宇宙的未來(lái)有關(guān)背景知識(shí)
中國(guó)是最早進(jìn)行天文觀測(cè)的國(guó)家之一，在殷商甲骨文里，就有許多天文觀測(cè)記錄。漢語(yǔ)“宇宙”一詞出現(xiàn)較早。戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的尸佼在他的著作《尸子》中就說(shuō)：“上下四方曰宇，往古來(lái)今曰宙。”東漢的高誘在《淮南子·原道訓(xùn)》注中也說(shuō)：“四方上下曰宇，古往今來(lái)曰宙�！�
中國(guó)古代的宇宙學(xué)說(shuō)，有渾天說(shuō)、蓋天說(shuō)、宣夜說(shuō)等。渾天說(shuō)認(rèn)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(shuō)認(rèn)為：“天似蓋笠，地法覆盤(pán)�！�(《晉書(shū)·天文志》)天地都是穹形的，如同一個(gè)同心的球穹。宣夜說(shuō)認(rèn)為：“天了無(wú)質(zhì)，仰而瞻之，高遠(yuǎn)無(wú)極，眼瞀精絕，故蒼蒼然也�！�(《晉書(shū)·天文志》)就是說(shuō)“天”不是一個(gè)固體的“天穹”，不過(guò)充滿(mǎn)了無(wú)邊無(wú)際的氣體，日月星辰都在這氣體中浮動(dòng)。
在西方，古希臘人也有多種宇宙學(xué)說(shuō)。公元前600年左右，住在米利都的古希臘哲學(xué)家泰利斯認(rèn)為地球是一個(gè)圓盤(pán)，漂浮在一片汪洋中。他的弟子阿那克西曼德認(rèn)為天空是包圍地球的一個(gè)球?qū)�，恒星在�?nèi)層，太陽(yáng)和月亮在外層。畢達(dá)哥拉斯認(rèn)為，地球、月亮、太陽(yáng)、行星和恒星都在一個(gè)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(xué)成就，著《天文學(xué)大成》，認(rèn)為地為球形，靜止不動(dòng)，處于宇宙的中心，其他天體圍繞地球運(yùn)行，創(chuàng)立了“地心說(shuō)”，統(tǒng)治西方天文學(xué)界一千四百多年，直到波蘭天文學(xué)家哥白尼在16世紀(jì)發(fā)表《天體運(yùn)行論》，創(chuàng)立日心說(shuō)。17世紀(jì)，意大利物理學(xué)家和天文學(xué)家伽利略親手制造天文望遠(yuǎn)鏡，開(kāi)拓了人們的天文視野。德國(guó)天文學(xué)家開(kāi)普勒提出了行星運(yùn)動(dòng)的三大定律，英國(guó)物理學(xué)家牛頓用力學(xué)的引力原理解釋開(kāi)普勒的行星運(yùn)動(dòng)定律，創(chuàng)立了天體力學(xué)。
現(xiàn)代宇宙學(xué)最有影響的學(xué)說(shuō)是大爆炸宇宙學(xué)。大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)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(gè)奇點(diǎn)，時(shí)間和空間都毫無(wú)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(cè)到的宇宙。
宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)是逐漸形成的。20世紀(jì)初，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論改變了科學(xué)家研究宇宙的方法。1927年，比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特第一個(gè)提出了動(dòng)態(tài)宇宙模型，認(rèn)為宇宙是從一種“原始原子”不斷分裂、膨脹形成的。他推測(cè)：如果宇宙中物質(zhì)的質(zhì)量小于某個(gè)臨界值，宇宙就會(huì)繼續(xù)膨脹下去，成為“開(kāi)放的宇宙”；反之，就會(huì)坍縮，成為“閉合的宇宙”。1948年，出生在俄國(guó)的美籍物理學(xué)家伽莫夫發(fā)展了這一理論，提出了“大爆炸”學(xué)說(shuō)。
