第一章（1）

浩淼神秘的天外世界

宇宙起源的奧秘

宇宙是如何起源的?自古以來，這一直是人類最感興趣和不懈探索的問題。曆史上曾經出現過各種各樣的神話傳說，但宇宙的起源本身卻是一個科學問題。20世紀以來，由於科學技術的發展，人們在對宇宙的觀測中取得了越來越多的重大發現，從而逐漸建立起科學的宇宙模型。

探索宇宙的起源

20世紀20年代，美國天文學家斯萊弗在研究遠處的漩渦星雲發出的光譜時，首先發現了光譜的紅移，認識到了漩渦星雲正快速遠離人們而去。1929年，哈勃把這種退行紅移的測量與星係的距離的測量結合起來，總結出了著名的哈勃定律。根據哈勃定律和後來更多天體紅移的測定．人們相信宇宙在長時間內一直在膨脹，物質密度一直在變小。由此反推，宇宙的結構在某一時刻之前是不存在的，它隻能是演化的產物。1948年，物理學家伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙學模型。

大爆炸宇宙學模型

這一學說認為宇宙誕生於一次大爆炸。在宇宙早期，溫度極高，在100億度以上，物質密度也相當大，有中子，質子、電子、光子和中微子等一些基本粒子形態的物質。但是因為整個體係在不斷膨脹，結果溫度很快下降。當溫度降到10億度左右時，中子開始失去自由存在的條件，它要麽發生衰變，要麽與質子結合成重氫、氦等元素，化學元素就是從這一時期開始形成的。溫度進一步下降到100萬度後，宇宙間的物質主要是質子、電子、光子和一些比較輕的原子核。當溫度降到幾千度時，輻射減退，宇宙問主要是氣態物質。這些氣態物質逐漸凝聚成氣雲，再進一步形成各種各樣的恒星體係，成為我們今天看到的宇宙。

宇宙到底什麽樣

人們常說：宇宙廣闊無垠。的確，銀河係之外還有許許多多河外星係。數以億計的各種天體構成星係，星係再構成星係團。宇宙中最少有10萬個大大小小的星係團。有科學家做了推算，如果把宇宙看做是一個半徑1千米的大球，那麽銀河係隻有藥片那麽大，位於球心附近。那麽宇宙有多大，它是什麽模樣呢?

有限宇宙球說

早在1917年，愛因斯坦就提出了有限無界的宇宙球模型假說。他指出：“應把宇宙看成是一個在空間尺度方麵有限閉合連續區”，並在宇宙物質均勻分布的前提下，在數學上建立了一個“無界而有限”、“有限而閉合”的“四維連續體”，即宇宙是一個封閉的“宇宙球”。人們根據這一假說猜想宇宙的極限為百億光年，即一顆恒星射出的光線，在100億光年後還會返回出發點。這種把有限和無限結合起來的思想合乎辯證法。但這樣的奇妙學說，人們至今還不能完全理解。

難以理解的宇宙

英國物理學家史蒂芬·霍金是繼愛因斯坦之後最受大眾注目的科學巨人，他在對宇宙進行深入研究之後提出：宇宙有限而無界。比如在地球上，無論我們從南極走到北極．還是從北極走到南極，我們始終都不可能找到地球的邊界。這就是有限而無界．宇宙也可能是如此，但宇宙很可能比三維世界的地球多了好幾維。就像生活在二維世界的動物無法理解三維世界一樣，生活在三維世界的我們也無法理解多維的宇宙。

宇宙有多大的年齡

說到年齡，不同對象使用不同的尺度。一般說到人的歲數用年，說到地質年代用百萬年，說到天體年齡則用億年。那麽，宇宙的年齡有多大呢?

古人對此也有興趣。西方基督教有上帝創業的說法。中國古代有盤古開天辟地之說，其中提到了盤古的歲數和他開天辟地所花的時間。當然這都是一些神話傳說。

對於宇宙年齡的測量和估算一直都是科學家們所關注的問題，但由於沒有一種方法是絕對準確的，因而測量宇宙年齡通常采用多種方法。

用同位素年代法測量地球、月球和太陽年齡是一種好方法。經測定，地球年齡為4000億年，月球年齡為46億年，太陽年齡為50—60億年。用此法測定宇宙年齡，天文學家布查測定年結果為120億年。

球狀星團測定法是根據恒星演化理論來測算恒星年齡的一種方法，利用該法求得的宇宙年齡為80～180億年。人們對恒星進行觀測發現，最老的恒星年齡約200億年，因此，180億年的年齡是不夠的。

