宇宙的起源？

宇宙的起源

　宇宙到底是什么樣子?”目前尚無定論。值得一提的是史蒂芬·霍金的觀點(diǎn)比較讓人容易接受：宇宙有限而無界，只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(rèn)為地球是無限的。實(shí)際上，我們都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。?

宇宙到底是什么樣子?”目前尚無定論。值得一提的是史蒂芬·霍金的觀點(diǎn)比較讓人容易接受：宇宙有限而無界，只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(rèn)為地球是無限的。實(shí)際上，我們都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。?

怎么理解宇宙比地球多了幾維呢?舉個(gè)例子：一個(gè)小球沿地面滾動(dòng)并掉進(jìn)了一個(gè)小洞中，在我們看來，小球是存在的，它還在洞里面，因?yàn)槲覀內(nèi)祟愂恰叭S”的；而對(duì)于一個(gè)動(dòng)物來說，它得出的結(jié)論就會(huì)是：小球已經(jīng)不存在了!它消失了。為什么會(huì)得出這樣的結(jié)論呢?因?yàn)樗钤凇岸S”世界里，對(duì)“三維”事件是無法清楚理解的。同樣的道理，我們?nèi)祟惿钤凇叭S”世界里，對(duì)于比我們多幾維的宇宙，也是很難理解清楚的。這也正是對(duì)于“宇宙是什么樣子”這個(gè)問題無法解釋清楚的原因。?

　根據(jù)大爆炸理論，宇宙起源于一個(gè)單獨(dú)的無維度的點(diǎn)，即一個(gè)在空間和時(shí)間上都無尺度但卻包含了宇宙全部物質(zhì)的奇點(diǎn)。至少是在120~150億年以前，宇宙及空間本身由這個(gè)點(diǎn)爆炸形成。長(zhǎng)期以來，人們相信地球是宇宙的中心。哥白尼把這個(gè)觀點(diǎn)顛倒了過來，他認(rèn)為太陽(yáng)才是宇宙的中心。地球和其他行星都圍繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，恒星則鑲嵌在天球的最外層上。布魯諾進(jìn)一步認(rèn)為，宇宙沒有中心，恒星都是遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)。?

無論是托勒密的地心說還是哥白尼的日心說，都認(rèn)為宇宙是有限的。教會(huì)支持宇宙有限的論點(diǎn)。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(zhǎng)期論戰(zhàn)。這場(chǎng)論戰(zhàn)并沒有因?yàn)榻虝?huì)燒死布魯諾而停止下來。主張宇宙有限的人說：“宇宙怎么可能是無限的呢?”這個(gè)問題確實(shí)不容易說清楚。主張宇宙無限的人則反問：“宇宙怎么可能是有限的呢?”這個(gè)問題同樣也不好回答。?