大爆炸學(xué)說(shuō)得到了以下天文觀測(cè)的支持。(1)河外星系有系統(tǒng)地譜線(xiàn)紅移(課文中涉及)。1917年，美國(guó)天文學(xué)家斯里弗發(fā)現(xiàn)河外星系譜線(xiàn)有系統(tǒng)地向紅端移動(dòng)，表明這些遙遠(yuǎn)的天體正在離我們遠(yuǎn)去。1929年，美國(guó)天文學(xué)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(yuǎn)，紅移越大。這種紅移與距離之間的線(xiàn)性關(guān)系，稱(chēng)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(cè)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(dǎo)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(xué)科。當(dāng)我們巡視遙遠(yuǎn)的太空深處時(shí)，也就是在沿著時(shí)間上溯。我們所看到的那些最遠(yuǎn)的星系，是很久很久以前當(dāng)它們發(fā)出的光開(kāi)始其漫長(zhǎng)的太空旅行時(shí)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(wèn)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(cè)的結(jié)構(gòu)(從巨大的星系團(tuán)到太陽(yáng)系)的起源屬于天體演化學(xué)的領(lǐng)域。有待查明的根本問(wèn)題包括：宇宙是何時(shí)和怎樣發(fā)端的，星系是如何形成并獲得我們觀測(cè)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(méi)有什么把握來(lái)回答宇宙論和天體演化學(xué)的這些根本問(wèn)題。我們對(duì)于遙遠(yuǎn)宇宙和早期宇宙的知識(shí)是如此貧乏，以至于好些很不相同的宇宙學(xué)理論似乎都可以解釋觀測(cè)資料。然而近年來(lái)天文學(xué)家們作出了有關(guān)宇宙本性的激動(dòng)人心的新發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)提供了壓倒優(yōu)勢(shì)的證據(jù)支持一種宇宙學(xué)理論，即大爆炸理論。今天，人們正是在這個(gè)理論的框架內(nèi)探索著宇宙論和天體演化學(xué)的根本問(wèn)題。
盡管大爆炸理論還不能對(duì)所有的重大問(wèn)題作出回答，但它卻為我們勾畫(huà)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(shí)刻以來(lái)的演化�？梢钥吹�，當(dāng)我們?cè)噲D回答宇宙論和天體演化學(xué)的某些基本問(wèn)題時(shí)，新的問(wèn)題和爭(zhēng)議又會(huì)不可避免地出現(xiàn)。我們理論的許多細(xì)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(shuō)，并指出一些方向留待進(jìn)一步的研究來(lái)判明。因此，我們的討論既包含了宇宙本身的過(guò)去和未來(lái)，也包含著人類(lèi)為理解它所作努力的歷史和前景。作為開(kāi)始，我們要介紹一些形成任何科學(xué)的宇宙理論基礎(chǔ)的原理。
1.宇宙學(xué)原理
自古以來(lái)，人類(lèi)就不愿放棄我們?cè)谟钪胬锲鹬行淖饔玫南敕�。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(jì)人們才認(rèn)識(shí)到，我們的太陽(yáng)不過(guò)是處在一個(gè)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(gè)大星系團(tuán)外部的一個(gè)松散星系群的一員。甚至這個(gè)星系團(tuán)(即室女座星系團(tuán))同我們?cè)谟钪嬷衅渌胤娇吹降恼嬲薮蟮男窍祱F(tuán)相比，也只不過(guò)是一個(gè)毫不出眾的角色而已。我們?cè)谟钪嬷械牡匚豢梢哉f(shuō)是平凡到了極點(diǎn)。
這種用最大的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)得來(lái)的知識(shí)，給宇宙學(xué)者留下了一個(gè)棘手的難題。我們的觀測(cè)是從宇宙中的一個(gè)特殊位置進(jìn)行的，而建立一個(gè)宇宙學(xué)理論卻要求一般地了解整個(gè)宇宙中物質(zhì)的性質(zhì)和分布。宇宙學(xué)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(gè)普適原理，這個(gè)原理要求宇宙在我們附近的部分同極遙遠(yuǎn)的區(qū)域相比沒(méi)有什么差別。有很強(qiáng)的哲學(xué)理由來(lái)為這種普適原理辯護(hù)。舉個(gè)例來(lái)說(shuō)，物理學(xué)規(guī)律在全宇宙中應(yīng)當(dāng)是同樣的；因?yàn)槿舨蝗绱�，�?shí)驗(yàn)就會(huì)不可重復(fù)，而我們的物理規(guī)律就會(huì)不成其為規(guī)律了。一個(gè)更強(qiáng)的要求是，大宇宙應(yīng)當(dāng)盡可能地簡(jiǎn)單。用可以容許的最簡(jiǎn)單模型來(lái)解釋現(xiàn)象，這是物理學(xué)前進(jìn)的自然方式。不過(guò)，宇宙學(xué)原理也有一些不同的說(shuō)法。
