《仰望星空》15 - 宇宙大爆炸
哈勃定律的发现还让另外一个比利时的天文学家勒梅特（Lemaître，1894年 – 1966年）兴奋不已，因为他在两年前就写了一篇论文，支持弗里德曼的宇宙膨胀观点，但他的厉害之处还在于他的数学证明更加缜密、详实。
哈勃的发现让勒梅特大受鼓舞，他开始深入思考一个似乎是上帝才有资格思考的问题，那就是宇宙起源的问题。1931年，他写了一篇论文发表在《自然》杂志上，他用富有文学性的笔调写道：在几十亿年前，整个宇宙就是一个无限致密、无限炽热的原子，然后，空间在这个原始火球中诞生了，空间诞生后，时间也随之诞生，火球开始迅速膨胀，物质开始出现。当时有一个出名的美国天文学家叫霍伊尔，他在看到了勒梅特的理论后，相当地不以为然，有一次接受采访的时候，他调侃勒梅特的理论说：不就是“Big Bang”嘛，“嘭”的一下，宇宙诞生了，多滑稽啊。谁想到吊诡的是，本来是带有点侮辱意味的这个词Big Bang，也就是大爆炸，竟然不胫而走，成了宣传勒梅特理论最有力的武器，这是令霍伊尔万万也没想到的。因为这样一个通俗而又形象的理论标签，使得宇宙大爆炸学说在普通公众中的知晓率迅速地提升。
但是在当时的学界，大家对于勒梅特的理论各执一词，有支持的，也有强烈反对的。在支持者的阵营中，有一位重量级的俄裔美国物理学家伽莫夫，他鼎力支持大爆炸理论，并且他预言那次创世的宇宙大爆炸在今天还留有余温，也就是整个宇宙中应当残留着背景辐射。他还定量地计算出了这个辐射的温度是5K，如果用今天测定出的各种参数来代入伽莫夫的方程，这个值应当是2.7K。这是一种微波辐射，仅仅比绝对零度高那么一点点的温度，如果转换成你熟悉的温度的话，就是零下270.15℃。因此，预言虽然提出来了，但以当时人类所掌握的技术水平，要想探测到宇宙微波背景辐射无异于痴人说梦，因此，伽莫夫和勒梅特都还需要等待。这一等，就是差不多20年。
望远镜是人类研究天文学最主要的工具。伽利略用的望远镜称之为光学望远镜，它可以拿肉眼直接观测，或者接上一个照相机把来自宇宙中的可见光捕捉到相片上。但是宇宙中的天体除了发出可见光以外，其实还发出大量的不可见光，也就是各种频率的电磁波，通过探测这些电磁波，我们不但能够成像，还能够发现很多意想不到的东西。一种叫做射电望远镜的新型望远镜终于在20世纪30年代被发明出来了，它将给整个天文学研究带来意想不到的新发现。
宇宙微波背景辐射正是借助了射电望远镜而终于被两个幸运的美国工程师找到——彭齐亚斯和威尔逊。1964年，他们一个31岁，一个29岁，是美国贝尔实验室的两名工程师。他们俩搭档一起在美国新泽西州的霍尔姆德尔建造了一个形状奇特的号角形射电天文望远镜，然后开始对来自银河系的无线电波进行研究。但天线启动后，这俩小伙就非常胸闷，天线似乎有毛病，因为总有一个怎么也去不掉的噪音在干扰他们。于是，俩小伙与之展开了长达一年多的漫长斗争。到了1965年，在他们濒临绝望的时候，终于想到了离他们仅有50多公里远的普林斯顿大学。他们打电话找到了大学的罗伯特·迪克教授，向这位功底深厚的天文学家、物理学家详细描述了他们遇到的问题，希望迪克教授能诊断一下，开个方子。迪克教授在听完了他俩的絮叨后，心里哇凉哇凉的，他立刻明白了真相，他说了一句话：你们俩拼了命要去掉的东西，正是我拼了命要寻找的东西，你们俩咋就这么命好！原来，迪克教授正领导一个研究小组试图验证伽莫夫的预言——宇宙微波背景辐射。他清楚地知道，他要找的东西已经被这俩从未看过伽莫夫论文的毛头小伙子找到了。最后证实，彭齐亚斯和威尔逊接收到的噪音就是来自宇宙的本底辐射，温度是3.5k，与伽莫夫的预言非常接近，这个误差是完全可以接受的。
就这样，20世纪天文学史上最重要的发现，没有之一，也是宇宙大爆炸理论的最关键证据——宇宙微波背景辐射被极其喜剧性地发现了。
