中央電視臺[探索發(fā)現(xiàn)]科普電視片《宇宙大爆炸》（解說詞記錄）4-1
2006年12月3日瑞典斯德哥爾摩瑞典皇家科學(xué)院宣布，將本年度諾貝爾物理學(xué)獎授予美國科學(xué)家約翰·馬瑟和喬治·斯穆特，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射的黑體譜形及其溫度在空間不同方向的微小變化，他們用COBE衛(wèi)星進行的精確觀測為宇宙起源的大爆炸理論提供了有力支持。大爆炸理論的確立終于使人們對宇宙的起源有了接近一致的認識。
什么是大爆炸？關(guān)于宇宙的起源人類在認知上又經(jīng)歷了怎樣的歷程呢？
第一集
我們在宇宙中處于怎樣的位置？宇宙有沒有起源？如果有，它怎樣起源？
幾千年來人類觀察宇宙的手段，從肉眼發(fā)展到望遠鏡和人造衛(wèi)星……視野從太陽系擴展到銀河系和河外星系，而對宇宙的認識則經(jīng)歷了蒙昧?xí)r期的神話、古代哲人的猜測、文藝復(fù)興以來的科學(xué)革命，直到20世紀現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生。
這是一張現(xiàn)代宇宙學(xué)的標準模型圖。這個大爆炸的理論認為，約140億年前宇宙從極端高溫高密的一個點起源，隨著體積的膨脹和溫度的下降，以質(zhì)子、中子等基本粒子形態(tài)存在的物質(zhì)，首先結(jié)合形成氘、氚、氦等較輕的元素。隨后進一步冷卻形成恒星。在恒星內(nèi)部合成碳、氧、硅、鐵等更重的元素，再拋射到周圍形成行星。最后在如地球這樣條件適合的行星上演化出生命，成為目前的宇宙。
宇宙有一個開端的想法并不新鮮。圣經(jīng)中就描繪了上帝用七天創(chuàng)造世界的故事。
三國時徐整所著的《三五歷記》記錄了盤古開天辟地的神話。徐整在《三五歷記》中說：“未有天地之時，混沌狀如雞子，盤古生其中一萬八千歲。天地開辟，陽清為天，陰濁為地。”天每日升高一丈，地每日下沉一丈，盤古在中間每日長高一丈。這樣過了一萬八千年，天變得非常高，地變得非常深，天地之間相隔九萬里。
“當(dāng)然這些數(shù)據(jù)是沒有什么科學(xué)根據(jù)，是一種想象。但是從觀念上來講它有一個膨脹的速度，地是在膨脹的。而且有一個時間，有一個天地的年齡是一萬八千年。現(xiàn)在天和地有多遠呢？九萬里，還有數(shù)據(jù)。這種觀念跟我們現(xiàn)在的大爆炸學(xué)說是非常一致的。”
公元前五世紀愛琴海的薩摩斯島上有一位發(fā)明了幾何學(xué)中勾股定理的數(shù)學(xué)天才畢達哥拉斯。畢達哥拉斯從球形是最完美幾何體的觀點出發(fā)，認為大地是球形的，而且所有天體都是球形，它們的運動是勻速圓周運動。地球處于宇宙的中心，周圍是空氣和云，往外是太陽、月亮、行星做勻速圓周運動的地方，再外是恒星所在之處，最外面是永不熄滅的天火。畢達哥拉斯的宇宙模型，并沒有說明地球有多大，日、月、星辰離地球有多遠？