1543年，哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼學(xué)說(shuō)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(xué)原理。這個(gè)原理說(shuō)，我們?cè)谟钪婵臻g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(lái)，宇宙在不同方向上顯示出相同的面貌。(從中心看一個(gè)球是各向同性的，而看一個(gè)雞蛋就不然了。)哥白尼原理要求，宇宙在空間任何一點(diǎn)周?chē)际歉飨蛲缘摹＞氐姆瓷鋺?yīng)足以驗(yàn)證，點(diǎn)點(diǎn)各向同性要求宇宙在空間上也必須均勻。因?yàn)�，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(xué)者曾試圖把宇宙學(xué)原理推廣到包括沿時(shí)間不變的概念。根據(jù)這個(gè)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(xué)原理說(shuō)，從空間和時(shí)間中的任何一點(diǎn)看去，宇宙都呈現(xiàn)出相似的面貌。由這個(gè)假設(shè)導(dǎo)出的穩(wěn)恒態(tài)宇宙論已被觀測(cè)排除。因而，宇宙學(xué)者一般只接受宇宙學(xué)原理的較弱的形式，而我們也樂(lè)于承認(rèn)，宇宙在空間(而不是時(shí)間)中是近似均勻且各向同性的。
為了完備起見(jiàn)，我們還得談?wù)勅藫裼钪鎸W(xué)原理。這個(gè)原理采取的觀點(diǎn)同完美宇宙學(xué)原理正好相反，宣稱(chēng)人類(lèi)是在一個(gè)特定時(shí)期觀察著宇宙的，盡管目前的宇宙從空間任何點(diǎn)看去顯得一樣。假設(shè)這個(gè)特定時(shí)期是因?yàn)樾枰a(chǎn)生那些有利于生命演化的特殊條件，比方說(shuō)，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(qiáng)度和我們的觀測(cè)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�，F(xiàn)已查明，地球的年齡和天文學(xué)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(gè)驚人的符合。人擇宇宙學(xué)原理用“許可”來(lái)解釋這種相似性。宇宙本來(lái)可以比它實(shí)際的情形不規(guī)則和無(wú)序得多。人擇宇宙學(xué)原理斷言，若是那樣的話(huà)，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(gè)非常特殊的宇宙中，并且這個(gè)宇宙必須是均勻各向同性的。“人擇”是一個(gè)非�；镜恼摀�(jù)，因?yàn)樗噲D對(duì)哥白尼宇宙學(xué)原理作出解釋?zhuān)笳邘缀跏撬杏猩Φ挠钪嬲摰暮诵摹?/P>
2.近代宇宙論
不同的宇宙學(xué)原理導(dǎo)致迥然不同的宇宙圖景。哥白尼宇宙學(xué)原理是大爆炸理論的基礎(chǔ)。的確，大爆炸理論實(shí)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(shí)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(yuǎn)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(yuǎn)膨脹的模型中相對(duì)較強(qiáng)，而在注定要再收縮的模型中相對(duì)較弱。
按照大爆炸理論，宇宙在過(guò)去一定要比現(xiàn)在致密得多熾熱得多。這個(gè)理論不符合完美宇宙學(xué)原理，后者要求宇宙在一切時(shí)期顯示出相同的面貌。建立穩(wěn)恒態(tài)宇宙論就是為了滿(mǎn)足完美宇宙學(xué)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(zhǔn)確的速率產(chǎn)生出來(lái)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(shí)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(gè)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(shí)刻被暴露出來(lái)了。既然大爆炸理論可以斷言宇宙是在遙遠(yuǎn)而有限的過(guò)去一瞬間創(chuàng)生的，那為什么不能同樣合理地?cái)嘌匀魏螘r(shí)刻任何地方都在發(fā)生創(chuàng)造呢?
