宇宙的未來有關(guān)背景知識

中國是最早進行天文觀測的國家之一，在殷商甲骨文里，就有許多天文觀測記錄。漢語“宇宙”一詞出現(xiàn)較早。戰(zhàn)國時期的尸佼在他的著作《尸子》中就說：“上下四方曰宇，往古來今曰宙。”東漢的高誘在《淮南子·原道訓》注中也說：“四方上下曰宇，古往今來曰宙�！�

中國古代的宇宙學說，有渾天說、蓋天說、宣夜說等。渾天說認為：“渾天如雞子，天體圓如彈丸，地如雞子中黃，孤居于天內(nèi)，天大而地小。大表里有水，天之包地，猶殼之裹黃。天地各乘氣而立，載水而浮。”(《張衡渾儀注》)蓋天說認為：“天似蓋笠，地法覆盤�！�(《晉書·天文志》)天地都是穹形的，如同一個同心的球穹。宣夜說認為：“天了無質(zhì)，仰而瞻之，高遠無極，眼瞀精絕，故蒼蒼然也�！�(《晉書·天文志》)就是說“天”不是一個固體的“天穹”，不過充滿了無邊無際的氣體，日月星辰都在這氣體中浮動。

在西方，古希臘人也有多種宇宙學說。公元前600年左右，住在米利都的古希臘哲學家泰利斯認為地球是一個圓盤，漂浮在一片汪洋中。他的弟子阿那克西曼德認為天空是包圍地球的一個球?qū)�，恒星在�?nèi)層，太陽和月亮在外層。畢達哥拉斯認為，地球、月亮、太陽、行星和恒星都在一個同心球上圍繞中央火旋轉(zhuǎn)。托勒密總結(jié)了古希臘的天文學成就，著《天文學大成》，認為地為球形，靜止不動，處于宇宙的中心，其他天體圍繞地球運行，創(chuàng)立了“地心說”，統(tǒng)治西方天文學界一千四百多年，直到波蘭天文學家哥白尼在16世紀發(fā)表《天體運行論》，創(chuàng)立日心說。17世紀，意大利物理學家和天文學家伽利略親手制造天文望遠鏡，開拓了人們的天文視野。德國天文學家開普勒提出了行星運動的三大定律，英國物理學家牛頓用力學的引力原理解釋開普勒的行星運動定律，創(chuàng)立了天體力學。

現(xiàn)代宇宙學最有影響的學說是大爆炸宇宙學。大爆炸宇宙學認為，宇宙早期溫度極高(在100億度以上)，物質(zhì)密度極大。在那里，物質(zhì)被壓縮成一個奇點，時間和空間都毫無意義。大約200億年前，發(fā)生“爆炸”，溫度逐漸冷卻，形成各種各樣的恒星體系，也就是我們今天所能觀測到的宇宙。

宇宙大爆炸學說是逐漸形成的。20世紀初，愛因斯坦的相對論改變了科學家研究宇宙的方法。1927年，比利時天文學家勒梅特第一個提出了動態(tài)宇宙模型，認為宇宙是從一種“原始原子”不斷分裂、膨脹形成的。他推測：如果宇宙中物質(zhì)的質(zhì)量小于某個臨界值，宇宙就會繼續(xù)膨脹下去，成為“開放的宇宙”；反之，就會坍縮，成為“閉合的宇宙”。1948年，出生在俄國的美籍物理學家伽莫夫發(fā)展了這一理論，提出了“大爆炸”學說。

大爆炸學說得到了以下天文觀測的支持。(1)河外星系有系統(tǒng)地譜線紅移(課文中涉及)。1917年，美國天文學家斯里弗發(fā)現(xiàn)河外星系譜線有系統(tǒng)地向紅端移動，表明這些遙遠的天體正在離我們遠去。1929年，美國天文學家哈勃發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的星系都有紅移現(xiàn)象。星系距離越遠，紅移越大。這種紅移與距離之間的線性關(guān)系，稱為哈勃定律。(2)在各種不同的天體上，氦的豐度相近，大都是30％。根據(jù)大爆炸理論，早期宇宙溫度很高，所以產(chǎn)生氦的效率也很高。(3)測定各種天體的年齡，均小于200億年。(4)宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)。

宇宙論導引

(J.希爾克)