最早根據(jù)實測數(shù)據(jù)算出地球大小的人，是公元前三世紀的希臘天文學(xué)家埃拉托西尼。埃拉托西尼生活的地方是埃及的亞歷山大港。“埃拉托西尼他當(dāng)時已經(jīng)知道地球是球形的。他聽說在阿斯旺附近有一口深井，在每年夏至的時候太陽光可以直接射到這個井的底部，這說明太陽光在當(dāng)?shù)厥谴怪比肷涞摹Ｈ缓笏驮趤啔v山大，這是埃及北方的一個城市，找了一個方尖塔。他在夏至的那一天測量了斜入射的太陽光與垂直于當(dāng)?shù)氐孛娴姆郊馑g的角度。這個角度實際上就是從阿斯旺到亞歷山大這一段距離，相當(dāng)于地球的一段弧長，這一段弧長所對應(yīng)的圓心角那個度數(shù)。當(dāng)時他測得的是7度多一點，也就是說相當(dāng)于一個圓周角的大約50分之一，就是360度的50分之一。那這樣這一段弧長，也就是說從阿斯旺到亞歷山大的距離，也就相當(dāng)于地球周長的50分之一。這樣，如果他知道了從阿斯旺到亞歷山大的距離，他（將這個距離）乘以50，那就是地球的周長。埃拉托西尼的結(jié)果呢，相當(dāng)于3萬9千多千米，跟我們現(xiàn)在知道的4萬千米幾乎相差無幾。”
月球離地球有多遠呢？當(dāng)時希臘人已經(jīng)猜測到月食是因為地球走到太陽與月球之間而引起的。出生于薩摩斯島的阿利斯塔克提出測量月食時掠過月面的地影與月球的相對大小，利用幾何學(xué)方法可以算出以地球直徑為單位的地球至月球的距離。
公元前150年古希臘又出了一位叫依巴谷的天文學(xué)家。依巴谷重復(fù)了這項工作。依巴谷得出地球到月球距離是地球直徑的30倍。根據(jù)埃拉托西尼求得的地球直徑計算，月球到地球的距離約等于38萬公里。他還同時得出了地球與太陽的距離?！八涝谠虑?，它的一半兒被太陽光照亮的時候，也就是我們所說的弦月的時候，在這個時候，地球、月球和太陽組成一個直角三角形。那么地球到月球之間呢，相當(dāng)于一個短的直角邊，地球到太陽之間呢，相當(dāng)于一條斜邊。他利用這個三角關(guān)系，他測得的結(jié)果是87度。實際上那個夾角應(yīng)該是89度還要多，非常接近于90度。所以說他的結(jié)果，地球到太陽的距離是地球到月球距離的19倍，這個跟現(xiàn)代的結(jié)果是差了很多的。所以說，這樣實際上就是說已經(jīng)知道，既然它很遠，所以太陽就是個很大的天體。所以說，不大可能出現(xiàn)這種情況，一個很大的天體圍繞著一個很小的天體來運行。只能是一個小的天體圍繞一個大的天體來運行。所以這里面已經(jīng)隱含了日心說這樣的概念。”
公元140年埃及的亞歷山大城里出了一位希臘裔的天文學(xué)家，他的名字叫托勒密。他提出了一個完整的地心體系?！巴欣彰芫桶衙總€看見的這七個天體，日、月、金木水火土七個天體都認為它們是沿著各自對離地球不同距離的這個各自的軌道，沿軌道，然后大家都是東升西落，都是順時針方向運轉(zhuǎn)。但是怎么解釋它們還有的時候，還每天，還逐日的，還從西往東走呢？而且大家走的速度又不完全一樣呢？那么他們托勒密為了要解釋觀察到的天體的運動，就把它們圍繞著地（球）運轉(zhuǎn)的軌道稱之為本輪。為了要更好地描述它們，除了從東往西，而且它還在天球上，還又有從西往東，而且又有停，又有快速的運動，不同速度的運動，所以他們就以每個天體的本輪之上，又有一個在本輪上頭又有一個小圈，叫做均輪。除了沿著本輪運動，它還在那個小圈上打轉(zhuǎn)。這個就是被認為是托勒密的地心說。他用本輪，天體的本輪跟均輪來解釋，很好地解釋了天體的運動。”
