宇宙学简史
宇宙学简史
宇宙学是物理科学的一个相对较新的分支。这种提法似是而非，因为在宇宙学探讨的问题中有些是人类在远古时期就提出的。宇宙是无限的吗？它一直就存在吗？如果不是，那它是怎样形成的呢？宇宙会有终结吗？从史前时代，人类就试图构建一些概念框架来回答有关世界以及人与世界的关系的问题。最初的理论或模型在我们今天看起来是幼稚而毫无意义的。但这些早期的思考至少表明我们人类一直执著于对宇宙的思索。尽管当代的宇宙学家使用了完全不同的语言和符号体系，但他们探索宇宙的动机和我们的远古祖先大致相同。本章主要是简单介绍宇宙学这一“主题”的历史发展并阐释一些重要观点是如何形成的。我希望这能成为进入其他各章的出发点，而在以后各章中将详细探讨这些重要思想。
神化中的宇宙
早期宇宙学大多是以某种形式的“拟人论”（赋予非人类的物体以人的特征）为基础的。其中一些观点认为，某些恣意而为的神赋予了物质世界生命，这些超自然力量可以帮助或阻挠人类的活动；另一些观点认为物质世界本身没有生命，但可由一个或一群神来掌控。无论哪种观点，都是用造物神化来解释宇宙的起源，而这些造物主的动机人类可以理解，至少是能部分理解。
世界上的创世神化存在着许多差异，但也有显著的相似之处。有一共同点是其意象往往都融合了顶极工匠的理念。因此自然界之美往往通过某个技艺超群的工匠的作品表现出来，这样的例子在所有的文化中都能找到。另一个经常出现的意象是秩序生于混乱，反映了人类社会组织形式的不断进步。还有一个相似之处是各文化都将宇宙看成一个生物学过程。出现在神化中最显著的例子就是将宇宙描述成形成于一颗蛋或一粒种子。
巴比伦著名的创世史诗《埃努马·埃里什》就包含了这些元素。这个神话的诞生可以上溯到公元前1450年前后，但它可能是以更老的苏美尔人的神话为基础创作的。在其关于创世的描述中，原始的无序状态与海有关。从海中诞生了一系列代表天空、地平线等世界基本属性的神。在马杜克（Marduk）和提亚玛特（Tiamat）两神的战斗中，海神提亚玛特最后战死。马杜克就用提亚玛特的尸体创造了大地。
古代中国神话中也有同样有趣的例子。其中之一是关于巨人盘古。在这个故事中宇宙始于一颗巨大的蛋。巨人在蛋中沉睡数千年，醒来后破壳而出，在这个过程中蛋粉碎了。蛋的一部分（比较轻和比较纯的碎块）上升形成天空，而那些比较重和不那么纯的部分形成大地。盘古双脚站在地上用他的双手擎起天。当天空越升越高，这位巨人也不断长高以维系天地之间的联系。最终盘古死了，而他的身体却为世界作出了贡献。他的左眼变成太阳，右眼变成月亮。他的汗形成了雨，而他的毛发成了地上的植物，他的骨骼变为岩石。
创世传说的多种多样可以媲美世界文化的异彩纷呈，但限于篇幅，我在此不能举更多的例子。然而不管是非洲、亚洲、欧洲或美洲，这些传说中的相似之处相当显著。
图1 古代巴比伦之神马杜克。马杜克被认为在摧毁了提亚玛特后创造了宇宙的秩序，而提亚玛特是原始混乱的代表，这张图中他被刻画为马杜克脚下的一只角龙。世界上许多神话都有这种秩序诞生于混乱的思想，而这种思想继续存在于现代科学宇宙学的某些部分中。
古希腊人
西方科学起源于希腊。古希腊人拥有他们自己的神和神话，其中有许多是从周边的文明中引入的。然而除了这些传统文化元素外，他们开始建立一套理论体系进行科学探索。因果关系的论述今天仍然是科学理论的基本组成部分，而这一点应该归功于古希腊人。他们还认识到，观察到的现象可以用数学或几何学语言，而非拟人化的语言来描述和解释。
