一、廣義相對論，開的不僅是一個腦洞

上個世紀初，愛因斯坦提出了廣義相對論，認為牛頓的萬有引力，實際上是物體彎曲了時空。

他作了一個很有趣的比喻，時空就像一張蹦床，如果放一個比較重的球，“蹦床”表面就會凹陷；如果重球旁邊有小球，都會向這個凹陷滾動。

由這個理論，愛因斯坦推斷，太陽質量這麼大，其他恆星發出的光，落進太陽形成的時空凹陷裡，一定會彎曲。

後來，這個推斷被英國科學家愛丁頓證實，他不僅觀測到了太陽背後的恆星，而且計算出的光線偏轉角度，與愛因斯坦廣義相對論預測的幾乎一模一樣。

一個預測能夠用數學表達，並被觀測證實，這才叫科學。

那廣義相對論怎麼跟宇宙大爆炸聯絡起來了呢？

廣義相對論被證實了科學性之後，愛因斯坦又用這個理論計算宇宙執行的方式，不算不知道，一算嚇一跳。

結果顯示，宇宙很不穩定，每個天體都被拉向其他更大質量的天體，直到全部墜入同一個坑內。

宇宙要……自我毀滅？

當時，認為宇宙靜態、穩定的觀點佔主流，愛因斯坦不太相信這個計算，還發明瞭一個宇宙常數，這樣宇宙就穩定了。

然而，他之前的計算是對的，宇宙確實不是靜態的。

對抗天體間引力的，就是宇宙的膨脹。

比利時科學家勒邁特提出，假如宇宙真的在膨脹，那麼今天的宇宙一定比昨天的大，昨天一定比前天大；反過來向前推，那就是越來越小，最後得到一個很小的、緻密的點，也稱為“宇宙蛋”。

這就是大爆炸理論的起點。

二、觀測宇宙膨脹的明亮“燈塔”

