什么是宇宙学

伤我心太深

　　宇宙学概说

　　一、什么是宇宙学


　　宇宙学是研究宇宙的起源、演化和结构的科学，是天文学的一门分支学科。它包括彼此有密切联系的两部分：观测宇宙学与理论宇宙学。前者侧重于通过实际的天文观测发现大尺度的天体系统特征，探讨宇宙的结构;后者侧重于从理论上研究宇宙的运动和演化机制，进而建立宇宙模型，探讨宇宙的起源与演化。


　　由于科学方法的发现，更是由于牛顿及其继承者在依据万有引力定律和牛顿运动定律解释宏观范围的自然现象方面所取得的卓越成就，在科学家中出现这样一种坚定不移的信念：宇宙有一种物质结构，它遵循自然定律，能够用一些方法和通过人的合理思考来测量和了解。


　　这样一种信念是人类在科学上不断努力的主要推动力，在过去的三个半世纪中当然是有巨大的成效的。但是在此时期中一些有创见的科学家认识到，如果谦虚一点来看，这种信念有可能并不正确。人的头脑对于了解宇宙来说并不是威力足够的思想发动机。它的许多伴随的概念可能超出人的阐述能力，正如我们相信，一只黑猩猩的头脑智能对于设计计算机或提出牛顿定律的等价形式来说是不够的。


　　然而，生活在宇宙中的人对宇宙的好奇心驱使他努力探索与宇宙有关的一系列问题。比如：宇宙有多大?它在体积方面是有限的还无限的?它的年龄有多大?它在演化吗?它在时间上有没有一个开端?有没有一个终端?许多年来，不知有多少人为这些问题耗尽了精力和智慧，答案也多得不可胜数，但建立在实验基础上并以严密的数理结构为基础的现代宇宙学，只是在进入20世纪之后才得以发展起来。因为只有到这时，科学技术的发展才使得人类大大开阔了眼界。天体物理积累了丰富的资料，广义相对论和量子力学则为人们提供了认识客观世界的新武器。


　　将近一个世纪以来，现代宇宙学取得了长足的进展。目前，宇宙学可以说是天文学、物理学前沿之一。许多杰出的天文学家、物理学家和数学家在这里会合。毫无疑问，宇宙学必将在新世纪中取得更大的发展。这里仅就与宇宙学有关的几个主要问题作如下概括性的介绍。






　　二、宇宙学的观测资料


　　任何一种可接受的宇宙学理论必须与观测资料相一致。因此，要了解宇宙学，首先要了解宇宙学的观测资料。作为宇宙学的观测基础，与研究宇宙的结构和起源演化有关的观测资料主要有以下几项：


　　1.河外星系的谱线红移


　　20世纪天文学的最伟大发现之一就是河外星系的谱线红移。它告诉我们，星系越是暗淡，它的谱线朝光谱红端位移就愈大。数以千计的星系光谱有助于确立这个规律。原则上为大多数人接受的对红移的解释就是多普勒效应所致，即星系越暗淡，谱线红移越大，它的退离速度就越大，离得就越远。哈勃基于这个解释得出了速度—距离公式，即河外星系所具有的退离速度与它们同我们的距离成正比。这个公式通常被称为哈勃定律。


　　观测资料表明，星系的谱线红移是各向同性的，也就是说，你在天球上的观测方向并不重要。由此使人想到：我们的宇宙犹如一个被不断吹大的气球，而众多的星系犹如分布在气球各处的一个个小黑点，它们随着气球的不断膨胀而彼此远离，彼此远离的速度与其距离成正比。这就是说，河外星系谱线红移的发现使我们得到一个重要结论：我们的宇宙不是一成不变的，而是在不断膨胀，或者说是在由小变大。根据观测所得的宇宙膨胀速度可以反推宇宙过去的大小，计算表明，大约在137亿年前，宇宙将退缩成一点。所谓宇宙起源于137亿年前的一次大爆炸的设想就是由此而来。