宇宙学理论作为可认识的科学规律开始出现于古希腊人构建的逻辑思考框架中，主要体现于泰利斯（Thales，公元前625—前547）和阿那克西曼德（Anaximander，公元前610—前540）的思想体系中。宇宙学这个词本身就来源于希腊语cosmos，意为世界是一个有秩序的系统或整体，既强调秩序性也强调整体性，在希腊语中cosmos的反义词是chaos（混乱）。公元前6世纪的毕达哥拉斯学派认为，自然事物的基础是数字和几何。数学推理的诞生以及物质世界可通过逻辑和推理认识的思想的出现标志着科学时代的开始。柏拉图（Plato，公元前427—前348）完整地解释了宇宙创生的过程，造物主根据“永恒至善”为原型创造了物质世界，但物质世界远非那么完美，因为这种“永恒至善”只存在于思维世界里。物质世界不断变化，但思维世界却永恒不变。
亚里士多德（Aristotle，公元前384—前322），柏拉图的学生，根据这种思想勾勒出一幅世界图景，遥远的恒星和行星都作理想的圆周运动，而圆是“完美的”几何学的表现。亚里士多德的宇宙是以地球为中心的球体。这个球体中从地球到月亮的范围是多变的区域，即柏拉图非完美的现实世界，而在这个范围之外的天体的运行则是理想的圆周运动。这种宇宙观在整个中世纪的西欧占据统治地位。但是希腊人在收集巴比伦人和埃及人的天文数据后发现，完美的圆周运动的观点并不为他们日益增多的天文数据所支持。尽管亚里士多德强调对宇宙的探索可通过思考和观测共同实现，但是直到公元2世纪托勒密（Ptolemy）在其编写的《天文学大成》中才提出了与当时收集的所有数据一致的宇宙的完整数学模型。
文艺复兴
大多数古希腊人获得的知识在黑暗年代基督教文化中逐渐失去，但在伊斯兰世界中却保存了下来。因此，中世纪欧洲关于宇宙的思考十分有限。托马斯·阿奎那（Thomas Aquina，1225—1274）从拉丁译本中继承了亚里士多德的思想，而当时并没有《天文学大成》的译本，他将异教的宇宙学思想融入基督教神学，其统治西方思想直至16、17世纪。
通常认为尼古拉·哥白尼（Nicolaus Copernicus，1473—1543）推翻了亚里士多德的宇宙观。托勒密的《天文学大成》是一套完整的理论，但它对不同行星的运动应用了不同的数学公式，因此不能真正表示一个完整而统一的体系。在某种意义上，它只描述了天体运动的现象而并未提供解释。哥白尼希望导出一个通用的理论，以相同的立足点考虑所有的事物。他只部分地完成了这个工作，但是他的理论成功地将地球从宇宙的中心移开了。最终是约翰内斯·开普勒（Johannes Kepler，1571—1630）彻底推翻了亚里士多德的理论体系。为了解释第谷·布拉赫（Tycho Brahe，1546—1601）对行星运动的高精度观测结果，开普勒用椭圆轨道替换了亚里士多德的完美的圆形轨道。(https://www.daowen.com)
通向现代宇宙学道路上的下一个重大发展应归功于艾萨克·牛顿（Isaac Newton，1642—1727）。在他的不朽巨著《原理》（1687）一书中，牛顿指出开普勒所描绘的椭圆运动正是万有引力定律的结果。因此，牛顿重新构建了柏拉图式的理想世界，其中万物都遵循同一运动理论。在牛顿的理论中，宇宙如同一架巨大的机器，按照非凡的造物主的意志规则地运动着，时间和空间体现了无所不在的“神”的永恒和无限。
直至20世纪初，牛顿的思想一直主宰着科学界，但是在19世纪，这台所谓的“宇宙机器”出现了瑕疵。机械论世界观伴随着第一次技术浪潮而出现。在随后的工业革命中，科学家们都热衷于引擎和热的理论。热力学定律指出，没有任何一台引擎可以完美地且永不停息地工作下去。在这个时期人们普遍开始相信“宇宙热寂”说，这种学说认为，如同一个弹起的球逐渐耗尽能量后静止一样，整个宇宙运动终将停止。