我們說過，不能透過觀測、實證檢驗的理論，不算科學。

後來，果然有人觀測到了宇宙的膨脹。

這個人叫哈勃。

這位天文學家提出了著名的哈勃定律，這個定律簡單說就是，宇宙中的天體，離地球越遠，離開地球就越快。這個速度，就是著名的“退行速度”。

而哈勃定律，經常被用來推算遙遠星系的距離。

比如，以前很多人認為仙女座在銀河系裡面，後來透過哈勃定律測算，仙女座到地球的距離大於銀河系的直徑，由此得出結論，仙女座處於另一個星系。

人們觀察宇宙的視野，被大大拓寬了。

那麼，宇宙尺度這麼宏大遙遠，科學家是如何測量的呢？

這就需要一個標記物，一個在暗夜裡還發出強烈光芒的“燈塔”——造父變星。

這種星體不穩定，亮度呈週期性的變化，科學家找到了它閃爍週期的規律，透過這個規律，就能計算出這個星系距離地球的距離。

三、火車出站的汽笛聲，竟然與宇宙有關係？

當一列火車出站時，開始的汽笛聲總是比較尖利，遠去時總是比較低沉。

你沒有聽錯，初中物理就講過，叫做“多普勒”效應。

當火車向你開過來時，聲波波長縮短了，並且速度越快，波長就越短，頻率就越高；反過來，當火車離開你運動時，聲波波長變長了，頻率也變低了。

光同樣如此。科學家們如果能檢測遙遠星系的光譜，計算一下光波的波長，就能知道它們的運動狀態和速度了。

正是靠了這種辦法，科學家發現了紅移現象。

因為紅色是可見光中波長最長的一邊，星系光譜向紅色光方向偏移，說明這些星系都在遠離地球，宇宙確實是越來越大，正是這種膨脹在對抗引力。

進而，科學家又發現了星系與地球的距離、離開地球的速度之間的關係，那就是距離越遠，速度越快。

在最遙遠的地方，退行速度甚至可以超越光速。

就像一個被逐漸吹大的氣球，球面上每個點都在互相遠離對方。

於是，你還可以想象這樣的情景，假如時間突然倒流，宇宙就會用同樣的速度收縮，各個星系以飛快的速度聚攏。

因為遠的快，近的慢，天體會在同一時間回到原點，也就是奇點。

四、宇宙大爆炸理論遇到的挑戰

宇宙大爆炸理論雖然有數學建構，有觀測支撐，但也不是那麼完美。開始的時候，是有兩個很大缺陷的。

一個是“時標困難”。哈勃根據自己找到的規律，推算出算宇宙年齡大約18億歲，而地質科學家檢測發現地球的年齡超過了30億歲。

這怎麼可能？

後來，德國天文學家巴德用大幅提升精度的望遠鏡，發現造父變星其實有兩類，一類熱而明亮，一類比較暗淡，哈勃沒有推測準確，是因為沒有區分這兩類。

重新校準後，星系離地球的距離提高了一倍，宇宙的年齡也大了一倍。

後續科學家們不斷校準，確定宇宙的年齡應該在100億歲到200億歲之間。

雖然誤差如此巨大，但也算解決了大爆炸理論的這個缺陷。

另一個缺陷是“原子丰度”。

請原諒，我在看的時候，腦袋也是懵的，這詞兒整的太硬了。

實際上，原子丰度就是宇宙中各種原子豐富的程度。

比如，地心是由鐵原子組成，地球大氣主要是氮原子和氧原子，太陽則是氫原子和氦原子。

如果宇宙大爆炸產生了時空，那麼，各種原子的數量應該比較均衡才對。

但事實恰好相反。

氫和氦兩種原子佔了宇宙中所有原子的99。9%。

這也太不公平了吧？

有了疑問，就會有科學家解答。

這次是美國核物理學家喬治？伽莫夫。

他提出，宇宙成立之初是一鍋“氫原子湯”，其他原子都是由氫原子透過核反應產生的。

這事說起來簡單，做起來不容易。

他的理論，同樣用數學作為工具，測量得到了宇宙從大爆炸到今天任何時刻的溫度和密度。

五、又一個重要證據

這個證據赫赫有名，在劉慈欣《三體》中也出現過：宇宙微波背景輻射。

宇宙大爆炸之初，到處是光。30萬年後，宇宙溫度下降，一部分光便穿越宇宙向外輻射。

科學家認為，這些光波輻射，即使100多億年後也不會完全消失，這就是“宇宙微波背景輻射”，宇宙大爆炸理論最重要的證據。

但是，這種輻射非常之微弱，僅相當於零下260多攝氏度的天體散發的熱量。

按說，找到這個輻射難度太大了，但在機緣巧合之下，居然讓科學家碰到了。

貝爾實驗室有一臺非常精密的射電天線，主要是接受衛星發回的訊號。科學家們在檢查天線效能時，發現無論哪個方向，都能收到一種微波噪音。

他們用盡辦法排除干擾，包括重新檢查、佈線，清潔天線等等，就是無法消除這個噪音，於是便得出一個結論：這個噪音如同背景音，是天然存在的。

很快，宇宙研究宇宙天文的科學家給出瞭解釋：這個消除不了的微波噪音，就是科學家們苦苦尋找的宇宙背景微波輻射！

六、霍金提出了宇宙大爆炸之外的另一個模型

霍金是贊同宇宙大爆炸理論的，而且與數學家羅傑？彭羅斯，一起提出了“彭羅斯-霍金奇點定理”。

他們用嚴謹數學方法證明了，如果廣義相對論是正確的，而且宇宙中確切有我們觀測到的那麼多恆星、星系等物質，那麼宇宙在很久以前，一定是誕生於一個奇點。

但是，霍金又引入量子理論，提出了一個截然不同的無邊界宇宙模型。

大家都知道，物理學最核心的兩大基礎理論，一個是管宏觀的相對論，另一個是管微觀的量子力學。

但讓人奇怪的是，兩個理論井水不犯河水，用相對論研究粒子，用量子理論研究天體，都是不可能的。

而霍金，卻認為研究奇點的時候，必須把相對論和量子力學結合起來。

根據廣義相對論，宇宙只有兩種可能，要麼存在無限長的時間，要麼就以奇點為開端。但如果把量子力學引進來之後，就會出現一種新的可能：一個“有限無界”的宇宙。

什麼意思呢，就是時空有限，但是沒有邊界。

就像地球，體積是恆定的，但我們無論向哪裡走，都還是在地球上。

無邊界宇宙模型裡的宇宙，是一個時空交織的四維宇宙。

在這個宇宙中，時空就像是地球的表面，在範圍上是有限的，但卻沒有形成邊界，也沒有形成奇點。

這個宇宙是完全自給自足的，不受任何外在事物影響，也沒有創生和消失的時刻，它就是存在本身。

當然，這只是一個設想，目前主流的宇宙模型，仍然是大宇宙爆炸模型。

七、幾點啟示

1，只要不是科學家，我們普通人看待物理理論，相對論也好，奇點也好，實際上都是感性的，是從哲學角度來理解的；

2，真正的科學理論，一定能夠用數學語言來表達，並且勇於接受檢驗；

3，科學從不認為自己窮盡了真理，也不認為可以解釋一切，只是對事物的認知邁進了一步；

4，我們崇尚科學，不是對每一個既定公式頂禮膜拜，而是既謙遜又敢於懷疑，始終仰望星空，不停探索。

所以，還是認為我們生活在一個真實世界更好一些！