　　2.宇宙微波背景辐射


　　早在1948年，伽莫夫等人就预言了这种辐射的存在。通过对宇宙学的研究，包括对元素形成问题的研究，他们认为：在一个膨胀宇宙的最初时刻，热辐射应起重要作用。他们还想到，这种辐射的残余至今仍可能存在，其温度估计在绝对温度几度之内。1964年在美国新泽西州霍姆台尔镇用20英尺的抛物面反射系统做研究工作的彭齐亚斯和威尔逊发现，在7.35厘米波段上有一种各向同性的辐射。经过一年的反复测量，他们确认：存在着来自宇宙各个方向的3.5K微波背景辐射。此发现为宇宙大爆炸理论提供了强有力的证据，对宇宙学产生深远影响，被誉为是20世纪60年代天文学四大发现之一，彭齐亚斯和威尔逊因此于1978年获得诺贝尔物理奖。


　　1989年美国发射了宇宙背景辐射探测卫星，通过它的观测表明：宇宙微波背景辐射是黑体辐射谱，其对应的绝对温度为2.735度，并且这种辐射在宇宙中是均匀分布的，各向同性的程度很高，其变化幅度只有十万分之一。于2001年6月进入太空的“威尔金森微波各向异性探测器”耗资1.45亿美元，其运行轨道位于距地球大约160万千米的“第二拉格朗日点”附近。该探测器的主要任务是对宇宙微波背景辐射进行观测。


　　美国国家航空和航天局公布了一张迄今为止最为精细的宇宙“婴儿期”照片。这张照片就是“威尔金森微波各向异性探测器”头一年观测结果的结晶，科学家在此基础上将相关数据与其他天文观测结果进行了比较，最终得出一些精确的测算结论：宇宙年龄约为137亿年，该数据的误差率仅为1%左右;宇宙的各构成成分中，原子只占4%，暗物质占23%，剩下的73%则全部是暗能量;此外，宇宙的几何结构是“平坦”的，并将永远膨胀下去。上述结果同时为验证“大爆炸”等宇宙学基本理论提供了更准确、更有力的支撑。科学家们从这张照片中还获得了一些令人意外的发现，比如说宇宙中第一批恒星可能在“大爆炸”2亿年后就开始发出光芒，比此前所认为的要早几亿年。美国科学家认为，这张图片给出了迄今为止“最精确的宇宙配方”，将是未来若干年中所有宇宙学研究的基石。


　　3.星系计数与射电源计数


　　由于光速的有限性，当我们观测仙女座星系NGC224时，我们确信所看到的是它约在220万年前的情况。按年代排列，我们对距离更远的星系的看法是：假设它们形成更早些。暂且假定，我们的这种理念是有道理的。我们从那些更遥远的天体就能看到返回到数十亿年前以至一百多亿年前的宇宙的早期历史阶段。然而，当我们观测到越来越大的外太空时，资料就逐渐减少，但搜集到的不同距离天体的差别至少有可能提供一条宇宙演化的线索。例如，与现在相比，在早期每百万立方秒差距的星系可能更多，或者可能更少，或许星系的数目保持不变。再有，过去不规则星系同规则星系的比率可能比现在高，或许曾存在过更多的椭圆星系。对所看到的不同距离的天体进行仔细研究，在原则上能解决这个问题，因为每一个更远的类似的星系都属于这个宇宙的生命早期。因此，计数和比较相关星系的距离和时间可以得到重要的观测资料。




　　天文学家正是通过对星系与射电源的计数来研究星系和射电源在天球上的分布。对星系计数的资料表明：从局部来看，星系的分布是不均匀的，有明显的超星系团、空洞和纤维分布结构，但从总体上看，并不存在特殊的优势方向，看不出有更高的成团现象。换言之，从超过1亿光年的大尺度范围看，星系在宇宙中的分布是均匀和各向同性的。对射电源计数的资料表明：射电源的分布从总体上看也是均匀和各向同性的。


