2現(xiàn)代宇宙學的興起
紅移帶來了宇宙學研究的勃興，但現(xiàn)代宇宙學的源頭還得從牛頓宇宙學講起。在牛頓世界里，空間和時間都是無限的。但空間的無限性卻帶來了許多佯謬，首先一個佯謬是所謂夜黑佯謬，它是由德國天文學家奧爾伯斯(1758—1840)于1820年提出的，有時也稱奧爾伯斯佯謬。它指出，如果太空中均勻地分布著無窮多個恒星，那么宇宙中任一點將會感受到無窮大的亮度，考慮到恒星之間的相互遮光之后，這一亮度可以變成一個有限值，但相當恒定，這就是說，夜空也將有一個均勻的亮度，而不是黑的。這一推論顯然與事實不符，因此構成了佯謬。奧爾伯斯本人提出了解釋佯謬的一種方法，即星際塵埃遮住了大部分星光。但這一解釋是不夠的，無限宇宙在物理上面臨困難。
1917年，也就是廣義相對論提出的次年，愛因斯坦發(fā)表了《根據(jù)廣義相對論對宇宙學所作的考查》一文，將廣義相對論用于宇宙學問題，并建立了一個有限無邊的靜態(tài)宇宙模型。這個模型有兩大特征，第一，它是有限無邊的，第二，它是靜態(tài)的。前一特征來源于廣義相對論。在相對論看來，有物質存在就會出現(xiàn)時空彎曲，整個宇宙的平均物質密度不為零，那么，它整體上必然是一個封閉的體系，它是有限的，但沒有邊界、沒有盡頭，就像二維球面是一個有限但無邊的二維空間一樣。后一特征來自愛因斯坦的一時猜想，他當時相信，宇宙整體上應該是靜態(tài)的，但他的引力場方程只能得出一個動態(tài)解，所以他人為地加了一個宇宙常數(shù)，以維持宇宙的靜態(tài)的。
愛因斯坦的廣義相對論出來之后，馬上就有許多人據(jù)此構造宇宙模型。幾乎與愛因斯坦同時，荷蘭天文學家德西特得出了一個膨脹的宇宙模型。1922年，蘇聯(lián)物理學家弗里德曼得出了均勻各向同性的膨脹或收縮模型。1927年，比利時天文學家勒梅特再次獨立地得到這一模型。后來人們發(fā)現(xiàn)，基于愛因斯坦的引力場方程所得到的宇宙模型必定是動態(tài)的，或者膨脹，或者收縮，而且膨脹和收縮的速度與距離成正比。
以弗里德曼模型為代表的相對論宇宙學一開始并不為人重視，因為它主要是一些數(shù)學推導，看不到物理內容。到了1929年，情況發(fā)生了變化。哈勃定律公布后，人們才驚喜地發(fā)現(xiàn)，它所展示的宇宙大尺度膨脹現(xiàn)象正是弗里德曼模型所預言了的�？茖W界一下子被震動了，原來研究整個宇宙的宇宙學確實是可能的，它的預言居然被證實了。作為相對論宇宙學之鼻祖的愛因斯坦也為這一發(fā)現(xiàn)歡呼，認為自己在宇宙模型中人為地引進宇宙常數(shù)是犯下了一個大錯誤。
宇宙學變得熱鬧起來了。人們想到，既然宇宙是膨脹的，那么越往早去，宇宙體積就越小，在某一個時間之前，宇宙就應該極為密集，現(xiàn)有的天體都不可能以現(xiàn)在的狀態(tài)存在。照哈勃當時提供的數(shù)據(jù)估計，這個時間大概是20億年。
事有湊巧，當時的地質學已經(jīng)能夠利用放射性同位素來測定地球上巖石的年齡，初步估計，大約是20億～50億年。相比之下，宇宙膨脹的年限也太短了。這使許多宇宙學家感到很為難，愛因斯坦也表態(tài)了：“既然由這些礦物所測定的年齡在任何方面都是可靠的，那么，如果發(fā)覺這里所提出的宇宙學理論同任何這樣的結果有矛盾，它就要被推翻。”
為了既保留宇宙膨脹的觀念，又回避年齡困難，英國天文學家邦迪、哥爾得和霍伊爾在1948年分別提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。他們認為，宇宙雖然在不斷膨脹，但其中的物質密度并不變小，因為有物質不斷地憑空產(chǎn)生出來。由于物質密度不變，所以不存在一個宇宙的密集時期，因而也不存在星體的年齡上限問題。
穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型預言了一個極其微小的物質產(chǎn)生率，它在地面實驗室里無法驗證，但可以通過天文觀測檢驗，因為如果宇宙是穩(wěn)恒的，那么恒星的分布密度應該是不變的，在地球上的所有天文觀測都有一個特點，它完全依賴電磁信號(光是其中最重要的一種)，而電磁信號的傳播需要時間，因此，你看到的越遠也就看得越古老，其空間分布就是時間分布。如果恒星的空間分布是均勻的，那就意味著它在時間上是穩(wěn)恒的。反之，就不穩(wěn)恒。通過30年代的星系計數(shù)和60年代的射電源計數(shù)，結論有了，天體的空間分布是不均勻的。這就是說，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型有問題。
