1948年4月1日
大爆炸宇宙学的诞生
宇宙有没有边界？起源于何时？又终结在哪里？在过去，这些“创世”的宏阔话题一向留待宗教或哲学解决，然而近百年来，由于地质学研究与天文观测的发展，人们逐渐从实证的角度把它纳入科学领域，众多相关的模型或理论也随之出现，其中最引人注目的就是“大爆炸宇宙学”。
大爆炸宇宙学说的形成经历了一个相当长的历史过程。首先人们逐渐接受了宇宙的“生命”是有限的思想，但并不像有的宗教或神话所说宇宙诞生在几千年前。地质和天文观测都发现，地球和其他天体的年龄大都以亿年来计。
个人的生命非常短暂，同时就整体而言，人类一直到目前充其量也就生存了500万年左右，与宇宙年龄相比，这点时间实在算不上什么。以有限的生命去思考宇宙，自然是很困难的事，好在在考察宇宙年龄时，我们可以从科学上得到一些佐证。
首先，使人相信宇宙生命有限的是来自于物理学的一个基本定律，这就是热力学第二定律。定律的提出者是德国物理学家鲁道夫·克劳修斯（图1）。恐怕克劳修斯先生万万也没有想到，当初所提出的这个定律竟然在冥冥之中约定了宇宙的命运。克劳修斯的热力学第二定律毫无神秘之处：烧开的水会慢慢地“自动”变凉，一杯凉水绝不会“自动”地变热而再“把自己烧开”；一座新房子会慢慢地“自动”变旧、颓败，以致倒塌，一堆破砖乱瓦绝不会“自动”叠摞起来，从而变成一座新房子。这些现象都说明，自然界任何物理过程的自身变化总是有方向的。要想把方向反转过来，如把凉水变热，或把碎砖瓦变成新房子，就得依靠外界提供能量。宇宙也如此，我们并不知道宇宙的“外界”是什么，当然更不可能设想，还有什么能量可以提供给它，因为在我们看来，宇宙是包罗万象的命题。依此，根据热力学第二定律，宇宙过程也是有方向的，它一定有一个“有限的过去”，也就是在一个有限的时间之前“诞生”的。
图1
早在19世纪，就有一些科学家模模糊糊地提出了这个想法，如1873年英国科学家和哲学家威廉·杰文斯（William Jevons）就曾提出，应该有一个“创世”的时刻，然而他的这个结论没有引起人们的注意。1915年，爱因斯坦创立了广义相对论，他的引力场方程更是埋进了宇宙“创生”的种子，但是这一理论又太艰涩，真正从它挖出有限宇宙生命的依据来却是后话。
宇宙生命有限的最早依据来自于天文观测。1925年，天文学家埃德温·哈勃根据多普勒效应证实，太空中的星在彼此互相远离地退行，退行的速度还在有规律地增加。经他证明，星系间的退行速度与其间的距离成正比，这个规律叫做哈勃定律，这个结论很快被进一步的天文观测所证实。星系彼此远去的行为自然叫人联想起宇宙在膨胀，自然也会想到，过去的宇宙总比未来的宇宙要小，宇宙之初应该起源于一个很小的点（参见本书3月15日“1925年开拓宇宙的引领人——哈勃”）。
最早为宇宙生命有限提出理论根据的是两个人，一个是1922年的苏联数学家亚历山大弗里德曼（图2），当时还没有哈勃定律，他的这个结论是从求解爱因斯坦引力场方程得出来的。非常可惜的是，一年之后，他因伤寒去世，他的成果没来得及进一步展开，所以鲜为人知。另一个人是比利时神父兼天体物理学家乔治·勒梅特（图3）。1927年，他从爱因斯坦的引力场方程得出了一个严格解，独立地提出了宇宙在膨胀，并证明宇宙最早起源于一个“宇宙蛋”（后来更改为“初始原子”）。他认为，现今的宇宙都是这个“初始原子”的碎片，这些碎片仍在彼此相互远离地退行，以上这些人的工作都为宇宙大爆炸理论正式诞生埋下了种子（参见本书5月24日“1931年宇宙大爆炸理论之父——勒梅特”）。
图2
图3
宇宙大爆炸理论正式创建于20世纪40年代。1948年4月1日，在《物理评论》杂志上，一篇重要论文惊现于世，论文的题目是“化学元素的起源”，署名的作者是拉尔夫·阿尔弗（Ralph Alpher）（图4）、贝特和乔治·伽莫夫（图5），这篇论文奠定了大爆炸理论的基础，后来被称作“阿尔弗-贝特-伽莫夫理论”。
图4
图5