　　4.元素丰度与天体的年龄


　　通过对各类天体的光谱分析研究表明，在宇宙中氢和氦这两种元素含量最丰富，氢占75%，氦占24%，其他所有元素只占1%。用恒星聚核反应机制不能说明为何有这么多的氦。而根据大爆炸宇宙理论，宇宙早期温度很高，产生氦的效率也很高，就可解释这个事实。通过对各类天体的年龄测量表明，所有天体的年龄都不超过150亿光年。这正与由宇宙膨胀速度推算出的宇宙产生时间相吻合。


　　三、宇宙学原理


　　在大尺度天体系统结构的研究方面，有两种不同的宇宙模型：等级模型和均匀模型。前者认为天体分布是逐级成团的，无论在小尺度上还是在大尺度上天体的分布都是不均匀的。后者认为在大尺度上天体分布基本上是均匀和各向同性的。星系计数、射电源计数和宇宙微波背景辐射等观测资料都支持均匀模型，并称之为“宇宙学原理”。该原理认为，在宇宙大尺度(约1亿秒差距)上，任何时刻的天体分布都是均匀和各向同性的。


　　宇宙学原理是宇宙学家为研究大尺度天体系统结构提出的一种假设，它的含义包括以下两个方面：(1)在宇宙学尺度上，空间任一点和任一方向，在物理上是不可辨的，即密度、压强、红移等都完全相同。但在同一点上，不同时刻，各种物理性质是不同的。(2)宇宙各处的观测者所观测到的物理量和物理规律完全相同。


　　宇宙学原理认为：宇宙没有中心，没有任何一处是特殊的。地球上看到的宇宙演化图像，在其他天体上也能看到。对处于不同天体上的观测者来说，宇宙在大尺度上应具有同样的性质。结合这个宇宙学性质，各种不同的宇宙学理论被建立起来。


　　四、光速不变性与洛伦兹变换


　　光速的第一次精确测量是由丹麦天文学家罗麦在1675年完成的，当时他推断，木星的伽利略卫星发生食的时间和观察到的时间之间的不一致，是由光穿越木星和地球之间的变化着的距离时所花费的时间不同而造成的。到了十九世纪中叶，已经产生在地球局部表面附近测量光速的方法。费齐奥和麦克尔逊沿着其他途径找到这种方法，于是得出非常精确的光速的值。


　　19世纪的科学家相信光和声一样，需要一种介质来传播，这种假设的介质被称作以太，认为它能渗透一切空间并作为一种携带光波的物质而存在。然而验证以太存在的各种尝试都失败了。




　　麦克尔逊和莫雷试验就是其中之一，其目的是测量地球相对以太的速度。麦克尔逊和莫雷认为：如果在以太中光速是一定的，那么当接收者以一定速度相对于以太运动，光相对他的速度在不同方向应是不同的。他看到迎面而来的光速大，从后面追上来的光速小，也就是说光速与接收者相对以太的速度有关。如果能测量到这个差别，就支持了以太假说。由于光速很大，所以即使不同方向的光速是不同的，我们也很难测量出来。1887年麦克尔逊和莫雷设计了一个实验，其巧妙之处在于他们不去测量不同方向的光速值本身，而是测量不同方向的光速之间的差。


　　假定地球相对以太的速度是每秒υ千米，他们让一部分光线在以太漂移方向(东西方向)上沿着一条路径通过地球，然后被一面镜子反射，沿着它原来的路径返回。另一部分光线沿着长度相等但方向与以太漂移方向垂直的路径(南北方向)射入，并再次被反射回来，然后两条射线相干涉，产生一个条纹图案。如果漂浮在水银里的装置连同它的平台此刻是旋转的，那么这个条纹系列应当移动，因为光线的行进方向与地球通过以太的方向的关系已发生变化。


　　实验结果表明，没有发现因光的行进方向改变而引起光速的变化，观察者在测量时间和空间尺度方面所得的各自结果取决于它们的速度。它们在时间和空间尺度上自动予以修正以确保光速的恒定。观察到的直尺长度和钟表速率取决于观察者的速度，这个惊人的结论尽管起初使人惊慌，并与“常识”相矛盾，但却使一些物理学家跳出旧框框，创立了崭新的现代宇宙学。在这些物理学家中间有洛伦兹和爱因斯坦。


