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第二章 宇宙大观（第1页）

第二章宇宙大观

宇宙是如何诞生的？

人们常常会问：宇宙是永远不变的吗?宇宙有多大?宇宙是什么时候诞生的?宇宙中的物质是怎么来的等等。当人类第一次把眼睛投向天空时，就想知道这浩瀚无垠的天空以及那闪闪发光的星星是怎样产生的。所以，各个民族、各个时代都有种种关于宇宙形成的传说。不过那都是建立在想象和幻想基础上的。今天，虽然科学技术已经有了重大进步，但关于宇宙的成因，仍处在假说阶段。归纳起来，大致有以下这么几种假说。到目前为止，许多科学家倾向于“宇宙大爆炸”的假说。这一观点是由美国著名天体物理学家伽莫夫和弗里德曼提出来的。这一假说认为，大约在200亿年以前，构成我们今天所看到的天体的物质都集中在一起。密度极高，温度高达100多亿摄氏度，被称为原始火球。这个时期的天空中，没有恒星和星系，只是充满了辐射。后来不知什么原因，原始火球发生了大爆炸，组成火球的物质飞散到四面八方，高温的物质冷却起来，密度也开始降低。在爆炸两秒钟之后，在100亿摄氏度高温下产生了质子和巾子，在随后的自由中子衰变的11分钟之内，形成了重元素的原子核。大约又过了1万年，产生1r氢原子和氦原子。在这1万年的时间里，散落在空问的物质便开始了局部的联合，早云、星系的恒星，就是由这物质凝聚而成的。在星云的发展中，大部分气体变成了星体，其巾一部分物质因受到星体引力的作用，变成了星际介质。1929年，哈勃对24个星系进行了全面的观测和深入的研究。“他发现这些星系的谱线都存在明显的红移。根据物理学中的多普勒效应，这些星系在朝远离我们的方向奔去，即所谓的退行。而且，哈勃发现这些星系退行的速度与它们的距离成正比。也就是说，离我们越远的星系，其退行速度越大。这种观测事实表明宇宙在膨胀着。那么，宇宙从什么时候开始膨胀?已膨胀多久了?根据哈勃常数H=150千米／（秒·千万光年），这个意义是：距离我们1000万光年的天体，其退行的速度为每秒150千米，从而计算出宇宙的年龄为200亿年。也就是说，这个膨胀着的宇宙已存在200亿年了。20世纪60年代天文学中的四大发现之一的微波背景辐射认为，星空背景普遍存在着3K微波背景辐射，这种辐射在天空中是各向同性的。这似乎是当年大爆炸后遗留下的余热，从某种意义上这也是支持了大爆炸宇宙学的观点。但是，大爆炸宇宙学也有些根本性问题没有解决。如大爆炸前的宇宙是什么样?大爆炸是怎么引起的?宇宙的膨胀未来是什么格局?一种是“宇宙永恒”假说。这种假说认为，宇宙并不是像人们所说的那样动**不定，自从开天辟地以来，宇宙中的星体、星体密度以及它们的空间运动都处在一种稳定状态，这就是宇宙永恒假说。这种假说是英国天文学家霍伊尔、邦迪和戈尔特等人提出来的。霍伊尔把宇宙中的物质分成以下几大类：恒星、小行星、陨石、宇宙尘埃、星云、射电源、脉冲星、类星体、星际介质等，认为这些物质在大尺度范围内处于一种力和物质的平衡状态。就是说，一些星体在某处湮灭了，在另一处一定会有新的星体产生。宇宙只是在局部发生变化，在整体范围内则是稳定的。另一种是“宇宙层次”假说。这种假说是法国天文学家沃库勒等人提出来的。他们认为宇宙的结构是分层次的，如恒星是一个层次，恒星集合组成星系是一个层次，许多星系结合在一起组成星系团是一个层次，一些星系团组成超星系才又是一个层次。综合起来看，以上种种假说虽然说明了宇宙成因的部分道理，但还都缺乏概括性，还有继续探讨的必要。

