現代宇宙觀的基礎

現代宇宙觀的基礎

作者：劉遠景 （原載于“新浪博客”）

科學是沒有禁區的，哲學更是沒有禁區，而且，把那些禁區變為人們熱衷讨論的話題就是哲學專業的本行。如果有人給哲學家設立禁區，那麼哲學家就會把你當二百五來戲弄。但是，一說到宇宙的起源這個問題，哲學家和有神論者都會不願意同你讨論，怕惹麻煩。無神論的哲學家試圖說明宇宙是一個沒有起因、沒有開端的自在之物，然而我們無法想象出任何沒有起因或者開端的事物；有神論者的解釋說宇宙是上帝創造的，可是連幼兒園的小朋友也會提出無法回答的問題：“上帝又是哪個創造的呢？” 無論是唯物主義還是唯心主義都沒有辦法解答邏輯上的終極觀念問題。所以，赫胥黎說，哲學的唯一的實話實說就是不可知論。不可知論并不能平息哲學上的争論，說這是用理性來限制理性，難怪哲學家和有神論者都不想和别人讨論這個問題。

20世紀的天文學家和量子力學家試圖用他們的研究成果來解答這個問題。

我們的地球是一個普通的行星，我們的太陽是一個普通的恒星，我們的銀河系也是一個普通的星系，像銀河系這樣的星系還有幾十億個；宇宙形成已經有150億年了，而我們現代人類在地球上出現隻有大約十多萬年。雖然我們人類是如此的智慧，但是，我們站在這樣一個小行星上來解說宇宙實在是缺少資質。不過，我們畢竟是宇宙中有智慧有理性的動物，擔負着這一解說的責任，解說宇宙的責任不能推給海豚或者猴子身上。雖說我們是智慧的，但是，視力不如鷹，嗅覺不如狗，聽力不如兔子，要承擔這樣的責任實在是難。我們隻能憑借人類發明的現代工具和邏輯推理來估算和描述宇宙的過去和現狀，不承擔責任地預測宇宙的未來。現在，人類還沒有能力離開太陽系去訪問其他星系，我們隻能用物理實驗室的研究成果去類比遙遠太空中那些在我們看來非常奇怪的天體現象。這些類比雖然隻是推理和估計，但是，按照科學的預測，現實的觀測已經證明了前賢的預言是正确的。

盡管如此，我們人類生活在地球上養成很多有缺陷的觀念，要客觀地理解宇宙和正确地解說宇宙還要克服我們自己的很多偏見。人類實在是沒有資格保證自己說的每一句話都是客觀的，但是也有很多科學方法對于解釋宇宙已經經過證明是正确的。

科學實驗證實了的結論,是我們必須承認的也應該是我們思想觀念的客觀基礎。以下19世紀末20世紀自然科學家觀察和實驗得出的科學結論。

1,多普勒效應 (Doppler effect)當物理波源和觀察者有相對運動時,觀察者接收到的頻率和波源發出的頻率不同的現象。兩者相互接近時接收到的波的頻率升高；相互離開時則波的頻率降低；兩者都處于靜止時則不變。這種波不管是光波，電波，還是聲波都是如此。例如：火車疾馳過車站時，站上的人聽到火車汽笛的音調（頻率）很快升高然後又降低。這就是火車向站上的人奔來時，聲音的頻率升高；向遠處駛去時聲音的頻率就降低。宇宙中的恒星都是發光的天體，并且也是在不斷地移動的，利用天體在運動時發出的光譜譜線的移動（頻率的變化）現象可以準确測定天體的視向速度。這一現象由奧地利物理學家多普勒（Christian Doppler 1803---1853年）首先發現。後來物理學家把這種波譜移動現象稱為“多普勒效應”。