隨著天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人們看到，確實(shí)像布魯諾所說的那樣，恒星是遙遠(yuǎn)的太陽(yáng)。人們還進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，銀河是由無數(shù)個(gè)太陽(yáng)系組成的大星系，我們的太陽(yáng)系處在銀河系的邊緣，圍繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速大約每秒250千米，圍繞銀心轉(zhuǎn)一圈約需2.5億年。太陽(yáng)系的直徑充其量約1光年，而銀河系的直徑則高達(dá)10萬光年。銀河系由1000多億顆恒星組成，太陽(yáng)系在銀河系中的地位，真像一粒砂子處在北京城中。后來又發(fā)現(xiàn)，我們的銀河系還與其他銀河系組成更大的星系團(tuán)，星系團(tuán)的直徑約為107光年(1000萬光年)。目前，望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)距離已達(dá)100億光年以上，在所見的范圍內(nèi)，有無數(shù)的星系團(tuán)存在，這些星系團(tuán)不再組成更大的團(tuán)，而是均勻各向同性地分布著。這就是說，在10的7次方光年的尺度以下，物質(zhì)是成團(tuán)分布的。衛(wèi)星繞著行星轉(zhuǎn)動(dòng)，行星、彗星則繞著恒星轉(zhuǎn)動(dòng)，形成一個(gè)個(gè)太陽(yáng)系。這些太陽(yáng)系分別由一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)或更多個(gè)太陽(yáng)以及它們的行星組成。有兩個(gè)太陽(yáng)的稱為雙星系，有三個(gè)以上太陽(yáng)的稱為聚星系。成千億個(gè)太陽(yáng)系聚集在一起，形成銀河系，組成銀河系的恒星(太陽(yáng)系)都圍繞著共同的重心——銀心轉(zhuǎn)動(dòng)。無數(shù)的銀河系組成星系團(tuán)，團(tuán)中的各銀河系同樣也圍繞它們共同的重心轉(zhuǎn)動(dòng)。但是，星系團(tuán)之間，不再有成團(tuán)結(jié)構(gòu)。各個(gè)星系團(tuán)均勻地分布著，無規(guī)則地運(yùn)動(dòng)著。從我們地球上往四面八方看，情況都差不多。粗略地說，星系固有點(diǎn)像容器中的氣體分子，均勻分布著，做著無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。這就是說，在10的8次方光年(一億光年)的尺度以上，宇宙中物質(zhì)的分布不再是成團(tuán)的，而是均勻分布的。由于光的傳播需要時(shí)間，我們看到的距離我們一億光年的星系，實(shí)際上是那個(gè)星系一億年以前的樣子。所以，我們用望遠(yuǎn)鏡看到的，不僅是空間距離遙遠(yuǎn)的星系，而且是它們的過去。從望遠(yuǎn)鏡看來，不管多遠(yuǎn)距離的星系團(tuán)，都均勻各向同性地分布著。?

因而我們可以認(rèn)為，宇觀尺度上(10的5次方光年以上)物質(zhì)分布的均勻狀態(tài)，不是現(xiàn)在才有的，而是早已如此。?

于是，天體物理學(xué)家提出一條規(guī)律，即所謂宇宙學(xué)原理。這條原理說，在宇觀尺度上，三維空間在任何時(shí)刻都是均勻各向同性的?，F(xiàn)在看來，宇宙學(xué)原理是對(duì)的。所有的星系都差不多，都有相似的演化歷程。因此我們用望遠(yuǎn)鏡看到的遙遠(yuǎn)星系，既是它們過去的形象，也是我們星系過去的形象。望遠(yuǎn)鏡不僅在看空間，而且在看時(shí)間，在看我們的歷史。?

2、有限而無邊的宇宙?

愛因斯坦發(fā)表廣義相對(duì)論后，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(chǎn)生重要的影響，因而他把注意力放在了天體物理上。他認(rèn)為，宇宙才是廣義相對(duì)論大有用武之地的領(lǐng)域。?

愛因斯坦1915年發(fā)表廣義相對(duì)論，1917年就提出一個(gè)建立在廣義相對(duì)論基礎(chǔ)上的宇宙模型。這是一個(gè)人們完全意想不到的模型。在這個(gè)模型中，宇宙的三維空間是有限無邊的，而且不隨時(shí)間變化。以往人們認(rèn)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(gè)概念區(qū)分開來。?

一個(gè)長(zhǎng)方形的桌面，有確定的長(zhǎng)和寬，也有確定的面積，因而大小是有限的。同時(shí)它有明顯的四條邊，因此是有邊的。如果有一個(gè)小甲蟲在它上面爬，無論朝哪個(gè)方向爬，都會(huì)很快到達(dá)桌面的邊緣。所以桌面是有限有邊的二維空間。如果桌面向四面八方無限伸展，成為歐氏幾何中的平面，那么，這個(gè)歐氏平面是無限無邊的二維空間。?

我們?cè)倏匆粋€(gè)籃球的表面，如果籃球的半徑為r，那么球面的面積是4πr的2次方，大小是有限的。但是，這個(gè)二維球面是無邊的。假如有一個(gè)小甲蟲在它上面爬，永遠(yuǎn)也不會(huì)走到盡頭。所以，籃球面是一個(gè)有限無邊的二維空間。?

