宇宙和宇宙學(xué)
《淮南子·原道訓(xùn)》注：“四方上下曰宇，古往今來曰宙，以喻天地。”這為宇宙下了一個頗為確切的定義，也就是說，宇宙是物質(zhì)的宇宙。宇宙者，天地萬物之通稱也，它包含了空間和時間兩方面的含義。今天，人類對物質(zhì)宇宙的認(rèn)識在空間上已達(dá)到150億光年的宇宙深處；而在時間上則可追溯到150億年前的宇宙早期歷史。大量的觀測資料為人們研究宇宙的結(jié)構(gòu)和演化提供了十分有用的信息。
地球是人類的誕生地，它年復(fù)一年地繞太陽公轉(zhuǎn)。太陽以它巨大的引力支配著太陽系中每個成員，其直徑以冥王星軌道為界約為120億公里。太陽只是銀河系中的普通一員，在銀河系中，像太陽這樣的恒星總數(shù)超過1000億顆。銀河系外還存在著像銀河系那樣的龐大恒星系統(tǒng)，即河外星系。在目前所觀測到的宇宙內(nèi)，星系總數(shù)約為1000億個。
天文學(xué)是最古老的自然科學(xué)之一，宇宙學(xué)是天文學(xué)中的一個分支學(xué)科，其研究內(nèi)容是從整體角度探討宇宙的結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律。人類對宇宙的認(rèn)識有著悠久的歷史。哥白尼在他的《天體運(yùn)行論》中曾說：“太陽是宇宙的中心。”這意味著在那個時代，人們心目中的宇宙實(shí)際上就是太陽系。
在中國古代，關(guān)于宇宙結(jié)構(gòu)的認(rèn)識主要有三派學(xué)說，即蓋天說、渾天說和宣野說。在歐洲，從公元前6世紀(jì)到公元1世紀(jì)，古希臘和古羅馬也有過許多關(guān)于宇宙構(gòu)造和本原的學(xué)說。中世紀(jì)，托勒玫的地心說占據(jù)了學(xué)術(shù)界的統(tǒng)治地位。直到16世紀(jì)，哥白尼創(chuàng)立了日心說后，人類對太陽系才有了正確的認(rèn)識。17世紀(jì)，牛頓開創(chuàng)了用力學(xué)方法研究宇宙的途徑，建立了經(jīng)典宇宙學(xué)。1785年，德籍英國天文學(xué)家赫歇爾(W. Herschel）提出了第一個銀河系圖像，從此，人類的視野從太陽系擴(kuò)展到了恒星世界。
1917年愛因斯坦根據(jù)廣義相對論建立了一個“靜止、有界、無限”的宇宙學(xué)模型，發(fā)表了題為《在廣義相對論基礎(chǔ)上對宇宙所作的考察》的著名文章，開創(chuàng)了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究先河。1924年，美國天文學(xué)家哈勃(E. Hubble)證實(shí)了河外星系的存在。嗣后，一系列重要的觀測發(fā)現(xiàn)和理論研究成果，使宇宙學(xué)研究開始沿著科學(xué)的方向發(fā)展。
宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)
及由此引出的問題
研究宇宙的一個重要內(nèi)容是探測宇宙中各類天體的運(yùn)動，進(jìn)而探索整個宇宙的運(yùn)動狀態(tài)。天體離地球十分遙遠(yuǎn)，要測出它們的速度頗不容易。一種比較有效的方法是利用多普勒效應(yīng)來測定天體沿觀測者視線方向的速度——視向速度?；疖囘M(jìn)站和離站時，站臺上的人所聽到的火車汽笛聲會有所不同，這就是多普勒效應(yīng)。利用這個效應(yīng)，可以測出火車的運(yùn)動速度。同樣，通過測定天體光譜中某些譜線位置的變化，可以推算出天體的視向速度。
早在1912年，美國天文學(xué)家斯萊弗(V. M. Slipher)就開始研究星系的視向運(yùn)動狀況。他在13年中一共測得了40個星系的視向速度，并發(fā)現(xiàn)其中38個星系都在遠(yuǎn)離地球而去。后人的工作進(jìn)一步證實(shí)了這一普遍現(xiàn)象，即絕大多數(shù)星系都表現(xiàn)出這種“退行”運(yùn)動，這引起了天文學(xué)家的注意。
