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宇宙論導引
（2005年07月12日 20:04:45）
來源︰《宇宙的起源與演化──大爆炸》
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□作者: J．希爾克
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宇宙論導引（J．希爾克）
宇宙論是研究宇宙的大尺度結構和演化的學科。當我們巡視遙遠的太空深處時，也就是在沿著時間上溯。我們所看到的那些最遠的星系，是很久很久以前當它們發出的光開始其漫長的太空旅行時的面貌。既然龐大的星系都曾經是年輕的，所以宇宙結構如何產生的問題就同宇宙論不可分割地聯系在一起。研究宇宙中可觀測的結構（從巨大的星系團到太陽系）的起源屬于天體演化學的領域。有待查明的根本問題包括︰宇宙是何時和怎樣發端的，星系是如何形成並獲得我們觀測到的形態及尺度分布的，恆星是如何誕生的，行星和生命是如何演化的，等等。
僅僅在20年前，人們還沒有什麼把握來回答宇宙論和天體演化學的這些根本問題。我們對于遙遠宇宙和早期宇宙的知識是如此貧乏，以至于好些很不相同的宇宙學理論似乎都可以解釋觀測資料。然而近年來天文學家們作出了有關宇宙本性的激動人心的新發現，這些發現提供了壓倒優勢的證據支持一種宇宙學理論，即大爆炸理論。今天，人們正是在這個理論的框架內探索著宇宙論和天體演化學的根本問題。
盡管大爆炸理論還不能對所有的重大問題作出回答，但它卻為我們勾畫出了一幅宇宙演化的大致輪廓。在下面幾章中，我們將描述那些為大爆炸理論提供了證據的發現，並將追溯宇宙從最初時刻以來的演化。可以看到，當我們試圖回答宇宙論和天體演化學的某些基本問題時，新的問題和爭議又會不可避免地出現。我們理論的許多細節仍然是不確定的。在這種情況下，我們可以描述一些可供選擇的假說，並指出一些方向留待進一步的研究來判明。因此，我們的討論既包含了宇宙本身的過去和未來，也包含著人類為理解它所作努力的歷史和前景。作為開始，我們要介紹一些形成任何科學的宇宙理論基礎的原理。
1．宇宙學原理
自古以來，人類就不願放棄我們在宇宙里起著中心作用的想法。先是提出了地心宇宙觀，放棄地心宇宙觀以後又提出了日心宇宙觀。直到20世紀人們才認識到，我們的太陽不過是處在一個普普通通星系邊沿的一顆普普通通的恆星。我們的星系是一個大星系團外部的一個松散星系群的一員。甚至這個星系團（即室女座星系團）同我們在宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系團相比，也只不過是一個毫不出眾的角色而已。我們在宇宙中的地位可以說是平凡到了極點。
這種用最大的光學望遠鏡觀測得來的知識，給宇宙學者留下了一個棘手的難題。我們的觀測是從宇宙中的一個特殊位置進行的，而建立一個宇宙學理論卻要求一般地了解整個宇宙中物質的性質和分布。宇宙學者需要擺脫這種令人遺憾的限制，他們的辦法是假設一個普適原理，這個原理要求宇宙在我們附近的部分同極遙遠的區域相比沒有什麼差別。有很強的哲學理由來為這種普適原理辯護。舉個例來說，物理學規律在全宇宙中應當是同樣的；因為若不如此，實驗就會不可重復，而我們的物理規律就會不成其為規律了。一個更強的要求是，大宇宙應當盡可能地簡單。用可以容許的最簡單模型來解釋現象，這是物理學前進的自然方式。不過，宇宙學原理也有一些不同的說法。
