宇宙大爆炸的第一個證明嚴格來說不是一個證據，而是一個理論推導。霍金和彭羅斯以廣義相對論為基礎，結合有界無邊的宇宙模型，構建了頗受爭議的“奇點理論”，宇宙的“奇點”是一個類似於沒有大小、或體積為零的“幾何原點”，由於奇點集合了宇宙的所有物質和能量，它的物質和能量的密度、溫度和壓力、時空曲率幾乎為無窮大。現代物理學難以描述一個不可思議的“最小的最大點”或“最大的最小點”，主流的物理學家和一部分科學愛好者認為宇宙奇點是宇宙誕生的起始點，我們看到的和看不到的物質和能量、時間和空間都起始於奇點，而非主流的物理學家和一部分科學愛好者認為奇點不存在，它只是一種理論假想的產物。物理學家和科學愛好者無法解釋宇宙在奇點之前的狀態，現有的物理學理論在奇點處似乎失去了解釋的效力，他們卻能在天文觀測和數學計算的基礎上精準地描述宇宙在奇點之後的狀態，現代宇宙學越來越成為一門精確的自然科學。
宇宙大爆炸發生在137.5億年前，我們不清楚宇宙在奇點處的平衡維持了多長時間，奇點的平衡態目前是一個典型的可以用“廣義測不準原理”描述的難題。由於奇點的平衡被某種奇異的量子行為打破，宇宙發生了“空前絕後”的大爆發，最初的物質態是一種混沌的、量子化的“離子羹湯”，在宇宙誕生之後的“普朗克時間”、或者10的負43次方秒，宇宙“一大鍋粥”的溫度大約為10的32次方度，密度為每立方厘米大約為10的94次方克，大爆發的最初三分鐘形成了宇宙的雛形，在大爆炸發生之後的30萬年產生中性的氫原子，它們形成了星雲物質，第一批恆星在宇宙大爆炸之後的1.8億年通過星雲氣體物質的坍縮作用而形成。天文學家的觀測數據隨著觀測技術的進步發生相應的調整，目前估計的宇宙星系有數千億到一萬億個，每一個星系有兩千億到五千億個恆星，宇宙誕生之後產生即刻的暴漲、經歷了初期的減速膨脹，現在則處於加速膨脹時期，經過137.5億年的“攻城略地”，宇宙目前的可觀測範圍達到大約930億光年的直徑，一光年的距離相當於946萬億公里，
宇宙大爆炸的第二個證明是美國貝爾實驗室的物理學學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜在1965年意外發現的宇宙微波背景輻射。這種輻射是導致宇宙早期膨脹的高強輻射留下的痕跡，它遍佈整個宇宙太空，幾乎和宇宙本身一樣古老，在宇宙的最早期，所有的物質和能量被擠壓在一個狹小的時空區域，形成一種極度高溫高壓的等離子體態，在極度高能輻射的作用下，電子脫離原子核的約束，處於自由電子的遊離狀態。隨著宇宙的暴漲和膨脹，宇宙的時空區域迅速地擴大到太陽系、銀河系、本地星系團、超星系團的尺度，在宇宙誕生之後的大約30萬年，宇宙的背景溫度冷卻到一個值域，電子被原子核“捕獲”，形成了宇宙最早的物質結構——氫原子和氦原子。隨著宇宙膨脹到今天相當於直徑930光年直徑的一個“超大球”，宇宙的背景溫度冷卻到接近絕對零度的水平，波長被拉伸到微波的範圍。彭齊亞斯和威爾遜發現的宇宙微波背景輻射驗證了宇宙大爆炸理論的提出者伽莫夫的預言，理論預言和實際檢測的背景輻射值相當吻合，都在絕對零度附近。
