源就是一個(gè)長年霸屏的熱搜話題，很多人都挑戰(zhàn)過。那宇宙起源的話題到底現(xiàn)在發(fā)展成什么樣子呢？今天，我就來給你盤點(diǎn)一下。

宇宙學(xué)原理

如果我們從地球上望向宇宙的深處，我們常常會(huì)看到物質(zhì)分布都是成團(tuán)結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)，行星繞著恒星轉(zhuǎn)，星團(tuán)和星系繞著質(zhì)心在轉(zhuǎn)。

如果我們從更大尺度（10萬光年）來看，比如：銀河系大概有1500億~4000億顆恒星組成，它就是一個(gè)盤狀結(jié)構(gòu)的。

如果，我們再拉到更大尺度（1億光年以上，10^8光年）來看，物質(zhì)分布不是成團(tuán)的，眾多的星系團(tuán)均勻各向同性地分布在宇宙空間中。而且隨著尺度越大，各向同性越明顯。

這么說，你可能沒啥感覺，我們可以舉一個(gè)樹林的例子，你就明白了。如果你在森林里單獨(dú)看一棵樹或者幾棵樹，也就是在很小的范圍里去看，他們都不太一樣。

但如果你把鏡頭拉得足夠高，再去拍，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，你根本無法區(qū)分這些樹之間的區(qū)別。這是因?yàn)樵诟蟮某叨壬?，整片森林都是均勻并且各向同性的，不那么精?zhǔn)的通俗理解就是：每個(gè)部分看起來都是一樣的，像是均勻地分布著。

所以，愛因斯坦根據(jù)觀測事實(shí)，總結(jié)出了一條宇宙學(xué)原理：

在宇宙觀測尺度上，1億光年以上（10^8光年以上），宇宙中地物質(zhì)始終均勻各向同性的分布著，這就被稱為宇宙學(xué)原理。

如果非要用一句話來幫助我們理解這個(gè)原理的話，那就是地球其實(shí)在宇宙中一點(diǎn)都不特殊，只是普普通通的存在，適用于地球地定律也適用于宇宙，因?yàn)槲覀兩钐幱谡麄€(gè)宇宙當(dāng)中。

愛因斯坦的”有限無邊靜態(tài)宇宙“模型

愛因斯坦在提出宇宙學(xué)原理時(shí)，他受到當(dāng)時(shí)主流的科學(xué)觀點(diǎn)的影響，認(rèn)為宇宙是恒定不變的，不應(yīng)該隨著時(shí)間變化而變化，也就是說是靜態(tài)的。翻譯成人話就是，愛因斯坦相信宇宙是永恒不變。

所以他希望能夠從他的廣義相對論場方程，求出一個(gè)靜態(tài)宇宙模型。

可是，他發(fā)現(xiàn)他的廣義相對論場方程得出的結(jié)果并非是靜態(tài)的。為了得到他想要地結(jié)果，他在他的廣義相對論場方程中添加了一個(gè)宇宙常數(shù)。

有了這個(gè)宇宙常數(shù)，使得愛因斯坦最終得到了他想要的結(jié)果：有限無邊的靜態(tài)宇宙模型。

宇宙大爆炸的來源

話說愛因斯坦的相對論場方程是十個(gè)偏微分方程組成的方程，它其實(shí)特別復(fù)雜，很難進(jìn)行求解，想得到結(jié)果就得先進(jìn)行必要簡化。

當(dāng)時(shí)有兩個(gè)人都做出了類似得簡化，他們做的簡化就是假設(shè)：空間是各向同性得流體。這種簡化也被稱為度規(guī)。

當(dāng)時(shí)有個(gè)蘇聯(lián)科學(xué)家弗里德曼采用不含宇宙常數(shù)的愛因斯坦相對論場方程推導(dǎo)出了動(dòng)態(tài)的膨脹的宇宙模型。

后來，比利時(shí)有個(gè)叫勒梅特的神父得到了類似的膨脹或者脈動(dòng)（像心臟一脹一縮）的宇宙模型。

然后羅伯遜和沃爾克給出了度規(guī)的證明，于是這四人貢獻(xiàn)的度規(guī)合稱：FLRW度規(guī)。

多說一句，其實(shí)這個(gè)FLRW度規(guī)告訴我們，宇宙在什么情況下是無限大的，什么情況下是有限大的，這個(gè)我們在之后會(huì)專門詳細(xì)講解。