1929年，哈勃仔細(xì)分析了已知距離的24個星系的退行速度后，得出了一個驚人的結(jié)論：星系的退行速度與距離成正比，并據(jù)此提出了著名的哈勃定律。今天，哈勃定律已為天文界所廣泛接受。
根據(jù)宇宙學(xué)原理，只要星系的視向速度與距離成正比，那么，不僅在銀河系位置上可以看到這一現(xiàn)象，而且在其他星系位置上也會觀測到同樣現(xiàn)象，只是同一星系在不同位置觀測者看來有不同的視向退行速度。從而得出一個重要結(jié)論：銀河系在宇宙中絲毫不具有特殊地位，銀河系并不是宇宙的中心；其次，從地球觀測到的星系視向速度與距離成正比這一事實(shí)，不僅說明河外星系與銀河系之間的距離在不斷擴(kuò)大，而且說明任意兩個星系之間的距離也在不斷加大。由此得出一個重要推論：整個物質(zhì)宇宙在不斷膨脹。
在理論研究上，蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼（J. Friedman）于1922年即放棄了愛因斯坦的靜態(tài)宇宙觀念，提出了非靜態(tài)宇宙理論，并論證了宇宙隨時間不斷膨脹的可能性；1927年，比利時主教、天文學(xué)家勒梅特(G. Lemaiter)提出了均勻各向同性的膨脹宇宙模型；1929年哈勃定律的發(fā)現(xiàn)支持了宇宙在膨脹的動態(tài)圖像，英國天文學(xué)家埃丁頓(A. Eddington)即把星系的退行運(yùn)動解釋為均勻各向同性膨脹的觀測效應(yīng)；1932年勒梅特提出，現(xiàn)在的宇宙是由處于極端高溫、高密度的“原始原子”爆炸、膨脹而形成的，從而開始明確討論宇宙誕生的問題；1948年，美國天文學(xué)家伽莫夫（G. Gamow）和阿爾法(R. Alpher)等人進(jìn)一步發(fā)展了勒梅特的思想，從而為今天稱為標(biāo)準(zhǔn)模型的“大爆炸宇宙論”奠定了基礎(chǔ)。
宇宙居然在膨脹！這在早些時候?qū)嵲谑橇钊梭@訝的結(jié)論。如果這是事實(shí)，而且這種膨脹是一個長期持續(xù)的過程，那么在過去，星系之間的距離比現(xiàn)在要近。由此追溯回去，在過去的某一時刻，宇宙中一切物質(zhì)必然都處于一個極小的范圍，宇宙膨脹即由此開始，而此后宇宙中所發(fā)生的一切也從那一時刻開始。那么，在那一時刻究竟發(fā)生了什么事件？它又如何造成今天所觀測到的宇宙宏觀圖像呢？
宇宙在大爆炸中誕生
大爆炸宇宙論的主要觀點(diǎn)是：宇宙有過一段由熱到冷、由密到稀不斷膨脹的演化史，其過程猶如一次規(guī)模極其巨大的超級大爆發(fā)。
根據(jù)這一學(xué)說，在距今大約150億年前，今天所觀測到的全部物質(zhì)世界都集中在一個溫度極高，密度極大的很小的范圍。大爆炸開始后0.01秒，宇宙的溫度約為10000億度，其物質(zhì)的主要成分為輕粒子（如光子、電子或中微子），質(zhì)子和中子只占十億分之一，所有這些粒子都處于熱平衡狀態(tài)。
由于整個體系在快速膨脹，溫度很快下降。大爆炸后0.1秒，溫度下降到300億度，中子與質(zhì)子之比從1下降到0.61。1秒鐘后，溫度下降到100億度。隨著密度減小，中微子不再處于熱平衡狀態(tài)，開始向外逃逸，電子-正電子對開始發(fā)生湮沒反應(yīng)，中子與質(zhì)子之比進(jìn)一步下降到0.3。但這時由于溫度還太高，核力仍不足以把中子和質(zhì)子束縛在一起。
大爆炸后13.8秒，溫度降到30億度，這時，質(zhì)子和中子已可形成像氘、氦那樣穩(wěn)定的原子核。35分鐘后，溫度降到3億度，核過程停止。但由于溫度還很高，質(zhì)子仍不能和電子結(jié)合形成中性原子。原子是在大爆炸后約30萬年才開始形成的，這時的溫度已跌到3000度，化學(xué)結(jié)合作用已足以將絕大部分自由電子束縛在中性原子內(nèi)。