走向现代宇宙学
奥伯斯（Olbers 1758—1840）使牛顿的“宇宙引擎”再次受到重创。他在1826年提出了一个以他的名字命名的佯谬，尽管在他之前，包括开普勒在内的许多人都讨论过此问题。奥伯斯佯谬是源于对为什么夜空是黑色的思考。在一个稳恒态且无限的宇宙中，观测者的任何视线方向都会遇到一颗星，就像在无边无际的森林中，无论朝哪个方向看都会看到一棵树。于是可以得出结论，整个夜空应该和一颗普通恒星一样亮。观察到的夜晚的黑暗足以证明宇宙不可能既是无限的又是永恒的。
无论宇宙是否无限，可以进行合理解释的部分越来越多。在亚里士多德时代，月球的轨道是基本的界限（距地球400,000公里远），超过这个范围，人类思维就无法企及。到了哥白尼和开普勒时代，可知的领域就扩大到太阳系边缘（数十亿公里远）。而到了十八、十九世纪，银河系被认为就是宇宙，而现在我们知道的宇宙至少比太阳系大10亿倍。这种银河系就是宇宙的观点遭到了某些人的反对，反对者认为，许多弥散在整个天空中的奇怪的漩涡“星云”非常像我们的银河系，却可以在极远的距离看到。这些天体后来被称作星系。两派观点的一场“大论战”在20世纪初爆发了，对此我在第四章将介绍。现在人们终于认识到银河系的确只是数千亿个相似星系中的一个，这很大程度上要归功于埃德温·哈勃（Edwin Hubble，1889—1953）。
20世纪初，随着自然定律被重新改写，宇宙学进入了现代纪元。阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）于1905年提出了相对论，颠覆了牛顿的时空观。不久，他的广义相对论又取代了牛顿的万有引力定律。相对论宇宙学的第一项重大工作是由弗里德曼（Friedmann，1888—1925）、勒梅特（Lemaître，1894—1966）和德西特（de Sitter，1872—1934）共同完成的。他们提出了一套全新的复杂的数学语言来描述宇宙。爱因斯坦的理论为现代宇宙学提供了认识基础，我将在下一章中花更多篇幅来介绍它。
尽管这些认识上的发展铺平了通向现代宇宙学的道路，但迈出最后一步的并不是理论物理学家而是观测天文学家。1929年，埃德温·哈勃发现宇宙包含了许多像银河系一样的星系，并发表了观测结果。这使人们认识到宇宙在不断膨胀。最终在1965年，彭齐斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）发现了宇宙微波背景辐射，才证明（或几近证明）我们的宇宙起源于一个原始的火球——大爆炸。
现代宇宙学
爱因斯坦1915年发表的广义相对论标志着现代科学宇宙学的开始。广义相对论使对整个宇宙进行一致的数学表达成为可能。根据爱因斯坦的理论，物质和运动的性质与时空的变形有关系。这一点对宇宙学的重要性在于，时间和空间不再被认为是绝对的，独立于物质本体的，而是宇宙演化的参与者。广义相对论促使我们理解的不是宇宙在时间和空间中的起源，而是时间和空间自身的起源。
爱因斯坦的理论是现代大爆炸模型的基础，而大爆炸模型是迄今对宇宙膨胀的最佳描述。按照这个模型，在150亿年以前的极高温度和密度条件下，空间、时间、物质和能量起源于一个原始高能辐射火球。最初的几秒钟之后，温度下降到大约100亿摄氏度，核反应出现了，开始形成构成我们物质世界的原子。过了大约300,000年，温度下降到几千摄氏度，释放出我们现在可以观测到的宇宙微波背景辐射。随着爆炸的扩张，时间和空间也在扩展，宇宙慢慢变冷变稀薄。膨胀的气体云和辐射在收缩过程中形成恒星和星系。我们今天的宇宙包含着大爆炸遗留的烟雾和灰烬。