這里多說一句，所謂的“度規(guī)”可以理解成時(shí)空的形狀以及度量這個(gè)形狀所用的坐標(biāo)系。

舉個(gè)例子，我們初中學(xué)的平面其實(shí)，可以理解成假設(shè)空間是二維平面，而坐標(biāo)系可以是直角坐標(biāo)。有了坐標(biāo)系就可以量化計(jì)算。而空間的問題也是運(yùn)用這個(gè)辦法來解答的，這種方法也就叫做度規(guī)。

我們說回到勒梅特，他其實(shí)是第一個(gè)提出宇宙爆炸和演化思想的人，他認(rèn)為：

宇宙最初處于有序性極高，也就是熵（混亂度）極小的狀態(tài)。他管這個(gè)叫做“宇宙蛋”，然后“宇宙蛋”爆炸并不斷膨脹，混亂度不斷上增加，演化成我們今天的宇宙。

我們在來仔細(xì)理解一下勒梅特的意思，愛因斯坦認(rèn)為宇宙不會(huì)隨著時(shí)間而發(fā)生變化，是靜態(tài)的。而勒梅特認(rèn)為，宇宙是隨著時(shí)間在膨脹的，所以隨著時(shí)間反推，最初的宇宙應(yīng)該是一個(gè)很小的點(diǎn)。

哈伯定律

但是到目前為止，你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這就只有理論，連個(gè)證據(jù)都沒有，那誰會(huì)信呢？

就在這時(shí)出現(xiàn)了一位喜歡仰望星空的小伙叫做哈勃。

哈勃這位小伙子用大型望遠(yuǎn)鏡夜觀星象，他發(fā)現(xiàn)，

星系的宇宙學(xué)紅移與星系與地球的距離成正比。

這也被稱為：哈伯定律。

翻譯成人話就是：離地球遠(yuǎn)的天體，在正在遠(yuǎn)離地球，而且是越來越遠(yuǎn)。這正好和勒梅特的理論是相吻合的。

更深入的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在天體離我們越來越遠(yuǎn)不是他們自己跑路了，而是空間在變大，也就是說，無論你在哪里，在大尺度上，星系都在離你越來越遠(yuǎn)。

我們?nèi)粘Ｉ钪懈杏X不到膨脹，是因?yàn)槌叨忍×?，而且有引力作用。這種膨脹的效應(yīng)要達(dá)到1億光年以上的尺度才能夠感受到。而哈勃的觀測也成為了勒梅特等人的理論的第一個(gè)證據(jù)。

火球模型

而這些都是在1920s做的研究，當(dāng)時(shí)的主流觀點(diǎn)還是靜態(tài)的宇宙模型。所以沒人把他們的研究當(dāng)回事。

后來，弗里德曼有個(gè)學(xué)生叫做伽莫夫，他其實(shí)是很認(rèn)可老師的觀點(diǎn)。他通過研究核物理和量子力學(xué)的，提出了宇宙演化的火球模型。

伽莫夫的火球模型大概是這樣的：

宇宙最初是一個(gè)原始核火球，在爆炸中膨脹開來，逐漸降溫。核子和電子逐漸形成原子，分子。最初的元素以氫為主，在原始的高溫中合成了一部分氦。

以氫、氦為主體的氣體物質(zhì)在萬有引力的作用下，逐漸凝聚成團(tuán)，形成原始恒星。原始恒星的氣態(tài)物質(zhì)不斷收縮，它們的萬有引力勢能轉(zhuǎn)化為熱能，使得恒星溫度越來越高，從而點(diǎn)燃?xì)渚酆铣珊さ臒岷司圩兎磻?yīng)，形成發(fā)光的恒星，我們的太陽其實(shí)就這樣一顆恒星。

后來，有個(gè)叫做霍伊爾的科學(xué)家，他其實(shí)是支持靜態(tài)的宇宙模型的。

他在BBC電臺做科普節(jié)目時(shí)，被問到當(dāng)時(shí)科學(xué)界對于宇宙起源的說法，他使用了“big bang“這個(gè)詞匯來形容，翻譯過來也就是大爆炸。沒想到大爆炸這個(gè)詞匯一下子就成了家喻戶曉的名詞。所以，火球模型被更名為了大爆炸模型。

穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型的破產(chǎn)