宇宙論是研究宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)和演化的學科。當我們巡視遙遠的太空深處時，也就是在沿著時間上溯。我們所看到的那些最遠的星系，是很久很久以前當它們發(fā)出的光開始其漫長的太空旅行時的面貌。既然龐大的星系都曾經(jīng)是年輕的，所以宇宙結(jié)構(gòu)如何產(chǎn)生的問題就同宇宙論不可分割地聯(lián)系在一起。研究宇宙中可觀測的結(jié)構(gòu)(從巨大的星系團到太陽系)的起源屬于天體演化學的領(lǐng)域。有待查明的根本問題包括：宇宙是何時和怎樣發(fā)端的，星系是如何形成并獲得我們觀測到的形態(tài)及尺度分布的，恒星是如何誕生的，行星和生命是如何演化的，等等。

僅僅在20年前，人們還沒有什么把握來回答宇宙論和天體演化學的這些根本問題。我們對于遙遠宇宙和早期宇宙的知識是如此貧乏，以至于好些很不相同的宇宙學理論似乎都可以解釋觀測資料。然而近年來天文學家們作出了有關(guān)宇宙本性的激動人心的新發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)提供了壓倒優(yōu)勢的證據(jù)支持一種宇宙學理論，即大爆炸理論。今天，人們正是在這個理論的框架內(nèi)探索著宇宙論和天體演化學的根本問題。

盡管大爆炸理論還不能對所有的重大問題作出回答，但它卻為我們勾畫出了一幅宇宙演化的大致輪廓。在下面幾章中，我們將描述那些為大爆炸理論提供了證據(jù)的發(fā)現(xiàn)，并將追溯宇宙從最初時刻以來的演化�？梢钥吹�，當我們試圖回答宇宙論和天體演化學的某些基本問題時，新的問題和爭議又會不可避免地出現(xiàn)。我們理論的許多細節(jié)仍然是不確定的。在這種情況下，我們可以描述一些可供選擇的假說，并指出一些方向留待進一步的研究來判明。因此，我們的討論既包含了宇宙本身的過去和未來，也包含著人類為理解它所作努力的歷史和前景。作為開始，我們要介紹一些形成任何科學的宇宙理論基礎(chǔ)的原理。

1.宇宙學原理

自古以來，人類就不愿放棄我們在宇宙里起著中心作用的想法。先是提出了地心宇宙觀，放棄地心宇宙觀以后又提出了日心宇宙觀。直到20世紀人們才認識到，我們的太陽不過是處在一個普普通通星系邊沿的一顆普普通通的恒星。我們的星系是一個大星系團外部的一個松散星系群的一員。甚至這個星系團(即室女座星系團)同我們在宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系團相比，也只不過是一個毫不出眾的角色而已。我們在宇宙中的地位可以說是平凡到了極點。

這種用最大的光學望遠鏡觀測得來的知識，給宇宙學者留下了一個棘手的難題。我們的觀測是從宇宙中的一個特殊位置進行的，而建立一個宇宙學理論卻要求一般地了解整個宇宙中物質(zhì)的性質(zhì)和分布。宇宙學者需要擺脫這種令人遺憾的限制，他們的辦法是假設(shè)一個普適原理，這個原理要求宇宙在我們附近的部分同極遙遠的區(qū)域相比沒有什么差別。有很強的哲學理由來為這種普適原理辯護。舉個例來說，物理學規(guī)律在全宇宙中應(yīng)當是同樣的；因為若不如此，實驗就會不可重復，而我們的物理規(guī)律就會不成其為規(guī)律了。一個更強的要求是，大宇宙應(yīng)當盡可能地簡單。用可以容許的最簡單模型來解釋現(xiàn)象，這是物理學前進的自然方式。不過，宇宙學原理也有一些不同的說法。

1543年，哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼學說的邏輯推廣是應(yīng)將我們的銀河系從任何優(yōu)越的空間位置挪走。于是我們得到了近代宇宙論的重要基石，即哥白尼宇宙學原理。這個原理說，我們在宇宙空間中并不處于特別優(yōu)越的位置。人們研究了天文底片上的大量星系以后發(fā)現(xiàn)，它們的出現(xiàn)頻率在不同方向上是頗為相似的。這一跡象表明，宇宙是局域各向同性的，從地球上看來，宇宙在不同方向上顯示出相同的面貌。(從中心看一個球是各向同性的，而看一個雞蛋就不然了。)哥白尼原理要求，宇宙在空間任何一點周圍都是各向同性的。矩的反射應(yīng)足以驗證，點點各向同性要求宇宙在空間上也必須均勻。因為，如果宇宙是非均勻的，那么它只能在某些特定位置上顯示出各向同性。