哈勃常數測定法是基於宇宙膨脹的觀測事實確立的。在一個不斷膨脹的宇宙中，測定膨脹速度可通過紅移量的測量來獲得。測出鄰近星係與地球的距離，再由此標定紅移與距離的關係，就可求得宇宙的年齡。由此可知，關鍵是測出鄰近星係與地球之間的距離。測量地球與鄰近星係距離的方法有二，每種方法測得的結果也各有二，但最終求得的宇宙年齡都在100億年到200億年之問。

近年來，有人又采用一種與哈勃常數無關的方法，它測得的宇宙年齡為240億年。最近，德國波恩大學天體物理研究所的一個小組又提出，宇宙年齡為340億年。

總而言之，測定宇宙年齡的工作仍在繼續著。

宇宙的形狀

1917年，愛因斯坦發表了著名的“廣義相對論”，為我們研究大尺度、大質量的宇宙提供了比牛頓“萬有引力定律”更先進的武器。應用後，科學家解決了恒星一生的演化問題。而宇宙是否是靜止的呢?對這一問題，連愛因斯坦也犯了一個大錯誤。他認為宇宙是靜止的，然而1929年美國天文學家哈勒以不可辯駁的實驗，證明了宇宙不是靜止的，而是向外膨脹的。正像我們吹一隻大氣球一樣，恒星都在離我們遠去。離我們越遠的恒星，遠離我們的速度也就越快。可以推想：如果存在這樣的恒星，它離我們足夠遠以至於它離開我們的速度達到光速的時候，它發出的光就永遠也不可能到達我們的地球了。從這個意義上講，我們可以認為它是不存在的。因此，我們可以認為宇宙是有限的。

“宇宙到底是什麽樣子?”目前尚無定論。值得一提的是史蒂芬·霍金的觀點比較讓人容易接受：宇宙有限而無界，隻不過比地球多了幾維。比如，我們的地球就是有限而無界的。在地球上，無論從南極走到北極，還是從北極走到南極，你始終不可能找到地球的邊界，但你不能由此認為地球是無限的。實際上，我們都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。怎麽理解宇宙比地球多了幾維呢?舉個例子：一個小球沿地麵滾動並掉進了一個小洞中，在我們看來，小球是存在的，它還在洞裏麵，因為我們人類是“三維”的；而對於一個動物來說，它得出的結論就會是：小球已經不存在了!它消失了。為什麽會得出這樣的結論呢?因為它生活在“二維”世界裏，對“三維”事件是無法清楚理解的。同樣的道理，我們人類生活在“三維”世界裏，對於比我們多幾維的宇宙，也是很難理解清楚的。這也正是對於“宇宙是什麽樣子”這個問題無法解釋清楚的原因。

(1)均勻的宇宙

長期以來，人們相信地球是宇宙的中心。哥白尼把這個觀點顛倒了過來，他認為太陽才是宇宙的中心。地球和其他行星都圍繞著太陽轉動，恒星則鑲嵌在天球的最外層上。布魯諾進一步認為，宇宙沒有中心，恒星都是遙遠的太陽。

無論是托勒密的地心說還是哥白尼的日心說，都認為宇宙是有限的。教會支持宇宙有限的論點。但是，布魯諾居然敢說宇宙是無限的，從而挑起了宇宙究竟有限還是無限的長期論戰。這場論戰並沒有因為教會燒死布魯諾而停止下來。主張宇宙有限的人說：“宇宙怎麽可能是無限的呢?”這個問題確實不容易說清楚。主張宇宙無限的人則反問：“宇宙怎麽可能是有限的呢?”這個問題同樣也不好回答。

隨著天文觀測技術的發展，人們看到，確實像布魯諾所說的那樣，恒星是遙遠的太陽。人們還進一步認識到，銀河是由無數個太陽係組成的大星係，我們的太陽係處在銀河係的邊緣，圍繞著銀河係的中心旋轉，轉速大約每秒250公裏，圍繞銀心轉一圈約需2．5億年。太陽係的直徑充其量約1光年，而銀河係的直徑則高達lO萬光年。銀河係由100多億顆恒星組成，太陽係在銀河係中的地位，真像一粒砂子處在北京城中。後來又發現，我們的銀河係還與其他銀河係組成更大的星係團，星係團的直徑約為10’，光年(1000萬光年)。目前，望遠鏡觀測距離已達100億光年以上，在所見的範圍內，有無數的星係團存在，這些星係團不再組成更大的團，而是均勻各向同性地分布著。這就是說，在10’光年的尺度以下，物質是成團分布的。衛星繞著行星轉動，行星、彗星則繞著恒星轉動，形成一個個太陽係。這些太陽係分別由一個、兩個、三個或更多個太陽以及它們的行星組成。有兩個太陽的稱為雙星係，有三個以上太陽的稱為聚星係。成千上億個太陽係聚集在一起，形成銀河係，組成銀河係的恒星(太陽係)都圍繞著共同的重心——銀心轉動。無數的銀河係組成星係團，團中的各銀河係同樣也圍繞它們共同的重心轉動。但是，星係團之間，不再有成團結構。各個星係團均勻地分布著，無規則地運動著。從我們地球上往四麵八方看，情況都差不多。粗略地說，星係團有點像容器中的氣體分子，均勻分布著，做著無規則運動。這就是說，在108光年(一億光年)的尺度以上，宇宙中物質的分布不再是成團的，而是均勻分布的。