然而到十六世紀的時候，有一個人站出來表達了相反的觀點。他認為是地球繞太陽，而不是太陽繞地球旋轉(zhuǎn)。這個勇敢的人就是波蘭天文學(xué)家尼古拉·哥白尼?！八J為宇宙應(yīng)該是簡單的、和諧的，而弄成了極端復(fù)雜的，不是一般復(fù)雜，極端復(fù)雜的本輪跟均輪，他認為不符合于宇宙的本原。他提出了一個非常大膽的一個理念，就是如果宇宙的中心不是大地，換一下，如果把太陽擱在中間，包括大地在內(nèi)的都變成了圍太陽運轉(zhuǎn)，以原軌道逆時針方向運轉(zhuǎn)的，其他的五個大行星，加上地球，加上月亮，都變成了圍繞著太陽運轉(zhuǎn)。而月亮不僅圍繞著太陽運轉(zhuǎn)，而且首先圍繞著地球運轉(zhuǎn)。如果是這樣的話，完全不需要均輪?！?/span>
誠如后人所說, 哥白尼的日心體系改寫了托勒密延續(xù)千年的宇宙模型，開啟了宇宙學(xué)革命性的一刻。然而哥白尼仍然沿襲了托勒密體系中行星以勻速做圓周運動的思想。哥白尼死后66年，德國天文學(xué)家開普勒為太陽中心說找到了新的證據(jù)。1609年開普勒在《新天文學(xué)》一書中宣布，他用丹麥天文學(xué)家第谷留下的精密觀測資料，發(fā)現(xiàn)行星是沿著橢圓軌道圍繞太陽運動。開普勒的發(fā)現(xiàn)打破了天體必須做勻速圓周運動的傳統(tǒng)觀點，并徹底消除了哥白尼體系中的本輪和均輪。
幾乎與此同時，另一位科學(xué)家的發(fā)現(xiàn)宣告了地心說的終結(jié)。1609年底的一天，意大利物理學(xué)家伽利略聽說市場上在出售一件有趣的東西——一根鑲有玻璃片的管子，這件被當(dāng)成玩具出售的東西出自荷蘭。伽利略把這件玩具改裝成一架口徑4.4厘米、長1.2米、放大率32倍的望遠鏡。他開始用望遠鏡來觀察天體?！八紫扔^測了一些太陽啊、月亮啊這些比較近的天體。他就看見太陽上面有黑子，有黑點。月亮上面是有一些環(huán)形山，還有一些陡峭的峽谷。這樣就和平常過去認為這個天體都是非常光滑、是渾圓的，所以這樣是很完美的，那么這樣看起來實際上天體并不那么完美。這時候跟傳統(tǒng)的觀念有很大的不同了。所以伽利略就懷疑這些傳統(tǒng)觀念是不是對？”伽利略接著開始觀察水星與火星，最終他被木星吸引住了。從1610年1月起伽利略連續(xù)觀察木星。他有了一個驚人的發(fā)現(xiàn)，伽利略看到在木星周圍有四個暗弱的星體在圍繞著它運轉(zhuǎn)。這四顆衛(wèi)星后來被稱為伽利略衛(wèi)星。它們的發(fā)現(xiàn)宣告了托勒密地心宇宙體系的終結(jié)。因為人類第一次發(fā)現(xiàn)了有天體圍繞著不是地球的行星在運行。地球是宇宙中心的說法再也說不通了。
自伽利略發(fā)明望遠鏡后，對宇宙的觀測便日新月異。望遠鏡能夠發(fā)展到今天的水平，還得感謝牛頓對它的改進。牛頓生于1642年。1661年他離開家鄉(xiāng)伍爾索普前往劍橋大學(xué)三一學(xué)院，于1665年畢業(yè)。隨后的18個月他回到家鄉(xiāng)躲避瘟疫，研習(xí)數(shù)學(xué)，發(fā)明了微積分。1667年牛頓回到劍橋，于次年成為劍橋大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)教授。不久牛頓著手對伽利略的望遠鏡進行了改良。他在里面加了一片平面的反光鏡，這使得鏡筒變短，并觀察到更清晰的圖象。后來巨型的望遠鏡就是在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。正是這項發(fā)明引起了皇家學(xué)會對牛頓工作的注意。已經(jīng)得享大名的牛頓開始思考運動定律以及物體如何移動的問題。