某些宇宙學者曾試圖把宇宙學原理推廣到包括沿時間不變的概念。根據(jù)這個原理，至少在最大的尺度上宇宙是永恒不變的。于是，完美宇宙學原理說，從空間和時間中的任何一點看去，宇宙都呈現(xiàn)出相似的面貌。由這個假設(shè)導出的穩(wěn)恒態(tài)宇宙論已被觀測排除。因而，宇宙學者一般只接受宇宙學原理的較弱的形式，而我們也樂于承認，宇宙在空間(而不是時間)中是近似均勻且各向同性的。

為了完備起見，我們還得談?wù)勅藫裼钪鎸W原理。這個原理采取的觀點同完美宇宙學原理正好相反，宣稱人類是在一個特定時期觀察著宇宙的，盡管目前的宇宙從空間任何點看去顯得一樣。假設(shè)這個特定時期是因為需要產(chǎn)生那些有利于生命演化的特殊條件，比方說，假如宇宙比現(xiàn)在熾熱得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的強度和我們的觀測值大不相同，行星系統(tǒng)就不能形成，或不適合于我們所知的生命形式存在。現(xiàn)已查明，地球的年齡和天文學家發(fā)現(xiàn)的最老恒星或星系的年齡相仿(頂多差4倍)，這畢竟是一個驚人的符合。人擇宇宙學原理用“許可”來解釋這種相似性。宇宙本來可以比它實際的情形不規(guī)則和無序得多。人擇宇宙學原理斷言，若是那樣的話，各種條件就不能容許生命存在了。因此，作為觀察者，我們是生活在一個非常特殊的宇宙中，并且這個宇宙必須是均勻各向同性的�！叭藫瘛笔且粋�非常基本的論據(jù)，因為它試圖對哥白尼宇宙學原理作出解釋，而后者幾乎是所有有生命力的宇宙論的核心。

2.近代宇宙論

不同的宇宙學原理導致迥然不同的宇宙圖景。哥白尼宇宙學原理是大爆炸理論的基礎(chǔ)。的確，大爆炸理論實際上先于宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)。如果要求宇宙處處均勻各向同性，我們就唯一地得出大爆炸宇宙論。實際上有兩種不同的大爆炸宇宙論模型。按第一種模型，宇宙將永遠膨脹下去。按第二種模型，宇宙最后將重新收縮。在這兩種模型中，使宇宙趨向再收縮的引力都是由初始爆炸的力抗衡著，后者在永遠膨脹的模型中相對較強，而在注定要再收縮的模型中相對較弱。

按照大爆炸理論，宇宙在過去一定要比現(xiàn)在致密得多熾熱得多。這個理論不符合完美宇宙學原理，后者要求宇宙在一切時期顯示出相同的面貌。建立穩(wěn)恒態(tài)宇宙論就是為了滿足完美宇宙學原理的要求。這種理論是1948年由海爾曼·邦迪、托馬斯·哥爾德和弗雷得·霍依耳引入的。它假設(shè)物質(zhì)不斷地以準確的速率產(chǎn)生出來恰好維持宇宙中各處相同的平均物質(zhì)密度，從而預(yù)言宇宙在一切時代都具有相同的面貌。穩(wěn)恒態(tài)理論(至少它的初始形式)是一個非常大膽的理論。大爆炸理論最薄弱的一環(huán)，即初始創(chuàng)生的時刻被暴露出來了。既然大爆炸理論可以斷言宇宙是在遙遠而有限的過去一瞬間創(chuàng)生的，那為什么不能同樣合理地斷言任何時刻任何地方都在發(fā)生創(chuàng)造呢?