由於光的傳播需要時間，我們看到的距離我們一億光年的星係，實際上是那個星係一億年以前的樣子。所以，我們用望遠鏡看到的，不僅是空間距離遙遠的星係，而且是它們的過去。從望遠鏡看來，不管多遠距離的星係團，都均勻各向同性地分布著。因而我們可以認為，宇觀尺度上(105光年以上)物質分布的均勻狀態，不是現在才有的，而是早已如此。

於是，天體物理學家提出一條規律，即所謂宇宙學原理。這條原理說，在宇觀尺度上，三維空間在任何時刻都是均勻各向同性的。現在看來，宇宙學原理是對的。所有的星係都差不多，都有相似的演化曆程。因此我們用望遠鏡看到的遙遠星係，既是它們過去的形象，也是我們星係過去的形象。望遠鏡不僅在看空間，而且在看時間，在看我們的曆史。

(2)有限而無邊的宇宙

愛因斯坦發表廣義相對論後，考慮到萬有引力比電磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中產生重要的影響，因而他把注意力放在了天體物理上。他認為，宇宙才是廣義相對論大有用武之地的領域。

愛因斯坦1915年發表廣義相對論，1917年就提出一個建立在廣義相對論基礎上的宇宙模型。這是一個人們完全意想不到的模型。在這個模型中，宇宙的三維空間是有限無邊的，而且不隨時間變化。以往人們認為，有限就是有邊，無限就是無邊。愛因斯坦把有限和有邊這兩個概念區分開來。

一個長方形的桌麵，有確定的長和寬，也有確定的麵積，因而大小是有限的。同時它有明顯的四條邊，因此是有邊的。如果有一個小甲蟲在它上麵爬，無論朝哪個方向爬，都會很快到達桌麵的邊緣。所以桌麵是有限有邊的二維空間。如果桌麵向四麵八方無限伸展，成為歐氏幾何中的平麵，那麽，這。個歐氏平麵是

無限無邊的二維空間。

我們再看一個籃球的表麵，如果籃球的半徑為γ那麽球麵的麵積是4ηγ2，大小是有限的。但是，這個二維球麵是無邊的。假如有一個小甲蟲在它上麵爬，永遠也不會走到盡頭。所以，籃球麵是一個有限無邊的二維空間。

按照宇宙學原理，在字觀尺度上，三維空間是均勻各向同性的。愛因斯坦認為，這樣的三維空間必定是常曲率空問，也就是說空間各點的彎曲程度應該相同，即應該有相同的曲率。由於有物質存在，四維時空應該是彎曲的。三維空間也應是彎的而不應是平的。愛因斯坦覺得，這樣的宇宙很可能是三維超球麵。三維超球麵不是通常的球體，而是二維球麵的推廣。通常的球體是有限有邊的，體積是3／4ηγ2，它的邊就是二維球麵。三維超球麵是有限無邊的，生活在其中的三維生物(例如我們人類就是有長、寬、高的三維生物)，無論朝哪個方向前進均碰不到邊。假如它一直朝北走，最終會從南邊走回來。

宇宙學原理還認為，三維空間的均勻各向同性是在任何時刻都保持的。愛因斯坦覺得其中最簡單的情況就是靜態宇宙，也就是說，不隨時間變化的宇宙。這樣的宇宙隻要在某一時刻均勻各向同性，就永遠保持均勻各向同性。

