宇宙起源

自然科学概论讲义3 宇宙的起源与宇宙大爆炸 一、人类对宇宙的认识 1．宇宙的概念 早在2300多年前，我国战国时代的思想家庄子（大约公元前369—前286年）就浪漫激情地幻想“旁（傍）日月，挟宇宙”。其实中文的“宇”、“宙”二字原指“屋檐”和“栋梁”，都是指人居住的地方，后来才延伸为“天地四方（空间）、古往今来（时间）的总称。它超越了东西南北的方位，无边无际；超越了一朝一夕的时间，无穷无尽。与“宇宙”混用的“世界”二字则出于佛教的说法，也是时间（世代）和空间（边界）的合称。 在西方，以英语为例也有两个词表达“宇宙”，即cosmos和university。cosmos原意指秩序，引申为“有秩序的宇宙体系”；university则表示包罗万象、无所不容的宇宙全体。 2．人类对宇宙的认识 (1).局限于太阳系的宇宙说──地心说 古代的人们首先注意到的宇宙现象，如昼夜交替、月亮圆缺、日食月食、天体位置随季节的变化以及行星在星空背景上的移动等等，实际上只是太阳、地球、月亮、行星等太阳系天体运动的反映。因此，以这些现象为基础建立起来的宇宙理论，无论是中国古代“天圆如张盖，地方如棋局”的盖天说，“天体圆如弹丸，地如鸡子中黄”的浑天说，还是古希腊以地球为中心，依次排列月亮、水星、金星、太阳、火星、木星、土星、恒星等“九重天“的地心说，都没超出太阳系的范围。恒星在这些宇宙理论中的地位，只不过是个一成不变的布景或陪衬。 (2).局限于太阳系的宇宙说──日心说 16世纪哥白尼提出的日心说虽然仍末超出太阳系的局限，但却把地球从居于宇宙中心的特殊地位降为一颗绕太阳旋转的普通行星，正确地反映了太阳系的实际情况。这不仅直接为以后开普勒出行星运动定律，伽利略、牛顿建立经典力学体系铺平了道路，而且从根本上动摇了人类中心论等宗教教义不可冒犯的神话。它作为自然科学第一次从神学桎梏下解放出来的“独立宣言”，在人类思想史以至社会发展史上作出了不可磨灭的贡献。 (3).从太阳系到广阔的恒星世界 18，19世纪是太阳系天文学发展的鼎盛时期。借望远镜的帮助，人们不仅发现了天王星、大量的小行星、行星卫星等太阳系成员，还根据天王星实际观测位置与理论计算位置的偏差，用天体力学理论准确地预言了海王星的存在和位置，并最终发现了海王星、冥王星，从而有力地证明了当时的宇宙理论同太阳系的客观实际是相符的。与此同时，人类的视野也逐渐由太阳系扩展到更为广阔的恒星世界。 17l8年，哈雷将自己的观测同1000多年前托勒玫时代的观测结果相比较，发现有几颗恒星的位置已有明显变化，首次指出所谓恒星不动的观念是错误的。 1837年，斯特鲁维测定了织女星的周年视差（由于地球绕日公转而产生的天体方向变化）为0.125角秒，这意味着它与太阳的距离为日地距离（1．5亿公里）的165万倍，远远超出了太阳系的边界（日地距离的40倍）。 1912年，勒维特发现造父变星（其亮度由于星体的膨胀收缩运动而发生周期性变化的一类变星）的光变周期同光度之间存在确定的关系，使测定包含这类变星的遥远恒星集团的距离成为可能。 6年后，沙普利当时已知的100多个球状星团的距离和视分市资料，得出银河系是一个直径达10万光年的庞大的透镜形天体系统，太阳并不处于其中心的正确结论。 1924年，哈勃发现仙女座大星云中的造父变星，根据周期──光度关系推算出它远在银河系之外，是尺度同银何系相当的巨大恒星系统。这一重大发现最终结束了多年来关于这类旋涡状的星云是近邻天体还是银河系外“宇宙岛”的争论，“将人类认识的宇宙范围从恒星组成的银河系扩展到由众多星系组成的更广阔的世界。这个包括银河系在内由众多星系组成的世界，就是我们今天所了解的宇宙。 (4).对宇宙更深层次认识的进展 本世纪30年代以来，口径3米以上的大型光学望远镜在世界各地陆续建成，特别是近四五十年来射电天文学和空间天文学的相继诞生，使天文观测手段不但具备空前的探测能力，而且使获取信息的窗口从可见光逐步扩展到包括射电、红外、紫外、X射线、射线在内的整个电磁波段。