　　所谓的洛伦兹变换就是由洛伦兹推导出来的著名公式。当观测者O 1的坐标系x 1以速度υ在观测者O的x、y、z坐标系中的X轴方向上移动时，洛伦兹变换用公式表示为：1、y 1、zx1=(x-υt)/[1-(υ/c)2]1/2，y 1=y, z 1=z，t1=[t-(xυ/c2)]/[1-(υ/c)2]1/2


　　这里，t 1和t分别是由观测者O和观测者O 1量度的时间，c为光速。




　　洛伦兹变换令人满意地解释了洛伦兹—费茨拉格尔德收缩，后者的命名是因为洛伦兹和费茨拉格尔德同时提出了这样的解释：所观测到的物体的大小取决于它通过空间的速度。应当指出，如果υ远远小于c，那么υ/c可以忽略不计，于是得出：x 1=x-υt,y 1=y, z 1=z, t 1=t。这就是经典的关系式。


　　如果在我们的宇宙中光速低得多的话，那么我们对以常速运动的物体的观测经验应使我们熟悉这样的情形：一支箭在飞行中缩短，或者一个跑着的人显示出比他站着时更短，或者在一只快速运动的钟表上的秒针走得要比这个钟表挂在壁架时更慢。正如已指出的那样，在发现光速不变性之前，还没有显示出对时空本质进行重新探讨的需要。光速不变性的发现则引发出对时空本质重新探讨的需要。爱因斯坦在相对论中论述了这一新的探讨的必然结论。


　　五、爱因斯坦相对论


　　1.狭义相对论爱因斯坦于1905年发表的这一理论是以两条假设为基础的：(1)匀速运动的相对性。这个自然定律对于所有处于匀速直线运动的坐标系来说相互关系都是相同的。(2)光速的不变性。在任何一个参考坐标系中，光速并不是一个光源的速度的函数，而是一个真正的自然常数。


　　这两条原理意味着，光速并不取决于光源和观测者的相对速度。因此，爱因斯坦狭义相对论摒弃了有关光速的似是而非的议论。爱因斯坦在发展这个理论的过程中发现有必要修改经典力学的定律。他得出了他的著名公式：E=mc 2


　　这里E是与质量等价的能量，c是光速。正如我们已经了解的那样，这个关系式是恒星产生辐射能的核反应的一个不可缺少的依据。当然也是一种在人为干涉下获取能量的兑换率。除去这个规律之外，这个狭义相对论得出结论，所观察到的一定数量的物质的质量应取决于它与观察者的相对速度。所以，如果m和m0是具有速度时的质量和在静止时的质量，那么两者之间的关系可用下式表示：M=m0/[1-(υ/c)2]1/2


　　原子微粒实验中，这个关系式已被证实。狭义相对论的建立是爱因斯坦的重大贡献之一。它揭示了在高速运动状态下物体的运动规律。但这里的时空仍然是与物质无关的欧几里得时空。


　　2.广义相对论


　　爱因斯坦的广义相对论发表于1915年。他从引力质量与惯性质量等价出发，革新了引力场的概念，指出引力场要改变时空的几何性质，使时空弯曲。这样，时空性质就与物质存在密切联系起来了。原来把时空看作永远不变的存放东西的箱子，现在看来不对了。如果说时空是箱子，这只能是一只特殊的箱子，它的性质要随着存在其中的物质而改变。物质没有了，箱子也就不复存在了。由于宇宙中充满着物质，因此宇宙的时空属性不是欧几里得的，而是黎曼的。在黎曼空间中三个内角和不再是180°，两点之间也非直线最短。尽管如此，爱因斯坦的广义相对论在重力不大、速度也不大的情况下与牛顿力学相一致，但在以下三个实例中有着明显的区别，可以用实验检测出来。