宇宙微波背景辐射之所以能成为大爆炸理论最关键的证据，不仅仅是因为它符合了伽莫夫的预言，更重要的一个逻辑在于这里：按已观测到的3K左右的温度，相当于宇宙的任何一个地方都能接受到大约10个光子/秒/平方厘米，考虑到宇宙的尺度之大，根本不可能有哪一个辐射源能产生如此巨量的能量，这些光子只能是在宇宙诞生的时候同时产生，就像一个巨大的火球在经过了138亿年的膨胀后剩下的余温。
一谈到宇宙诞生于一场大爆炸，多数人头脑中的景象是这样的：在无边无际的黑暗中，突然，一个光点像焰火一样炸出来，无比绚丽。大多数关于宇宙的纪录片都是这样拍的。但实际上，这个场景是错误的。这无法怪导演，换了我也只能这样拍，因为正确的图像是无法用影像准确描述出来的。真正的情况是，在创世的那一刻，没有黑暗，没有空间，甚至没有时间，没有就是没有。整个宇宙，也就是你脑子中想象出来的一切有形的东西，都包含在一个原子大小的尺度内，当一切都炸开之后，才产生了空间和时间。
现在，让我们做一个疯狂的假想，如果我们回到138亿年前，那时候的宇宙只有一个牢房那么大，20平米左右。当你身处这个宇宙中时，你会看到，如果朝前面看，自己的背影就在几米开外的前方；朝后看，另一个自己就在几米开外的后方，与你做着同样的动作，再朝上朝下看，都能看到一样的自己。当你朝前面跑时，前方的自己也开始跑，只用了几步你又跑到了自己出发的位置，不管你朝任何一个方向飞去，都会回到原点，这是一个无限循环的三维空间，你根本不可能“出去”，因为根本没有“外面”，整个宇宙就在你眼中，这就是“有限无界”的宇宙观。现在，请把这样一个有限无界的宇宙不断地在你的脑海中缩小再缩小，一直缩小到只有一个原子大小，空间和时间都禁锢在这个“宇宙”中，然后上帝说“要有光”，于是，这个宇宙开始了急速地膨胀，这就是“宇宙大爆炸”理论。
请注意，我刚才的那个牢房的比喻是针对宇宙刚刚诞生的时刻。那么，我们今天的宇宙在经历了138亿年的膨胀后，是否依然是一个巨大的恐怖牢房呢？如果我们朝一个方向一直飞一直飞，最后会不会回到原地呢？虽然还没有定论，但是越来越多的宇宙学家认为，我们今天的宇宙是一个无限大的宇宙，我们永远也无法飞回到原地，而且得到了理论和观测的有力支持。
自从这个宇宙微波背景辐射被探测到后，一大批的科学家都兴奋地投入到这个领域中。全世界投入了大量的人力物力，建造出了一个又一个精密无比的天文仪器，在随后的十几年里，对于宇宙微波背景辐射的研究是整个宇宙学乃至天文学最热门的一个领域。但是随着测量数据的越来越精确，许多大爆炸的支持者们却变得越来越坐立不安，因为一个幽灵从这些测量数据中慢慢地浮现出来。这个幽灵是什么呢？
那就是从宇宙背景辐射的探测数据中，我们发现整个空间中的辐射是完全均匀的，无论把天线指向哪里，辐射的温度都是2.725K左右。也就是说，宇宙“大火球”的温度极为惊人地均匀一致，用专业点的术语讲，就是宇宙在10-5量级上都表现出完美的各向同性。
你可能会奇怪了，这听上去应该是很正常啊，如果不均匀我才会觉得奇怪呢，怎么宇宙大火球温度均匀一致反而成了一个幽灵、一个谜题呢？
是这样的，按照广义相对论的计算，在宇宙诞生的那一刻，宇宙空间膨胀的速度是如此之快，以至于其中不同区域相互远离的速度超过了光速。这样一来，问题就出来了，我们想象一下，宇宙在诞生的时候，被砰地一声炸得四分五裂，但是由于空间的膨胀速度超过光速，也就是意味着每一个碎块与碎块之间的分离速度超过了光速，那么这些碎块与碎块之间绝对不可能发生任何的能量交互，也不可能发生热量的传导。但是最终的结果，却是所有的碎块温度全部都惊人地一致。这就好像夜空中炸开了一朵焰火，但是焰火的每一颗火星的温度都极为精准地完全一致。这个情况与当时理论计算的结果产生了严重的矛盾。宇宙学家们将这个谜题称之为“视界问题”。