“伽利略和開普勒的研究結(jié)果，都支持哥白尼的學(xué)說，但是哥白尼的學(xué)說還有一個沒有解決的問題，就是究竟是什么原因維持著這些天體的運動？開普勒曾經(jīng)猜想，也許是磁力造成的這種運動。但是真正解決這個問題的是牛頓。牛頓認為可能支持這種運動的是重力，也就是比如說地球?qū)Φ厍蛏系奈矬w的一種往下的一個很強的牽引力?！边@個重力就是萬有引力。由于萬有引力，一個大質(zhì)量的物體才可以把一個較小的物體吸引到自身上來。所以蘋果才會從樹上落下來?！芭ｎD把他的理論應(yīng)用于天體的研究。他發(fā)現(xiàn)包括月球和行星的運動都可以通過嚴格的數(shù)學(xué)計算和推導(dǎo)得出來。這樣他就終于證實萬有引力是維持天體運動的原因。這些結(jié)果發(fā)表在他的《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中。從此日心說的建立就有了堅實的理論基礎(chǔ)?！?/span>
托勒密的宇宙模型到牛頓時被徹底抹去了。牛頓認為是萬有引力支配著宇宙，也是萬有引力使得人能夠站在移動的地球上。萬有引力讓宇宙中所有的行星保持運動，宇宙也因此而永恒不變。
17至18世紀望遠鏡性能有了長足的進步，天體方位的測量精度提高了幾十倍。1716年英國天文學(xué)家哈雷提出利用金星凌日的機會來測量太陽和地球的距離，方法是當(dāng)金星走到太陽與地球之間時，從地球上不同的兩個地方同時觀測金星投射到太陽圓面兩點的軌跡，由此即可推算出太陽與地球的距離?？上Ы鹦橇枞帐趾币?。直到1772年法國天文學(xué)家潘格雷在分析了1769年金星凌日時，各國天文學(xué)家的全部觀測資料后得出太陽與地球的距離為1.5億公里，才實現(xiàn)了這一設(shè)想。
得知太陽和地球的距離以后，測算恒星距離的想法也因而產(chǎn)生。用什么樣的方法才能測出遙遠恒星的距離呢？最早嘗試的一個人是伽利略。
“恒星看來離我們非常之遠，遠比行星要遠得多。但是究竟有多遠呢？我們能不能測定它的距離呢？他認為是可能的。他提出一個方法來。由于地球圍繞著太陽運轉(zhuǎn)，如果我們把地球圍繞著太陽運轉(zhuǎn)的軌道兩端作為兩個觀測點。在這端去觀測一下我所要的恒星，半年之后再到這端再看那顆星，他就會在遙遠更遠的恒星背景上看到這顆星有移動，這就是三角測量?！?/span>
這個方法原理雖然簡單，但由于恒星距離太遠，實測非常困難。許多天文學(xué)家多次努力都未獲成功。
直到1836年以后，三位不同國籍的天文學(xué)家才根據(jù)伽利略的方法成功地對恒星距離進行了測算。然而一開始他們遇到的難題和前人一樣，那就是天上的恒星很多，應(yīng)該選擇哪顆恒星才更方便測算呢？“他們選的對象是這樣子，他們就說，如果天上的恒星，本身的亮度也就叫光度差不多，大家都是譬如說，你是100瓦燈泡，它也是100瓦燈泡，大家本身的光度差不多，那么誰最近，誰就更亮。因此它們就在天上選了比較亮的星。認為比較亮的星可能是更近、更容易測。”