　　其一是水星的近日点进动。按照牛顿力学，即使对其他行星的摄动进行恰当考虑之后，水星的进动还是比预报的情况提前约每世纪40角秒。牛顿力学完全不能解释这一差异。将爱因斯坦广义相对论应用于行星的轨道表明，行星轨道并不是一个封闭的椭圆。其旋转量可以计算出来，就水星的情况而言，所得结果就很接近每世纪40角秒。


　　其二是光线在太阳附近偏转。按照广义相对论，一条光线经过一个有巨大质量的天体时应向这个天体偏转。对行星这样质量较小的天体来说，即使有光线掠过，这种偏转还是觉察不到的。但对于太阳那样的大质量天体来说，一条掠过太阳表面的光线所产生的效应约为1.75角秒。这个预言在1919年日全食时首次被检验。在日全食时，一些靠近太阳并可被观测的恒星的位置被拍了照，发现：在日全食时，太阳引力场的偏转效应致使被观测的恒星位置被置于它们在晚上正常看到的位置之外。在这次日食和以后的日食时所做的测量都同爱因斯坦的预言相符得很好。
　　其三是从强引力场中的辐射源发出的光线的红移。这种引力红移可通过仔细研究太阳和白矮星的光谱来进行检验，其大小与太阳和白矮星表面引力的大小有关。引力越大，光谱中的谱线红移量就越大。太阳表面引力不太强。只比地球表面引力大28倍，不足以产生明显的引力红移。但白矮星密度很高，其表面引力很强，足以产生能测得出的引力红移。1925年亚当斯测出了天狼星B这颗白矮星的引力红移，而且这个红移量与用爱因斯坦理论计算得到的结果一样。
　　因此，所有这三种天文检验——水星近日点进动，光线靠近太阳偏转，来自强引力场中的辐射源的光线的红移——都支持了广义相对论。由此可见，爱因斯坦的广义相对论是比牛顿力学更深刻的理论，它冲破了牛顿形而上学的时空观，给了我们一把打开宇宙大门的钥匙。


　　六、量子力学


　　进入20世纪以后，人类才确实了解到所有的物质都是由原子、电子等微小粒子构成，并知道其表现出来的行为与宏观物体大不相同，于是出现了量子力学这门新物理学分支，以深入研究微观世界物质行为。由此发现：在微观世界里存在着粒子可贯穿壁垒的“隧道效应”;环绕原子核的电子具有“共存”于不同位置的现象以及由“测不准原理”引发的其他现象。就研究宇宙的起源与演化而言，因为宇宙最初诞生时，宇宙空间呈微观状态，爱因斯坦的广义相对论无法说明其状况，必须借助于量子力学的知识来解决问题。而当宇宙诞生后成宏观状态时它的演化则可由爱因斯坦的广义相对论予以说明。


　　七、不同宇宙模型的建立


　　人们为了探索宇宙的结构，曾先后建立各种不同的宇宙模型假说。1826年，奥尔勃发现一个起初看来似乎是可笑而浅薄的问题：为什么夜空是黑暗的?然而，奥尔勃的论证却使这个问题成为一个有意义的问题。他指出，如果宇宙是充满无数星体的欧几里得宇宙，而且假定星体分布是均匀的，在过去与未来都发光，那么将导致一条荒谬的结论：黑夜与白天一样明亮。这个论证就是著名的奥尔特佯谬。以牛顿力学和欧几里得几何为基础的宇宙模型是无法摆脱奥尔特佯谬的困境的。


　　为了克服这一困难，以法国伏古勒为代表的学派提出了阶梯式宇宙模型。在这个模型里，时空仍旧是欧几里得的，但物质密度不是均匀的而是分层次的。如恒星、星系、本星系、超星系团，以至更高级的集团。他认为，不同层次的集团的性质是不同的，反对把宇宙作统一处理。但他这种论断依据不足，具有片面性，难以令人信服。