2，紅移 （Red Shift）光是一種電磁現象，按光波的長短順序分為無線電波，電視波，微波，紅外波，可見波，紫外波，χ射線，伽碼射線，宇宙射線等九種。人的肉眼能看見的隻有可見光波。這種人可以看見的光，按光波的長短順序分：赤，橙，黃，綠，青，藍，紫七種顔色。波長從4×10－7——7×10－7米。赤（紅）色光波是可見光中最長的光波。當然，電波，微波，紅外波更長，但是人的眼睛不能看見。紫色光在可見光中光波最短，人能用眼睛也可以看見。光波短于紫色光波，人的眼睛就看不見了。“紅移”就是恒星或其他天體的光波譜線由其他顔色的譜線向紅色譜線端移動，包括向紅色光譜線外移動。光的紅化就是波長的波長由短變長，遠離地球而去的物體包括星系不論是由于通常的運動還是由于宇宙膨脹産生的運動，它們的光波都會出現同遠離速度成正比的紅移。這就是“多普勒效應”在天體物理學上應用。如果光譜線向藍色或紫色方向移動，說明有天體正在向地球飛來，但是這種現象極少。在天文觀測中基本上隻觀測到紅移的現象。這說明天體由于膨脹都在相互遠離而去。如果某一天體本來發出的光是綠色的，光譜向紅色方向移動量大，說明它的遠離地球而去的運動速度就高。向紅色方向移動得小，說明遠離地球而去的運動速度就低。

3，量子力學 （Mechanics Quantum）量子力學是現代物理學的理論基礎，是研究微觀粒子運動規律的理論。20世紀初發現的大量事實與物理量不能連續變化而隻能取其某些分立值，相鄰兩個分立值之差，科學家隻能稱之為物理量的一個量子，表明微觀粒子不僅具有粒子性，同時具有波動性，稱作波粒二象性。它們的運動不能用通常的宏觀物體運動的規律來解釋。德布羅意，薛定谔，玻爾等科學家逐步建立和發展了量子力學的基本理論，應用這一理論解決微觀粒子問題時得到的結果與實驗相符合。量子力學的規律用于宏觀物體或者質量和能量相當大的粒子時，也能得出現代物理力學的結論。

4，廣義相對論和引力場論 （General theory of relativity and Gravitational fieled）現代引力觀是建立在場論的基礎上的，即物體在其周圍産生引力場，這是物體之間萬有引力作用的媒介。從原則上分析，質量應有兩種：牛頓第二定律中的質量是與慣性聯系着的慣性質量；而牛頓引力公式中的質量則是引力質量。19世紀末，匈牙利物理學家厄缶作了一個實驗，在10的負9次方的精度内證明了這兩種質量是相等的。兩種質量相等使得愛因斯坦（Albert Einstein 1879---1955年）提出了等效原理。愛因斯坦的廣義相對論是用四維非歐時空來解釋引力作用的，其中物體和光線沿測地線運動。廣義相對論所預言的不同于牛頓理論的效應一般很微弱。如：①引力紅移，引力場強的地方所發出的光線頻率看起來将降低；②光線在引力場中的彎曲；③水星近日點的運動。但是，在天體物理學中，廣義相對論的某些預言則是十分明顯的。由于自身引力作用，一定質量的天體将不可避免地發生“坍縮”，最後形成黑洞。它的引力場是如此之強，以至于内部的光線也跑不出去。近來，天文觀測已經給出了黑洞存在的可靠證據。另外，研究宇宙構造的宇宙學完全是以廣義相對論和引力場論為理論基礎的。愛因斯坦的狹義相對論正确地解釋了能量與質量以及運動的關系，其公式為：E＝MC2

德西特.弗裡德曼和勒梅特等科學家把相對論應用到宇宙學,終于使人們确信宇宙在按哈勃定律膨脹。現代宇宙學斷言:宇宙在空間上是均勻的,物理規律也到處适用，由于觀測到的宇宙是各向同性的（即就平均而言，各方向都一樣），似乎說明這一原理是基本合理的；因為若把宇宙看成非均勻的，而我們周圍才是均勻的，那就意味着我們在宇宙中是特殊的。廣義相對論宇宙論實質上是空間具有動力學性質，而且可能是均勻彎曲的，若曲率為負（雙曲的）或零（平坦的），則宇宙開放空間無限；若曲率為正（球狀體的）則宇宙為封閉的，空間有限。空間的膨脹使靜止在空間中的星系彼此遠離，相對速度都遵循哈勃定律，并随距離增加而速度增大，不受光速的限制。

3，宇宙模型 （Model Universe）第一個為宇宙設想模型的是前蘇聯天文學家弗裡德曼（Friedmann 1888----1925年）1922年，他根據愛因斯坦引力場論得出宇宙解，認為宇宙是均勻的，各向同性的，宇宙常數為零的，而且是不斷膨脹的。

