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宇宙的起源

目前学术界影响较大的“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的,他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里,在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙。 宏观宇宙是相对无限延伸的。“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个点,而它周围却是一片空白,即将人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设只是一种臆测。

宇宙是如何起源的?空间和时间的本质是什么?这是从2000多年前的古代哲学家到现代天文学家一直都在苦苦思索的问题。直至20世纪,有两种“宇宙模型”比较有影响,一是稳态理论,一是大爆炸理论。

学术界影响较大的“大爆炸宇宙论”是1927年由比利时数学家勒梅特提出的,他认为最初宇宙的物质集中在一个超原子的“宇宙蛋”里,在一次无与伦比的大爆炸中分裂成无数碎片,形成了今天的宇宙。1948年,俄裔美籍物理学家伽莫夫等人,又详细勾画出宇宙由一个致密炽热的奇点于140亿年前一次大爆炸后,经一系列元素演化到最后形成星球、星系的整个膨胀演化过程的图像。但是该理论存在许多使人迷惑之处。

宏观宇宙是相对无限延伸的。“大爆炸宇宙论”关于宇宙当初仅仅是一个点,而它周围却是一片空白,即人类至今还不能确定范围也无法计算质量的宇宙压缩在一个极小空间内的假设,只是一种臆测。况且从能量与质量的正比关系考虑,一个小点无缘无故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量从何而来呢?

1929年,美国天文学家哈勃提出了星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,他通过对星系光谱的研究,发现星系的运动有如下特点:所有星系都在远离我们而去(星系都在互相远离的宇宙膨胀说);星系离我们越远,它的退行速度越快;星系之间的距离在不断扩大。哈勃定律只是说明了距离地球越远的星系运动速度越快--星系红移量与星系距离呈正比关系。但他没能发现很重要的另一点--星系红移量与星系质量也呈正比关系。

宇宙中星系间距离非常非常遥远,光线传播因空间物质的吸收、阻挡会逐渐减弱,那些运动速度越快的星系就是质量越大的星系。质量大,能量辐射就强,因此我们观察到的红移量极大的星系,当然是质量极大的星系。这就是被称作“类星体”的遥远星系因质量巨大而红移量巨大的原因。另外那些质量小、能量辐射弱的星系(除极少数距银河系很近的星系,如大、小麦哲伦星系外)则很难观察到,于是我们看到的星系大多呈红移。而银河系内的恒星由于距地球近,大小恒星都能看到,所以恒星的红移紫移数量大致相等。

定宇宙永恒说是科学家提出的第二种假说。他们认为,宇宙是处于一种稳定的状态这就是定宇宙永恒说。这就是说,一些星体湮没了,在另一处会有新的星体产生。宇宙只是在局部发生变化,在整体范围内是稳定的。

导致星系红移多紫移少的另一原因是:宇宙中的物质结构都是在一定范围内围绕一个中心按圆形轨迹运动的,不是像大爆炸宇宙论描述的从一个中心向四周作放射状的直线运动。因此,从地球看到的紫移星系范围很窄,数量极少,只能是与银河系同一方向运动的,前方比银河系小的星系;后方比银河系大的星系。只有将来研制出更高分辨程度的天文观测仪器才能看到更多的紫移星系。

宇宙中的物质分布出现不平衡时,局部物质结构会不断发生膨胀和收缩变化,但宇宙整体结构相对平衡的状态不会改变。仅凭从地球角度观测到的部分(不是全部)可见星系与地球之间距离的远近变化,不能说明宇宙整体是在膨胀或收缩。就像地球上的海洋受引力作用不断此涨彼消的潮汐现象并不说明海水总量是在增加或减少一样。

美国卡内基研究所的弗里德曼等人,用估计宇宙膨胀速率的办法计算宇宙年龄时,得出一个80~120亿年的年龄计算值。然而根据对恒星光谱的分析,宇宙中最古老的恒星年龄为140~160亿年。恒星的年龄倒比宇宙的年龄大。

美国工程师彭齐亚斯和威尔逊探测到的微波背景辐射,是因为布满宇宙空间的各种物质相互之间能量传递产生的效果。宇宙中的物质辐射是时刻存在的,3K或5K的温度值也只是人类根据自己判断设计的一种衡量标准。这种能量辐射现象只能说明宇宙中的物质由于引力作用,在大尺度空间整体分布的相对均匀性和星际空间里确实存在大量我们还观测不到的“暗物质”。

