现代宇宙观的基础

现代宇宙观的基础

作者：刘远景 （原载于“新浪博客”）

科学是没有禁区的，哲学更是没有禁区，而且，把那些禁区变为人们热衷讨论的话题就是哲学专业的本行。如果有人给哲学家设立禁区，那么哲学家就会把你当二百五来戏弄。但是，一说到宇宙的起源这个问题，哲学家和有神论者都会不愿意同你讨论，怕惹麻烦。无神论的哲学家试图说明宇宙是一个没有起因、没有开端的自在之物，然而我们无法想象出任何没有起因或者开端的事物；有神论者的解释说宇宙是上帝创造的，可是连幼儿园的小朋友也会提出无法回答的问题：“上帝又是哪个创造的呢？” 无论是唯物主义还是唯心主义都没有办法解答逻辑上的终极观念问题。所以，赫胥黎说，哲学的唯一的实话实说就是不可知论。不可知论并不能平息哲学上的争论，说这是用理性来限制理性，难怪哲学家和有神论者都不想和别人讨论这个问题。

20世纪的天文学家和量子力学家试图用他们的研究成果来解答这个问题。

我们的地球是一个普通的行星，我们的太阳是一个普通的恒星，我们的银河系也是一个普通的星系，像银河系这样的星系还有几十亿个；宇宙形成已经有150亿年了，而我们现代人类在地球上出现只有大约十多万年。虽然我们人类是如此的智慧，但是，我们站在这样一个小行星上来解说宇宙实在是缺少资质。不过，我们毕竟是宇宙中有智慧有理性的动物，担负着这一解说的责任，解说宇宙的责任不能推给海豚或者猴子身上。虽说我们是智慧的，但是，视力不如鹰，嗅觉不如狗，听力不如兔子，要承担这样的责任实在是难。我们只能凭借人类发明的现代工具和逻辑推理来估算和描述宇宙的过去和现状，不承担责任地预测宇宙的未来。现在，人类还没有能力离开太阳系去访问其他星系，我们只能用物理实验室的研究成果去类比遥远太空中那些在我们看来非常奇怪的天体现象。这些类比虽然只是推理和估计，但是，按照科学的预测，现实的观测已经证明了前贤的预言是正确的。

尽管如此，我们人类生活在地球上养成很多有缺陷的观念，要客观地理解宇宙和正确地解说宇宙还要克服我们自己的很多偏见。人类实在是没有资格保证自己说的每一句话都是客观的，但是也有很多科学方法对于解释宇宙已经经过证明是正确的。

科学实验证实了的结论,是我们必须承认的也应该是我们思想观念的客观基础。以下19世纪末20世纪自然科学家观察和实验得出的科学结论。

1,多普勒效应 (Doppler effect)当物理波源和观察者有相对运动时,观察者接收到的频率和波源发出的频率不同的现象。两者相互接近时接收到的波的频率升高；相互离开时则波的频率降低；两者都处于静止时则不变。这种波不管是光波，电波，还是声波都是如此。例如：火车疾驰过车站时，站上的人听到火车汽笛的音调（频率）很快升高然后又降低。这就是火车向站上的人奔来时，声音的频率升高；向远处驶去时声音的频率就降低。宇宙中的恒星都是发光的天体，并且也是在不断地移动的，利用天体在运动时发出的光谱谱线的移动（频率的变化）现象可以准确测定天体的视向速度。这一现象由奥地利物理学家多普勒（Christian Doppler 1803---1853年）首先发现。后来物理学家把这种波谱移动现象称为“多普勒效应”。