4，宇宙膨脹說 （Viewpoint of expanding universe）美國天文學家E.P哈勃(Edwin powell Hubble 1889----1953年)1923年----1924年在威爾遜山天文台時,發現仙女座大星雲的12顆造父變星,根據周光關系,推算出它們位于銀河系之外,是與銀河系一樣的恒星系統。哈勃因此成為星系天文學的奠基人。1929年，哈勃觀測了24個鄰近的星系，他把這些星系的光譜與實驗室的光譜作了對比，結果發現所有星系的光譜線都向長波方向移動了一小段距離。如果這些線譜的移動是多普勒效應引起的，則利用譜線的移動可以計算出其運動的速度v，而光波變長則即光源遠離觀測者而去。利用僅有的24個星系以及其他方法所定的這些星系離我們的距離d,哈勃發現v ∝ d,即速度與距離成正比。

哈勃的發現結束了禁锢人們數千年的傳統宇宙觀，把一個永遠靜止的的世界一下子突變為一個膨脹的宇宙。科學家認為，哈勃的發現是20世紀人類最傑出的發現。這一規律今天被稱為“哈勃定律”。并把比例系數記為H0

V＝Hod

(讀為：速度等于哈勃常數乘以距離)

哈勃定律預示：如果目前所有星系都在彼此遠離而去，那麼，在有限的時間以前，這些天體必然會聚集在一個極小的空間内。

5，大爆炸宇宙說 （Universe Big Bang）宇宙大爆炸說是美國天文學家伽莫夫（Gemorge Gamov 1904----1968年）根據哈勃宇宙膨脹說提出的，認為宇宙從密到稀，從熱到冷不斷膨脹的一種宇宙學說。因為這種演化過程好像一次巨大的爆炸，所以稱為大爆炸宇宙說。這一學說後來得到各方面天文學觀測的結果的證實和支持。

按上面這些科學家的理論學說，我們的宇宙是在130億年前（不超過150億年前）由一個10-29厘米的小粒子質點發生爆炸而産生的。在沒有發生爆炸之前，時間為零。爆炸發生後，宇宙開始膨脹，輻射和物質均勻地向四周散發，一切組成均處于熱平衡狀态，時間開始記數，宇宙開始了可以測記的空間。在宇宙爆炸發生10秒鐘之内，現場的溫度為大約5×109 K，幾乎一切能量均以光子的形式出現；當爆炸後10秒鐘至100秒鐘時，溫度急劇降到109 K宇宙從輻射為主變為以物質為主；當爆炸發生後100秒至100萬年時，溫度又降到5000K，由于輻射的原因，散發的物質變為透明，物質的溫度低于輻射的溫度；爆炸發生後100萬年到10億年時，輻射的溫度為100K，而物質的溫度隻有1K，宇宙的星系開始形成，我們所在的銀河系也大約在此刻開始形成了。不過，各星系之間的距離還不是很遠，星系所屬的恒星還沒有行星，并且恒星之間還很近。大、小麥哲倫星系、仙女座星雲、銀河系都在爆炸的斥力的推動下急速朝着大緻相同的方向奔馳；當爆炸發生後50億年時，輻射溫度為12K，宇宙中出現最早的類星體（Quasi stellar object）；現在，也就是爆炸發生50億年到130億年後，輻射的溫度降為3K，物質的溫度升為100萬K。

按照哈勃定律，宇宙的膨脹就如正在被沖汽的汽球，以球的中心為中心點向外擴展。如果在汽球上畫上幾個小點，以這幾個小點代表幾個星系，那麼，在剛給汽球沖汽時，這幾個小點彼此的距離靠得是很近的，又以沖汽擴張汽球表示大爆炸，随着沖汽的不斷進行，幾個原先本來靠得很近的小點彼此會離得越來越遠，離得越來越遠的的小點随沖汽的不斷進行分離的速度就越快。同樣，随着汽球的變大，這幾個小點的面積也就越來越大。我們普通人稱這種現象叫分離，但是哈勃和天文學家稱這種現象叫“退行”。稱分離的速度叫“退行速度”。

按多普勒效應和哈勃定律，觀測者與被觀測的天體之間越遠，退行的速度就越大。觀測者接受的天體光譜線就越寬，譜線就越向紅色的末端移位。天文學家用“Z”