1543年，哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼學說的邏輯推廣是應將我們的銀河系從任何優越的空間位置挪走。于是我們得到了近代宇宙論的重要基石，即哥白尼宇宙學原理。這個原理說，我們在宇宙空間中並不處于特別優越的位置。人們研究了天文底片上的大量星系以後發現，它們的出現頻率在不同方向上是頗為相似的。這一跡象表明，宇宙是局域各向同性的，從地球上看來，宇宙在不同方向上顯示出相同的面貌。（從中心看一個球是各向同性的，而看一個雞蛋就不然了。）哥白尼原理要求，宇宙在空間任何一點周圍都是各向同性的。矩的反射應足以驗證，點點各向同性要求宇宙在空間上也必須均勻。因為，如果宇宙是非均勻的，那麼它只能在某些特定位置上顯示出各向同性。
某些宇宙學者曾試圖把宇宙學原理推廣到包括沿時間不變的概念。根據這個原理，至少在最大的尺度上宇宙是永恆不變的。于是，完美宇宙學原理說，從空間和時間中的任何一點看去，宇宙都呈現出相似的面貌。由這個假設導出的穩恆態宇宙論已被觀測排除。因而，宇宙學者一般只接受宇宙學原理的較弱的形式，而我們也樂于承認，宇宙在空間（而不是時間）中是近似均勻且各向同性的。
為了完備起見，我們還得談談人擇宇宙學原理。這個原理采取的觀點同完美宇宙學原理正好相反，宣稱人類是在一個特定時期觀察著宇宙的，盡管目前的宇宙從空間任何點看去顯得一樣。假設這個特定時期是因為需要產生那些有利于生命演化的特殊條件，比方說，假如宇宙比現在熾熱得多或稠密得多，星系就不能形成；假如引力的強度和我們的觀測值大不相同，行星系統就不能形成，或不適合于我們所知的生命形式存在。現已查明，地球的年齡和天文學家發現的最老恆星或星系的年齡相仿（頂多差4倍），這畢竟是一個驚人的符合。人擇宇宙學原理用“許可”來解釋這種相似性。宇宙本來可以比它實際的情形不規則和無序得多。人擇宇宙學原理斷言，若是那樣的話，各種條件就不能容許生命存在了。因此，作為觀察者，我們是生活在一個非常特殊的宇宙中，並且這個宇宙必須是均勻各向同性的。“人擇”是一個非常基本的論據，因為它試圖對哥白尼宇宙學原理作出解釋，而後者幾乎是所有有生命力的宇宙論的核心。
2．近代宇宙論
不同的宇宙學原理導致迥然不同的宇宙圖景。哥白尼宇宙學原理是大爆炸理論的基礎。的確，大爆炸理論實際上先于宇宙膨脹的發現。如果要求宇宙處處均勻各向同性，我們就唯一地得出大爆炸宇宙論。實際上有兩種不同的大爆炸宇宙論模型。按第一種模型，宇宙將永遠膨脹下去。按第二種模型，宇宙最後將重新收縮。在這兩種模型中，使宇宙趨向再收縮的引力都是由初始爆炸的力抗衡著，後者在永遠膨脹的模型中相對較強，而在注定要再收縮的模型中相對較弱。
按照大爆炸理論，宇宙在過去一定要比現在致密得多熾熱得多。這個理論不符合完美宇宙學原理，後者要求宇宙在一切時期顯示出相同的面貌。建立穩恆態宇宙論就是為了滿足完美宇宙學原理的要求。這種理論是1948年由海爾曼•邦迪、托馬斯•哥爾德和弗雷得•霍依耳引入的。它假設物質不斷地以準確的速率產生出來恰好維持宇宙中各處相同的平均物質密度，從而預言宇宙在一切時代都具有相同的面貌。穩恆態理論（至少它的初始形式）是一個非常大膽的理論。大爆炸理論最薄弱的一環，即初始創生的時刻被暴露出來了。既然大爆炸理論可以斷言宇宙是在遙遠而有限的過去一瞬間創生的，那為什麼不能同樣合理地斷言任何時刻任何地方都在發生創造呢？