从本世纪初开始相继创立和发展起来的量子论、相对论、原子核物理学、粒子物理学、等离子体物理学又给天文学提供了锐利的理论武器，使人们对天体的研究从机械运动进展到物理性质、化学组成等更深的层次，从而为勾勒出太阳系、银河系以至整个宇宙的起源和演化奠定了坚实的基础。 二、宇宙的起源和演化 1．历史的回顾 宇宙有没有起源和终结，它是永恒的还是演化的？这是除宇宙的结构以外又一个根本问体。各种文明都有自己关于宇宙起源的看法，在中国有盘古开天辟地的传说，在西方有上帝创造世界的神话。至于创世以后的情形，虽然在中国方代文献中有共工怒触不周之山，撞断天柱，后来又由女娲补天的。在很长一个历史时期中，由于封建社会的政治黑暗和观测水平的局限，使一些闪耀着智慧火花相当接近真理的看法未能发展为科学的理论。直到17世纪以后，各门自然科学的飞速发展，特别是康德太阳系起源学说、达尔文物种起源学说等的提出，不断冲击着“天不变，道亦不变”这一僵化自然观的地位。直到20世纪，以众多观测事实为依据的科学的宇宙起源和演化理论才正式宣告诞生。 2．现代宇宙学的诞生 现代宇宙模型的研究始于爱因斯坦。爱因斯坦的广义相对论预言，一定质量的天体，将对周围的空间产生影响而使它们“弯曲”。弯曲的空间会迫使其中穿过的光线发生偏转，例如太阳就会使经过其边缘的遥远星体光线发生1.75弧秒的偏转。通常，由于太阳的光太强而使人们无法观测到这一事实。1919年发生了日全蚀，一个英国考察队终于观测到太阳附近的光线偏转，得到的偏转数据正是爱因斯坦所预言的“1.75弧秒”。 爱因斯但的广义相对论认为，时间和空间并不像人们（牛顿理论）一贯认为的那样：空间只是一个让物体在其中运动而本身却不受任何影响的容器；时间则如江河入海，自然流淌。空间更像是一个形状依赖于其上所载小球的弹性薄膜，自由粒子和光沿着这一形变薄膜上弯曲的短程线运动，就像它们在小球引力的作用下偏离直线运动一样；时间则与运动状态和相关，又通过运动状态与空间（参考系）发生了联系。这种关于时间、空间和引力的全新理论，不仅正确地预言了掠过太阳边缘的星光会发生1.75弧秒的偏折，而且完满地解释了牛顿引力理论不能说明的水星近日点每百年前移43弧秒的现象，因而逐步得到人们的公认，为上演代宇宙学这场气势恢弘的戏剧搭好了坚实的舞台。 1917年，爱因斯坦率先把他的广义相对论应用于宇宙学研究，得到一个“有限无界的静态宇宙”模型。根据广义相对论，宇宙的几何性质取决于物质的质量分布状态，引力场使之对应于弯曲的“黎曼几何空间”。所谓“有限无界”是说整个宇宙是一个弯曲的封闭体，它的体积有限而物质均匀分布；而“静态”则是就宇宙的整体空间而言，并非说宇宙的各个部分都全然静止不动。尽管后来（1922年）发现宇宙不可能保持稳定而被放弃，但毕竟是一次开创性的尝试，揭开了现代宇宙学研究的序幕。 3．宇宙膨胀的发现 1922年，苏联数学家弗里德曼在广义相对论的框架下，的到了爱因斯坦宇宙方程的一组动态解，从理论上论证了宇宙要么膨胀，要么收缩，决不会保持静止状态。宇宙的演化趋势则取决于宇宙物质的平均密度与临界密度的比值： < 对应于一个无限无界的开放宇宙； = 对应于一个平坦的开放宇宙； > 对应于一个有限有界的闭合宇宙。 前两种情况下宇宙将膨胀下去；后一种情况下，宇宙将出现膨胀──收缩的震荡即“脉动”。（目前已知的临界密度为=10-29克/厘米3，所观测的不含“暗物质”的平均密度是=210-31克/厘米3） 我们有没有办法观察宇宙基本成员──星系的运动呢？能不能像发现恒星的自行（恒星间在天球上的相对位置的变化）那样，通过比较不同时代拍摄的天文照相底片来发现星系的自行呢？这至少在目前的技术条件下是不可能的，因为星系离我们实在太遥远了。然而，物理学为我们提供了另一种测定物体运动速度的有力手段──多普勒效应。