实际上，这篇论文是阿尔弗写的，在他博士论文的基础上发展而成。伽莫夫是他的导师，而贝特正在研究恒星的演化与能量等问题，与这篇论文并没有直接关系。经贝特同意，伽莫夫把他也拉了进来，就是为了使三个人的姓氏读起来恰好与前三个希腊字母，阿尔法、贝塔和伽马（即α、β和γ）谐音，以加强宇宙诞生这一话题的效果。在这篇论文中，阿尔弗从理论上证明，宇宙诞生于140亿年前的一次大爆炸。他详述了宇宙诞生最初几分钟基本粒子结合成元素的过程，还提出了一个证实大爆炸理论的方法。
按照阿尔弗和伽莫夫的大爆炸理论，在最初的几分钟里，宇宙是一个充满着温度高达几十亿摄氏度光辐射的火球。由于处于极热状态的动平衡之中，宇宙的辐射具有一个独特的光谱特征，阿尔弗把它称为“黑体谱”。“黑体谱”是在纯黑背景下的一种微波波段的辐射，在一般的核过程中是不出现的。随着宇宙膨胀，辐射的温度不断降低，很多情况也随之发生了变化，如出现了恒星、星系等，但非常难得的是，随着宇宙尺度的扩大，它的基本特征没有发生变化，这就是宇宙的均匀性、各向同性，以及“黑体谱”的存在，因此搜索“黑体谱”将是核查宇宙演变的关键。
阿尔弗的“三人论文”一经发表，犹如一石激起千层浪，引发了不同的反响。它打破了大多数人“崇尚稳定世界”的美梦，也由于泄露了“天机”，“干涉了上帝的工作”，“损害”了信奉上帝的人的信仰，而招致宗教界的反感，同时更遭到了“稳定宇宙”学派的反对。英国著名宇宙学家霍伊尔认为，这一理论把宇宙“创生”归结为从一点爆炸而出，这等于向“上帝妥协”，不是严肃的科学态度。总之，大爆炸宇宙理论在创建的初期质疑声颇多。
阿尔弗是伽莫夫的研究生，随着这篇论文的发表，他的博士学位答辩也开始了。没有想到的是，对宇宙命运关心的人如此之多，在1948年4月13日答辩这天，参加旁听答辩的竟然有300多人，把报告厅挤得水泄不通。阿尔弗对宇宙大爆炸之初的核反应过程做了详尽的说明。在答辩的第二天，《华盛顿邮报》以“世界起源于最初的5分钟，一个新理论”做了长篇的报道，在当晚，据说很多人为了“拯救这位年轻人的灵魂”祈祷，批评者的信件也如雪片般地飞来（参见本书12月7日“1948年‘被遗忘的’太初核聚变理论之父——阿尔弗”）。
阿尔弗根据理论推算，认为现今的宇宙背景上应该存在着黑体辐射，它的温度大约是5开。阿尔弗的这一预言是非常杰出的，它指明了一个容易证实的方法，如果射电天文学家对物理学再敏感一些，有可能更快地推动这一理论的进展。然而，在那个时代，跨界的学术交流非常迟缓，再加上更多的其他因素，致使这一学说在提出伊始就遭遇困境，阿尔弗的这一杰出预言被埋没在物理学文献之中长达20年之久。
多年以后，在1965年，美国贝尔实验室的彭奇亚斯和威尔逊在跟踪一颗卫星时偶然发现宇宙背景辐射，他们计算出来的宇宙背景辐射温度与阿尔弗等人的计算结果惊人地吻合。与此同时，普林斯顿大学的迪克研究组也独立地证实阿尔弗早先的预言，并着手设计了一台探测器，搜索大爆炸的残余辐射，他们的结果也对大爆炸宇宙学说提供了证据（参见本书5月26日“1967年宇宙微波背景辐射的发现”）。
宇宙微波背景辐射的发现为大爆炸理论提供了结论性的证据，使大多数人开始接受宇宙大爆炸的说法。为此，彭奇亚斯和威尔逊获得了应得的荣誉，而最早提出这一理论并指出验证预言的阿尔弗却被后续的宇宙学研究者所淡忘。
关键词：大爆炸宇宙学，宇宙微波背景辐射，拉尔夫·阿尔弗，阿尔弗-贝特-伽莫夫理论，Big Bang，cosmic microwave background radiation，Ralph Alpher，Alpher-Bethe-Gamow theory (α-β-γ theory)
图1：https://en.wikipedia.org/wiki/Rudolf_Clausius
图2：http://en.wikipedia.org/wiki/Alexander_Fried-mann
图3：http:baike.sogou.com/lemma/default/ShowLemmaDefault.e;jsessionid=878750C0E1AA1F840535D9B29729C902.n2?sp=l70512903&syn-=%E5%8B%92%E6%A2%85%E7%89%B9