第7章 解读现代宇宙学

沈阳先生 编著

 

1

 

现代宇宙学是天文学和物理学的分支学科，它从整体的角度研究宇宙的结构、运动和演化。宇宙作为演化着的整体被确认，在现代自然科学的发展中具有非常重要的意义。

现代宇宙学的任务是探索比星系更高的宇宙层次，研究观测所及的大尺度宇宙的时空特性、物质及其运动规律。近几十年来，科学家们提出了一些较有价值的宇宙理论。主要有：爱因斯坦的静态宇宙模型、稳恒态宇宙学、膨胀宇宙模型、物质—反物质宇宙模型、大爆炸宇宙学和暴胀宇宙论。静态宇宙模型已被天文观测所否定。稳恒态宇宙学未被广泛接受。

 

2

 

探索

 

20世纪以来，天文学家们建立起多种宇宙模型。概括起来主要有两大派别：一类叫稳恒态宇宙模型，它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是不随时间变化的，稳恒不变。不仅在空间上是均匀的，各向同性的，而且在时间上也是稳定的。这是1948>年英国天文学家邦迪等人提出的；另一类叫演化态模型，它认为宇宙在大尺度上的物质分布和物理性质是随时间在变化的。这是1922年，苏联数学家弗里德曼在解爱因斯坦引力场方程时得到的。

进入20世纪以来，由于人类科学技术的飞速发展，天文观测手段出现一次又一次的革命性

热大爆炸宇宙学认为，大约在150亿年前，在一个致密炽热的奇点发生了惊人的热大爆炸。这的进展，观测到了上百亿光年的宇宙空间，了解到天体的上百亿年的时间演化。天文学家们对这样的大尺度空间和悠久的时间里的物质演变产生了浓厚的兴趣。

如何解释已观测到的许许多多客观事实，如何利用现代物理学对这许许多多观测事实给予科学的说明？这些就是现代宇宙学的任务，它是天文学中的一个分支。也就是说，现代宇宙学从整体上研究大尺度的时空性质，物质运动的规律。它是当代天文学中最活跃的前沿阵地之一。

现代宇宙学的最大特征是必须尊重观测到的客观事实，不能凭想象。而且必须能在理论物理学的基础上给予科学的说明。它涉及到恒星的起源和演化，星系的起源和演化，元素的起源和演化等多方面的基础理论问题。

人们最想知道的是：宇宙是什么样子呢？宇宙有多大？宇宙的结构如何？宇宙有没有诞生之日和终结之时？ 

 

3

 

宇宙模型

 

在众多的宇宙模型中，影响较大的是热大爆炸宇宙学说。场爆炸后，形成迅速的膨胀，逐渐形成了我们今日可见的宇宙。这就告诉我们，不仅宇宙间的万物在演化，大尺度的宇宙本身也是演化的主体。

那么，有没有观测到的事实来支持这个观点呢？上面介绍的有关星系的红移现象和哈勃定律等，都支持了宇宙还在膨胀之中的论点。

另外，20世纪60年代天文学中的四大发现之一的微波背景辐射认为，星空背景普遍存在着2.7K微波背景辐射，这种辐射在天空中是各向同性的。这同由理论预言的热大爆炸遗留下的余热相符，有利地支持了大爆炸宇宙学的观点。但是，热大爆炸宇宙学也有些根本性问题没解决。如大爆炸前的宇宙是什么样，大爆炸是怎么引起的、宇宙的膨胀未来是什么结局？……。关于宇宙的问题虽然没有解决，但是，我们可以看到两个伟大的事实：一、人是宇宙物质演化的结果。而人的思维又反过来认识宇宙间的万物，充分体现了人的智慧和力量的伟大；二、人类对宇宙的认识，特别是近几十年来在观测事实和理论分析中都有巨大的飞跃，它预示着未来会有突破性的伟大成就，这是人类社会和科学发展的规律，我们每个人都不是局外人。 

 

4

 

发展和左证

 

从古至今，人们一直渴望了解大千世界的来龙去脉。在终于了解我们定居的这颗星球不过是茫茫宇宙无数星体中的一个以后，天文学家开始致力探索宇宙的起源。几十年来，粒子物理学家和天文学家连手勾画出一种可能的宇宙早期图像：宇宙发端于距今150多亿年前的大爆炸。

大爆炸宇宙学的建立经历过三度辉煌：第一次是在20世纪20 - 40年代，哈勃发现了宇宙中遥远天体的整体退行，也就是正在离我们而去，伽莫夫由此建立了热大爆炸宇宙学的基本框架；第二次是1964年，两位美国工程师意外地发现了宇宙大爆炸遗留下来的原始火球即微波背景辐射，它的冷却温度（3K）符合伽莫夫的理论预言：这一划时代的发现荣获1978年诺贝尔物理学奖；第三次便是1998年，人们第一次确定了宇宙的组成——40%的物质和60%的“黑色”能量。而在这40%的物质中，仅有5%是人们熟知的“普通”物质，其余35%则为不可视的“暗物质”。

大爆炸宇宙学的提出建立三大天文观测之上：宇宙天体的彼此膨胀，高度各向同性的微波背景辐射和构成宇宙万物的原始物质丰度。三大基础相互密切联系。

根据宇宙大爆炸学的观点，大爆炸发生后，宇宙中的物质开始是聚集在一个小的体积内，温度很高（即原始火球）。而随着宇宙的膨胀温度逐步下降，大约3分钟后质子与中子开始结合形成轻元素氢和氦，即今天宇宙中主要的两种物质组成，其比重是氢占77%，氦占23% 。这一推断与天文观测完全相符。

除这三大左证之外，各种天文观测都从很多角度对大爆炸宇宙学进行了全面细致的检验，例如用U-2飞机把敏感无线电天线送到接近地球大气层顶部进行的观测已经表明，背景辐射大体上在所有的方向都一样强；以美国COBE卫星为代表的许多探测器发现遗留在微波背景上的温度起伏只有万分之几。这一方面说明微波背景辐射的高度各向同性，同时又证明了这一微小涨落正是造就今天宇宙各种大尺度结构的“种子”。

另一重要的验证是大爆炸宇宙学所预言的宇宙年龄（通常用哈勃常数度量）与宇宙中存在的古老天体完全一致。

今天，大爆炸宇宙学已经成为天体物理乃至物理学中最成熟的理论体系之一。