光波同声波一样，也有类似效应：面向观测者运动的光源谱线（与静止光源相比）将向高频（即光谱紫端）移动，而背向观测者运动的光源谱线将向低频（既红端）移动，波长的相对移动量与相对运动速度成正比。 1927年，比利时天文学家勒梅特（Georges Lemaitre, 1894~1966）在弗里德曼“解”的基础上，把已观测到的河外星系红移解释为大尺度宇宙空间随时间而膨胀的结果，建立了“膨胀宇宙模型”。 1929年，哈勃在仔细研究了一批星系的光谱之后发现，除个别例外，绝大多数星系的光谱都表现出红移，而且红移量大致同星系的距离成正比。如果将红移解释为多谱勒效应，那就意味着所有星系都在离开我们而去，其退行速度正比于同我们的距离。这一关系称为哈勃定律，比例系数称为哈勃常数。如果遵循哥白尼的思想，认为我们在宇宙中并不处于特殊的中心位置，也就是说哈勃定律对任何星系说来都是成立的，那么，直接的推论就是：字宙中所有的星系都在彼此远离，即宇宙处于普遍的膨胀之中！ 哈勃的发现为弗里得曼的宇宙模型提供了直接的观测依据，动摇了宇宙整体静止的传统观念，为研究宇宙的起源和演化扫清了道路，是本世纪天文学最重要的成就之一。 4．宇宙大爆炸模型 1948年美国物理学家伽莫夫（George Gamow, 1904~1968）、阿尔法、贝特等人发挥了勒梅特的思想，把宇宙的膨胀于物质的演化联系起来，提出了“大爆炸宇宙模型”。因为它能较多他说明现时所观测到的事实，所以成为目前影响最大的宇宙学说。由于伽莫夫、阿尔法、贝特三人的姓恰好是希腊字母的，因而被后人幽默的代表宇宙之始。这个宇宙大爆炸学说简介如下： 起源──宇宙始于约200亿年前爆炸的一个高温、高密度的“原始火球”。它的起始时间为0。 普郎克时代──时间10-43秒，温度高达1032K； 大统一时代──时间10-35秒，温度高达1028K； 强子时代──时间10-6秒，温度为1014K； 轻子时代──时间10-2秒，温度为1012K； 辐射时代──时间1—10秒，温度降至约1010—5109K，基本粒子开始结合成原子核，能量以光子辐射显示出现；(人们探索微观世界和宇宙结构的努力在这里会合) 氦形成时代──时间3分钟，温度降至约109K，直径膨胀到约1光年大小，有近三成物质合成为氦，核反应消失； 进入物质时代──时间1000—2000年，温度降至约105K，物质密度大于辐射密度； 物质从背景辐射中透明出来──物质温度开始低于辐射温度，最重于最轻的基本粒子书比值保持恒定； 星系形成──时间108年，温度降至约100K； 类星体、恒星、行星及生命先后出现──时间109年，温度降至约12K； 目前阶段──时间1010年，温度降至约3K，星系温度约105K。 伽莫夫和他的支持者预言，大爆炸中所产生的辐射在遥远的宇宙空间里必定仍然存在，大约相当于10K左右。后来3K宇宙背景辐射的发现给了人们很大的鼓舞，因为它使爆炸宇宙模型的这个预言成为真实。当然，大爆炸宇宙模型也同样存在着许多尚待解决的疑难，它终究还只是一种假说。 5．大爆炸理论的证据 (1).宇宙的年龄 如果星系目前正在彼此远离，那它们过去必定靠得更近，也就是说，较早时代的宇宙，物质密度会更高。继续这一推理就意味着过去必定存在一个时刻，那时宇宙中的物质处于极其高密的状态。按照哈勃定律将星系的距离除以各自的速度，就可估计出那一时刻距今约100—200亿年。这段时间对所有星系来说是共同的，事实上它就是哈勃常数的倒数。那一时刻通常被称为“大爆炸”时刻，也就是我们宇宙的开端。如果这一推论不错，那么宇宙中一切天体的年龄都不应超出这个“宇宙年龄”所界定的上限。 借助卢瑟福所开创的利用物质中放射性同位素含量测定其形成年代的方法，人们测量了地球上最古老的岩石、“阿彼罗11号”宇航员从月球上带回的岩石以及从行星际空间掉到地球上的陨石样本，发现它们的年龄均不超过47亿年。 恒星的年龄可以从它们的发光功率和拥有的燃料储备来估计。根据热核反应提供恒星能源的理论，人们估算出银河系中最老恒星的年龄约为100—150亿年。 