第五章将更加详细地论述大爆炸理论。就目前来说，大多数宇宙学家承认它是基本正确的。它阐释了大部分我们已知的关于宇宙的整体性质，且能够解释大多数相关的宇宙学观测结果。但是重要的是，我们认识到大爆炸理论并不完整。大量的现代宇宙学研究就是为了填补这个理论的空白而使得整个理论体系更完整，更有信服力。
首先，爱因斯坦的理论本身无法适用于宇宙形成的最初时刻。大爆炸是相对论理论学家称之为奇点的一个例子，奇点处数学计算失效而可测量的量变成了无穷。尽管我们知道宇宙从某个特定阶段开始是怎样演化的，但奇点却使我们无法从第一原理推出宇宙最初的样子。因此我们只好求助于观测而不是单纯的推理来拼凑宇宙的初始状态，这如同考古学家试图从废墟中重建一座城市。所以当代的宇宙学家们正在收集大量的详细数据以便拼合出宇宙形成时的图景。
最近20年里的技术进步大大加速了观测宇宙学的发展，我们当前确实处在宇宙发现的“黄金时代”。观测宇宙学目前已经构建了巨幅的星系空间分布图，显示出那些“细丝”和“薄片”令人瞩目的大尺度结构。而配合这些巡天的是一些深度的观测，例如利用哈勃空间望远镜进行观测。哈勃深场曝光时间足够长，可以观测到非常遥远的星系，而我们接收到的光是这些星系在宇宙早期发出的。利用这样的观测我们可以揭示宇宙历史的演化。例如，微波天文学家现在能够通过观察原始火球产生的宇宙微波背景中的扰动来描绘出早期宇宙的结构。计划中的卫星实验，如MAP〔1〕计划和普朗克巡天者计划（Planck Surveyor）将在未来几年里探测这些扰动的细节，它们探测的结果应该能够填补我们关于宇宙形成方面的知识空白。
天文观测可以用来测量宇宙的膨胀速率及膨胀是怎样随时间变化的，也可以通过大尺度地运用三角测量理论去探测空间几何。在爱因斯坦的理论中，光线不必按照直线传播，这是由于大质量天体产生的引力会使空间弯曲。在宇宙学距离上，这种效应导致时－空自身封闭（如同球体的表面），引起平行的光路汇聚。它也可产生一个光线分散的“开放”的宇宙。介于两种观点之间的是认为宇宙是平坦空间的“习常”观点，欧几里得几何适用于其中。哪一种观点正确取决于整个宇宙的物质和能量的密度，大爆炸理论本身并不能预言。
大爆炸理论在20世纪80年代经受了一次主要的检验，当时粒子物理学家试图用宇宙学方法来理解极高能量下物质的性质，而这种高能状态是他们的粒子加速器无法达到的。理论家们认识到宇宙早期可能发生了一系列巨变，也就是人们所说的相变，相变过程在瞬间使宇宙迅速膨胀。这样一个阶段的“暴胀”被认为会使空间的弯曲变得平坦，由此引出了宇宙应是平坦的肯定预设。而这种观点与上面提到的宇宙的观测结果似乎是一致的。最近关于宇宙目前仍在加速膨胀的推测，暗示了神秘的暗能量的存在，它可能就是早期暴胀阶段的遗存物。
宇宙学家也已运用现代超级计算机试图理解在宇宙膨胀并冷却的过程中成块的宇宙物质是如何收缩成恒星和星系的。这些计算说明压缩的过程需要大量浓缩的外部物质，其密度大到足以帮助结构增长而不发出星光。这些不可见物被称为“暗物质”。计算机模拟的结构与通过观测得到的巨幅结构图几近一致，这更进一步支持了大爆炸理论。
新理论思想和新近获得的高质量观测数据相辅相成，将宇宙学从纯粹的理论领域带入到缜密的实验科学领域。20世纪初叶，阿尔伯特·爱因斯坦的研究工作标志着这一转变的开始。
注释
〔1〕NASA的MAP卫星于2001年6月30日格林尼治标准时间19点46分从卡纳维拉尔角顺利发射——译注，下同