至于大爆炸宇宙论中的氦丰度问题,元素原本就是宇宙中存在的仅次于氢元素的数量极丰富的原子结构,它在空间的百分比含量和其它元素的百分比含量同样都属于物质结构分布规律中很平常的物理现象。在宇宙大尺度范围中,不仅氦元素的丰度相似,其余的氢、氧……元素的丰度也都是相似的。而且,各种元素是随不同的温度、环境而不断互相变换的,并不是始终保持一副面孔,所以微波背景辐射和氦丰度与宇宙的起源之间看不出有任何必然的联系。

如果宇宙无限膨胀下去,最后的结局如何呢?德国物理学家克劳修斯指出,能量从非均匀分布到均匀分布的那种变化过程,适用于宇宙间的一切能量形式和一切事件,在任何给定物体中有一个基于其总能量与温度之比的物理量,他把这个物理量取名为“熵”,孤立系统中的“熵”永远趋于增大。但在宇宙中总会有高“熵”和低“熵”的区域,不可能出现绝对均匀的状态。所以,那种认为由于“熵”水平的不断升高而达到最大值时,宇宙就会进入一片死寂的永恒状态,最终“热寂”而亡的结局,是把我们现在可观测到的一部分宇宙范围当作整个宇宙的误识。

根据天文观测资料和物理理论描述宇宙的具体形态,星系的形态特征对研究宇宙结构至关重要,从星系的运动规律可以推断整个宇宙的结构形态。而星系共有的圆形旋涡结构就是整个宇宙的缩影,那些椭圆、棒旋等不同的星系形态只是因为星系年龄和观测角度不同而产生的视觉效果。

奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物质运动形式。这种螺旋现象对于认识宇宙形态有着重要的启迪作用,大至旋涡星系,小至DNA分子,都是在这种螺旋线中产生。大自然并不认可笔直的形式,自然界所有物质的基本结构都是曲线运动方式的圆环形状。从原子、分子到星球、星系直到星系团、超星系团无一例外,毋庸置疑,浩瀚的宇宙就是一个大旋涡。因此,确立一个“螺旋运动形态宇宙模型”,比那种作为所有物质总和的“宇宙”却脱离曲线运动模式而独辟蹊径,以直线运动方式从一个中心向四面八方无限伸展的“大爆炸宇宙模型”,更能体现真实的宇宙结构形

有科学家声称:宇宙现在的膨胀达到极点时将又发生一场大爆炸。如同黑洞的形成过程一样,宇宙将变成一个高密度、小体积的球体。缩小到一定程度后,将再次发生大爆炸。根据能量守恒定律,宇宙的能量并没有消亡。但是,却没有人能解释,大爆炸每次循环时间、空间、分子结构等等,都是像上次一样(几百几千亿年以后,又有太阳系,又有地球,又有中国,又有你),还是重新排列(光凭空可以弯曲)

宇宙起源的问题有点像这个古老的问题:是先有鸡呢,还是先有蛋。换句话说,就是何物创生宇宙,又是何物创生该物呢?也许宇宙,或者创生它的东西已经存在了无限久的时间,并不需要被创生。直到不久之前,科学家们还一直试图回避这样的问题,觉得它们与其说是属于科学,不如说是属于形而上学或宗教的问题,然而,人们在过去几年发现,科学定律甚至在宇宙的开端也是成立的。在那种情形下,宇宙可以是自足的,并由科学定律所完全确定。

关于宇宙是否并如何启始的争论贯穿了整个记载的历史。基本上存在两个思想学派。许多早期的传统,以及犹太教、基督教和伊斯兰教认为宇宙是相当近的过去创生的。(十七世纪时邬谢尔主教算出宇宙诞生的日期是公元前4004年,这个数目是由把在旧约圣经中人物的年龄加起来而得到的。)承认人类在文化和技术上的明显进化,是近代出现的支持上述思想的一个事实。我们记得那种业绩的首创者或者这种技术的发展者。可以如此这般地进行论证,即我们不可能存在了那许久;因为否则的话,我们应比目前更加先进才对。事实上,圣经的创世日期和上次冰河期结束相差不多,而这似乎正是现代人类首次出现的时候。

