——纪念大爆炸宇宙学诞生60周年

 

    今年是热大爆炸宇宙学诞生60周年。按照我国的习俗，60周年是一个甲子，理当很好纪念。

    60年前的4月（1948年4月），物理学家阿尔弗、贝特和伽莫夫，在美国著名科学期刊《物理评论》上联名发表了一篇文章。三位物理学家的名字分开来或许并不怎样引起人们的注目，但是合在一起却依次是希腊文前三个字母α、β、γ的谐音，他们幽默地把这篇论文取名为《α、β、γ理论》，意指它是关于宇宙“开头”、“原初”的理论。可以说，这是一篇关于热大爆炸宇宙学最早的科学论文，开创了研究早期宇宙的先河。

    在这篇论文里，他们利用当时已经很成熟的核物理学理论和热力学理论，通过计算，给出了宇宙起源于原初火球的假说：在遥远过去的某个时刻，无所不包的宇宙还只是一个密度和温度都是非常高非常高的“火球”，这个“火球”其实是挤得紧紧的粒子和辐射的“海洋”。一刹那，它爆炸了，整个“火球”在膨胀，温度在降低，粒子和粒子之间的距离在拉大，渐渐形成今天所观测到的宇宙。他们认为，现在的宇宙应当到处存在大爆炸时刻遗留下的、温度在5K左右的背景辐射。

   《α、β、γ理论》提出之初曾遭受到不少学界同行的质疑和批评，在一段较长的时间里，“宇宙大爆炸”只是被用来讥讽《α、β、γ理论》的贬义词。

今天看来，当年对《α、β、γ理论》的质疑并非毫无道理，《α、β、γ理论》的一些结论确实并不完全正确，甚至有些是错误的。但是，《α、β、γ理论》对于研究早期宇宙的理论价值和开创性意义是无论如何也抹煞不了的。

    现在整整60年过去了，“宇宙大爆炸”也早从贬义词转变成一个真正意义上的科学词汇。在几代科学家的不懈努力下，《α、β、γ理论》已发展成为被学界同行称之为“标准模型”的热大爆炸宇宙学（以下简称为大爆炸宇宙学）。中间经历了许多局外人鲜为知道的沉浮和曲折。面对质疑、批评和反对，致力于早期宇宙研究的科学家们，不断寻找新的实验和观测事实，不断改进理论，对早期宇宙才有了今天的认识。大爆炸宇宙学已成为研究早期宇宙最为有效的理论工具之一，并跻身为当代科学的前沿。

    前年（2006年）的诺贝尔物理学奖授予从事与大爆炸宇宙学相关观测研究的美国宇航局戈达德航天研究中心的约翰·马瑟（ John Mather）和加利福尼亚大学伯克利分校的教授乔治·斯穆特（George F. Smoot）。这一奖项的颁发不仅是对马瑟和斯穆特研究工作的肯定，也是对大爆炸宇宙学的肯定。

    了解大爆炸宇宙学，不仅能使我们长知识，明事理，树立辩证的科学观，而且能让我们领略到大爆炸宇宙学研究中凸现出的科学精神，体会到科学和科学精神两者的不可分割性。

    首先，科学家面对无边无际的宇宙，勇于探索和善于探索，大胆提出建立在现有科学原理基础上的假说，是科学精神表现之一。

    热大爆炸宇宙学是关于早期宇宙的科学，它要回答的是宇宙如何起源、宇宙为什么有今天这样的结构等问题。这些问题虽然自有人类以来就在思考，但很长的岁月里是以神话方式或哲学方式解构的。研究早期宇宙，对于多数科学家来说不以为然。正如诺贝尔物理学奖获得者温伯格所说，涉及宇宙起源的早期宇宙在当时是大多数“物理学家很难认真对待”的问题。特别是作为已经在物理学领域有很深造诣的阿尔弗、贝特和伽莫夫，敢于提出关于宇宙起源的假说是需要勇气的，而这个勇气来源于他们深厚的科学理论底蕴和敏锐的洞察力。

    其次，求真求实、开展实证研究是早期宇宙研究中科学精神表现之二。

阿尔弗、贝特和伽莫夫关于早期宇宙的假说刚提出就在科学界内部遭到强烈质疑。在质疑者看来，根据当时对天体距离测量的认识，他们假说中给出的宇宙年龄只有10亿“岁”，比太阳系的年龄还小，这怎么可能呢。他们还认为大爆炸假说中的预言实际上是无法验证的，因为无边无际的宇宙怎样去测量它的背景辐射和温度呢？按照当时的科学技术水平，多数人认为要测量宇宙的背景辐射和温度等于是句空话。直至1965年美国射电工程师彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙早期遗留下的背景辐射，科学家们才全面接受了早期宇宙的思想，“宇宙从哪里来”这个问题才真正从哲学领域转到了科学领域。自那以后，科学家继续精益求精地观测背景辐射，采用了高空气球、空间探测器等先进的技术手段，在实证研究的基础上获得了关于背景辐射的更多更细致的信息，对宇宙的认识也日趋深入。马瑟和斯穆特正是这些实证科学家中的佼佼者，他们的研究终使宇宙学成为精确科学。

    其三，理性和反思是早期宇宙研究中科学精神表现之三。

    从《α、β、γ理论》，发展到今天的大爆炸宇宙学，是一个不断提出新观点不断反思的过程。最初的一些不正确的观点和提法，现在已经被暴涨宇宙论以及量子宇宙论的观点所替代。1979年，为纪念爱因斯坦诞生100周年而出版的学术论文集中有一篇物理学家皮伯斯写的论文，论文中理性反思了当时热大爆炸宇宙学中无法解释的两大问题，即宇宙为什么是均匀的和为什么是平直的。对这两个问题的深入思考直接导致了暴涨宇宙理论的提出以及发射COBE卫星实现对背景辐射的精密观测。

    最后，早期宇宙研究中的科学精神还表现在科学家充分认识到对宇宙的探索不会中止，今天的成果只是新探索的奠基石。例如，尽管大爆炸宇宙学已经取得了很大成就，但是科学家还是认为这只是在认识宇宙道路上迈出的第一步。宇宙诞生的早期，特别是宇宙大爆炸的那一时刻，有许多细节还很不清楚，宇宙中星系的形成还有许多谜有待解开，一个统一的宇宙学理论还很遥远。诺贝尔物理学奖获得者温伯格说过，热大爆炸宇宙理论“可能部分错误，甚至全盘皆非。但它的重要性不在于它一定正确，而在于它为汇集和研究大量的各种各样的观测资料提供了一个共同的基础”，从一个理论的角度“来讨论这些观测资料，我们就能由此开始去了解它们对于宇宙论的意义”。

    科学精神伴随着早期宇宙的研究，早期宇宙的研究发扬着科学精神，这正是科学的宇宙学与形形式式非科学、伪科学的本质区别。