在漫长的过去时代，由于科学知识和实验手段落后 ，人们对宇宙的认识大多源自直觉经验和神学想象。“地心说”持续了一千多年，主要是因为它符合人们的强烈直觉，可直觉在科学中往往并不可靠。另外，宗教对科学一窍不通，却总想给出不容置疑的终极答案，仿佛那答案真是上帝亲口说的。其实很多科学家都相信宗教，相信有一个造物主存在，但那是一种无形的力量，是对大自然不可知不可解的力的崇拜，你不能去证明或真伪它。没有逻辑推理，不经过实验证实，没有预言， 就不能称之为科学。科学终究是现实主义的。终于在17世纪初，伟大的现代科学导师伽利略提出实验主义的科学观，现代科学才算走上正途。然后到20世纪初，随着量子力学兴起，关于宇宙起源问题才可能做出科学的解释：因为宇宙诞生初期只是充斥大量基本粒子的量子环境，而牛顿力学和相对论无法解释微观粒子世界。目前科学最重要的任务之一，就是把经典力学和量子力学统一起来。也许到那时，我们会有一个更加明朗的宇宙观。

科学是一本书，每一页都继承了前一页。1543年，波兰天文学家哥白尼在《天体运行论》中系统地描述了“日心说”，宇宙似乎比人们以为的要大很多。1609年，意大利物理学家伽利略倡导“实验科学”并发明天文望远镜，为人们瞭望宇宙奠定了技术手段。1687年，英国物理学家牛顿发表《自然哲学的数学原理》，为天体运行规律建立了数学模型。1916年，德国和美国物理学家爱因斯坦提出广义相对论，宇宙的大尺度结构基本建立。1927年，比利时物理学家乔治·勒梅特计算出爱因斯坦场方程的一个解，发现宇宙在不断膨胀。1929年，美国天文学家埃德温·哈勃作出了天文史上最重要的观测，即不管你往哪个方向看，远处的星系都在极速飞离我们，且距离越远飞离越快。1946年，美国物理学家乔治·伽莫夫在前人科学成果的基础上，正式提出“大爆炸宇宙模型”。

（关于科学家的国籍：在科学家的名字前面表明其国籍身份，是科普著作普遍地做法。开始我有些不理解，既然科学家属于全人类，很多读者也都知道他的所属国籍，再去特意写明是否显得啰嗦？后来我明白了，这是非常必要的。科学家不仅属于全人类，更属于他的国家。科学家成长的环境，所接受的教育和文化熏陶对于他的成才至关重要，所以科普作品理应表明科学家的国籍身份，以此表示对培养他的国家的尊重与祝贺，这是一份荣耀。因为我们写的是历史，就更有必要表达这种尊重。另外顺便一提的是，相比科学领域，人文领域又是不同的情况，几乎每个国家都有被伤害的文学家、艺术家和知识分子。比起追求物的真理，追求人的真理会遇到很多其他阻碍。）

其实最早的时候，爱因斯坦就根据他的方程计算出宇宙不是静态的，但他不相信动态宇宙模型，人为地加入了一个宇宙常数，使静态宇宙在数学中成为可能。爱因斯坦不相信自己的理论结果，但俄国宇宙学家亚历山大·弗里德曼却愿意相信。后来哈勃的观测，以无可辩驳的证据说明宇宙确实在膨胀，爱因斯坦很快便修正了自己的理论，并称这是他一生中最大的错误。但蹊跷的是，后来暗物质的发现，爱因斯坦的宇宙常数似乎又是对的。

在“大爆炸”之前，我们先来谈谈宇宙模型。所谓宇宙模型，就是对宇宙大尺度结构和演化的理论描述。宇宙模型是建立在现代科学成果和观测实证之上的宇宙学理论，在此之前，关于宇宙演化尤其宇宙起源的问题，多半都与“神创论”有关。后来随着科学发展特别是量子力学的兴起，人们对宇宙才有了科学认识，从而诞生了数种宇宙模型：主要有相对论宇宙模型、等级宇宙模型、稳恒态宇宙模型等和大爆炸宇宙模型。其中受到广泛赞同的便是大爆炸宇宙模型，后来和暴涨理论（大爆炸的修正理论）一起被称为标准宇宙模型。大爆炸理论刚提出时，因为观点新奇曾受到很大怀疑，“爆炸”一词最初就来自于反对者的讥讽，说宇宙的诞生像一次大爆炸，这未免荒唐！可讽刺归讽刺，科学终归要讲证据。后来越来越多的观测倾向宇宙的起源确实就像一次“爆炸”，这一俗称索性也就沿用了下来，成为正式的科学术语。这里需要强调的是，“爆炸”一词仍是比喻性的，它和我们理解中的炸弹爆炸不同。最主要的区别是：我们认为的爆炸是在已有空间中进行，而大爆炸是先有爆炸而后产生空间和时间。空间的极具膨胀，仿佛爆炸一般。