什么是宇宙极其物质？

广义上指无限多样、永恒发展的物质世界，狭义上指一定时代观测所及的最大天体系统。后者往往称作可观测宇宙、我们的宇宙，现在相当于天文学中的“总星系”。2003年2月份，美国国家航空航天局曾向全世界公布他们有关宇宙年龄的研究成果。根据其公布的资料显示，宇宙年龄应该为137亿岁。2003年11月份，国际天体物理学研究小组宣称，宇宙的确切年龄应该是14l亿岁。地球的形成大约是距今45亿年。

词源考察：在中国古籍中最早使用宇宙这个词的是《庄子·齐物论》。“宇”的含义包括各个方向，如东西南北的一切地点。“宙”包括过去、现在、白天、黑夜，即一切不同的具体时问。战国末期的尸佼说：“四方上下日宇，往古来今曰宙。”“宇”指空间，“宙”指时问，“宁宙”就是时问和宅问的统一。后来“宇宙”一词便被用来指整个客观实在世界。与宁宙相当的概念有“天地”、“乾坤”、“六合”等，但这些概念仪指宇宙的空间方面。《管子》的“宙合”一词，“宙”指时问，“合”（即“六合”）指空间，与“宇宙”概念最接近。宇宙结构观念的发展远古时代，人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态，他们通常按照自己的生活环境对宇宙的构造作了幼稚的推测。在中国西周时期，生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为，天穹像一口锅，倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说，认为大地的形状也是拱形的。公元前7世纪，巴比伦人认为，天和地都是拱形的，大地被海洋所环绕，而其中央则是高山。古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子，大地的中央则是尼罗河。古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上，而象则站在巨大的龟背上，公元前7世纪末，古希腊的泰勒斯认为，大地是浮在水面上的巨大圆盘，上面笼罩着拱形的天穹。最早认识到大地是球形的是古希腊人。公元前6世纪，毕达哥拉斯从美学观念出发，认为一切立体图形中最美的是球形，主张天体和我们所居住的大地都是球形的。这一观念为后来许多古希腊学者所继承，但直到1519～1522年，葡萄牙的麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后，地球是球形的观念才最终证实。公元2世纪，托勒密提出了一个完整的地心说。这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动，月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转。为了说明行星视运动的不均匀性，他还认为行星在本轮上绕其中心转动，而本轮中心则沿均轮绕地球转动。地心说曾在欧洲流传了1000多年。1543年，哥白尼提出科学的日心说，认为太阳位于宇宙中心，而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星。1609年，开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转，发展了哥白尼的日心说，同年，伽利略则率先用望远镜观测天空，用大量观测事实证实了日心说的正确性。1687年，牛顿提出了万有引力定律，深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因，使日心说有了牢固的力学基础。在这以后，人们逐渐建立起了科学的太阳系概念。在哥白尼的宇宙图像中，恒星只是位于最外层恒星天上的光点。1584年，布鲁诺大胆取消了这层恒星天，认为恒星都是遥远的太阳。18世纪上半叶，由于哈雷对恒星自行的发展和布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计，布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同。18世纪中叶，赖特、康德和朗伯推测说，布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统。赫歇尔首创用取样统计的方法，用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例，1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图，从而奠定了银河系概念的基础。在此后一个半世纪中，沙普利发现了太阳不在银河系中心、奥尔特发现了银河系的自转和旋臂，以及许多人对银河系直径、厚度的测定，科学的银河系概念才最终确立。18世纪中叶，康德等人还提出，在整个宇宙中，存在着无数像我们的天体系统（指银河系）那样的天体系统。而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是这样的天体系统。此后经历了长达170年的曲折的探索历程，直到1924年，才由哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在。近半个世纪，人们通过对河外星系的研究，不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统，而且已使我们的视野扩展到远达200亿光年的宇宙深处。