這三位天文學(xué)家當(dāng)中有一個俄國人，名叫斯特魯維。斯特魯維用一臺德國光學(xué)家夫朗和費制作的高品質(zhì)望遠鏡對星空進行觀測，他發(fā)現(xiàn)哪顆恒星移動的位置最大就表明它離我們最近，光度也越亮，觀測的精度也最高。斯特魯維將望遠鏡對準了織女星和鄰近一顆暗星的相對位置，他測出織女星的視差為0.125角秒,所謂角秒即是以地球為直徑進行三角測量時在不同位置和時間所得出的角度距離。1角秒視差對應(yīng)的距離是太陽到地球距離的20萬倍，這稱為1秒差距。離我們最近的恒星視差為0.76角秒,距離地球大約4.3光年, 恒星的距離就這樣算出來了。
“他們才發(fā)現(xiàn)原來恒星的距離遠比伽利略要想的遠得多。譬如說織女星，現(xiàn)在我們知道它離我們26光年。那就是說織女星現(xiàn)在發(fā)出的光要過26年以后才能到達地球。恒星真正是遠啦?！?/span>
一位定居英國的德國人威廉·赫歇爾提出了估計恒星距離的另一種方法。威廉·赫歇爾認為假如所有恒星的真正亮度與太陽相同，那么看上去亮度越暗的距離就應(yīng)該越遠。威廉·赫歇爾用這種方法估計銀河系的范圍至少為2600光年。從此人類的視野從太陽系擴展到了更為廣闊的宇宙空間。
望遠鏡在宇宙探索中取得的成就，促使人們不斷努力提高它的性能。
這里是愛爾蘭中部的比爾城堡。1845年第三代羅斯伯爵威廉·帕森斯在這里建造了一架口徑1.8米、重達10噸的望遠鏡。牛頓的時代望遠鏡的鏡片很小，只能看到月亮、太陽和一些行星。而羅斯伯爵的這架望遠鏡鏡片的直徑足有1.8288米寬，它是當(dāng)時世界上最大和倍率最高的望遠鏡。使用這架望遠鏡，帕森斯伯爵看到了一個星旋渦狀的美麗星云。
英國皇家天文學(xué)會極為重視羅斯伯爵的發(fā)現(xiàn)。在這個學(xué)會1850年的記錄里，我們看到了這個旋渦星系的素描畫。這是有史以來人類首次觀測到旋渦星系。天文學(xué)家們后來了解到這個旋渦星系的距離為2100萬光年，遠遠超出了銀河系10萬光年的范圍。
無論在托勒密還是哥白尼的體系中，恒星都是固定在天球上不動的，但是天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，事實并非如此。1718年哈雷把他測定的大角星和天狼星的方位與1500年前托勒密的觀測結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)這兩顆星有了明顯位移。這是怎么回事呢？
“這個恒星它并不是在天球上固定的水晶球似的，它實際上在萬有引力的作用下會運動。那么這個運動，在空間的運動，我們可以把它分解成兩個成分，一個就是在我們天體和我們之間的連線上運動，我們叫做視向運動；另外一個方向呢，就是和這個方向垂直的，就是通常我們看到在天球上的移動。這個移動是對于比較遙遠恒星的一個背景來說的，那么是一個角度，相當(dāng)于100年它走了多久？走了多少角秒？很小，一般也是很難測的。但是總可以測出來。但是在視向方向的速度在當(dāng)時就沒有什么辦法。”
1842年在維也納，一個名叫多普勒的奧地利物理學(xué)家發(fā)表了一篇討論雙星顏色的論文。他認為如果有兩顆恒星在萬有引力的作用下圍繞同一軌道運行，其中一顆朝向我們運動，而另一顆則遠離我們運動。若讓來自這兩顆星的光通過三棱鏡仔細觀察它們的光譜就會發(fā)現(xiàn)，不僅光的波長有變化，光的顏色也完全不同。宇宙的秘密就隱藏在這光線里。