2，红移 （Red Shift）光是一种电磁现象，按光波的长短顺序分为无线电波，电视波，微波，红外波，可见波，紫外波，χ射线，伽码射线，宇宙射线等九种。人的肉眼能看见的只有可见光波。这种人可以看见的光，按光波的长短顺序分：赤，橙，黄，绿，青，蓝，紫七种颜色。波长从4×10－7——7×10－7米。赤（红）色光波是可见光中最长的光波。当然，电波，微波，红外波更长，但是人的眼睛不能看见。紫色光在可见光中光波最短，人能用眼睛也可以看见。光波短于紫色光波，人的眼睛就看不见了。“红移”就是恒星或其他天体的光波谱线由其他颜色的谱线向红色谱线端移动，包括向红色光谱线外移动。光的红化就是波长的波长由短变长，远离地球而去的物体包括星系不论是由于通常的运动还是由于宇宙膨胀产生的运动，它们的光波都会出现同远离速度成正比的红移。这就是“多普勒效应”在天体物理学上应用。如果光谱线向蓝色或紫色方向移动，说明有天体正在向地球飞来，但是这种现象极少。在天文观测中基本上只观测到红移的现象。这说明天体由于膨胀都在相互远离而去。如果某一天体本来发出的光是绿色的，光谱向红色方向移动量大，说明它的远离地球而去的运动速度就高。向红色方向移动得小，说明远离地球而去的运动速度就低。

3，量子力学 （Mechanics Quantum）量子力学是现代物理学的理论基础，是研究微观粒子运动规律的理论。20世纪初发现的大量事实与物理量不能连续变化而只能取其某些分立值，相邻两个分立值之差，科学家只能称之为物理量的一个量子，表明微观粒子不仅具有粒子性，同时具有波动性，称作波粒二象性。它们的运动不能用通常的宏观物体运动的规律来解释。德布罗意，薛定谔，玻尔等科学家逐步建立和发展了量子力学的基本理论，应用这一理论解决微观粒子问题时得到的结果与实验相符合。量子力学的规律用于宏观物体或者质量和能量相当大的粒子时，也能得出现代物理力学的结论。

4，广义相对论和引力场论 （General theory of relativity and Gravitational fieled）现代引力观是建立在场论的基础上的，即物体在其周围产生引力场，这是物体之间万有引力作用的媒介。从原则上分析，质量应有两种：牛顿第二定律中的质量是与惯性联系着的惯性质量；而牛顿引力公式中的质量则是引力质量。19世纪末，匈牙利物理学家厄缶作了一个实验，在10的负9次方的精度内证明了这两种质量是相等的。两种质量相等使得爱因斯坦（Albert Einstein 1879---1955年）提出了等效原理。爱因斯坦的广义相对论是用四维非欧时空来解释引力作用的，其中物体和光线沿测地线运动。广义相对论所预言的不同于牛顿理论的效应一般很微弱。如：①引力红移，引力场强的地方所发出的光线频率看起来将降低；②光线在引力场中的弯曲；③水星近日点的运动。但是，在天体物理学中，广义相对论的某些预言则是十分明显的。由于自身引力作用，一定质量的天体将不可避免地发生“坍缩”，最后形成黑洞。它的引力场是如此之强，以至于内部的光线也跑不出去。近来，天文观测已经给出了黑洞存在的可靠证据。另外，研究宇宙构造的宇宙学完全是以广义相对论和引力场论为理论基础的。爱因斯坦的狭义相对论正确地解释了能量与质量以及运动的关系，其公式为：E＝MC2

德西特.弗里德曼和勒梅特等科学家把相对论应用到宇宙学,终于使人们确信宇宙在按哈勃定律膨胀。现代宇宙学断言:宇宙在空间上是均匀的,物理规律也到处适用，由于观测到的宇宙是各向同性的（即就平均而言，各方向都一样），似乎说明这一原理是基本合理的；因为若把宇宙看成非均匀的，而我们周围才是均匀的，那就意味着我们在宇宙中是特殊的。广义相对论宇宙论实质上是空间具有动力学性质，而且可能是均匀弯曲的，若曲率为负（双曲的）或零（平坦的），则宇宙开放空间无限；若曲率为正（球状体的）则宇宙为封闭的，空间有限。空间的膨胀使静止在空间中的星系彼此远离，相对速度都遵循哈勃定律，并随距离增加而速度增大，不受光速的限制。

3，宇宙模型 （Model Universe）第一个为宇宙设想模型的是前苏联天文学家弗里德曼（Friedmann 1888----1925年）1922年，他根据爱因斯坦引力场论得出宇宙解，认为宇宙是均匀的，各向同性的，宇宙常数为零的，而且是不断膨胀的。