曾經(jīng)有個(gè)叫做霍金的小伙子，他特別崇拜霍伊爾，一直想要做霍伊爾的徒弟，可人家霍伊爾是當(dāng)時(shí)科學(xué)界的大咖，根本沒空理會(huì)霍金。這里多說一句，霍伊爾被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)的天才科學(xué)家，他的成就有很多，尤其關(guān)于恒星內(nèi)部的研究。

只是霍伊爾沒想到，霍金屬于有仇必報(bào)的那種人。他花了很多時(shí)間去研究霍伊爾的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)了其中有個(gè)很關(guān)鍵的計(jì)算錯(cuò)誤。在一次霍伊爾的演講當(dāng)中，霍金當(dāng)眾指出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙的問題，并且還把這些研究寫到自己的論文里。

自此，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型宣告破產(chǎn)?；艚鹫嬲忈屃耸裁唇凶觥敖裉炷銓ξ覑鄞鸩焕恚魈煳易屇愀吲什黄??！?/p>

宇宙大爆炸“的兩大預(yù)言

但是，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型的破產(chǎn)并不代表著大爆炸宇宙模型就會(huì)成功，想要成為主流，還是需要更多的依據(jù)和證據(jù)的。

不過科學(xué)家開始關(guān)注起了伽莫夫的宇宙大爆炸模型，他們發(fā)現(xiàn)如果要證明宇宙大爆炸模型，至少需要找到兩個(gè)證據(jù)：

1，宇宙中的氦豐度

2，宇宙微波背景輻射

我先來具體說說氦豐度，說的其實(shí)就是宇宙中氦元素的含量。

之前我們也提到過伽莫夫提出的模型，而這個(gè)模型當(dāng)中有提到宇宙誕生之初，會(huì)產(chǎn)生氦元素，伽莫夫經(jīng)過計(jì)算，預(yù)言了宇宙中的氦豐度，

現(xiàn)在的宇宙中的元素應(yīng)該有大概25%是氦元素。

通過科學(xué)家的觀測和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)實(shí)際和伽莫夫的預(yù)言是什么吻合的。

說完宇宙中的氦豐度，我們再說說宇宙微波背景輻射，說白了就是宇宙誕生之初的“余熱”，整個(gè)過程是這樣的，伽莫夫提出，

在宇宙大爆炸的之后，不斷地膨脹會(huì)使得溫度降低，但是在有限的時(shí)間內(nèi)，溫度不會(huì)降低為絕對零度。所以，他認(rèn)為宇宙大爆炸的“余熱”的溫度應(yīng)該約為5K。

1964年，兩位工程師彭齊亞斯和威爾遜為了研究如何更好地接收來自于宇宙的信號，意外發(fā)現(xiàn)在接收到的信號當(dāng)中，有一些無論如何都無法消除地噪聲，經(jīng)過反復(fù)地檢查和確認(rèn)，最終在科學(xué)家們的幫助下，他們確認(rèn)了這就是宇宙大爆炸的“余熱”，它充斥著整個(gè)宇宙，實(shí)測溫度是2.7K，這也被科學(xué)家們稱為：宇宙微波背景輻射。

而彭齊亞斯和威爾遜也因此拿到了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

宇宙大爆炸模型的未來

宇宙中的氦豐度和宇宙微波背景輻射，以及哈勃定律成為了宇宙大爆炸模型的堅(jiān)實(shí)證據(jù)。自此許多科學(xué)家紛紛投身于相關(guān)的研究。在科學(xué)史上，首次出現(xiàn)了粒子物理和廣義相對論攜手并進(jìn)的局面。

不過它也存在一些問題，比如，大爆炸后遠(yuǎn)小于1秒的極早期宇宙到底是咋回事，視界疑難，平坦性問題，重子不對稱性問題，暗物質(zhì)和暗能量問題等等。

不過話說回來。宇宙大爆炸其實(shí)和進(jìn)化論很像，它們都在隨著科學(xué)家的觀測一次次的“進(jìn)化”和微調(diào)。比如，阿蘭·古斯提出的大暴脹理論就很好地填補(bǔ)了宇宙大爆炸模型的不足。

可能你要問，那宇宙大爆炸是如何進(jìn)行的，也就是宇宙的歷史是如何的？宇宙到底有沒有邊界。關(guān)于這些問題，我將在接下來的幾期當(dāng)中好好聊一聊。