今天，只讨论一个话题：宇宙大爆炸理论真的发生过吗？我们应不应该相信宇宙大爆炸理论？

或者说，是谁设计了宇宙？

一、广义相对论，开的不仅是一个脑洞

上个世纪初，爱因斯坦提出了广义相对论，认为牛顿的万有引力，实际上是物体弯曲了时空。

他作了一个很有趣的比喻，时空就像一张蹦床，如果放一个比较重的球，“蹦床”表面就会凹陷；如果重球旁边有小球，都会向这个凹陷滚动。

由这个理论，爱因斯坦推断，太阳质量这么大，其他恒星发出的光，落进太阳形成的时空凹陷里，一定会弯曲。

后来，这个推断被英国科学家爱丁顿证实，他不仅观测到了太阳背后的恒星，而且计算出的光线偏转角度，与爱因斯坦广义相对论预测的几乎一模一样。

一个预测能够用数学表达，并被观测证实，这才叫科学。

那广义相对论怎么跟宇宙大爆炸联系起来了呢？

广义相对论被证实了科学性之后，爱因斯坦又用这个理论计算宇宙运行的方式，不算不知道，一算吓一跳。

结果显示，宇宙很不稳定，每个天体都被拉向其他更大质量的天体，直到全部坠入同一个坑内。

宇宙要……自我毁灭？

当时，认为宇宙静态、稳定的观点占主流，爱因斯坦不太相信这个计算，还发明了一个宇宙常数，这样宇宙就稳定了。

然而，他之前的计算是对的，宇宙确实不是静态的。

对抗天体间引力的，就是宇宙的膨胀。

比利时科学家勒迈特提出，假如宇宙真的在膨胀，那么今天的宇宙一定比昨天的大，昨天一定比前天大；反过来向前推，那就是越来越小，最后得到一个很小的、致密的点，也称为“宇宙蛋”。

这就是大爆炸理论的起点。

二、观测宇宙膨胀的明亮“灯塔”

