宇宙起源的大争论.docVIP

. 宏轰？稳态？：宇宙起源的大争论 陈天机*，王永雄**，彭金满** 2008-1-11 1. 大问题，大争论 我们的宇宙有没有起源?现在的宇宙是怎样的?将来的宇宙又会怎样演变？ 宏轰理论(The Big Bang Theory)认为宇宙源自太初突发的膨胀，密度日渐低降。稳态理论(The Steady-State Theory)也认为宇宙膨胀，但氢原子到处悄然介入，平均密度得以维持；宇宙自古如此，没有 (可以侦察到的)起源。争论自1948年开始，延续了近30年，产生了两项诺贝尔奖，以宏轰理论全胜告终。 难以想象的是，宇宙这最大的大题目竟然会是科学家研究的对象，竟然得到今天公认的细节答案；而且倘如没有这轰天动地、剑拔弩张的论争，答案肯定会姗姗来迟，甚或出现「无期」。这三十年的论争也供应了罕有的机会，让我们看到理论、技术的交错发展、潮流取向的消长；更让我们看到科学家和科学团体人性的一面。「前事不忘，后事之师」，有不少地方值得参考，作为殷鉴。 2. 科学宇宙论的前奏 1905年，爱因斯坦提出 (狭义) 相对论，认为在宇宙中光速最大，而且任何相对速度都不可能超过光速。后来 (1915) 他更提出广义相对论，认为重力扭曲了时空。1919年，他自然地应用相对论将整个宇宙作为研究的对象，但初步结果使他大吃一惊，宇宙间所有物质不住互相拉近，整个宇宙最终可能自动崩溃。爱因斯坦当时想象中的宇宙应该是静态的，因此他在方程式里插入一个名为「宇宙常数」(cosmological constant) 的东西，代表一种斥力，使所有物质互相排斥，使宇宙达到一个静态平衡。从今天的眼光来看，爱因斯坦的「宇宙常数」就像上古时托勒密的周转圆一样，是「只此一次，下不为例 (ad hoc)」的，也是对静态宇宙一厢情愿信仰的表现。 1922年，苏联的佛里曼修正了爱因斯坦理论的一个错误，指出爱因斯坦的宇宙其实可以不住收缩，也可以不住膨胀。比利时神父勒梅特在1927年提出，我们的宇宙从最早的「太初原子(primeval atom)」开始，正在不住膨胀。 勒梅特是一位兼顾科学、宗教的奇人。他与天文学界接触紧密，显然得到启发 (见下节)，在1927年，勒梅特早已从自己的太始原子理论推出了两年后震撼天文学界的「哈勃定律」，但自1933年后在宇宙论研究方面便没有作进一步的贡献。这位淡泊名利的君子后来也备受荣宠，做了教宗科学院的院长(1960-66) 。 3. 宇宙膨胀的观测证据 3.1. 光学杜普勒效应 天文学家利用光谱学，可以推论出星体与地球的相对速度。假如我们知道某一条 (地面)光谱线的实际波长λ，而观察到星体放出的同一条光谱线的「有效波长」却是不同的λ’，则星体与地球的相对速度是， v = c (λ’(λ) /λ, c = 光速。 v 0 : 星体离开我们 (星体光谱有效波长增大：俗称「红移」) v 0 : 星体趋近我们 (星体光谱有效波长缩短：俗称「蓝移」) 这现象叫做「杜普勒效应」。 图1. 以0.7c速度向左移动的光源引起的杜普勒效应。光源放的绿光，在图左的观察者看出来却是红色的。(Wikipedia, /wiki/Image:Velocity0_70c.jpg. ) 史来弗与哈勃定律 最早研究星系光谱的天文学家是史来弗。1912年，他发现仙女座大星系M31显出蓝移。但「星系蓝移」原来是例外。1915年，他已得到15个星系的光谱，其中显出红移的竟有12个。1925年，他取得45个星系的光谱，其中41个显出红移，看来都在离开我们。 1929年，哈勃将星体的红移和已知的距离放在一起，公布了哈勃定律(Hubble’s law)： v = H0d (星系离地球的距离(d) 与星系离开地球的速度(v)成正比) 定律里的比率H0现在叫做哈勃常数。 哈勃并不是最早提出正比定律的人。远在1923年，德国天文学家维茨(Carl Wirtz) 根据史来弗的资料，假设所有有关的星系的大小都是相同的，早已提出正比定律。上节也讲过，在1927年，勒梅特也从他的宇宙理论推出正比定律。 哈勃融会了「红移」数据与天文学公认的观测距离。他当时掌握到的数据只限于近距离 (≤ 6.52百万光年)的星系，正比定律只是斗胆的猜测；而且这些星系在他的速度／距离图上分布散落，并不太依循直线。但后来他和休玛逊在1931?年公布的数据包括远达 97.8百万光年的星系，直线关系非常清晰。 最近的资料推出来的哈勃常数数值是 H0 = 21.7 ± 0.5(km/s)/ 百万光年。 根据哈勃定律，大星系几乎都在避开我们；距离我们愈远， 走得愈快。离地球10亿(109)光年的星系，抛离地球的速度是每秒钟21,700公里。 我们是否这样面目可憎，引致几乎所有星系都要「避之则吉」呢？非也！它们根