宇宙学

宇宙学是20世纪的理论家搞出许多新奇深奥概念的又一个领域。早在18世纪，当时的天文学家就曾经提出过银河是一个“岛宇宙”（island universe）。到19世纪，通过对星云天体的观测，天文学家又猜想在银河的外面还存在着许许多多的星系，共同构成了整个宇宙。同样也是在19世纪，天文学家使用一种叫做分光镜的光学仪器分析太阳光和星光的光谱，发现整个宇宙遵从的是一种共同的化学。1870年以后更有了一项重大发现，即摄谱仪所摄得的恒星光谱的谱线似乎在随着恒星运动而发生移动，这一现象表明宇宙有可能正在膨胀。（天文学家在19世纪70年代后期开始使用干版照相，极大地方便了光谱摄像及其相关工作。）然而，直到20世纪20年代，主要是由于有了美国天文学家哈勃（Edwin Hubble，1889—1953年）的工作，宇宙学家才普遍承认“星云”天体是银河系外的星系，它们离我们极其遥远，同时还承认宇宙显然是在膨胀。

20世纪30年代初，相对论和粒子物理学对宇宙学产生了很大的冲击。爱因斯坦的质能方程和随之而来的对原子核过程的更加深入的了解，不仅带来了在原子弹和氢弹上的实际应用，而且也从理论上搞清楚了热核聚变，并认识到那正是太阳和恒星的能源。这些理论研究，最后还使科学家明白，比氢和氦复杂的化学元素，包括构成生命的那些必要元素，全都是在恒星的熔炉里炼制出来的。另一方面，热核聚变的发现也使得关于太阳的氧化燃烧模型被取代，从而使太阳和太阳系的年龄大为增大，于是开尔文勋爵关于太阳年龄的判断和他以太阳寿命很短为由对达尔文学说的诘难也就不攻自破。

在20世纪50年代，宇宙学家们在如何解释宇宙明显存在膨胀现象的问题上存在着很大的争议。那些理论家基本上分成两派，持有两种相互对立的观点。一种是“稳恒态”模型，认为在宇宙膨胀时不断有新物质形成，因而宇宙的密度恒定不变。另一种是由比利时天文学家勒梅特（Abbé Georges Lemaître）于1931年最先阐述，后来在20世纪40年代和50年代初又经移居美国的俄国物理学家伽莫夫（George Gamow）及其同事加以发展而形成的所谓“大爆炸”理论。该理论认为，宇宙起源于一次其温度和密度都高得令人难以置信的“大爆炸”，并且一直在不停地膨胀。

两种观点都有自己的支持者和论据，不过，在20世纪整个上半叶，大多数宇宙学家似乎钟爱的是稳恒态模型。这场争论到1965年以后才终于见了分晓。那一年，贝尔实验室的两位科学家彭齐亚斯（Arno Penzias）和威耳孙（Robert Wilson）差不多是意外地发现了所谓的3K背景辐射。他们的发现得到了非常漂亮的解释。如果宇宙开始于一个发生大爆炸的炽热火球，那么它就会随着时间的推移逐渐“冷却”，我们能够通过计算知道如今宇宙的残余温度应该是多少。计算得到今天宇宙的余热应该是在绝对零度以上大约3℃（2.73K），在此温度处测量到的一种弥漫背景辐射，正好是彭齐亚斯和威耳孙于偶然间检测到的辐射。他们两人凭借这项发现获得了1979年的诺贝尔奖，并同时宣告了稳恒态宇宙学理论的死亡。(https://www.daowen.com)

以3K背景辐射的发现为转机，粒子物理学与宇宙学两者结合起来，立即就显示出巨大的理论威力。极微小世界的科学和对最大天文系统的研究两者配合默契，硕果累累，构建出一种逻辑严谨的宇宙“标准模型”。在那种模型得到如今的科学家普遍认可的“膨胀”型中，宇宙开始于100亿—150亿年以前，是由理论倒推得出的一个其性质奇异到简直无法想象的“奇点”发生剧烈爆炸诞生出来的，在爆炸发生的瞬间，宇宙的大小是无限小。我们现在已知的这些自然定律不适用于宇宙产生的瞬间，但是粒子物理学能够合理地描述从大爆炸开始远小于1微秒的短暂时间以后宇宙的演化情况：起初，能量、物质和自然界的几种力是结合在一起的；接着有一个急速膨胀期，宇宙就像水在沸腾时改变状态那样发生“相移”，在此期间宇宙的大小增加75个数量级；再经过相对说来不长的10万年，能量和物质分离，原始宇宙继续膨胀和冷却；在随后的几十亿年间，又慢慢演化出星系和恒星，最后才在大约50亿年前形成我们这个与现在的模样完全不同的太阳系。

上面介绍的这幅图景尚有许多不能确定之处，目前还在对一些关键问题继续进行研究。宇宙的确切年龄到底是多少？专家们正在设法找出所谓哈勃常量的更为准确的数值，以期解决这个问题。宇宙的最终命运是什么？它是否会在某个时候停止膨胀，再发生坍缩而回到原样？换句话说，它真的会像最近的证据所表明的那样，要一直膨胀下去，最后死寂在一种“大冰冻”（big chill）中吗？答案取决于宇宙的质量究竟有多少。目前科学家正在积极进行研究，希望能够发现阻止宇宙无限膨胀下去所需要的那些“丢失的质量”。宇宙在大尺度上是极其均匀一致的，那么，我们又该如何解释在小尺度上，在包括我们所在的这个银河系在内的各个星系中出现的那种明显的不均匀？宇宙又怎么能够从虚无开始？为了解释这些问题，目前在量子宇宙学方面进行的那些工作可能是有用的。这些工作包括“虚时间”、“虚粒子”、量子“隧道效应”，以及从量子真空生出物质的可能性等。此外，对“黑洞”的研究也可能有助于搞清楚这些终极问题。所谓黑洞，是指一种密度大得惊人的奇异天体，它除了“蒸发”能量以外，其巨大的引力甚至使光都无法逃逸出来。如今，除了上面已经提到的那些概念，理论家们还掌握有一些性质古怪的实在，例如被称为宇宙弦（cosmic string）的大质量高能真空、从原初创始时的十个空间维坍缩而成的“超弦”、多宇宙，以及同样很难搞懂的其他一些艰深概念。它们虽然很怪，但在智力上也许颇能激发创造力。所有这些激动人心的研究，都说明纯科学在今天仍然保持着巨大的活力。不过，在这里还是要提到本书中一再强调的一种观点，即上述这些探索的价值主要在于满足智识和精神上的需要，它们既没有潜在的用处，也不是因为有用才进行的研究。它们在20世纪越来越重视科学研究的实用性的潮流中，代表的是那种源远流长的希腊传统的一种延续。