宇宙层次结构是怎样？

行星是最基本的天体系统。太阳系中共有八大行星：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星。除水星和金星外，其他行星都有卫星绕其运转，地球有一个卫星——月球，土星的卫星最多，已确认的有17颗。行星、小行星、彗星和流星体都围绕中心天体太阳运转，构成太阳系。太阳占太阳系总质量的99．86％，其直径约140万于米，最大的行星木星的直径约14万千米。太阳系的大小约120亿千米。有证据表明，太阳系外也存在其他行星系统。2500亿颗类似太阳的恒星和星际物质构成更巨大的天体系统——银河系。银河系中大部分恒星和星际物质集中在一个扁球状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面看去，则呈漩涡状。银河系的直径约10万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中，距银心约3万光年。银河系外还有许多类似的天体系统，称为河外星系，常简称星系。现已观测到大约有10亿个。星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约40个星系构成的一个小星系团叫本星系群。若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。本星系群和其附近的约50个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。目前天文观测范围已经扩展到200亿光年的广阔空间，它称为总星系。

宇宙的复杂性是怎样的？

天体千差万别，宇宙物质千姿百态。太阳系天体中，水星、金星表面温度约达700K，遥远的冥王星向日面的温度最高时也只有50K；金星表面笼罩着浓密的二氧化碳大气和硫酸云雾，气压约50个大气压，水星、火星表面大气却极其稀薄，水星的大气压甚至小于2×1019毫巴；类地行星（水星、金星、火星）都有一个固体表面，类木行星却是一个流体行星；土星的平均密度为O．7克／厘米3，比水的密度还小，木星、天王星、海王星的平均密度略大于水的密度，而水星、金星、地球等的密度则达到水的密度的5倍以上；多数行星都是顺向自转，而金星是逆向自转；地球表面生机盎然，其他行星则是空寂荒凉的世界。

太阳在恒星世界中是颗普遍而又典型的恒星。已经发现，有些红巨星的直径为太阳直径的几千倍。中子星直径只有太阳的几万分之一；超巨星的光度高达太阳光度的数百万倍，白矮星光度却不到太阳的几十万分之一。红超巨星的物质密度小到只有水的密度的百万分之一，而白矮星、中子星的密度分别可高达水的密度的十万倍和百万亿倍。太阳的表面温度约为6000K，0型星表面温度达30000K，而红外星的表面温度只有约600K。太阳的普遍磁场强度平均为l×1014特斯拉，有些磁白矮星的磁场通常为几千、几万高斯（1高斯=1014特斯拉），而脉冲星的磁场强度可高达十万亿高斯。有些恒星光度基本不变，有些恒星光度在不断变化，称变星。有的变星光度变化是有周期的。周期从1小时到几百天不等。有些变星的光度变化是突发性的，其中变化最剧烈的是新星和超新星，在几天内，其光度可增加几万倍甚至上亿倍。恒星在空间常常聚集成双星或三五成群的聚星，它们可能占恒星总数的l／3。也有由几十、几百乃至几十万个恒星聚在一起的星团。宇宙物质除了以密集形式形成恒星、行星等之外，还以弥漫的形式形成星际物质。星际物质包括星际气体和尘埃，平均每立方厘米只有一个原子，其中高度密集的地方形成形状各异的各种星云。宇宙中除发出可见光的恒星、星云等天体外，还存在紫外天体、红外天体、x射线源、y射线源以及射电源。

星系按形态可分为椭圆星系、漩涡星系、棒旋星系、透镜星系和不规则星系等类型。20世纪60年代又发现许多正在经历着爆炸过程或正在抛射巨量物质的河外天体，统称为活动星系，其中包括各种射电星系、塞佛特星系、N型星系、马卡良星系、蝎虎座BL型天体，以及类星体等等。许多星系核有规模巨大的活动：速度达几千千米／秒的气流，总能量达10’’焦耳的能量输出，规模巨大的物质和粒子抛射，强烈的光变等等。在宇宙中有种种极端物理状态：超高温、超高压、超高密、超真空、超强磁场、超高速运动、超高速自转、超大尺度时间和空间、超流、超导等。为我们认识客观物质世界提供了理想的实验环境。