另一方面,还有诸如希腊哲学家亚里士多德的一些人,他们不喜欢宇宙有个开端的思想。他们觉得这意味着神意的干涉。他们宁愿相信宇宙已经存在了并将继续存在无限久。某种不朽的东西比某种必须被创生的东西更加完美。他们对上述有关人类进步的诘难的回答是:周期性洪水或者其他自然灾难重复地使人类回到起始状态。

两种学派都认为,宇宙在根本上随时间不变。它要么以现在形式创生,要么以今天的样子维持了无限久。这是一种自然的信念,由于人类生命整个有记载的历史是如此之短暂,宇宙在此期间从未显著地改变过。在一个稳定不变的宇宙的框架中,它是否已经存在了无限久或者是在有限久的过去诞生的问题,实在是一种形而上学或宗教的问题:任何一种理论都对此作解释。1781年哲学家伊曼努尔康德写了一部里程碑式的,也是非常模糊的著作《纯粹理性批判》。他在这部著作中得出结论,存在同样有效的论证分别用以支持宇宙有一个开端或者宇宙没有开端的信仰。正如他的书名所提示的,他是简单地基于推理得出结论,换句话说,就是根本不管宇宙的观测。毕竟也是,在一个不变的宇宙中,有什么可供观测的呢?

然而在十九世纪,证据开始逐渐积累起来,它表明地球戏及宇宙拭其他部分事实上是随时间而变化的。地学家们意识到岩石以及其中的化石的形成需要花费几亿甚至几十亿年的时间。这比创生论者计算的地球年龄长得太多了。由德国物理学家路德维希破尔兹曼提出的所谓热力学第二定律还提供了进一步的证据,宇宙中的无序度的总量(它是由称为熵的量所测量的)总是随时间而增加,正如有关人类进步的论证,它暗示只能运行了有限的时间,否则的话,它应该已退化到一种完全无序的状态,在这种状态下万物都牌相同的温度下。

稳恒宇宙思想所遭遇到的另外困难是,根据牛顿的引力定律,宇宙中的每一颗恒星必须相互吸引。如果是这样的话,它们怎么能维持相互间恒定距离,并且静止地停在那里呢?

牛顿知道这个问题。在一封致当时一位主要哲学家里查德本特里的信中,他同意这样的观点,即有限的一群恒星不可能静止不动,它们全部会落某个中心点。然而,他论断道,一个无限的恒星集合不会落到一起,由于不存在任何可供它们落去的中心点。这种论证是人们在谈论无限系统时会遭遇到的陷阱的一个例子。用不同的方法将从宇宙的其余的无限数目的恒星作用到每颗恒星的力加起来,会对恒星是否维持恒常距离给出不同的答案。我们现在知道,其正确的步骤是考虑恒星的有限区域,然后加上在该区域之外大致均匀分布的更多恒星。恒星的有限区域会落到一起,而按照牛顿定律,在该区域外加上更多的恒星不能阻止其坍缩。这样,一个恒星的无限集合不能处于静止不动的状态。如果它们在某一时刻不在作相对运动,它们之间的吸引力会引起它们开始朝相互方向落去。另一种情形是,它们可能正在相互离开,而引力使这种退行速度降低

一种现在受到普遍怀疑的宇宙学理论。该理论认为在存在的星系之间的膨胀空间中新物质会产生出来。

若干世纪以来,很多科学家认为宇宙除去一些细微部分外,基本没有什么变化。宇宙不需要一个开端或结束。即使是在发现宇宙正在膨胀之后,这种想法也没有被放弃。托马斯.戈尔德(Thomas Gold),赫尔曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊尔(Fred Hoyle)于40年代后期提出,物质正以恰当的速度不断创生着,这一创生速度刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡,从而使宇宙中的物质密度维持不变。这种状态从无限久远的过去一直存在至今,并将永远地继续下去。宇宙在任何时候,平均来说始终保持相同的状态。稳态理论所要求的创生速率很小,每100亿年中,在一立方米的体积内,大约创生1个原子。稳态理论的优点之一是它的明确性。它非常肯定地预言宇宙应该是什么样子的 。也正因如此 ,它很容易遭受观测事实的质疑或反驳。当宇宙背景辐射被发现后,这一理论基本上已被否定。

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