前言：什么是宇宙？
战国时期著名的政治家、先秦诸子百家之一的尸佼在其著作《尸子》中提出，“四方上下曰宇，往古来今曰宙”。用今天的话说，“四方上下”指空间，“往古来今”指时间。宇宙，即时空。从古至今，浩瀚无垠的宇宙都激起了人们强烈的好奇心。时间流逝而不复返，在遥远的过去，世界发生过什么？在不可见的未来，一切又何去何从？仰望星空，遥不可及的星辰和一望无际的星空，让人心生敬畏，产生无限遐想。
古人凭借丰富的想象力，在极为有限的观察中，通过神话故事编织出自己的宇宙观。在我国古代，有“盘古开天辟地”的神话，认为宇宙起初是一片混沌，由盘古用斧头劈开黑暗，形成天和地；在西方文明，如古希腊神话中，起初只有卡俄斯（混沌），随后诞生盖亚（大地），世界便由此开始。在众多文明中，日月星辰也时常和神明联系在一起，表现出人们对宇宙、对自然的崇敬。
对于宇宙的结构，古人也是众说纷纭。在我国，有认为“天圆地方”的“盖天说”；有认为天地像鸡蛋，“天之包地，犹壳之裹黄”的浑天说；还有认为宇宙是无限的，“日月众星，自然浮生于虚空之中”的“宣夜说”。
其中，宣夜说与现代天文学、宇宙学的一些观点出奇地相近，使人不由得佩服古人的奇思妙想。在西方，著名的 “地心说”认为宇宙有一个球形外壳，地球位于宇宙中心，日月星辰围绕地球做圆周运动。
然而，古人毕竟缺乏实际观测手段，靠思维想象出来的宇宙难免偏离真相。此外，对宇宙的认识往往受到神学的影响。到了哥白尼提出日心说，以及后来第谷、开普勒、伽利略等人做出开创性的工作之后，关于天文和宇宙的学说才逐渐开始摆脱神学的束缚，用观测、推理、实证的方法来认识世界。牛顿集前人之大成，根据大量的观测和实验数据，创立了经典力学。从此，对天文和宇宙的研究进入科学的时代。
从 18 世纪末到 19 世纪末，应用科学的方法，人们对宇宙的认知得到了快速的发展，对恒星、星系等，都有了一定了解。但是，人们对于宇宙整体的认识还是非常有限。由于历史上的神学等原因，人们相信宇宙是静止、恒定的，以至于 1917 年，爱因斯坦用广义相对论计算发现宇宙不是静态后，在他的方程中加上了一个宇宙学常数项使得宇宙“变得静止”。
1929 年，哈勃发现河外星系光谱的红移大致与它们离我们的距离成正比。这说明这些星系都在朝远离我们的方向运动，并且离我们越远的星系远离我们的速度越快。一个很好的解释是，宇宙在膨胀。
想象图中的线是一根有弹性的绳，绳上标记了几个点；把绳子慢慢拉长，点之间的距离就变长了。假想绳子是一维宇宙，上面生活着一种小人；他们会发现即使各自都静静地待在原地，小人 1 和小人 2 之间的距离也会慢慢变远。并且，由于绳子各处均匀地拉伸，两个小人距离越远，他们之间的绳段越长，远离彼此的速度就越快。这正好符合哈勃的观测。宇宙膨胀的观测事实说明宇宙本身也一直在运动，并非一成不变，颠覆了人们对静态宇宙的信念。这被认为是观测宇宙学上的第一个巨大的成就。
既然宇宙不是静态而是不断膨胀的，那么宇宙过去是什么样子的呢？1946 年，乔治・伽莫夫（George Gamow）提出，宇宙曾经是一个极度高温、致密的状态，经过漫长的膨胀、冷却、演化，成为了我们看到的样子。起初，这个理论非常不受待见，其他理论学家甚至将其戏称为“大爆炸”。没错，这个名字其实是带有嘲讽意味的。有趣的是，日后伽莫夫的理论成为广为接受的宇宙学基本理论时，大家依然把它称为“大爆炸宇宙学模型”。
大爆炸宇宙学提出后经过了将近二十年，直到宇宙微波背景辐射被观测到，才开始被大家接受。早在 1948 年，阿尔弗（A. Alpher）和赫尔曼（R. Herman）根据伽莫夫的理论进行分析并提出，宇宙中应该存在一种各向同性的微波辐射。1964 年，贝尔实验室的无线电工程师彭齐亚斯（A. Penzias）和威尔逊（R. Wilson）发现一种奇特的来自天空的噪声。他们仔细地排除了大气吸收和天线本身的影响，甚至清理了天线内的鸟窝和鸟粪，噪声依然存在。而且无论他们把天线朝向哪个方向，噪声都一样。在持续了一年的观察后，他们发现这种噪声对应于大约 3.5K（开尔文）的黑体辐射。这正是大爆炸宇宙学预言的宇宙微波背景辐射！这被认为是观测宇宙学上的第二个巨大的成就。
至此，人们终于开始重视伽莫夫的理论。如今更精确的观测表明，宇宙微波背景辐射约为 2.725K，四舍五入为 3K，所以也叫 3K 背景辐射。著名科幻小说《三体》中，汪淼看到的“宇宙闪烁”就是三体人影响地球对背景辐射的观测导致的。打开老式电视机，“雪花”噪声中也有少部分是背景辐射贡献的。
大爆炸宇宙学是如何解释宇宙微波背景辐射的呢？我们知道，带电粒子会与电磁场发生相互作用。宇宙早期温度极高时充满了带电粒子，它们会阻碍光子（电磁波）的运动，使其不得自由。当宇宙冷却致温度大约 3000K 时，质子与电子复合成氢原子。此时大部分的光子几乎不与整体呈电中性的氢原子发生相互作用，因此光子获得了自由。这种光子在全宇宙到处都是，它们的频率因为宇宙膨胀产生巨大的红移，降低至微波波段（波长为毫米量级）。
星系光谱红移和宇宙微波背景辐射为现代宇宙学的研究奠定了观测基础，使人类终于可以用科学的方法建立宇宙观。如今，科学家对宇宙的观测已不仅仅局限在电磁波，而是结合宇宙线、引力波等多种信号，获得对宇宙更全面、更精确的认识。
本文来自微信公众号：石头科普工作室 （ID：Dr__Stone），作者：Xylon
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