宇宙是如何运动和发展的？

宇宙天体处于永恒的运动和发展之中，天体的运动形式多种多样，例如自转、各自的空问运动（本动）、绕系统中心的公转以及参与整个天体系统的运动等。月球一方面1自转一方面围绕地球运转，同时义跟随地球一起围绕太阳运转。太阳一方面自转，一方面又向着武仙座方向以20千米秒的速度运动，同时又带着整个太阳系以250千米／秒的速度绕银河系中心运转，运转一周约需2．2亿年。银河系也在自转，同时也有柑对于邻近的星系的运动。小超星系团也可能在膨胀和自转。总星系也在膨胀。

现代天文学已经揭示了天体的起源和演化的历程。当代关于太阳系起源学说认为，太阳系很可能是50亿年前银河系中的一团尘埃气体云（原始太阳星云）由于引力收缩而逐渐形成的（见太阳系起源）。恒星是由星云产生的，它的一生经历了引力收缩阶段、主序阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段。星系的起源和宇宙起源密切相关，流行的看法是：在宇宙发生热大爆炸后40万年，温度降到4000K，宇宙从辐射为主时期转化为物质为主时期，这时或由于密度涨落形成的引力不稳定性，或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系，然后再演化为星系团和星系。热大爆炸宇宙模型描绘了我们的宇宙的起源和演化史：我们的宇宙起源于200亿年前的一次大爆炸，当时温度极高、密度极大。随着宇宙的膨胀，它经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程，直至10～20亿年前，才进人大规模形成星系的阶段，此后逐渐形成了我们当今看到的宇宙。1980年提出的暴涨宇宙模型则是热大爆炸宇宙模型的补充。它认为在宇宙极早期，在我们的宇宙诞生后约10—36秒的时候，它曾经历了一个暴涨阶段。

人和时空起源是怎样的？

有些人认为，时间和空间不是永恒的，而是从没有时间和没有空间的状态产生的。根据现有的物理理论，在小于1014。秒和1013。厘米的范围内，就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量，因此时间和空间概念失效了，是一个没有时间和空间的物理世界。这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的。正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样，今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观。由于在大爆炸后10—43秒以内，广义相对论失效，必须考虑引力的量子效应，因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源。这些工作都是有益的，但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水平上无法度量新的时空形式，而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在。从20世纪60年代开始，由于人择原理的提出和讨论，出现了人类存在和宇宙产生的关系问题。人择原理认为，可能存在许多具有不同物理参数和初始条件的宇宙，但只有物理参数和初始条件取特定值的宇宙才能演化出人类，因此我们只能看到一种允许人类存在的宇宙。人择原理用人类的存在去约束过去可能有的初始条件和物理定律，减少它们的任意性，使一些宇宙学现象得到解释，这在科学方法论上有一定的意义。但有人提出，宇宙的产生依赖于作为观测者的人类的存在。这种观点值得商榷。现在根据暴涨模型，那些被传统大爆炸模型作为初始条件的状态，有可能从极早期宇宙的演化中产生出来，而且宇宙的演化几乎变得与初始条件的一些细节无关。这样就使上述那种利用初始条件的困难来否定宇宙客观实在性的观点失去了基础。但有些人认为，由于暴涨引起的巨大距离尺度，使得从整体上去观测宇宙的结构成为不可能。这种担心有其理由，但如果暴涨模型正确的话，随着科学实践的发展，一定有可能突破人类认识上的困难-o