到這一階段，宇宙的主要成分是氣態(tài)物質(zhì)，它們慢慢地凝聚成密度較高的氣體云，再進(jìn)一步形成各種恒星系統(tǒng)。這些恒星系統(tǒng)又經(jīng)歷了漫長的演化，成為人們今天所看到的宇宙，而星系中恒星的演化又產(chǎn)生了碳、氧、硅、鐵等元素。
為了解決大爆炸宇宙模型在解釋宇宙極早期狀態(tài)時所遇到的一些困難，1980年代初，人們提出了暴脹宇宙論。這一學(xué)說對可觀測宇宙的描述，除大爆炸發(fā)生后最初的10－30秒外，與標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型符合得很好，但對最早那一瞬間的描述卻大為不同。
根據(jù)暴脹模型，宇宙曾經(jīng)歷過一個極短時間的極快速膨脹（稱為“暴脹”），在這段極短的時間內(nèi)，物質(zhì)處于稱為“假真空”的奇特狀態(tài)。由于假真空引起的引力排斥，宇宙按指數(shù)律加速膨脹，其尺度每過10－34秒便增大一倍。在這種驚人的爆發(fā)式增長中，宇宙的所有質(zhì)量和能量從完全的真空中產(chǎn)生出來。在這一新模型中，極早期宇宙的尺度比標(biāo)準(zhǔn)模型所認(rèn)為的小得多，標(biāo)準(zhǔn)大爆炸模型中的一些困難在這里可以找到簡單解釋。
大爆炸實(shí)際上是從“奇點(diǎn)”開始發(fā)生的。大爆炸后的10－43秒被稱為普朗克時期，在這一時期，可觀測宇宙的尺度甚至比原子核還要小得多：半徑只有10－23厘米，密度卻高達(dá)1090千克/厘米3，溫度則高達(dá)1032度。
經(jīng)過約150億年的不斷膨脹、冷卻，目前可觀測宇宙的范圍已達(dá)150億光年，其物質(zhì)平均密度只有2×10－31克/厘米3，即每立方米空間只能分?jǐn)偟揭粋€氫原子。今天的宇宙與誕生極早期的宇宙相比，其尺度差異為1061量級，密度差異為10124量級，溫度差異為1032量級。
尋 覓 證 據(jù)
盡管1948年伽莫夫和阿爾法等人的工作已經(jīng)奠定了大爆炸宇宙論的理論基礎(chǔ)，但由于沒有得到觀測的支持，而且它的一些觀念在當(dāng)時看起來令人難以接受，特別是極早期宇宙的極端物理狀態(tài)和變化過程的劇烈程度更使人無法想像，因此，這種學(xué)說到1950年代幾乎被人們遺忘。1960年代初，隨著理論工作的進(jìn)展以及若干觀測上的重大發(fā)現(xiàn)，大爆炸宇宙論才越來越廣泛地為學(xué)術(shù)界所接受。
首先，河外星系存在普遍性退行運(yùn)動以及哈勃定律的發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)有力地支持了宇宙從大爆炸中誕生的理論。根據(jù)哈勃定律推算得到的宇宙年齡約為150億年，宇宙中所有天體的年齡都不可能超過這一數(shù)字。由天體物理理論，特別是恒星演化理論可以測得，最年老星系和最年老恒星的年齡約為130～140億年。太陽的年齡約為50億年，地球上最古老巖石的年齡約為40億年。這些年齡測定結(jié)果可以按很好的時序納入大爆炸后宇宙整體演化的框架之內(nèi)。
另一個支持大爆炸理論的強(qiáng)有力觀測證據(jù)是所謂的“微波背景輻射”。根據(jù)現(xiàn)代大爆炸理論，宇宙溫度從普朗克時期的1032度，經(jīng)過150億年的不斷膨脹、冷卻，目前的溫度約只有3開，而且在不同的觀測方向上，應(yīng)該在微波波段表現(xiàn)為各向同性分布。這項(xiàng)理論預(yù)測由美國普林斯頓大學(xué)迪克(R.Dicke)教授的研究小組在1960年代提出。
1960年代初，美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家彭齊亞斯（A. Penzias）和威耳遜(R. W. Wilson)建立了一架高靈敏度天線，以改進(jìn)衛(wèi)星通訊能力，并用來測量天空中的噪聲源。在實(shí)驗(yàn)過程中他們發(fā)現(xiàn)，在扣除地球大氣吸收、地面噪聲等已知噪聲源的影響后，仍然存在無法解釋的剩余微波噪聲。