一个科学理论被广泛接受，一定是得到了有力的观测证实。支持大爆炸模型最主要的证据有两个：哈勃–勒梅特定律和宇宙微波背景辐射。

哈勃–勒梅特定律原称哈勃定律，指遥远星系的退行速度与它们和地球的距离成正比，2018年10月正式更为现名，以纪念更早发现宇宙膨胀的天文学家乔治·勒梅特。根据多普勒效应，波源和观测者的位置变化会引起波的频率高低变化，表现为光谱中的谱线红移（远离）或蓝移（靠近）。哈勃观测到，所有的星系光谱都具有多普勒红移性质，且移动距离和它们与观测者之间的距离成正比，换句话说，宇宙在膨胀，如果膨胀倒退回去，宇宙似乎就有一个最初的开端，这与大爆炸模型预言一致。

1964年，贝尔实验室的工程师 Arno Penzias和Robert Wilson 正在调试一台高灵敏天线系统，他们发现无论怎么操作，都有一种背景噪声存在。根据大爆炸学说预言，在爆炸发生后约38万年，光子得以在宇宙中自由穿行，宇宙的膨胀-冷却会使这些光子能量越来越低，至今已微弱到约3K的黑体辐射，很难被探测到。两位科学家捕捉的背景噪声正是大爆炸理论所预言的宇宙微波背景辐射，他们偶然发现了创世纪后的第一缕光。

138亿前的某一时刻，“宇宙”中发生了一次大事件，时间和空间由此诞生。那是什么力量启动了这一下？也许是自然轮回：根据能量守恒，能量不会凭空产生也不会凭空消失，大爆炸这么大的能量来源非上一个宇宙的坍塌不可。这么说，宇宙似乎是循序往复的，但它总有一个源头。也许源头和因果是我们人类的思维，造物主并不需要。总之，这是宇宙中最高的机密，人类无从知晓，只能退求其次，推测大爆炸发生后的宇宙图景。

如果不考虑大爆炸之前，宇宙的诞生是一个从无到有，从微观到宏观，从热到冷再到热的过程。这个过程大概分为四个阶段：宇宙汤时期、粒子时期、星系时期和星球时期。

当大爆炸发生的时间趋近0妙时，宇宙的温度和密度无限之高，现行物理定律失效。然后在极短时间内，宇宙发生了暴涨，扩张了极大倍，此时的宇宙处于“汤”时期，包含着无数夸克和胶子。大爆炸后的大约1秒钟，宇宙温度降低至约100亿度，此时的宇宙主要包含光子、电子和中微子，以及它们的反粒子，还有一些质子和中子。大爆炸后大约100秒，宇宙温度降到了约10亿度，质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引，开始结合产生氘的原子核。大爆炸后的几个钟头之内，氦和其他元素的产生就停止了。之后在100万年左右，宇宙继续膨胀变冷，一旦温度降低到几千度，电子和原子核不再有足够能量去战胜它们之间的电磁吸引力，就开始结合形成原子。

在宇宙膨胀变冷的过程中，在一些高密度区域，由于引力作用膨胀缓慢下来，最终会停止膨胀并开始坍缩，慢慢就形成了最初的星系。随着时间流逝，星系中的氢和氦气体被分割成更小的星云，它们在自身引力下坍缩，其中的原子相互碰撞，气体温度升高，直到热得开始热聚变反应。这些反应将更多的氢转变成氦，释放出的热同时增加了向外的压力，因此星云不再继续收缩，它们会稳定地在这种状态下，作为像太阳一样的恒星停留一段很长的时间。恒星将核聚变损失的能量以热和光的形式辐射出来。质量更大的恒星需要变得更热，以平衡引力吸引，以至于它们在1亿年这么短的时间里将氢耗光。然后，它们会稍微收缩一点，并进一步变热，将氦转变成像碳和氧这样更重的元素。但是这一过程没有释放出太多的能量，危机就会发生了，恒星的中心区域很可能坍缩成一个非常致密的状态，譬如中子星或黑洞。恒星的外部区域有时会在称为超新星的巨大爆发中吹出来。恒星接近生命终点时产生的一些重元素就被抛回到星系里的气体中去，为下一代恒星提供一些原料。因为我们的太阳是第二代或第三代恒星，是大约50亿年前由包含有更早超新星碎片的旋转气体云形成的。气体云大部分形成了太阳或者喷到外面去，但是少量的重元素集聚在一起，形成了像地球这样的行星。

科学上没有所谓终极理论，只有暂时符合观测的理论。大爆炸理论当然也不是完美的理论，它经历过多次补充和修正，目前还有很多不能解释的地方，但它仍是迄今为止最有说服力的宇宙模型。也许有一天它会被替代，但就像其他科学理论一样，它们在人类认识自然过程中的重要作用，是永远不会被淡漠的。另外需要说明的是，大爆炸理论只是描述爆炸过程的理论，它并能阐述宇宙为什么起源于一次大爆炸，也不能回答大爆炸之前是什么。这两个问题是深入了解宇宙的基本问题，还有对暗物质和暗能量的探索，目前人类仍然所知甚少。据科学家推测，在宇宙的总质量中，暗能量占比68.3%，暗物质占比26.8%，可见物质只占不到4.9%。

综观整体，人们对宇宙的了解可谓十分有限。在探索浩渺无穷的过程中，只能说科学的脚步越来越快，方向也越来越明确，至于什么到头，仍遥遥无期！也许永远没有尽头，因为自然无限，人有限。

参考资料：

《时间简史》 作者：史蒂芬·霍金 ；译者：许明贤 吴忠超

《物理学的进化》 作者：爱因斯坦 、利奥波德·英费尔德；译者：张卜天