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第一章1（第1页）

第一章（1）

浩淼神秘的天外世界

宇宙起源的奥秘

宇宙是如何起源的?自古以来，这一直是人类最感兴趣和不懈探索的问题。历史上曾经出现过各种各样的神话传说，但宇宙的起源本身却是一个科学问题。20世纪以来，由于科学技术的发展，人们在对宇宙的观测中取得了越来越多的重大发现，从而逐渐建立起科学的宇宙模型。

探索宇宙的起源

20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的漩涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了漩涡星云正快速远离人们而去。1929年，哈勃把这种退行红移的测量与星系的距离的测量结合起来，总结出了著名的哈勃定律。根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定．人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，物质密度一直在变小。由此反推，宇宙的结构在某一时刻之前是不存在的，它只能是演化的产物。1948年，物理学家伽莫夫等人首先提出了大爆炸宇宙学模型。

大爆炸宇宙学模型

这一学说认为宇宙诞生于一次大爆炸。在宇宙早期，温度极高，在100亿度以上，物质密度也相当大，有中子，质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等元素，化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后，宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙问主要是气态物质。这些气态物质逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，成为我们今天看到的宇宙。

宇宙到底什么样

人们常说：宇宙广阔无垠。的确，银河系之外还有许许多多河外星系。数以亿计的各种天体构成星系，星系再构成星系团。宇宙中最少有10万个大大小小的星系团。有科学家做了推算，如果把宇宙看做是一个半径1千米的大球，那么银河系只有药片那么大，位于球心附近。那么宇宙有多大，它是什么模样呢?

有限宇宙球说

早在1917年，爱因斯坦就提出了有限无界的宇宙球模型假说。他指出：“应把宇宙看成是一个在空间尺度方面有限闭合连续区”，并在宇宙物质均匀分布的前提下，在数学上建立了一个“无界而有限”、“有限而闭合”的“四维连续体”，即宇宙是一个封闭的“宇宙球”。人们根据这一假说猜想宇宙的极限为百亿光年，即一颗恒星射出的光线，在100亿光年后还会返回出发点。这种把有限和无限结合起来的思想合乎辩证法。但这样的奇妙学说，人们至今还不能完全理解。

难以理解的宇宙

英国物理学家史蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最受大众注目的科学巨人，他在对宇宙进行深入研究之后提出：宇宙有限而无界。比如在地球上，无论我们从南极走到北极．还是从北极走到南极，我们始终都不可能找到地球的边界。这就是有限而无界．宇宙也可能是如此，但宇宙很可能比三维世界的地球多了好几维。就像生活在二维世界的动物无法理解三维世界一样，生活在三维世界的我们也无法理解多维的宇宙。

宇宙有多大的年龄

说到年龄，不同对象使用不同的尺度。一般说到人的岁数用年，说到地质年代用百万年，说到天体年龄则用亿年。那么，宇宙的年龄有多大呢?

古人对此也有兴趣。西方基督教有上帝创业的说法。中国古代有盘古开天辟地之说，其中提到了盘古的岁数和他开天辟地所花的时间。当然这都是一些神话传说。

对于宇宙年龄的测量和估算一直都是科学家们所关注的问题，但由于没有一种方法是绝对准确的，因而测量宇宙年龄通常采用多种方法。

用同位素年代法测量地球、月球和太阳年龄是一种好方法。经测定，地球年龄为4000亿年，月球年龄为46亿年，太阳年龄为50—60亿年。用此法测定宇宙年龄，天文学家布查测定年结果为120亿年。

球状星团测定法是根据恒星演化理论来测算恒星年龄的一种方法，利用该法求得的宇宙年龄为80～180亿年。人们对恒星进行观测发现，最老的恒星年龄约200亿年，因此，180亿年的年龄是不够的。

哈勃常数测定法是基于宇宙膨胀的观测事实确立的。在一个不断膨胀的宇宙中，测定膨胀速度可通过红移量的测量来获得。测出邻近星系与地球的距离，再由此标定红移与距离的关系，就可求得宇宙的年龄。由此可知，关键是测出邻近星系与地球之间的距离。测量地球与邻近星系距离的方法有二，每种方法测得的结果也各有二，但最终求得的宇宙年龄都在100亿年到200亿年之问。