按照宇宙學(xué)原理，在宇觀尺度上，三維空間是均勻各向同性的。愛因斯坦認(rèn)為，這樣的三維空間必定是常曲率空間，也就是說空間各點(diǎn)的彎曲程度應(yīng)該相同，即應(yīng)該有相同的曲率。由于有物質(zhì)存在，四維時(shí)空應(yīng)該是彎曲的。三維空間也應(yīng)是彎的而不應(yīng)是平的。愛因斯坦覺得，這樣的宇宙很可能是三維超球面。三維超球面不是通常的球體，而是二維球面的推廣。通常的球體是有限有邊的，體積是4/3πr的3次方，它的邊就是二維球面。三維超球面是有限無邊的，生活在其中的三維生物(例如我們?nèi)祟惥褪怯虚L(zhǎng)、寬、高的三維生物)，無論朝哪個(gè)方向前進(jìn)均碰不到邊。假如它一直朝北走，最終會(huì)從南邊走回來。?

宇宙學(xué)原理還認(rèn)為，三維空間的均勻各向同性是在任何時(shí)刻都保持的。愛因斯坦覺得其中最簡(jiǎn)單階情況就是靜態(tài)宇宙，也就是說，不隨時(shí)間變化的宇宙。這樣的宇宙只要在某一時(shí)刻均勻各向同性，就永遠(yuǎn)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、且不隨時(shí)間變化的假定下，救解廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程。場(chǎng)方程非常復(fù)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(shè)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(shè)想宇宙是靜態(tài)的，現(xiàn)在和過去都一樣，初始條件也就不需要了。再加上對(duì)稱性的限制(要求三維空間均勻各向同性)，場(chǎng)方程就變得好解多了。但還是得不出結(jié)果。反復(fù)思考后，愛因斯坦終于明白了求不出解的原因：廣義相對(duì)論可以看作萬有引力定律的推廣，只包含“吸引效應(yīng)”不包含“排斥效應(yīng)”。而維持一個(gè)不隨時(shí)間變化的宇宙，必須有排斥效應(yīng)與吸引效應(yīng)相平衡才行。這就是說，從廣義相對(duì)論場(chǎng)方程不可能得出“靜態(tài)”宇宙。要想得出靜態(tài)宇宙，必須修改場(chǎng)方程。于是他在方程中增加了一個(gè)“排斥項(xiàng)”，叫做宇宙項(xiàng)。這樣，愛因斯坦終于計(jì)算出了一個(gè)靜態(tài)的、均勻各向同性的、有限無邊的宇宙模型。一時(shí)間大家非常興奮，科學(xué)終于告訴我們，宇宙是不隨時(shí)間變化的、是有限無邊的。看來，關(guān)于宇宙有限還是無限的爭(zhēng)論似乎可以畫上一個(gè)句號(hào)了。?

3、膨脹或脈動(dòng)的宇宙?

幾年之后，一個(gè)名不見經(jīng)傳的前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗利德曼，應(yīng)用不加宇宙項(xiàng)的場(chǎng)方程，得到一個(gè)膨脹的、或脈動(dòng)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(tài)的。這個(gè)宇宙模型隨時(shí)間變化，分三種情況。第一種情況，三維空間的曲率是負(fù)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，三維空間的曲率是正的。前兩種情況，宇宙不停地膨脹；第三種情況，宇宙先膨脹，達(dá)到一個(gè)極大值后開始收縮，然后再膨脹，再收縮……因此第三種宇宙是脈動(dòng)的。弗利德曼的宇宙最初發(fā)表在一個(gè)不太著名的雜志上。后來，西歐一些數(shù)學(xué)家物理學(xué)家得到類似的宇宙模型。愛因斯坦得知這類膨脹或脈動(dòng)的宇宙模型后，十分興奮。他認(rèn)為自己的模型不好，應(yīng)該放棄，弗利德曼模型才是正確的宇宙模型。?

同時(shí)，愛因斯坦宣稱，自己在廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程上加宇宙項(xiàng)是錯(cuò)誤的，場(chǎng)方程不應(yīng)該含有宇宙項(xiàng)，而應(yīng)該是原來的老樣子。但是，宇宙項(xiàng)就像“天方夜譚”中從瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人沒有理睬愛因斯坦的意見，繼續(xù)討論宇宙項(xiàng)的意義。今天，廣義相對(duì)論的場(chǎng)方程有兩種，一種不含宇宙項(xiàng)，另一種含宇宙項(xiàng)，都在專家們的應(yīng)用和研究中。?

