现代宇宙学

第三节　现代宇宙学

科学尊重事实，不能胡乱编造理由来附会一部学说。

——李四光（中国）

这里所指的宇宙是宇宙学的“宇宙”，包括恒星、星系、星系团等组成的整个天体系统。

（一）宇宙起源与演化问题的由来

无限的宇宙到底有没有起源和终结，它是否永远地演化？这个问题千百年来一直困扰着人们。科学史上，人们曾提出过很多宇宙模型。牛顿也曾提出一个无限宇宙模型，在这个模型里，时间均匀流失且无始无终，空间平直且无边无际，物质在空中大致均匀分布且作永不停息的运动，而整个宇宙处于相对稳定的状态。这个理论有两个突出问题：一个是和牛顿自己的引力理论相矛盾，一个是可以推出地球上夜间和白天一样亮。因为如果物质均匀地分布在宇宙空间里，那么任意有限区域的物质（质量有限）将被区域外的物质（质量总和为无限大）所吸引，有限区域内的物质无法依靠自身的引力收缩成星体。又因为如果宇宙是均匀、平直和无限的，那么有无限多个恒星可以把光线直接射到地球上，使得地球上接收到的光子数比白天太阳所辐射到的光子数多得多，夜间不会黑暗。

1917年，爱因斯坦根据相对论的基本原理建立起有限无边的宇宙模型。在这个模型里，时间和空间是与物质的存在和运动相联系在一起的，时空形态会因物质存在其中而发生弯曲，物质的质量密度越大，所处的时空就越弯曲。就空间的广延性来说，它是一个闭合的连续区，是体积有限的弯曲封闭体，因此没有边界。有限无边的宇宙模型克服了牛顿无限宇宙模型带来的困难，但尚需加以丰富和发展。

随着大型天文望远镜对银河外星系的普遍观测，人们发现河外星系普遍存在着光谱红移的现象。1929年，美国天文学家哈勃（E.P.Hubble，1889～1953年）通过对他自己所做的大量观测的分析，总结出一条规律：星系离银河系愈远，它的红移量愈大；红移量与距离成正比。这就是所谓的“哈勃定律”。根据物理学中的多普勒效应，红移现象意味着星系普遍处于相互分离运动状态。根据哈勃的解释，整个宇宙正处于膨胀状态。由此，人们便会提出以下问题：宇宙膨胀的起点是什么？现有的天体系统是如何由起点演变过来的？这实际上是宇宙的起源和演化问题。

后来人们发现，用广义相对论来讨论宇宙结构时，宇宙膨胀运动是它的一个自然结论。因此现代宇宙学总是把爱因斯坦的名字摆在其他创立者的前面。

（二）大爆炸宇宙学

（1）大爆炸宇宙论

1931年，比利时天文学家勒梅特（G.Lemaitre，1894～1966年）在承认宇宙膨胀理论的基础上，提出了宇宙起源于“原始原子”爆炸的假说。他认为最初宇宙中的所有物质都聚集在“原始原子”里，由于一系列剧烈的放射性蜕变，“原始原子”发生猛烈的爆炸后，宇宙核心部分物质密度极高，万有引力超过宇宙斥力，物质的膨胀迅速减慢；经过一定时期后，引力与斥力达到平衡，宇宙物质开始聚集，斥力超过引力，宇宙的膨胀又重新开始，并且一直膨胀到现在。勒梅特的这种朴素的辩证思想后来成为大爆炸宇宙论的直接渊源。

1948年，俄裔美国天体物理学家伽莫夫（G.Gamov，1904～1968年）等人修正发展了勒梅特的学说。他们根据力学和量子力学的原理提出大爆炸宇宙论。大爆炸宇宙论认为宇宙起源于一个高温、高密度的“原始火球”的大爆炸，爆炸之后经过降温、变稀和膨胀，逐步演化成今天看到的天体系统。具体地说，它首先确定了以下几个假定：第一条是大尺度上宇宙是均匀的、各向同性的；第二条是宇宙早期的物质是粒子的理想气体；第三条是宇宙的膨胀是绝热进行的。1954年，大爆炸宇宙论的创立者伽莫夫等人推测宇宙早期阶段的辐射（以光子形式）在今天仍然存在，并且弥漫于宇宙空间，但温度已降到5K。

大爆炸宇宙论除了获得红移现象和哈勃定律的支持外，在说明天体的年龄和氦元素的丰度方面与有关的测量结果比较一致。20世纪60年代天文观测中发现的微波背景辐射，是对大爆炸宇宙论的有力支持。但是大爆炸宇宙论也有其局限性，主要是对极早期宇宙的解释不能令人满意。例如宇宙奇异性问题、平直性问题、视界问题等。

图6-8　宇宙大爆炸设想图

（2）暴胀宇宙论

20世纪80年代初，由美国物理学家古斯、前苏联研究人员林德等人提出了暴胀宇宙论。这一理论在宏观上与大爆炸宇宙论没有什么区别，但是在细节上有很大不同。都认为宇宙起源于“原始火球”的大爆炸，在爆炸的瞬间宇宙有极高的温度，然后开始了宇宙的膨胀和冷却过程。但是对于宇宙的极早期即10^-32秒内，暴胀宇宙论作了很具体的描述，同时所使用的工具是统一描述强弱和电磁相互作用的理论。即暴胀宇宙论解决了视界问题和平直性问题，但仍没涉及奇异性问题。后来英国学者霍金等人提出了运用量子引力理论作为解决“奇点”问题的初步解决方案，但仍无法从根本上解决问题。

（三）恒星演化理论

1887年，英国的洛克耶根据恒星光谱的不同提出了恒星演化理论。该理论认为，恒星的前身是弥漫稀薄的星际物质，由于引力塌缩作用凝聚起来，在塌缩过程中密度逐渐增大，温度不断升高，逐渐发光发热。当其核心温度达到一定程度，热核聚变成为其主要能源，这时成为一颗真正的恒星。当燃烧殆尽时，热核聚变停止，恒星便失去了与引力相抗衡的内部压力，而密度进一步增大到恒星演化末期，视其质量大小即分别演变为白矮星、中子星和黑洞。

详细了解宇宙大爆炸论，请登陆：

http://www.astron.sh.cn/universe/bigbang.html

【思考题】

1.大爆炸宇宙论的基本观点是什么？

2.大爆炸宇宙论和暴胀宇宙论有何不同？