　　第一个科学的宇宙模型是爱因斯坦于1917年建立的。观测事实告诉我们，在大尺寸范围内，天体的空间分布是均匀的、各向同性的。爱因斯坦以此为基本假设，根据他1916年建立的引力场方程对宇宙作了人类有史以来第一次科学考察。爱因斯坦发现，他的方程没有描述一个静态的、也就是在时间中不变的宇宙的解。当时还不知道存在星系的远离运动，爱因斯坦以为时空是静止的。于是不惜对该方程增加了被称为宇宙常数的一项。这样就允许宇宙具有静态解。这是理论物理学在科学史上错失的最重大的机会之一。如果爱因斯坦坚持其原先的方程，他就能预言宇宙要么正在膨胀，要么正在缩小。虽然如此，但爱因斯坦所得的静态宇宙模型仍很有意义。首先它是一个封闭有限却没有边界的宇宙模型，因为这里的物质有限，从而就克服了奥尔特佯谬的困难。更重要的是，爱因斯坦为后人科学地探索宇宙开辟了一条崭新的途径。


　　1922年，苏联数学家弗里德曼解爱因斯坦引力场方程得到一个动态时空解。但当时并未引起人们的重视。1927年比利时天文学家勒梅特把它作为一个宇宙模型进行了考察，提出了弗里特曼—勒梅特宇宙模型。勒梅特非常熟悉哈勃正在从事的宇宙膨胀的研究。正是他明确地提出了大尺度的空间会随时间而膨胀的概念。


　　1929年哈勃定律正式发表了，勒梅特指出这是宇宙膨胀的证明。1932年，勒梅特又在宇宙膨胀的基础上进一步提出宇宙起源于原始火球的大爆炸。1948年美籍物理学家伽莫夫把宇宙起源与化学元素联系起来，提出了大爆炸假说。这个假说认为，根据宇宙的膨胀率反推回去，在许多亿年以前宇宙退缩成一点，处于密度极高、温度极高的状态，并在某种条件下发生了迅猛的大爆炸，于是开始膨胀，温度逐渐降低。温度降到一百亿度时，便开始形成各种元素;冷却到几千度，变成通常的气体。进一步的膨胀使温度继续下降，气体物质开始凝聚成各种天体，逐渐演化成现今的状态。


　　弗里德曼—勒梅特宇宙模型具有奇点的困难，即宇宙要起源于一个数学奇点，时间是从这里开始。这确实令人困惑不解，难以接受。此外，50年代以前还有一个宇宙年龄的困难。早期测得的哈勃常数过大，由此算得的宇宙年龄为20亿年，比已知的地球年龄还小。为摆脱这些困难，1948年邦迪、戈尔德和霍伊尔提出了稳态宇宙模型。这种稳态宇宙模型是以完全宇宙学原理为基础的，即认为，宇宙不仅在大尺度空间上均匀、各向同性，而且在时间上也是均匀同性的。


　　所以，这种稳态宇宙模型与那些包含一种宇宙演化性质的宇宙模型是完全对立的。在稳态宇宙中不发生演化，在时间上或在空间上既无开端也无终端，因而没有奇点的困难，也不存在年龄的问题。但为了保持宇宙不断膨胀时仍有相同的密度，物质必须不断从“真空”中产生出来。其产生率为10-43千克/秒·立方米。这是一种很小的速率，相当于每1011年中在每一个相当于地球的体积中产生一克物质。但现阶段大量对宇宙的观测事实与不演化的稳态宇宙模型不符，而有利于起源于大爆炸并不断演化的宇宙模型。


　　20世纪50年代以来，测得的哈勃常数精度大大提高，由此算得的宇宙年龄在100至150亿年之间，因此宇宙年龄的困难已消除。而各向均匀的微波背景辐射的发现更成为我们的宇宙是“大爆炸”宇宙的一个强有力的证据。此外，恒星内部的氦的比例高达25%，这是恒星演化中内部核合成所不能说明的，但却可以用宇宙大爆炸后的早期核合成来说明。进入20世纪80年代后，以霍金为代表的现代宇宙学家把爱因斯坦广义相对论与量子力学结合起来，更深入地研究了宇宙的起源与演化，使大爆炸宇宙模型得到进一步的完善并广为公众所接受，并被誉为标准宇宙模型。