□ 許 文 張志嵩 張同杰

認識宇宙的艱難歷程

□ 許 文 張志嵩 張同杰

一切從這里開始終極之問

當古人在閑暇之時，偶爾望著星空發(fā)呆：我從哪里來？這個問題是人類可能提出來的最深奧的問題，從某種意義上來說，這也是原始宇宙論之發(fā)端。

茫茫宇宙，我們人類只是滄海一粟。在浩瀚的宇宙中，我們生活的地球也只是其中微小的一部分。生活在地球上的我們的祖先，早在古代就開始探究關于宇宙的許多根本問題∶ 宇宙中的萬事萬物是從哪里來？宇宙中的萬事萬物要去往何處？宇宙有中心和邊界嗎？宇宙之外是什么？我們現在的宇宙是唯一的嗎？

為了解決這些問題，人們幻想著有神的存在，神明主宰著我們人類。例如古代明令禁止老百姓學習和研究天文，只有政府設置的天文機構中的官員才有這種特權。天文官員也不得和一般人交往，怕“泄漏天機”，否則重罪。當時的人們認為天象對應政治事件，研究天文的目的之一是預言政治事件，例如古代就將超新星的出現認為是災難的發(fā)生，彗星的出現預示著不吉利。

也有古人將宇宙學放在了哲學的層面上，馬克思主義宇宙觀認為宇宙是無限而廣闊無邊的，而現代科學認為宇宙是有限的。其實二者并不矛盾，因為我們目前的科學研究水平只限于我們觀測到的具體的宇宙，這與哲學上的時間空間無限性并不相悖，就是因為宇宙中有許多還是未知的、神秘的時空。所以，科學發(fā)展到今天，具有科學性的宇宙學挑戰(zhàn)了人類的思想，促使我們認識我們的生存世界。

本質上講，宇宙是由空間、時間、物質和能量所構成的統一體，是一切時空和能量的綜合。哲學上的宇宙在空間上包羅萬象，時間上永無止境；科學上的宇宙則認為時間有開始，空間有大小。20世紀以來，西方科學家根據現代物理學和天文學，建立了關于宇宙的現代科學理論，稱為宇宙學。

古人在觀測星空

走出太陽系的邊緣初識銀河

——1785年英國天文學家威廉·赫歇爾用“數星星”的方法繪制了一張銀河圖，這是人類建立的第一個銀河系模型，它雖然很不完善，但使人類的視野從太陽系擴展到了銀河系廣袤的恒星世界中。

按照現代科學發(fā)展水平，要說古代人目光“短淺”一點都不假，哪怕著名的伽利略也只是局限在銀河系中，但是人家敢用望遠鏡指向天空，使人類的目光沖出了太陽系，成為用望遠鏡看天空的第一人。天文學家們發(fā)現銀河系是由幾千億顆恒星、數千個星團和星云組成的盤狀恒星系統，直徑約為100000多光年，中心的厚度約為12000多光年，這仿佛是一個大盤子中灑滿了芝麻及大大小小不同的堅果。地球身處的太陽系也只是屬于這個龐大星系中的一顆堅果，小小的地球只能說是其中的一粒芝麻了。

赫歇爾父子從天文觀測結果中第一次得出了銀河系的結構，使人們沖出了太陽系，走進了銀河系的世界。但是赫歇爾的銀河系模型也有不足之處，例如，他將太陽系放在了銀河系的中間。1917年美國天文學家沙普利通過對銀河系內天體分布的分析，確認太陽并不是在銀河系的中心，而是處在靠銀河系邊緣的位置，這一偉大的發(fā)現及時糾正了赫歇爾的錯誤。