我们说过，不能通过观测、实证检验的理论，不算科学。

后来，果然有人观测到了宇宙的膨胀。

这个人叫哈勃。

这位天文学家提出了著名的哈勃定律，这个定律简单说就是，宇宙中的天体，离地球越远，离开地球就越快。这个速度，就是著名的“退行速度”。

而哈勃定律，经常被用来推算遥远星系的距离。

比如，以前很多人认为仙女座在银河系里面，后来通过哈勃定律测算，仙女座到地球的距离大于银河系的直径，由此得出结论，仙女座处于另一个星系。

人们观察宇宙的视野，被大大拓宽了。

那么，宇宙尺度这么宏大遥远，科学家是如何测量的呢？

这就需要一个标记物，一个在暗夜里还发出强烈光芒的“灯塔”——造父变星。

这种星体不稳定，亮度呈周期性的变化，科学家找到了它闪烁周期的规律，通过这个规律，就能计算出这个星系距离地球的距离。

三、火车出站的汽笛声，竟然与宇宙有关系？

当一列火车出站时，开始的汽笛声总是比较尖利，远去时总是比较低沉。

你没有听错，初中物理就讲过，叫做“多普勒”效应。

当火车向你开过来时，声波波长缩短了，并且速度越快，波长就越短，频率就越高；反过来，当火车离开你运动时，声波波长变长了，频率也变低了。

光同样如此。科学家们如果能检测遥远星系的光谱，计算一下光波的波长，就能知道它们的运动状态和速度了。

正是靠了这种办法，科学家发现了红移现象。

因为红色是可见光中波长最长的一边，星系光谱向红色光方向偏移，说明这些星系都在远离地球，宇宙确实是越来越大，正是这种膨胀在对抗引力。

进而，科学家又发现了星系与地球的距离、离开地球的速度之间的关系，那就是距离越远，速度越快。

在最遥远的地方，退行速度甚至可以超越光速。

就像一个被逐渐吹大的气球，球面上每个点都在互相远离对方。

于是，你还可以想象这样的情景，假如时间突然倒流，宇宙就会用同样的速度收缩，各个星系以飞快的速度聚拢。

因为远的快，近的慢，天体会在同一时间回到原点，也就是奇点。

四、宇宙大爆炸理论遇到的挑战

宇宙大爆炸理论虽然有数学建构，有观测支撑，但也不是那么完美。开始的时候，是有两个很大缺陷的。

一个是“时标困难”。哈勃根据自己找到的规律，推算出算宇宙年龄大约18亿岁，而地质科学家检测发现地球的年龄超过了30亿岁。

这怎么可能？

后来，德国天文学家巴德用大幅提升精度的望远镜，发现造父变星其实有两类，一类热而明亮，一类比较暗淡，哈勃没有推测准确，是因为没有区分这两类。

重新校准后，星系离地球的距离提高了一倍，宇宙的年龄也大了一倍。

后续科学家们不断校准，确定宇宙的年龄应该在100亿岁到200亿岁之间。

虽然误差如此巨大，但也算解决了大爆炸理论的这个缺陷。

另一个缺陷是“原子丰度”。

请原谅，我在看的时候，脑袋也是懵的，这词儿整的太硬了。

实际上，原子丰度就是宇宙中各种原子丰富的程度。

比如，地心是由铁原子组成，地球大气主要是氮原子和氧原子，太阳则是氢原子和氦原子。

如果宇宙大爆炸产生了时空，那么，各种原子的数量应该比较均衡才对。

但事实恰好相反。

氢和氦两种原子占了宇宙中所有原子的99.9%。

这也太不公平了吧？

有了疑问，就会有科学家解答。

这次是美国核物理学家乔治•伽莫夫。

他提出，宇宙成立之初是一锅“氢原子汤”，其他原子都是由氢原子通过核反应产生的。

这事说起来简单，做起来不容易。

他的理论，同样用数学作为工具，测量得到了宇宙从大爆炸到今天任何时刻的温度和密度。

五、又一个重要证据

这个证据赫赫有名，在刘慈欣《三体》中也出现过：宇宙微波背景辐射。

宇宙大爆炸之初，到处是光。30万年后，宇宙温度下降，一部分光便穿越宇宙向外辐射。

科学家认为，这些光波辐射，即使100多亿年后也不会完全消失，这就是“宇宙微波背景辐射”，宇宙大爆炸理论最重要的证据。

但是，这种辐射非常之微弱，仅相当于零下260多摄氏度的天体散发的热量。

按说，找到这个辐射难度太大了，但在机缘巧合之下，居然让科学家碰到了。

贝尔实验室有一台非常精密的射电天线，主要是接受卫星发回的信号。科学家们在检查天线性能时，发现无论哪个方向，都能收到一种微波噪音。

他们用尽办法排除干扰，包括重新检查、布线，清洁天线等等，就是无法消除这个噪音，于是便得出一个结论：这个噪音如同背景音，是天然存在的。

很快，宇宙研究宇宙天文的科学家给出了解释：这个消除不了的微波噪音，就是科学家们苦苦寻找的宇宙背景微波辐射！

六、霍金提出了宇宙大爆炸之外的另一个模型

霍金是赞同宇宙大爆炸理论的，而且与数学家罗杰•彭罗斯，一起提出了“彭罗斯-霍金奇点定理”。

他们用严谨数学方法证明了，如果广义相对论是正确的，而且宇宙中确切有我们观测到的那么多恒星、星系等物质，那么宇宙在很久以前，一定是诞生于一个奇点。

但是，霍金又引入量子理论，提出了一个截然不同的无边界宇宙模型。

大家都知道，物理学最核心的两大基础理论，一个是管宏观的相对论，另一个是管微观的量子力学。

但让人奇怪的是，两个理论井水不犯河水，用相对论研究粒子，用量子理论研究天体，都是不可能的。

而霍金，却认为研究奇点的时候，必须把相对论和量子力学结合起来。

根据广义相对论，宇宙只有两种可能，要么存在无限长的时间，要么就以奇点为开端。但如果把量子力学引进来之后，就会出现一种新的可能：一个“有限无界”的宇宙。

什么意思呢，就是时空有限，但是没有边界。

就像地球，体积是恒定的，但我们无论向哪里走，都还是在地球上。

无边界宇宙模型里的宇宙，是一个时空交织的四维宇宙。

在这个宇宙中，时空就像是地球的表面，在范围上是有限的，但却没有形成边界，也没有形成奇点。

这个宇宙是完全自给自足的，不受任何外在事物影响，也没有创生和消失的时刻，它就是存在本身。

当然，这只是一个设想，目前主流的宇宙模型，仍然是大宇宙爆炸模型。

七、几点启示

1，只要不是科学家，我们普通人看待物理理论，相对论也好，奇点也好，实际上都是感性的，是从哲学角度来理解的；

2，真正的科学理论，一定能够用数学语言来表达，并且勇于接受检验；

3，科学从不认为自己穷尽了真理，也不认为可以解释一切，只是对事物的认知迈进了一步；

4，我们崇尚科学，不是对每一个既定公式顶礼膜拜，而是既谦逊又敢于怀疑，始终仰望星空，不停探索。

所以，还是认为我们生活在一个真实世界更好一些！