宇宙的中心在什么地方？

人们总习惯于寻找中心：政治中心、经济中心、游乐中心等等。古人以为地球是宇宙的中心，而人类是地球的中心，但后来我们失望地发现一切并非如此。那么，宇宙有中心吗?如果有，它在哪儿?太阳系中所有的行星都绕着它们的中心——太阳旋转。连那么庞大的银河系也有中心，它让周围所有的恒星也都绕着它来旋转。这么说来，我们的宇宙也应该存在这样的中心，但是实际上它并不存在。因为宇宙的膨胀是发生在四维空间内，而不是我们通常所能理解的三维空间内，它不仅包括普通三维空问（长度、宽度和高度），还包括第四维——时间。四维空间的膨胀很难用三维思维来描述，但是我们也许可以通过观察并用气球的膨胀来解释它。假设宇宙是一个正在膨胀的气球，而星系是气球表面上的点。我们还必须假设星系只能沿着表面移动而不能进人气球内部或内外运动。也就是说，我们把自己描述为一个生活在气球表面的二维空间的人。气球的表面不断地向外膨胀，也就是说宇宙不断膨胀，则表面上的每个点彼此离得越来越远。站在任何一点上的人将会看到其他所有的点都存退行，而且离得越远的点退行速度越快。在现实中，宇宙膨胀不是在三维空间内开始的，而我们只是三维空间的人。宇宙是在过去的某个时间，即亿万年以前，在当时的一个四维空间的点开始膨胀，虽然我们可以获得有关的信息，但我们却无法回到那个时候，无法探明那一点在四维空间中的位置。宇宙真的没有中心。但是，这样的宇宙是不是会显得杂乱无章?也许它在我们所不能理解的四维或五维空间中是有中心，而且是井然有序的。

宇宙的尽头在哪里？

宇宙是无限的吗?如何理解这种无限呢?宇宙是有限的吗?那么宇宙的尽头又在哪里呢?类似这种问题长久以来一直困扰着人类。随着科学的发展，人类认识宇宙的范围越来越大，那么现在我们是否能够找到宇宙的尽头呢?科学家们都在进行着各自的探索。当观测天体的时候，人们发现它的谱线不是在标准波长的位置上。所有谱线的波长都加长了，这表明谱线向红端移动，这种现象叫做谱线红移，它是由多普勒效应引起的。当天体或观测者运动时，天体发出的光和电波的波长’就会发生变化。天体向着观测者运动，距离不断缩短，波长就会变短；天体背离观测者运动，距离不断加长，就会观测到波长加长的现象。天体谱线红移表明天体背离我们向远方运动。如果我们用“z”表示红移的程度，那么红移为“z”的天体发出的光和电波在地球上观测时，波长就变成原波长的1+z倍。例如在红移为4的天体中，氢原子发出的波长为1216埃的紫外线，而在地球上观测到的波长却是6080埃的红光，变成了眼睛可以观察到的可见光了。按照多普勒效应，背离速度越大，红移也就越大。于是就可以根据红移求出天体离开我们的速度。如果用光谱分析法分析来自天体的光，就能够检出氢、氧、碳等原子发出的、特定的、经过红移之后的波长。由此可以计算出这些特定波长发生的红移程度。按照多普勒效应，天体红移意味着宇宙在膨胀，广义相对论的引力场方程也有“膨胀的宇宙学”的解，于是形成了“宇宙膨胀论”。还有一些人提出了其他形式的宇宙论，如“稳恒态宇宙论”等。这些宇宙论也都主张宇宙膨胀。采用把红移换算成距离的方法，求得天体到地球的距离，随着所采用的宇宙模型不同而各不相同。决定了宇宙模型，还应当从观测求出用哈勃常数表示的，现在宇宙膨胀速度和用“减速参量”表示的宇宙膨胀减速率。按照宇宙诞生之后就急速膨胀的宇宙模型，假定哈勃常数为50千米／100万秒差距（1秒差距约为3．26光年），“减速参量”为0．5。可以计算出宇宙的年龄为130亿年，地球到宇宙的“尽头”的距离从理论上来说应是130亿光年。