4，宇宙膨胀说 （Viewpoint of expanding universe）美国天文学家E.P哈勃(Edwin powell Hubble 1889----1953年)1923年----1924年在威尔逊山天文台时,发现仙女座大星云的12颗造父变星,根据周光关系,推算出它们位于银河系之外,是与银河系一样的恒星系统。哈勃因此成为星系天文学的奠基人。1929年，哈勃观测了24个邻近的星系，他把这些星系的光谱与实验室的光谱作了对比，结果发现所有星系的光谱线都向长波方向移动了一小段距离。如果这些线谱的移动是多普勒效应引起的，则利用谱线的移动可以计算出其运动的速度v，而光波变长则即光源远离观测者而去。利用仅有的24个星系以及其他方法所定的这些星系离我们的距离d,哈勃发现v ∝ d,即速度与距离成正比。

哈勃的发现结束了禁锢人们数千年的传统宇宙观，把一个永远静止的的世界一下子突变为一个膨胀的宇宙。科学家认为，哈勃的发现是20世纪人类最杰出的发现。这一规律今天被称为“哈勃定律”。并把比例系数记为H0

V＝Hod

(读为：速度等于哈勃常数乘以距离)

哈勃定律预示：如果目前所有星系都在彼此远离而去，那么，在有限的时间以前，这些天体必然会聚集在一个极小的空间内。

5，大爆炸宇宙说 （Universe Big Bang）宇宙大爆炸说是美国天文学家伽莫夫（Gemorge Gamov 1904----1968年）根据哈勃宇宙膨胀说提出的，认为宇宙从密到稀，从热到冷不断膨胀的一种宇宙学说。因为这种演化过程好像一次巨大的爆炸，所以称为大爆炸宇宙说。这一学说后来得到各方面天文学观测的结果的证实和支持。

按上面这些科学家的理论学说，我们的宇宙是在130亿年前（不超过150亿年前）由一个10-29厘米的小粒子质点发生爆炸而产生的。在没有发生爆炸之前，时间为零。爆炸发生后，宇宙开始膨胀，辐射和物质均匀地向四周散发，一切组成均处于热平衡状态，时间开始记数，宇宙开始了可以测记的空间。在宇宙爆炸发生10秒钟之内，现场的温度为大约5×109 K，几乎一切能量均以光子的形式出现；当爆炸后10秒钟至100秒钟时，温度急剧降到109 K宇宙从辐射为主变为以物质为主；当爆炸发生后100秒至100万年时，温度又降到5000K，由于辐射的原因，散发的物质变为透明，物质的温度低于辐射的温度；爆炸发生后100万年到10亿年时，辐射的温度为100K，而物质的温度只有1K，宇宙的星系开始形成，我们所在的银河系也大约在此刻开始形成了。不过，各星系之间的距离还不是很远，星系所属的恒星还没有行星，并且恒星之间还很近。大、小麦哲伦星系、仙女座星云、银河系都在爆炸的斥力的推动下急速朝着大致相同的方向奔驰；当爆炸发生后50亿年时，辐射温度为12K，宇宙中出现最早的类星体（Quasi stellar object）；现在，也就是爆炸发生50亿年到130亿年后，辐射的温度降为3K，物质的温度升为100万K。

按照哈勃定律，宇宙的膨胀就如正在被冲汽的汽球，以球的中心为中心点向外扩展。如果在汽球上画上几个小点，以这几个小点代表几个星系，那么，在刚给汽球冲汽时，这几个小点彼此的距离靠得是很近的，又以冲汽扩张汽球表示大爆炸，随着冲汽的不断进行，几个原先本来靠得很近的小点彼此会离得越来越远，离得越来越远的的小点随冲汽的不断进行分离的速度就越快。同样，随着汽球的变大，这几个小点的面积也就越来越大。我们普通人称这种现象叫分离，但是哈勃和天文学家称这种现象叫“退行”。称分离的速度叫“退行速度”。

按多普勒效应和哈勃定律，观测者与被观测的天体之间越远，退行的速度就越大。观测者接受的天体光谱线就越宽，谱线就越向红色的末端移位。天文学家用“Z”