最初發(fā)現(xiàn)這一奧秘的人是德國光學(xué)家約瑟夫·馮·夫朗和費。夫朗和費是德國的一個玻璃透鏡制造家。1816年的一天，他在測試用來制造透鏡的光學(xué)玻璃的時候看到一個問題。他發(fā)現(xiàn)在使用人造光源時會有一些不尋常的現(xiàn)象出現(xiàn)。于是他想看一看若是以太陽光作光源，在太陽光被折射的多色光譜中會不會有相同的現(xiàn)象發(fā)生？在一個隔絕了光線的房間里，陽光穿過窗簾的一角，投射在三棱鏡上。夫朗和費看到在光譜中存在著許許多多清晰的線。其中有明顯的暗線，還有一些不太清楚的比較淡的線。夫朗和費發(fā)現(xiàn)這些光譜中所產(chǎn)生的線與人造光源下的譜線分布完全相符。他意識到在這些被折射的光譜中隱藏著發(fā)出這些譜線的化學(xué)元素的指紋。只要對這些指紋加以考察，就能鑒別出這些譜線是由什么元素構(gòu)成的？一種尋找宇宙秘密的奇方妙法就這樣被找到了。
然而真正使這些譜線的意義為科學(xué)家所了解的人還是克里斯蒂安·多普勒。
“他也寫了篇文章，叫做《論雙星的運動》。雙星就是兩顆星在萬有引力下互相繞轉(zhuǎn)，如果這個軌道跟我們的視線方向是側(cè)對著的情況下，這個運動的情況就是有一顆星是向著我們來的，有一顆星遠離我們而去。那么這個雙星發(fā)出的光，它是一種波動，那么這個波長就會發(fā)生變化。向著我們來的呢，波長就相對壓縮了，這個頻率就變高了。離開我們而去的，波長是拉長了，這樣就是在顏色上就會顯示出來。因為長波就是發(fā)紅的，短波是發(fā)藍的。如果有這樣的變化，那就是可以看出來，它是不是運動了，就是運動速度有多大？”
用宇宙中星球所發(fā)出的譜線來測量和觀察星體的不同運動方向，是多普勒運用夫朗和費線的一個創(chuàng)造。如果光源在向我們接近，夫朗和費線就會向光譜的藍端移動，這叫藍位移。如果光源在后退，這些譜線會向光譜的紅端移動，這叫紅位移。
78年以后，美國天文學(xué)家哈勃運用光譜位移的原理，在宇宙觀察上作出了重大發(fā)現(xiàn)。然而因為星體位移，光線也會隨之不同的現(xiàn)象，在我們的日常生活中無法觀察到，這是因為光的運動速度太快，以現(xiàn)有的技術(shù)無法測量和觀察的緣故。但是我們在聲音上可以體驗到相同的結(jié)果。當(dāng)一列火車向我們駛來的時候，汽笛聲調(diào)很高，這是因為聲源在接近的時候波長被壓縮，頻率變高，聲調(diào)也因而變高；而當(dāng)火車離開的時候，汽笛聲調(diào)隨之變低，這是因為聲源遠離時，波長被拉長，頻率變低，因而聲調(diào)也隨之變低。這就是多普勒效應(yīng)，或稱多普勒位移。
1859年英國天文學(xué)家威廉·哈金斯用一臺裝有高色散分光儀的20厘米望遠鏡開始觀測一些亮星的光譜，并在其中找出了鈉、鈣、鎂等化學(xué)元素的譜線。1868年他利用多普勒效應(yīng)，首次從譜線的微小位移，測出了天狼星的視向速度。1880年前后哈金斯對太陽光譜中構(gòu)成譜線的化學(xué)元素進行分析，以了解太陽和恒星都是由何種成分構(gòu)成的？哈金斯發(fā)現(xiàn)太陽和恒星的光譜線中都有著清晰的氫和氦的特征線，于是他得出結(jié)論，太陽和恒星主要是由氫和氦構(gòu)成的。這一發(fā)現(xiàn)等于宣告太陽只不過是宇宙中一顆普通的恒星。
人類也因此徹底了解到，地球不是宇宙的中心，太陽也同樣不是宇宙的中心。