聰明的人類雖然身處在宇宙這個大環(huán)境的內部，但依舊可以探究未知宇宙中到底蘊含了多少的奧秘，用古代人的一句話來講就是：雖然身在此山中，也識廬山真面目。

基于2MASS的觀測數據的銀河系紅外線畫像

赫歇爾認為，我們所看到的幾乎所有的恒星大部分均勻分布在形狀如一個“透鏡”或者一塊“磨盤”那樣的空間里，而太陽系很可能位于靠近“透鏡”中心的地方。1785年，赫歇爾建立了第一個銀河系模型。

M31，銀河之鄰步入“河外”

——今天，科學家們探測到數以十億的星系……人類對宇宙的認識，正面臨著自哥白尼以來的第二次飛越。

著名德國天文學家奧伯斯在1826年提出：為何夜晚的星空是暗的？提出這一疑問后，著名的奧伯斯佯謬就此誕生了：如果假設宇宙是均勻無限的，且均勻地分布著天體，星體的發(fā)光本領是不變的，且亮度與距離成反比，那么地球上觀測到的夜空就應該像白晝一樣。然而事實并非如此，根本原因是宇宙是在膨脹的。這就需要人類的目光沖出銀河系，放眼宇宙，探究銀河系是不是整個的宇宙？

湯姆斯·萊特（Thomas Wright）作為沖出銀河系的先驅，是第一位描述銀河的形狀和猜測暗淡星云是遙遠星系的天文學家。湯姆斯·萊特在他1750年出版的《宇宙起源論》中對銀河是這樣描述的：起初，認為恒星是“雜亂分布在宇宙空間”；后來，認為夜空中的銀河、恒星是“以某種規(guī)則的秩序”分布的，這是不是也證實了無規(guī)矩不成方圓的道理呢？當時他把這種秩序又分為兩種情形：第一，恒星是圍繞神秘的星系中心轉動的，宇宙中充滿了類似的盤狀星系；第二，恒星分布在以星系為中心的球殼上，宇宙中充滿了類似的球狀星系。他也是首次猜出可能存在河外星系的人。

德國著名的哲學家和科學家康德也對銀河系是否包括宇宙的全部這一問題有了猜想，他首次提出“宇宙島”的思想（后人譯作“島宇宙”）：認為宇宙空間分布著一個個島宇宙，我們太陽系所處的銀河只是其中的一個小島。后來，這些銀河系之外的天體系統——“島宇宙”正式改名為河外星系。

在哲學層面上的河外星系誕生了，那么實際觀測中又是如何發(fā)現的呢？其實早在赫歇爾嘗試確定銀河系結構之前，人們就已觀測到天空中除恒星外還存在著一些暗弱而又模糊的云霧狀天體，取名為“星云”，最初所有在宇宙中的云霧狀天體都被稱作星云。隨著天文望遠鏡的發(fā)展，現代天文學把原來的星云劃分為星團、星系和星云三種類型。星云的觀測導致了河外星系的發(fā)現。

赫歇爾當時在較小望遠鏡中看到模糊一片的星云，而在大望遠鏡中可顯出成千上萬顆恒星。重要的是在大望遠鏡中仍有一些不可分解恒星的星云。他引用galaxy來概括這些大的天體系統（當時galaxy即宇宙之意）。他開始接受康德的島宇宙的概念，但其后又放棄了。受當時觀測儀器水平等限制，他沒有能從觀測上確認河外星云的存在，與歷史上河外星系的重大發(fā)現擦肩而過!

從觀測上區(qū)分不同的星云、區(qū)分銀河系和河外星系，直到20世紀才有所突破。20世紀初，我們人類面臨著兩種選擇：一是宇宙中充滿著星系，每個星系包含著大量像太陽這樣的恒星，銀河系只是宇宙中的一個星系；二是宇宙的物質包含在銀河系中，各種星云都是銀河系中的天體，即銀河系就是我們觀測到的宇宙。人類必須做出選擇，能否沖出銀河系取決于星云距離的測定——仙女座星系的確定。