1965年，他們確定這種微波輻射溫度約為3開，并表現(xiàn)為各向同性分布，且不隨觀測時間而發(fā)生變化。盡管他們無法對這種噪聲作出解釋，但可以斷定，它不可能來自任何特定的輻射源。
就在這時，迪克等人關(guān)于微波背景輻射的理論預(yù)言傳到了貝爾實(shí)驗(yàn)室，雙方很快建立了聯(lián)系，并進(jìn)行了分析和討論。他們最終確信，這種找不到來源的噪聲正是迪克小組所預(yù)言并正準(zhǔn)備尋找的東西：宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)天文學(xué)上的一項(xiàng)重大成就，人們可以從中捕獲宇宙創(chuàng)生早期的重要信息，而彭齊亞斯和威耳遜也因此共同獲得了1978年的諾貝爾物理學(xué)獎。
證實(shí)宇宙起源于一次超級大爆炸的另一項(xiàng)證據(jù)與化學(xué)元素的形成有關(guān)。前面已經(jīng)說過，在宇宙誕生后的最初階段，比如大爆炸后1秒鐘，宇宙溫度高達(dá)100億度。由于溫度太高，質(zhì)子和中子無法結(jié)合成穩(wěn)定的原子核，這時宇宙的物質(zhì)狀態(tài)猶如一鍋基本粒子湯，其中有質(zhì)子、中子和電子。隨著溫度的進(jìn)一步下降，從爆炸后13.8秒起，氘、氦那樣穩(wěn)定的原子核才開始形成，化學(xué)元素的形成即從這一時刻開始。
理論計(jì)算表明，氦核的形成過程大約持續(xù)了3分鐘。在這一期間，約有23％～27％的質(zhì)量的物質(zhì)聚合成氦，并同時用完了所有可資利用的中子，而余下的核子，即沒有參與聚合的質(zhì)子自然就形成了氫原子核。這一理論預(yù)言，宇宙應(yīng)當(dāng)由大約75％的氫和25％的氦組成，這與實(shí)測結(jié)果符合得極好。
宇宙早期的原初核反應(yīng)也可能產(chǎn)生極少量比較重的元素，如鋰和碳?，F(xiàn)已知道，除氫和氦這兩種元素外，其他較重元素的總量不到宇宙中可見物質(zhì)的百分之一，其中絕大多數(shù)并不是大爆炸的產(chǎn)物，而是后來在恒星內(nèi)部形成的。它們通過超新星爆發(fā)被拋入宇宙空間，成為后一代恒星形成時的一種原材料。
大爆炸宇宙論成功地解釋了一些十分重要的觀測事實(shí)，深得大多數(shù)天文學(xué)家的青睞。但是，從1980年代后期開始，若干新觀測結(jié)果的出現(xiàn)使這一理論受到不少挑戰(zhàn)。持反對意見的學(xué)者對此提出了責(zé)難，而大爆炸宇宙論家則繼續(xù)發(fā)展這一學(xué)說，以進(jìn)一步對新的觀測事實(shí)作出合理的解釋。
宇宙可能的結(jié)局
新陳代謝，有生必有死，這是自然界不可抗拒的客觀規(guī)律。根據(jù)大爆炸理論，宇宙在空間和時間兩個方面都是有起端的，即大爆炸瞬間。在這之前，無空間和時間概念可言，也就沒有“之前”可言。盡管這一觀念與人們?nèi)粘Ｉ钪械母惺芨窀癫蝗?，但根?jù)大爆炸理論就是如此。只要承認(rèn)這一點(diǎn)，那么人們就會問，宇宙的終極在哪兒？什么時候發(fā)生？會是一種什么狀態(tài)？這就是宇宙的結(jié)局問題。
大爆炸后的膨脹過程是一種引力和斥力之爭，爆炸產(chǎn)生的動力是一種斥力，它使宇宙中的天體不斷遠(yuǎn)離；天體間又存在萬有引力，它會阻止天體遠(yuǎn)離，甚至力圖使其互相靠近。引力的大小與天體的質(zhì)量有關(guān)，因而大爆炸后宇宙的最終歸宿是不斷膨脹，還是最終會停止膨脹并反過來收縮變小，這完全取決于宇宙中物質(zhì)密度的大小。
理論上存在某種臨界密度。如果宇宙中物質(zhì)的平均密度小于臨界密度，宇宙就會一直膨脹下去，稱為開宇宙；要是物質(zhì)的平均密度大于臨界密度，膨脹過程遲早會停下來，并隨之出現(xiàn)收縮，稱為閉宇宙。