觀測證據是任何理論最嚴格的仲裁者，它終于否定了穩恆態宇宙論的這個大膽斷言。在1950年，由于進行了更精巧更有鑒別力的天文觀測，穩恆態理論的提倡者逐漸修改了它的形式。因為這個理論變得越來越牽強，只剩下一些最固執的支持者還相信它。最後，穩恆態宇宙論在1965年被宇宙微波背景輻射的發現推翻了，這一發現為宇宙早期的熾熱階段提供了不容置辯的證據。現在，穩恆態宇宙論只不過是在現代宇宙論發展過程中的一個有相當歷史意義的插曲而已。
雖然人們一直敦促穩恆態理論的提出者同意宇宙膨脹開始于百億年前的一瞬，但關于早期宇宙行為的無數種可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙學原理只能用可觀測的宇宙來評判，而大爆炸理論對後者提供了極好的描述。不過，在宇宙還很年輕的早期，我們可以想象一種宇宙論和標準大爆炸模型的均勻各向同性膨脹非常不同。這種膨脹是各向異性的︰在某個優先的方向上迅速膨脹而同時在另外的方向上坍縮。或者，宇宙也可能是非常不均勻的；在較密的區域可以發生局部的坍縮而形成黑洞。我們沒有科學上的理由偏愛簡單而規則的大爆炸模型而討厭宇宙可能有較離奇的開端。這兩種可能性同我們的物理規律都不矛盾，而天文觀測目前也還不能鑒別它們。
盡管有無數種可能的開端，我們還可求助于人擇宇宙學原理為宇宙挑出唯一的過去。按照這條原理必須承認標準大爆炸模型。因為，假若宇宙以一種極不規則的方式演化，就不會有我們人類出現了。所有那些渾沌宇宙論經過充分長的時間以後，多半都會發展得不利于生命的存在。只有從無數種選擇中挑選出來的標準大爆炸模型才能提供適合生命演化的環境。
否認人擇原理的宇宙學者滿足于宇宙的混沌起源。顯然，這樣的宇宙反推回去要花無窮長的時間，因此人們可以認為這種觀點只具有學院式意義。相反，求助于人擇原理的宇宙學者選擇一種從初始至無窮永遠保持簡單的宇宙。選均勻的宇宙還是選早期混沌的宇宙，取開模型還是取閉模型，這乃是現代宇宙論面臨的主要決擇。
3．大爆炸
大爆炸理論揭示了宇宙演化的壯闊景象。宇宙膨脹大約開始于200億年前。這個初始時刻及其以前的條件純屬猜測的範疇。雖然我們將在下面幾章中踫到這個問題，但通常的理論對此是閉口不談的。早期宇宙非常熾熱、非常致密，同時也許還是很不規則的。這種不規則性和各向異性逐漸消失了。在大爆炸後數分鐘內出現了一些核反應，宇宙中幾乎所有的氦就是在那時合成的。隨著膨脹的進行，宇宙逐漸變冷，就像熱空氣邊膨脹邊冷卻一樣。宇宙背景輻射就是這個早期時代的遺跡。人們一直恰當地把它稱為原始火球的剩余輻射。根據一種宇宙演化的方案，隨著宇宙中物質的冷卻，它終將凝聚為原星系。原星系分裂為恆星並聚在一起成為範圍廣闊的巨大集團。隨著頭幾代恆星的誕生和死亡，逐漸合成了碳、氧、 、鐵這類重元素。當恆星演化為紅巨星時，它們便拋出凝結為塵粒的物質。從氣體和塵埃雲中形成了新一代的恆星。至少在一個這樣的星雲里，冷的塵埃坍縮成一個環繞恆星的薄盤。塵粒通過合並彼此附著並累積成較大的物體，這些物體在彼此引力的吸引下長大，形成從小行星到大行星的形形色色天體，這些天體就構成了太陽系。
大爆炸理論引導我們追溯整個宇宙的演化，從時間的頭幾毫秒到地球的形成和生命的出現，再走向可能是無限的未來。在考察這種演化的細節之前，我們將在第二章中討論科學宇宙論的歷史淵源。
（選自《宇宙的起源與演化──大爆炸》，科學普及出版社1988年版，鄒振隆譯）
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文章作者:J．希爾克
責任編輯:skylook
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