愛因斯坦試圖在三維空間均勻各向同性一且不隨時間變化的假定下，求解廣義相對論的場方程。場方程非常複雜，而且需要知道初始條件(宇宙最初的情況)和邊界條件(宇宙邊緣處的情況)才能求解。本來，解這樣的方程是十分困難的事情，但是愛因斯坦非常聰明，他設想宇宙是有限無邊的，沒有邊自然就不需要邊界條件。他又設想宇宙是靜態的，現在和過去都一樣，初始條件也就不需要了。再加上對稱性的限製(要求三維空間均勻各向I司性)，場方程就變得好解多了。但還是得不出結果。反複思考後，愛因斯坦終於明白了求不出解的原因：廣義相對論可以看做萬有引力定律的推廣，隻包含“吸引效應”不包含“排斥效應”。而維持一個不隨時間變化的宇宙，必須有排斥效應與吸引效應相平衡才行。這就是說，從廣義相對論場方程不可能得出“靜態”宇宙。要想得出靜態宇宙，必須修改場方程。於是他在方程中增加了一個“排斥項”，叫做宇宙項。這樣，愛因斯坦終於計算出了一個靜態的、均勻各向同性的、有限無邊的宇宙模型。一時問大家非常興奮，科學終於告訴我們，宇宙是不隨時間變化的、是有限無邊的。看來，關於宇宙有限還是無限的爭論似乎可以畫上一個句號了。

(3)宇宙的“宇宙模型”之說

幾年之後，一個名不見經傳的前蘇聯數學家弗利德曼，應用不加宇宙項的場方程，得到一個膨脹的、或脈動的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三維空間上也是均勻、各向同性的，但是，它不是靜態的。這個宇宙模型隨時問變化，分三種情況。第一種情況，三維空間的曲率是負的；第二種情況，三維空間的曲率為零，也就是說，三維空間是平直的；第三種情況，三維空問的曲率是正的。前兩種情況，宇宙不停地膨脹；第三種情況，宇宙先膨脹，達到一個極大值後開始收縮，然後再膨脹，再收縮……因此第三種宇宙是脈動的。弗利德曼的宇宙最初發表在一個不太著名的雜誌上。後來，西歐一些數學家物理學家得到類似的宇宙模型。愛因斯坦得知這類膨脹或脈動的宇宙模型後，十分興奮。他認為自己的模型不好，應該放棄，弗利德曼模型才是正確的宇宙模型。

同時，愛因斯坦宣稱，自己在廣義相對論的場方程上加宇宙項是錯誤的，場方程不應該含有宇宙項，而應該是原來的老樣子。但是，宇宙項就像“天方夜譚”中從瓶子裏放出的魔鬼，再也收不回去了。後人沒有理睬愛因斯坦的意見，繼續討論宇宙項的意義。今天，廣義相對論的場方程有兩種，一種不含宇宙項，另一種含宇宙項，都在專家們的應用和研究中。

早在1910年前後，天文學家就發現大多數星係的光譜有紅移現象，個別星係的光譜還有紫移現象。這些現象可以用多普勒效應來解釋。遠離我們而去的光源發出的光，我們收到時會感到其頻率降低，波長變長，並出現光譜線紅移的現象，即光譜線向長波方向移動的現象。反之，向著我們迎麵而來的光源，光譜線會向短波方向移動，出現紫移現象。這種現象與聲音的多普勒效應相似。許多人都有過這樣的感受：迎麵而來的火車其嗚叫聲特別尖銳刺耳，遠離我們而去的火車其嗚叫聲則明顯遲鈍。這就是聲波的多普勒效應，迎麵而來的聲源發出的聲波，我們感到其頻率升高，遠離我們而去的聲源發出的聲波，我們則感到其頻率降低。

如果認為星係的紅移、紫移是多普勒效應，那麽大多數星係都在遠離我們，隻有個別星係向我們靠近。隨之進行的研究發現，那些個別向我們靠近的紫移星係，都在我們自己的本星係團中(我們銀河係所在的星係團稱本星係團)。本星係團中的星係，多數紅移，少數紫移；而其他星係團中的星係就全是紅移了。

1929年，美國天文學家哈勃總結了當時的一些觀測數據，提出一條經驗規律，河外星係(即我們銀河係之外的其他銀河係，)的紅移大小正比於它們離開我們銀河係中心的距離。由於多普勒效應的紅移量與光源的速度成正比，所以，上述定律又表述為：河外星係的退行速度與它們離我們的距離成正比：

V=HD

式中V是河外星係的退行速度，D是它們到我們銀河係中心的距離。這個定律稱為哈勃定律，比例常數H稱為哈勃常數。按照哈勃定律，所有的河外星係都在遠離我們，而且，離我們越遠的河外星係，逃離得越快。

哈勃定律反映的規律與宇宙膨脹理論正好相符。個別星係的紫移可以這樣解釋，本星係團內部各星係要圍繞它們的共同重心轉動，因此總會有少數星係在一定時間內向我們的銀河係靠近。這種紫移現象與整體的宇宙膨脹無關。

哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不過，如果查看一下當年哈勃得出定律時所用的數據圖，人們會感到驚訝。在距離與紅移量的關係圖中，哈勃標出的點並不集中在一條直線附近，而是比較分散的。哈勃怎麽敢於斷定這些點應該描繪成一條直線呢?一個可能的答案是，哈勃抓住了規律的本質，拋開了細節。另一個可能是，哈勃已經知道當時的宇宙膨脹理論，所以大膽認為自己的觀測與該理論一致。以後的觀測數據越來越精，數據圖中的點也越來越集中在直線附近，哈勃定律終於被大量實驗觀測所確認。

(4)宇宙到底說有限還是無限

現在，我們又回到前麵的話題，宇宙到底有限還是無限?有邊還是無邊?對此，我們從廣義相對論、大爆炸宇宙模型和天文觀測的角度來探討這一問題。

滿足宇宙學原理(三維空間均勻各向同性)的宇宙，肯定是無邊的。但是否有限，卻要分三種情況來討論。

如果三維空間的曲率是正的，那麽宇宙將是有限無邊的。不過，它不同於愛因斯坦的有限無邊的靜態宇宙，這個宇宙是動態的，將隨時間變化，不斷地脈動，不可能靜止。這個宇宙從空問體積無限小的奇點開始爆炸、膨脹。此奇點的物質密度無限大。溫度無限高、空間曲率無限大、四維時空曲率也無限大。在膨脹過程中宇宙的溫度逐漸降低，物質密度、空間曲率和時空曲率都逐漸減小。體積膨脹到一個最大值後，將轉為收縮。在收縮過程中，溫度重新升高、物質密度、空間曲率和時空曲率逐漸增大，最後到達一個新奇點。許多人認為，這個宇宙在到達新奇點之後將重新開始膨脹。顯然，這個宇宙的體積是有限的，這是一個脈動的、有限無邊的宇宙。

如果三維空間的曲率為零，也就是說，三維空間是平直的(宇宙中有物質存在，四維時空是彎曲的)，那麽這個宇宙一開始就具有無限大的三維體積，這個初始的無限大三維體積是奇異的(即“無窮大”盼奇點)。大爆炸就從這個“無窮大”奇點開始，爆炸不是發生在初始三維空間中的某一點，而是發生在初始三維空間的每一點。即大爆炸發生在整個“無窮大”奇點上。這個“無窮大”奇點，溫度無限高、密度無限大、時空曲率也無限大(三維空間曲率為零)。爆炸發生後，整個“奇點”開始膨脹，成為正常的非奇異時空，溫度、密度和時空曲率都逐漸降低。這個過程將永遠地進行下去。這是一種不大容易理解的圖像：一個無窮大的體積在不斷地膨脹。顯然，這種宇宙是無限的，它是一個無限無邊

三維空間曲率為負的情況與三維空間曲率為零的情況比較相似。宇宙一開始就有無窮大的三維體積，這個初始體積也是奇異的，即三維“無窮大”奇點。它的溫度、密度無限高，三維、四維曲率都無限大。大爆炸發生在整個“奇點”上，爆炸後，無限大的三維體積將永遠膨脹下去，溫度、密度和曲率都將逐漸降下來。這也是一個無限的宇宙，確切地說是無限無邊的宇宙。

那麽，我們的宇宙到底屬於上述三種情況的哪一種呢?我們宇宙的空間曲率到底為正，為負，還是為零呢?這個問題要由觀測來決定。

廣義相對論的研究表明，宇宙中的物質存在一個臨界密度pe，大約是每立方米三個核子(質子或中子)。如果我們宇宙中物質的密度P大於pe，則三維空間曲率為正，宇宙是有限無邊的；如果P小於pc，則三維空間曲率為負，宇宙也是無限無邊的。因此，觀測宇宙中物質的平均密度，可以判定我們的宇宙究竟屬於哪一種，究竟有限還是無限。

此外，還有另一個判據，那就是減速因子。河外星係的紅移，反映的膨脹是減速膨脹，也就是說，河外星係遠離我們的速度在不斷減小。從減速的快慢，也可以判定宇宙的類型。如果減速因子q大於1／2，三維空間曲率將是正的，宇宙膨脹到一定程度將收縮；如果q等於1／2，三維空間曲率為零，宇宙將永遠膨脹下去；如果q小於1／2，三維空間曲率將是負的，宇宙也將永遠膨脹下去。

下表列出了有關的情況：

宇宙中物質密度紅移的減速因子三維空間曲率宇宙類型膨脹特點

P1／2 正 有限無邊脈動

P=pc q=1／2 零 無限無邊永遠膨脹

P