問題似乎變得很簡單，但實(shí)則不然。理論計(jì)算得出的臨界密度為5×10－30克/厘米3。但要測定宇宙中物質(zhì)平均密度就不那么容易了。星系間存在廣袤的星系間空間，如果把目前所觀測到的全部發(fā)光物質(zhì)的質(zhì)量平攤到整個宇宙空間，那么，平均密度就只有2×10－31克/厘米3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于上述臨界密度。
然而，種種證據(jù)表明，宇宙中還存在著尚未觀測到的所謂的暗物質(zhì)，其數(shù)量可能遠(yuǎn)超過可見物質(zhì)，這給平均密度的測定帶來了很大的不確定因素。因此，宇宙的平均密度是否真的小于臨界密度仍是一個有爭議的問題。不過，就目前來看，開宇宙的可能性大一些。因而先來看一下開宇宙的情況。
恒星演化到晚期，會把一部分物質(zhì)（氣體）拋入星際空間，而這些氣體又可用來形成下一代恒星。這一過程會使氣體越耗越少，以致最后再沒有新的恒星可以形成。1014年后，所有恒星都會失去光輝，宇宙也就變暗。同時，恒星還會因相互作用不斷從星系逸出，星系則因損失能量而收縮，結(jié)果使中心部分生成黑洞，并通過吞食經(jīng)過其附近的恒星而長大。
1017～1018年后，對于一個星系來說只剩下黑洞和一些零星分布的死亡了的恒星，這時，組成恒星的質(zhì)子不再穩(wěn)定。當(dāng)宇宙到1024歲時，質(zhì)子開始衰變?yōu)楣庾雍透鞣N輕子。1032歲時，這個衰變過程進(jìn)行完畢，宇宙中只剩下光子、輕子和一些巨大的黑洞。
10100年后，通過蒸發(fā)作用，有能量的粒子會從巨大的黑洞中逸出，并最終完全消失，宇宙將歸于一片黑暗。這也許就是開宇宙末日到來時的景象，但它仍然在不斷地、緩慢地膨脹著。
閉宇宙的結(jié)局又會怎樣呢？閉宇宙中，膨脹過程結(jié)束時間的早晚取決于宇宙平均密度的大小。如果假設(shè)平均密度是臨界密度的2倍，那么根據(jù)一種簡單的理論模型，經(jīng)過400～500億年后，當(dāng)宇宙半徑擴(kuò)大到目前的2倍左右時，引力開始占上風(fēng)，膨脹即告停止，而接下來宇宙便開始收縮。
以后的情況差不多就像一部宇宙影片放映結(jié)束后再倒放一樣，大爆炸后宇宙中所發(fā)生的一切重大變化將會反演。收縮幾百億年后，宇宙的平均密度又大致回到目前的狀態(tài)，不過，原來星系遠(yuǎn)離地球的退行運(yùn)動將代之以向地球接近的運(yùn)動。再過幾十億年，宇宙背景輻射會上升到400開，并繼續(xù)上升，于是，宇宙變得非常熾熱而又稠密，收縮也越來越快。
在坍縮過程中，星系會彼此并合，恒星間碰撞頻繁。一旦宇宙溫度上升到4000開，電子就從原子中游離出來；溫度達(dá)到幾百萬度時，所有中子和質(zhì)子從原子核中掙脫出來。很快，宇宙進(jìn)入“大暴縮”階段，一切物質(zhì)和輻射極其迅速地被吞進(jìn)一個密度無限高、空間無限小的區(qū)域，回復(fù)到大爆炸發(fā)生時的狀態(tài)。
人們也許會認(rèn)為，看來開宇宙的結(jié)局比閉宇宙好一些，因?yàn)閺睦碚撋险f，只要有星系及大黑洞存在，并且作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，技術(shù)高度發(fā)達(dá)的人類或地外文明總有辦法從那兒汲取能量并繼續(xù)生存下去；而一旦發(fā)生大暴縮，似乎一切都在劫難逃。但人們畢竟還有幾百億年時間去思考這一問題，應(yīng)該相信科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人類的發(fā)展能力，而完全不必去作毫無意義的杞人之憂。迎接每一個美好的明天并為此作出自己的貢獻(xiàn)，這才是人們應(yīng)該做的。
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