從地球到整個宇宙

美國天文學家哈勃（E.Hubble）1924年在威爾遜山（Mount Willson）天文臺用2.5m望遠鏡找到了仙女座大星云（M31）中的造父變星，并根據其周光關系定出其距離，即根據測得亮度的變化得到周期，進而由周期得到絕對星等，再與視星等作比較則可得出距離。當時測得M31位于90萬光年之外，而銀河系的直徑約為10萬光年，因此，M31是遠處銀河系之外的天體，從而使我們走出了銀河系。作為現代宇宙學之父，哈勃厥功至偉。

哈勃不僅在銀河系之外發(fā)現了仙女座大星云，而且在1929年僅用了24個星系的觀測數據，得出了星系的紅移與距離之間存在著粗略的線性關系——哈勃定律：離我們越遠的星系，遠離我們的速度越快。哈勃定律揭示出我們的宇宙在不斷膨脹。

“宇宙生于一無所有？”宇宙大爆炸

——伽莫夫將宇宙大爆炸理論幽默地稱之為α-β-γ宇宙創(chuàng)生理論，這三個排在前面的希臘字母，即是大爆炸論文作者阿爾弗、貝特、伽莫夫的姓氏首寫字母，隱喻著宇宙萬物創(chuàng)生伊始的含義。

哈勃定律的發(fā)現使現代宇宙學在全面的意義上誕生了，它既有廣義相對論的理論支持，又有天文觀測的驗證，哈勃定律的發(fā)現震驚了整個世界。在人們逐漸將眼光放遠的同時，追溯過去也成了新一輪的熱點問題，宇宙到底是如何形成的？人們斷定，既然現在宇宙在膨脹, 必定在遙遠的過去某時刻，宇宙中的物質是集結在一起的，密度大到趨于無限。此時聰明的天文學家勒梅特在1932年首次提出了現代宇宙大爆炸理論，他認為現在的宇宙是由一個極端高熱、極端高壓的“原始原子”大爆炸形成的，這是現代大爆炸宇宙學的雛形。

1948年美國科學家伽莫夫等人運用原子核和基本粒子物理學將其與宇宙膨脹聯系起來，正式提出大爆炸宇宙論（Big Bang）。大爆炸宇宙論認為，大爆炸發(fā)生后的10-43～10-35秒為大統一時期，10～1000秒期間是宇宙最初元素合成時期，大爆炸3億多年后（1016秒），星系、恒星和行星開始形成，宇宙繼續(xù)膨脹，溫度逐漸下降?，F今我們的宇宙仍在膨脹之中。

三維空間下從一個奇點開始的大爆炸學說

掀開宇宙極早期演化的帷幕暴脹學說

——暴脹可視為自最早暗示宇宙起源于大爆炸的宇宙膨脹被發(fā)現以來，宇宙學思想的最重大進展。

大爆炸宇宙學雖然成為歷史上比較流行的理論，但是仍然有其局限性，例如，它沒有解釋在大尺度上為什么宇宙中的物質是均勻分布的；也沒有完整解釋恒星和星系是如何產生的，等等。宇宙大爆炸理論在其發(fā)展的過程中產生的問題，有些隨著觀測和理論的不斷完善得到了解決，而成為了歷史，但也有一些問題至今沒有圓滿解決，諸如星系暈尖點問題、視界問題、平坦性問題、重子的不對稱性、磁單極問題以及眾所周知的暗物質、暗能量問題等。有些人認為這些問題并不是大爆炸理論的致命問題，通過大爆炸理論的進一步發(fā)展可以得到解決。