觀測證據(jù)是任何理論最嚴格的仲裁者，它終于否定了穩(wěn)恒態(tài)宇宙論的這個大膽斷言。在1950年，由于進行了更精巧更有鑒別力的天文觀測，穩(wěn)恒態(tài)理論的提倡者逐漸修改了它的形式。因為這個理論變得越來越牽強，只剩下一些最固執(zhí)的支持者還相信它。最后，穩(wěn)恒態(tài)宇宙論在1965年被宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)推翻了，這一發(fā)現(xiàn)為宇宙早期的熾熱階段提供了不容置辯的證據(jù)�，F(xiàn)在，穩(wěn)恒態(tài)宇宙論只不過是在現(xiàn)代宇宙論發(fā)展過程中的一個有相當歷史意義的插曲而已。

雖然人們一直敦促穩(wěn)恒態(tài)理論的提出者同意宇宙膨脹開始于百億年前的一瞬，但關(guān)于早期宇宙行為的無數(shù)種可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙學原理只能用可觀測的宇宙來評判，而大爆炸理論對后者提供了極好的描述。不過，在宇宙還很年輕的早期，我們可以想象一種宇宙論和標準大爆炸模型的均勻各向同性膨脹非常不同。這種膨脹是各向異性的：在某個優(yōu)先的方向上迅速膨脹而同時在另外的方向上坍縮。或者，宇宙也可能是非常不均勻的；在較密的區(qū)域可以發(fā)生局部的坍縮而形成黑洞。我們沒有科學上的理由偏愛簡單而規(guī)則的大爆炸模型而討厭宇宙可能有較離奇的開端。這兩種可能性同我們的物理規(guī)律都不矛盾，而天文觀測目前也還不能鑒別它們。

盡管有無數(shù)種可能的開端，我們還可求助于人擇宇宙學原理為宇宙挑出唯一的過去。按照這條原理必須承認標準大爆炸模型。因為，假若宇宙以一種極不規(guī)則的方式演化，就不會有我們?nèi)祟惓霈F(xiàn)了。所有那些渾沌宇宙論經(jīng)過充分長的時間以后，多半都會發(fā)展得不利于生命的存在。只有從無數(shù)種選擇中挑選出來的標準大爆炸模型才能提供適合生命演化的環(huán)境。

否認人擇原理的宇宙學者滿足于宇宙的混沌起源。顯然，這樣的宇宙反推回去要花無窮長的時間，因此人們可以認為這種觀點只具有學院式意義。相反，求助于人擇原理的宇宙學者選擇一種從初始至無窮永遠保持簡單的宇宙。選均勻的宇宙還是選早期混沌的宇宙，取開模型還是取閉模型，這乃是現(xiàn)代宇宙論面臨的主要決擇。

3.大爆炸

大爆炸理論揭示了宇宙演化的壯闊景象。宇宙膨脹大約開始于200億年前。這個初始時刻及其以前的條件純屬猜測的范疇。雖然我們將在下面幾章中碰到這個問題，但通常的理論對此是閉口不談的。早期宇宙非常熾熱、非常致密，同時也許還是很不規(guī)則的。這種不規(guī)則性和各向異性逐漸消失了。在大爆炸后數(shù)分鐘內(nèi)出現(xiàn)了一些核反應(yīng)，宇宙中幾乎所有的氦就是在那時合成的。隨著膨脹的進行，宇宙逐漸變冷，就像熱空氣邊膨脹邊冷卻一樣。宇宙背景輻射就是這個早期時代的遺跡。人們一直恰當?shù)匕阉�稱為原始火球的剩余輻射。根據(jù)一種宇宙演化的方案，隨著宇宙中物質(zhì)的冷卻，它終將凝聚為原星系。原星系分裂為恒星并聚在一起成為范圍廣闊的巨大集團。隨著頭幾代恒星的誕生和死亡，逐漸合成了碳、氧、硅、鐵這類重元素。當恒星演化為紅巨星時，它們便拋出凝結(jié)為塵粒的物質(zhì)。從氣體和塵埃云中形成了新一代的恒星。至少在一個這樣的星云里，冷的塵埃坍縮成一個環(huán)繞恒星的薄盤。塵粒通過合并彼此附著并累積成較大的物體，這些物體在彼此引力的吸引下長大，形成從小行星到大行星的形形色色天體，這些天體就構(gòu)成了太陽系。

大爆炸理論引導我們追溯整個宇宙的演化，從時間的頭幾毫秒到地球的形成和生命的出現(xiàn)，再走向可能是無限的未來。在考察這種演化的細節(jié)之前，我們將在第二章中討論科學宇宙論的歷史淵源。

(選自《宇宙的起源與演化──大爆炸》，科學普及出版社1988年版