近年来，有人又采用一种与哈勃常数无关的方法，它测得的宇宙年龄为240亿年。最近，德国波恩大学天体物理研究所的一个小组又提出，宇宙年龄为340亿年。

总而言之，测定宇宙年龄的工作仍在继续着。

宇宙的形状

1917年，爱因斯坦发表了著名的“广义相对论”，为我们研究大尺度、大质量的宇宙提供了比牛顿“万有引力定律”更先进的武器。应用后，科学家解决了恒星一生的演化问题。而宇宙是否是静止的呢?对这一问题，连爱因斯坦也犯了一个大错误。他认为宇宙是静止的，然而1929年美国天文学家哈勒以不可辩驳的实验，证明了宇宙不是静止的，而是向外膨胀的。正像我们吹一只大气球一样，恒星都在离我们远去。离我们越远的恒星，远离我们的速度也就越快。可以推想：如果存在这样的恒星，它离我们足够远以至于它离开我们的速度达到光速的时候，它发出的光就永远也不可能到达我们的地球了。从这个意义上讲，我们可以认为它是不存在的。因此，我们可以认为宇宙是有限的。

“宇宙到底是什么样子?”目前尚无定论。值得一提的是史蒂芬·霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。比如，我们的地球就是有限而无界的。在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。实际上，我们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几维呢?举个例子：一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中，在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，因为我们人类是“三维”的；而对于一个动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了!它消失了。为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里，对“三维”事件是无法清楚理解的。同样的道理，我们人类生活在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。这也正是对于“宇宙是什么样子”这个问题无法解释清楚的原因。

（1）均匀的宇宙

长期以来，人们相信地球是宇宙的中心。哥白尼把这个观点颠倒了过来，他认为太阳才是宇宙的中心。地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则镶嵌在天球的最外层上。布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的太阳。

无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。教会支持宇宙有限的论点。但是，布鲁诺居然敢说宇宙是无限的，从而挑起了宇宙究竟有限还是无限的长期论战。这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢?”这个问题确实不容易说清楚。主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢?”这个问题同样也不好回答。

随着天文观测技术的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒星是遥远的太阳。人们还进一步认识到，银河是由无数个太阳系组成的大星系，我们的太阳系处在银河系的边缘，围绕着银河系的中心旋转，转速大约每秒250公里，围绕银心转一圈约需2．5亿年。太阳系的直径充其量约1光年，而银河系的直径则高达lO万光年。银河系由100多亿颗恒星组成，太阳系在银河系中的地位，真像一粒砂子处在北京城中。后来又发现，我们的银河系还与其他银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为10’，光年（1000万光年）。目前，望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团存在，这些星系团不再组成更大的团，而是均匀各向同性地分布着。这就是说，在10’光年的尺度以下，物质是成团分布的。卫星绕着行星转动，行星、彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成。有两个太阳的称为双星系，有三个以上太阳的称为聚星系。成千上亿个太阳系聚集在一起，形成银河系，组成银河系的恒星（太阳系）都围绕着共同的重心——银心转动。无数的银河系组成星系团，团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。但是，星系团之间，不再有成团结构。各个星系团均匀地分布着，无规则地运动着。从我们地球上往四面八方看，情况都差不多。粗略地说，星系团有点像容器中的气体分子，均匀分布着，做着无规则运动。这就是说，在108光年（一亿光年）的尺度以上，宇宙中物质的分布不再是成团的，而是均匀分布的。

由于光的传播需要时间，我们看到的距离我们一亿光年的星系，实际上是那个星系一亿年以前的样子。所以，我们用望远镜看到的，不仅是空间距离遥远的星系，而且是它们的过去。从望远镜看来，不管多远距离的星系团，都均匀各向同性地分布着。因而我们可以认为，宇观尺度上（105光年以上）物质分布的均匀状态，不是现在才有的，而是早已如此。

于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。这条原理说，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。现在看来，宇宙学原理是对的。所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。

（2）有限而无边的宇宙