用上述两种完全不同的方法得到的天体年龄竞与“宇宙年龄”协调一致，这对大爆炸宇宙模型当然是十分有力的支持。 (2).轻元素的丰度 在大爆炸后一秒钟以前，宇宙不仅不可能存在星系、恒星，地球，甚至除氢核外也没有其他化学元素，只有处于热平衡状态下的由质子、中子、电子、光子等基本粒子混合而成的“宇宙汤”。起初，中子和质子的数量几乎相等，随着温度的降低，两者的比例逐渐下降，在约3分钟时达到1:6左右。当温度降到10亿K时，中子和质子合成氘核的反应开始，类似氢弹爆炸时发生的聚变过程迅速把所有的中子合成到由两个质子和两个中子构成的氦核中。由此不难算出，氦同氢的质量比应为1:4。 天文观测表明，无论宇宙的哪个角落，无论恒星还是星际物质中，氦与氢的比例均大体与此相符。同一时期合成的氘、氚、锂、铍、硼等轻元素，尽管数量小的多，但它们的丰度（即与氢的比例）也具有类似的普适性。这对大爆炸模型是一个有力的支持。 (3).微波背景辐射 大爆炸模型的另一个重要遗迹是微波背景辐射。前面说过，大爆炸后最初几分钟，宇宙就像一个氢弹爆炸时产生的火球，处处充满了温度高达10亿k的光辐射。因为处于热平衡中，这种辐射强度随波长的分布服从普朗克分布（或称黑体谱）。随着宇宙的膨胀，辐射温度不断下降，但始终保持黑体谱形和总体均勾性。按伽莫夫等人的计算，作为这种过程的遗迹，目前的宇宙中应普遍存在温度约3k的背景黑体辐射。由于这辐射的峰值波长在1毫米附近，处于微波波段，故又称为微波背景辐射。令人遗憾的是，这一重要预言在提出后的10多年中竟未引起人们的认真关注。直到1964年，美国贝尔电话实验室的彭齐亚斯和威尔逊用一架卫星通讯天线在7.35厘米波长处探测到一种来自宇宙空间的强度与方向无关的信号时，他们起初也并不清楚自己发现的意义。后来普林斯顿大学的皮伯斯等得知这一消息，才认识到这正是他们试图寻找的宇宙背景辐射。为了最后“验明正身”，20多年来，全世界天文学家对这种辐射的谱分布和方向进行了大规模的调查，形势逐渐明朗。1989年，美国宇航局专门为此发射了宇宙背景探测者卫星，第一批测量数据表明：在从0.5毫米到5毫米的整个波段上，该辐射的谱分布与温度为2.7350.06k的理想黑体完全相合；在扣除运动效应以后，天空不同方向的相对温差小于十万分之一。这就无容置疑地证明了微波背景辐射的黑体性和普适性。它是热大爆炸模型最令人信服的证据，这一发现在现代宇宙学史上的地位只有宇宙膨胀的发现可以相比。如果说，哈勃的发现是打开了宇宙整体动力学演化研究的大门的话，那么，彭齐亚斯和威尔逊的发现就是打开了宇宙整体物理演化研究的大门。 6．无限宇宙的三大矛盾──三个佯谬问 如果认为宇宙始无限的，则至少有三个似是而非、自相矛盾的问题，也叫佯谬问题。 (1)​ .光度佯谬（夜黑佯谬或奥伯斯佯谬） 如果宇宙是无限的，恒星大致均匀分布其间，那么它们的发光总效果应该是天空的光度无限大。考虑到天体之间互有遮蔽，天空的光度也土改是一个不变的常数，也就是说，白天、黑夜一样明亮。德国人奥伯斯（1758—1840）对之作了系统的讨论，所以后人又称为“奥伯斯佯谬”。这个问题只有在宇宙大爆炸理论下才得以基本解决。 (2)​ .引力佯谬 德国人西利格尔（1849—1924）指出，如果在无限宇宙中均匀分布着无数恒星，根据万有引力定律，所有天体之间都具有这种无处不在的引力作用，那么任何一个天体，在任何方向上都会受到无限大的引力，其总的效果将使宇宙中的一切都被撕得粉碎。现实中得宇宙天体并非如此，这就从反面证实了“无限宇宙”的谬误。 (3)​ .热死佯谬 奥地利物理学家克劳修斯（1822—1888）认为，宇宙的能量使守恒的，而宇宙的能量总是朝着一个越来越无序的热力学方向转移，这个过程不可逆转。因此，宇宙越是发展，其变化能力就越小，研究越接近无序状态。一旦达到某种程度，一切变化将会停止，便出现了“永恒的死寂”。这个容易引起恐怖的“热死说”，在现代宇宙理论中才能得以澄清。 20088年2月18日整理