代表红移的程度，定义为：

Z=λ－λο／λο

式中λο为实验室光源的某一谱线波长，λ为天体光谱中同一谱线的波长。用天体光谱线波长减去实验室的同一谱线，再除以实验室的同一谱线波长数就是红移位数Z，天文学家的观测发现，除银河系离地球较近的恒星外，大多数恒星和星系都有“红移”现象。离我们越远的天体，“红移”的现象就越大。20世纪六十年代，科学家发现类星体普遍有较大的“红移”。当时其中最大的“红移”3.78。“红移”值Z达到1，就表示退行的速度达到光速。现在已观测到的天体光谱“红移”达到Z=6，那么，这些遥远的天体正以6×30万公里/秒的速度离我们而去。这样的速度真的难以置信，但是这是不用置疑的事实。

这里就出现了眼见的现象并不一定是正在进行的现实的问题。因为如果你用天文观测设备看某一遥远的天体正在发生的爆炸，这一爆炸现象通过光波传给你，光波虽然以每秒30万公里的速度传来，但宇宙距离太遥远，有些天体离地球远达若干万光年，假如你观测到一个一千光年这的恒星发生爆炸，那个爆炸事件已经是一千年发生的事了。这也就是所谓“时间膨胀”现象。我们用字母“t”代表宇宙大爆炸那一刻，如果你在2000年12月25日那天用天文观测设备看到2000光年远的恒星爆炸，那么，这个恒星爆炸正好是耶稣出生的那天爆炸的。如果那个爆炸炸得彻底，你所看见那个恒星在你看见那一刻早已经不存在了，变成灰烬了。

宇宙大爆炸产生了我们能够看见的天体，产生了现在照耀我们地球的太阳，之后，在天体演化过程中，又产生了我们的地球。按现代天体物理学的原理，这个宇宙是以爆炸原点为中心，均匀地各向同性向外膨胀的，整个宇宙半径开始时很短，以后，爆炸产生的物质向四周扩散，宇宙的半径就一天一天地变大了。

现在的宇宙半径经典说法是65亿光年，并且正以每秒90万公里的速度离开原爆炸点向四面八方“退行”。根据是：目前已经观测到的遥远的天体的光谱线的红移值达到6，如果这些天体就是对角最远的天体，那么，6×304KM/秒＝1804KM/秒。换句话说，宇宙的直径每秒钟增大180万公里。这个数字对于地球上过惯了慢速度运动的人来说，确实有点让人吃惊，但是，对于对于整个直径长度达130光年的宇宙来说，这点速度也算不了什么。

那么，我们的宇宙是不是就永远这样膨胀下去呢？当前的科学家有以下几种看法：A，如果宇宙密度参量Ωｍ小于1，那么就是开放的宇宙，它就会永远地膨胀退行下去，当直径达到无穷大时膨胀的速度会减少；B，如果宇宙密度Ωｍ等于零，那么就是一个平坦的宇宙，也就是爱因斯坦—德西特宇宙，它也会长期膨胀退行下去，当直径达到无穷大时，膨胀退行的速度就会停止下来，宇宙的尺度会慢慢缩小；C，如果宇宙密度Ωｍ大于1，那么，就是一个闭合的宇宙，当它膨胀到一定限度后速度就会减小。当宇宙膨胀退行到最大值时，膨胀停止，开始收缩。

大多数科学家倾向于第三种观点，认为宇宙可能的结局是：在一百亿年后，太阳将演化成一个光度红巨星。半径扩大到离太阳最近的水星的轨道，那时，地球的海洋将会消失，大气也会散发完毕。在100亿年后，银河系的多数恒星都已经衰老，由于有新的恒星出现，仍会有少数年轻的恒星天体。到那时银河系会比现在暗弱，成为大批演化末态恒星的墓地。其他星系也银河系相同，在以后的继续膨胀退行中宇宙将变得越来越空，但如果这种膨胀后又开始收缩，那么在几百亿年内，近距离的星系的退行将会停止，并使进程开始反转。由于我们观测宇宙有一个时间上的膨胀系数，在非常遥远的星系的退行还会继续若干年。到最后越来越多的星系会彼此靠近，终究会坍缩到大爆炸之前的原始密度状态。