代表紅移的程度，定義為：

Z=λ－λο／λο

式中λο為實驗室光源的某一譜線波長，λ為天體光譜中同一譜線的波長。用天體光譜線波長減去實驗室的同一譜線，再除以實驗室的同一譜線波長數就是紅移位數Z，天文學家的觀測發現，除銀河系離地球較近的恒星外，大多數恒星和星系都有“紅移”現象。離我們越遠的天體，“紅移”的現象就越大。20世紀六十年代，科學家發現類星體普遍有較大的“紅移”。當時其中最大的“紅移”3.78。“紅移”值Z達到1，就表示退行的速度達到光速。現在已觀測到的天體光譜“紅移”達到Z=6，那麼，這些遙遠的天體正以6×30萬公裡/秒的速度離我們而去。這樣的速度真的難以置信，但是這是不用置疑的事實。

這裡就出現了眼見的現象并不一定是正在進行的現實的問題。因為如果你用天文觀測設備看某一遙遠的天體正在發生的爆炸，這一爆炸現象通過光波傳給你，光波雖然以每秒30萬公裡的速度傳來，但宇宙距離太遙遠，有些天體離地球遠達若幹萬光年，假如你觀測到一個一千光年這的恒星發生爆炸，那個爆炸事件已經是一千年發生的事了。這也就是所謂“時間膨脹”現象。我們用字母“t”代表宇宙大爆炸那一刻，如果你在2000年12月25日那天用天文觀測設備看到2000光年遠的恒星爆炸，那麼，這個恒星爆炸正好是耶稣出生的那天爆炸的。如果那個爆炸炸得徹底，你所看見那個恒星在你看見那一刻早已經不存在了，變成灰燼了。

宇宙大爆炸産生了我們能夠看見的天體，産生了現在照耀我們地球的太陽，之後，在天體演化過程中，又産生了我們的地球。按現代天體物理學的原理，這個宇宙是以爆炸原點為中心，均勻地各向同性向外膨脹的，整個宇宙半徑開始時很短，以後，爆炸産生的物質向四周擴散，宇宙的半徑就一天一天地變大了。

現在的宇宙半徑經典說法是65億光年，并且正以每秒90萬公裡的速度離開原爆炸點向四面八方“退行”。根據是：目前已經觀測到的遙遠的天體的光譜線的紅移值達到6，如果這些天體就是對角最遠的天體，那麼，6×304KM/秒＝1804KM/秒。換句話說，宇宙的直徑每秒鐘增大180萬公裡。這個數字對于地球上過慣了慢速度運動的人來說，确實有點讓人吃驚，但是，對于對于整個直徑長度達130光年的宇宙來說，這點速度也算不了什麼。

那麼，我們的宇宙是不是就永遠這樣膨脹下去呢？當前的科學家有以下幾種看法：A，如果宇宙密度參量Ωｍ小于1，那麼就是開放的宇宙，它就會永遠地膨脹退行下去，當直徑達到無窮大時膨脹的速度會減少；B，如果宇宙密度Ωｍ等于零，那麼就是一個平坦的宇宙，也就是愛因斯坦—德西特宇宙，它也會長期膨脹退行下去，當直徑達到無窮大時，膨脹退行的速度就會停止下來，宇宙的尺度會慢慢縮小；C，如果宇宙密度Ωｍ大于1，那麼，就是一個閉合的宇宙，當它膨脹到一定限度後速度就會減小。當宇宙膨脹退行到最大值時，膨脹停止，開始收縮。

大多數科學家傾向于第三種觀點，認為宇宙可能的結局是：在一百億年後，太陽将演化成一個光度紅巨星。半徑擴大到離太陽最近的水星的軌道，那時，地球的海洋将會消失，大氣也會散發完畢。在100億年後，銀河系的多數恒星都已經衰老，由于有新的恒星出現，仍會有少數年輕的恒星天體。到那時銀河系會比現在暗弱，成為大批演化末态恒星的墓地。其他星系也銀河系相同，在以後的繼續膨脹退行中宇宙将變得越來越空，但如果這種膨脹後又開始收縮，那麼在幾百億年内，近距離的星系的退行将會停止，并使進程開始反轉。由于我們觀測宇宙有一個時間上的膨脹系數，在非常遙遠的星系的退行還會繼續若幹年。到最後越來越多的星系會彼此靠近，終究會坍縮到大爆炸之前的原始密度狀态。