觀測(cè)證據(jù)是任何理論最嚴(yán)格的仲裁者，它終于否定了穩(wěn)恒態(tài)宇宙論的這個(gè)大膽斷言。在1950年，由于進(jìn)行了更精巧更有鑒別力的天文觀測(cè)，穩(wěn)恒態(tài)理論的提倡者逐漸修改了它的形式。因?yàn)檫@個(gè)理論變得越來(lái)越牽強(qiáng)，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(guò)是在現(xiàn)代宇宙論發(fā)展過(guò)程中的一個(gè)有相當(dāng)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(kāi)始于百億年前的一瞬，但關(guān)于早期宇宙行為的無(wú)數(shù)種可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙學(xué)原理只能用可觀測(cè)的宇宙來(lái)評(píng)判，而大爆炸理論對(duì)后者提供了極好的描述。不過(guò)，在宇宙還很年輕的早期，我們可以想象一種宇宙論和標(biāo)準(zhǔn)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(gè)優(yōu)先的方向上迅速膨脹而同時(shí)在另外的方向上坍縮�；蛘�，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(méi)有科學(xué)上的理由偏愛(ài)簡(jiǎn)單而規(guī)則的大爆炸模型而討厭宇宙可能有較離奇的開(kāi)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(cè)目前也還不能鑒別它們。
盡管有無(wú)數(shù)種可能的開(kāi)端，我們還可求助于人擇宇宙學(xué)原理為宇宙挑出唯一的過(guò)去。按照這條原理必須承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型。因?yàn)�，假若宇宙以一種極不規(guī)則的方式演化，就不會(huì)有我們?nèi)祟?lèi)出現(xiàn)了。所有那些渾沌宇宙論經(jīng)過(guò)充分長(zhǎng)的時(shí)間以后，多半都會(huì)發(fā)展得不利于生命的存在。只有從無(wú)數(shù)種選擇中挑選出來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型才能提供適合生命演化的環(huán)境。
否認(rèn)人擇原理的宇宙學(xué)者滿(mǎn)足于宇宙的混沌起源。顯然，這樣的宇宙反推回去要花無(wú)窮長(zhǎng)的時(shí)間，因此人們可以認(rèn)為這種觀點(diǎn)只具有學(xué)院式意義。相反，求助于人擇原理的宇宙學(xué)者選擇一種從初始至無(wú)窮永遠(yuǎn)保持簡(jiǎn)單的宇宙。選均勻的宇宙還是選早期混沌的宇宙，取開(kāi)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(kāi)始于200億年前。這個(gè)初始時(shí)刻及其以前的條件純屬猜測(cè)的范疇。雖然我們將在下面幾章中碰到這個(gè)問(wèn)題，但通常的理論對(duì)此是閉口不談的。早期宇宙非常熾熱、非常致密，同時(shí)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(shí)合成的。隨著膨脹的進(jìn)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(gè)早期時(shí)代的遺跡。人們一直恰當(dāng)?shù)匕阉Q(chēng)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(tuán)。隨著頭幾代恒星的誕生和死亡，逐漸合成了碳、氧、硅、鐵這類(lèi)重元素。當(dāng)恒星演化為紅巨星時(shí)，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(gè)這樣的星云里，冷的塵埃坍縮成一個(gè)環(huán)繞恒星的薄盤(pán)。塵粒通過(guò)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(zhǎng)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(yáng)系。
大爆炸理論引導(dǎo)我們追溯整個(gè)宇宙的演化，從時(shí)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(wú)限的未來(lái)。在考察這種演化的細(xì)節(jié)之前，我們將在第二章中討論科學(xué)宇宙論的歷史淵源。
(選自《宇宙的起源與演化──大爆炸》，科學(xué)普及出版社1988年版
