这就要提到一个词“红移”。
上世纪初，人们就注意到许多恒星的光谱和太阳光谱不同，不单是组成成分造成的谱线不同问题，还有个有趣的现象，就是所有的谱线都朝着频率较低的红光区平移了，这个现象就叫“红移”。造成红移的原因有好几个，但最典型的，就是天体在远离我们而去。它向我们发出的光，上一个波峰的光源离我们还有 N 光年，下一个波峰的光源离我们就有 N 光年+10 纳米了（随意举例的数字），对于地球上的观测者来说，就看到光线的波长变长，频率变低，有点“发红”了。
在较近的尺度内，也有一些恒星或星系在朝向我们运动，这个运动会造成谱线向高频端（蓝端）移动，我们把这个称为“蓝移”。在宇宙里，红移是压倒多数的。
回到哈勃（物理学家，不是以他命名的那台太空望远镜）的发现上来，“遥远星系在离我们而去”这个好懂，也能有许多推论，甚至可以说：“行，它们不喜欢我们”，而“距离我们越远，退行得越快”说明什么呢？这一条说明，它们之间也互相看着不顺眼，也在彼此远离。就像我们吹气球时，气球上的所有点都在互相远离一样，并且原本相隔越远的，彼此之间的退行速度越快。
从哈勃的这个发现，可以得到一个令人惊人的结论，就是既然现在的星系都在彼此远离，那么我们把时间倒推回去，推到 140 亿年前，它们就是从同一个点跑出来的。这个结论，就是“大爆炸”。
04
我们为什么相信大爆炸理论？
“大爆炸”意味着宇宙有一个起点，这个可能会让某些人备受鼓舞—— “我们早就说这个世界是被创造出来的吧！”不过，对于一件事，蒙对的和推导实证出来的，科学只认后者。
关于“大爆炸”也会产生一些涉及哲学的思辨，比如“大爆炸之前发生了什么？”而时间作为宇宙——至少，作为眼前这个宇宙——的一个属性，在宇宙出现之前不该存在，因此也谈不上“之前”。
当牛顿提出万有引力理论的时候，就意识到，宇宙中的天体会因为引力而落到一起变成一个点，他的解决办法是认为有无限个天体施加着朝外拽的力，这样就可以避免——其实并不会，按照数学方法，无限个天体最终也会聚到一起的。
虽然“大爆炸”的理论部分是从爱因斯坦的广义相对论推出来的，但爱老师显然比较喜欢静态宇宙的信念，还在广义相对论里加了个宇宙常数，微调了一下，来维持宇宙不涨不缩。“大爆炸”理论则揭示了一个演化中的宇宙，结束了静态宇宙的概念。爱因斯坦后来说：“加这个宇宙常数可能是我犯过的最大错误。”
韦布望远镜轨道示意图 来自NASA
支持“大爆炸”理论的另外一个观测结果，是宇宙微波背景。“大爆炸”那一刻，那个极小的宇宙必然是密集白热的，而到了今天，向遥远的“宇宙边缘”望去，我们应该还能观测到“爆炸”的余辉。而因为一个膨胀的宇宙，这个光的波长会拉伸得非常厉害，跑到微波波段，这个微波信号是无论朝宇宙的哪个方向看都是一样的。1965 年，美国的彭齐亚斯和威尔逊无意中检测到了这个白天晚上冬天夏天横着看竖着看都是一样强度的微波噪声，并因此获得了 1978 年的诺贝尔奖。
“大爆炸”理论还有许多其他观测证据，最主要的有宇宙中原始轻元素（这个词没打错，是“轻”不是“氢”）的丰度以及大尺度结构和星系的形成演化。这里篇幅有限，就先不说了。
05
大爆炸如果是真的，那炸之前呢？
已知的物理定律都不能推导“大爆炸之前”（如果我们能说“之前”的话）宇宙的状态：为什么就炸了？怎么炸的？宇宙是唯一的吗？是有无数个宇宙大泡泡，我们只是其中之一吗？我们是不是在一个巨大的黑洞里，却以为这是宇宙？目前所有的理论都还停留在假说阶段。
然而对于比较有把握的部分，“大爆炸”理论有一些好玩的推论，比如，虽然“大爆炸”距我们只有 140 亿年，却因为宇宙膨胀，我们能感知的“宇宙边缘”早已距离我们 460 亿光年了。越来越多的星系会因为宇宙的不断膨胀而红移得越来越厉害，最终从视线中消失，变得不可观测。
韦布首张“宇宙深场”照片，迄今为止人类在红外波段拍到的最清晰、最古老的宇宙景象。图片来源：
宇宙的未来会是什么样子呢？宇宙学家曾经认为宇宙的未来有两种可能：第一种是它的平均密度高于某一临界密度，使得它膨胀到最大体积后败给自身的引力，造成坍缩式的“大挤压”。第二种，则认为它的膨胀会不断减速，但永远不会停止，最后宇宙在不断膨胀的过程中不断冷却，渐渐趋于绝对零度，也就是“大冻结”。
现代观测发现宇宙的加速膨胀之后，人们意识到可观测的宇宙会渐渐退出我们的视野。有的理论认为，基本物质可能会在持续膨胀中被撕裂，但这些就需要更多的观测证据来验证或否定了。
我们的文章是从“韦布”望远镜说起的，就再说说它吧。“韦布”太空望远镜的任务是做宇宙早期发展史的考古工作，它的任务就是“往远处看，往久远之前看，那里有‘大爆炸’后几亿年内的婴儿宇宙的景象”。所以“韦布”望远镜的波段通过周密的理论计算，被仔细调整到 0.6 到 28 微米。这种定量计算，可不是“宇宙没膨胀！红移是因为光线累到了！”这种拍脑袋的胡话。它的初期观测数据，也完美地夯实了“大爆炸”理论的基础，无数科学家为之兴奋不已，并期待着它更多更新更全面的发现，为揭示宇宙演化史的工作提供更多依据。
作者 | 曲 炯 科普作家 作品发表于国家博物馆、国家航天局等
审核 | 刘 茜 北京天文馆研究员 科普影片编导和科普作家
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