早在1910年前后，天文學(xué)家就發(fā)現(xiàn)大多數(shù)星系的光譜有紅移現(xiàn)象，個(gè)別星系的光譜還有紫移現(xiàn)象。這些現(xiàn)象可以用多譜勒效應(yīng)來解釋。遠(yuǎn)離我們而去的光源發(fā)出的光，我們收到時(shí)會(huì)感到其頻率降低，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，并出現(xiàn)光譜線紅移的現(xiàn)象，即光譜線向長(zhǎng)波方向移動(dòng)的現(xiàn)象。反之，向著我們迎面而來的光源，光譜線會(huì)向短波方向移動(dòng)，出現(xiàn)紫移現(xiàn)象。這種現(xiàn)象與聲音的多普勒效應(yīng)相似。許多人都有過這樣的感受：迎面而來的火車其鳴叫聲特別尖銳刺耳，遠(yuǎn)離我們而去的火車其鳴叫聲則明顯遲鈍。這就是聲波的多普勒效應(yīng)，迎面而來的聲源發(fā)出的聲波，我們感到其頻率升高，遠(yuǎn)離我們而去的聲源發(fā)出的聲波，我們則感到其頻率降低。?

如果認(rèn)為星系的紅移、紫移是多普勒效應(yīng)，那么大多數(shù)星系都在遠(yuǎn)離我們，只有個(gè)別星系向我們靠近。隨之進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，那些個(gè)別向我們靠近的紫移星系，都在我們自己的本星系團(tuán)中(我們銀河系所在的星系團(tuán)稱本星系團(tuán))。本星系團(tuán)中的星系，多數(shù)紅移，少數(shù)紫移；而其他星系團(tuán)中的星系就全是紅移了。?

1929年，美國(guó)天文學(xué)家哈勃總結(jié)了當(dāng)時(shí)的一些觀測(cè)數(shù)據(jù)，提出一條經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，河外星系(即我們銀河系之外的其他銀河系)的紅移大小正比于它們離開我們銀河系中心的距離。由于多普勒效應(yīng)的紅移量與光源的速度成正比，所以，上述定律又表述為：河外星系的退行速度與它們離我們的距離成正比：V＝HD?

式中V是河外星系的退行速度，D是它們到我們銀河系中心的距離。這個(gè)定律稱為哈勃定律，比例常數(shù)H稱為哈勃常數(shù)。按照哈勃定律，所有的河外星系都在遠(yuǎn)離我們，而且，離我們?cè)竭h(yuǎn)的河外星系，逃離得越快。?

哈勃定律反映的規(guī)律與宇宙膨脹理論正好相符。個(gè)別星系的紫移可以這樣解釋，本星系團(tuán)內(nèi)部各星系要圍繞它們的共同重心轉(zhuǎn)動(dòng)，因此總會(huì)有少數(shù)星系在一定時(shí)間內(nèi)向我們的銀河系靠近。這種紫移現(xiàn)象與整體的宇宙膨脹無關(guān)。?

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(dāng)年哈勃得出定律時(shí)所用的數(shù)據(jù)圖，人們會(huì)感到驚訝。在距離與紅移量的關(guān)系圖中，哈勃標(biāo)出的點(diǎn)并不集中在一條直線附近，而是比較分散的。哈勃怎么敢于斷定這些點(diǎn)應(yīng)該描繪成一條直線呢?一個(gè)可能的答案是，哈勃抓住了規(guī)律的本質(zhì)，拋開了細(xì)節(jié)。另一個(gè)可能是，哈勃已經(jīng)知道當(dāng)時(shí)的宇宙膨脹理論，所以大膽認(rèn)為自己的觀測(cè)與該理論一致。以后的觀測(cè)數(shù)據(jù)越來越精，數(shù)據(jù)圖中的點(diǎn)也越來越集中在直線附近，哈勃定律終于被大量實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所確認(rèn)。?

? ? ? 宇宙通過自身的能量吸收和轉(zhuǎn)化使之不斷的膨脹,當(dāng)膨脹到一定程度時(shí)(這大概需要幾十億光年)會(huì)將能量釋放出去,而這些能量擴(kuò)散,形成了宇宙的空間。