宇宙大爆炸的第三個證明是美國天文學家埃德溫·哈勃在二十世紀二十年代偶然發現的數十個星系在遠離地球的方向上運動。雖然地球不是宇宙的中心，但是，所有的星系都在遠離地球，所有的星系都在彼此分離的方向上運動，以地球為原點的宇宙星系在背離地球的方向上運動和以任何一個星球為原點的宇宙星系在背離這個星球的方向上運動符合宇宙膨脹論的“等效原理”。埃德溫·哈勃提出了一個“宇宙小膨脹論”，而後來的天文學家使用更為精確的天文望遠鏡，通過對類星體距離的精確測量手段提出了一個“宇宙大膨脹論”。宇宙的膨脹就像一個吹大的氣球，隨著時間的向前推移，宇宙的體積逐漸擴大。宇宙的膨脹會持續多長時間？體積會膨脹到多大的“臨界狀態”？目前的天體物理學家受到“廣義測不準原理”的約束，在相當長的時間內不能回答這些迷一樣的問題。反之，隨著時間的向後回放，宇宙的體積逐漸縮小，宇宙的縮小可以持續137.5億年。宇宙體積會縮小到多小的極限狀態？目前的物理學家存在相當大的爭議，霍金和彭羅斯從數學上證明了宇宙最早誕生於一個體積無限小、密度無限大的“奇點”。
宇宙大爆炸的第四個證明是物理學家伽莫夫預言的宇宙元素丰度。早期宇宙的高強度輻射提供了理想的核聚變場所，“大爆炸核合成”將較輕的原子核聚變成較重的原子核，由於宇宙極早期的暴漲導致背景溫度的急速下降，這種核合成過程持續了幾分鐘的時間，短暫的大爆炸核合成只產生了幾種最輕的元素，宇宙大部分的氦和氘在宇宙的最早期形成。大爆炸核合成理論預測了氫和氘元素的丰度，預言了宇宙最早期的“離子羹湯”能夠產生大約四分之三的氫，四分之一的氦、氘和少量的其它輕元素，天文學家對宇宙中氫、氦和氘元素丰度的檢測結果與大爆炸核合成理論的預言十分契合。伽莫夫和幾位物理學共同提出了宇宙大爆炸理論，他提出了宇宙背景輻射和宇宙元素丰度的預言，這是最有力的兩大證據，他的兩大預言得到了天體觀測的檢驗。伽莫夫在宇宙科學史的地位足以比肩愛因斯坦、哈勃、弗裡德曼、霍金，相比較而言，人們對伽莫夫證據的爭議很少，而對愛因斯坦、哈勃、霍金證據的爭議很多。
宇宙大爆炸的第五個證明是德國物理學家海因裡希·奧爾伯特提出的“奧爾伯特悖論”。如果宇宙是無限的、那麼這些閃閃發亮的恆光將會通過光速運動抵達我們的地球，無論我們從天空的那個方向看上去都會看到無數的星光從不同距離的恆星和星系向我們的眼睛匯聚，只要宇宙和恆星的數量趨於無限，這將是必然的結果，我們在地球、或者在任何一個星球上看到的天空都應該閃耀或強或弱的恆星光芒，天空應該永遠是白天，即使有塵埃和行星的阻擾，光線通過反射、折射、閃射也會照亮天空，完全的黑夜幾乎不可能出現，實際上，我們在地球的夜晚看到“星星點燈”的夜空，宇宙的天空在遠離恆星的區域是漆黑一片。奧爾伯特悖論證明了宇宙的有限性，或者證明了一切發光的恆星和星系在遠離地球的方向上移動。我們在地球上經歷了白天和黑夜，這證明了宇宙的有限性和一切發光天體在背離我們的方向上疾馳而去符合哲學證明論的“等效原理”。奧爾伯特悖論主要證明了宇宙的有限性，而天文學家發現地球的夜晚越來越黑，這證明了一切發光的恆星和星系都在“脫離地球”。
宇宙大爆炸的“五個證明”在相互區別的意義上符合宇宙哲學的“差異原理”，在相互聯繫的意義上符合宇宙哲學的“等效原理”，在相互補充的意義上符合宇宙哲學的“互補原理”。其中的愛因斯坦廣義相對論、宇宙熱力學理論、宇宙大爆炸核合成理論、宇宙奇點理論屬於理論的證明和預言，而對宇宙微波背景輻射的檢測、對宇宙元素丰度的觀測、星系包括類星體退行現象的天文發現則屬於實驗的證明和驗證。儘管宇宙大爆炸的理論和驗證趨於完美，達到理論和檢驗融合貫通、“無懈可擊”的程度，但是，仍然有一些令人感到困惑、迷惘的“難點、疑點、熱點”問題，指出這一理論荒唐、謬誤的人士並不罕見。如果有一天有高度文明的外星人造訪地球，那麼我們最想問的、或者提出的第一個問題應該是：我們的宇宙是通過大爆炸的方式產生的嗎？
（鄧如山 2018-6-20 [email protected]）
閱讀更多 金日談 的文章