宇宙學家在研究平坦性問題的時候提出無論宇宙在爆脹以前是開放的、平坦的還是封閉的，在極早期宇宙經歷過這樣一個急速膨脹階段，即“暴脹”?！氨┟洝笔且环N超光速的現象——宇宙在早期并非像標準宇宙學描述的那樣是一個減速膨脹過程，而是從10-35秒至10-33秒期間以指數形式急劇膨脹，這是一個不同尋常的急劇加速膨脹過程。如何解釋這種加速膨脹的過程呢？大爆炸的狀態(tài)是非常熱的，這表明宇宙中的粒子具有極高的能量。在如此的高溫下，強相互作用力、弱相互作用力和電磁力都被統一在一起，稱為“大統一”時代；當宇宙膨脹并變冷，力之間的對稱性由于粒子能量降低而被破壞，強力、弱力和電磁力變得彼此不同。這就好像液態(tài)水在各個方向上性質都相同，而結冰形成晶體后，就變成了各向異性，水的對稱性在低能態(tài)被破壞了。當宇宙暴脹時，它所有的不規(guī)則性都被抹平，就如同吹漲一個氣球時，它上面的皺褶都被抹平一樣，這時候再放眼看宇宙時空已經被抹平了，導致了成為一個平坦的宇宙。

宇宙早期產生的量子擾動經過暴脹階段放大，之后進入經典宇宙學時期，又經引力不穩(wěn)定性形成現在我們所看到各種各樣的宇宙結構。

暴脹——將宇宙時空抹平

伽利略利用望遠鏡觀測銀河系，使天文觀測第一次走出了太陽系。放眼宇宙，人們不再局限于僅僅是觀察天體的運動，而且更加著眼于宇宙中各種物質的形成研究。目前的宇宙學觀測表明∶ 宇宙中的物質大約是由0.5%的恒星和星系、4.5%的傳統物質、25%的暗物質和70%的暗能量組成的，其中我們所探究到的物質只占了宇宙空間中的5%，真可謂冰山一角, 其他95%都是未知的、需要我們去探索的。

未知的“世界末日”圖景宇宙的命運

——詩人艾略特這樣寫道：“這就是世界結束的方式，并非一聲巨響，而是一陣嗚咽？”

我們知道萬有引力充斥在宇宙中以克服宇宙大爆炸開始的膨脹，那么到底需要多大的力才能完全克服宇宙的繼續(xù)膨脹呢？其實這決定于此時宇宙的總質量密度(如下圖所示)。科學家們將宇宙既不膨脹也不收縮時候的宇宙密度稱作臨界密度。在發(fā)現暗能量之前，有三種理論模型，即開放的宇宙、平坦的宇宙和封閉的宇宙。如果宇宙物質密度超過臨界密度，宇宙會在膨脹到最大體積之后收縮。在收縮過程中，宇宙的密度和溫度都會再次升高，最后終結于同爆炸開始相似的狀態(tài)——一個致密致熱的火球?；蛘呷绻钪嫖镔|密度小于臨界密度，膨脹會逐漸減速，但永遠不會停止。造星運動會隨宇宙密度減小而逐漸停止，而宇宙的溫度會趨近于絕對零度，形成一個馬鞍形狀的宇宙。如果宇宙的密度接近于臨界密度，那么宇宙將會像一張白紙，成為平坦宇宙，宇宙膨脹趨近一個平衡狀態(tài)。

美國航空航天局發(fā)射的人造衛(wèi)星WMAP對宇宙微波背景輻射的觀測結果表明宇宙在整體上是平坦的；超新星的觀測結果也表明宇宙正在加速膨脹?；谟钪嫖⒉ū尘拜椛浜统滦前l(fā)現宇宙加速膨脹，已經獲得3項諾貝爾物理獎。今年3月美國哈佛-史密松天體物理中心宣布南極BICEP2試驗探測到了來自宇宙暴脹時期引力波產生的宇宙微波背景輻射特殊的B模式極化信號，成為宇宙暴脹理論的第一個直接證據, 大大支持了大爆炸理論，同時也間接證實了原初引力波的存在，真可謂“一石三鳥”。不過，BICEP2項目的論文目前仍在同行審議之中，結果如何，尚需等待。

宇宙的幾何狀態(tài)和命運

★注：許文：天津科技館天文室 張志嵩：哈爾濱工業(yè)大學航天學院航天工程系 張同杰：北京師范大學天文系

（責任編輯 張恩紅）