形形色色的宇宙学说

2013年7月6日星期六

形形色色的宇宙学说

◎尚莱茵

古人云：“上下四方为宇、往古来今曰宙”。自古以来，宇宙这个词汇就被定义为一切时间和空间的总和。世间万物都在宇宙中，宇宙即是万有，它就是一切。“宇宙学”就是研究宇宙本身的学问，具体说来，是借助天文学、物理学、数学等手段研究宇宙结构与演化的一门自然科学。人类对宇宙起源和结构的关注可以追溯到人类文明的开端。

在我国，有一个流传已久的古老传说——盘古开天辟地，讲的就是宇宙开始的故事。最初，天地呈混沌状，像一个鸡蛋，只有盘古在其中生存。过了不知多少年，这团混沌分开了，轻的和透明的部分就上升形成了天，重的和混浊的部分就下沉形成了地，盘古也屹立在天地之间。而天一日加高一丈，地一日变厚一丈，盘古也一日长大一丈。如此又经过了很多很多年，天变得极高，地也变得极厚，盘古也长得极大……

生活在４０００年前伊拉克两河流域的古巴比伦人认为，宇宙是一个密封的箱子或房间，大地是它的底板。底板中央矗立着冰雪覆盖的区域，幼发拉底河就发源于这些区域中间。大地四周有水环绕，水之外有天和山，以支撑蔚蓝色的天穹。不过，古巴比伦星象家已经认识到地球是一个球体，黄道十二星座也是他们划分的。

在尼罗河两岸生活的古埃及人心目中，宇宙大体上和巴比伦人心目中的宇宙一样。他们认为，宇宙是一个方盒子，南北的长度较长，底面略呈凹形，而埃及就处于凹陷的中心。天是一块平坦或球形的天花板，四方有四个天柱，即山峰所支撑，星星是用链缆悬挂在天上的灯。在方盒的边沿上，围着一条大河，河上有一条船载着太阳往来。尼罗河是这条河的一个支流。显然，这个宇宙模型受古埃及地形的影响太深。

我国古代居主导地位的宇宙模型是“浑天说”。发明地动仪的张衡是它的主要拥护者。浑天说认为，天好像一个鸡蛋壳笼罩在一片汪洋之上，陆地似蛋黄，浮在蛋青般的水中，恰好位于天的正下方。但是蛋壳、蛋黄的比喻只是为了说明天与地的位置关系，古人可没有把脚下的大地看成是球形的。尽管唐代的僧一行在大地测量中曾发现了用“地平观”解释不了的事实，但他没敢怀疑“浑天说”。最令古人搞不懂的是：大地的外面全是汪洋，那么太阳落山后岂不是沉入水中熄灭了吗？为此，有人尝试从五行相生相克的角度出发解释这个问题，但并不成功。毕竟这个模型与现实相差太远。

古希腊人首先正确地认识到脚下的大地是一个球体的表面。亚里斯多德认为，地球位于宇宙的中心，包括太阳在内的所有天体都在各自的圆形轨道上围绕地球运转。后来天文学家托勒密借助几何学精确地描述了这个宇宙模型，使之能预测天体位置。由于亚里斯多德在学术界拥有的地位，地心说和“水晶球体系”在中世纪的欧洲深入人心。基督教完全接纳了亚里斯多德的理论，认为与《圣经》的宇宙观一致，符合上帝创世的理论。这个宇宙模型的最大“优点”，就是在最外层的恒星天球之外，为天堂和地狱留出了空间。

波兰人哥白尼并不是第一个提出地球围绕太阳转的人，但他是最有影响的一个。１５１４年，身为天主教教士的哥白尼提出了“日心说”，认为太阳静止地位于宇宙的中心，而地球和其它的行星围绕着太阳作圆周运动。由于害怕教会的迫害，哥白尼只能秘密地传播他的学说。后来，意大利的伽利略在观测木星时，发现几个行星在围绕着木星旋转，这表明其它星球不一定非得绕着地球旋转。随后开普勒修正了哥白尼的理论，用椭圆轨道取代了圆轨道，使其很好地符合了观测结果。众多天文学家的公开支持，最终宣告了亚里斯多德学说的终结。

从亚里斯多德—托勒密的地心说到哥白尼—伽利略的日心说，人们花了２０００多年的时间，才学会换个角度思考问题——原来太阳东升西落，完全是地球转动的结果。一旦思路打开，灵感便源源不断地从科学家脑海中涌出。布鲁诺认为甚至太阳也不是宇宙的中心，它和夜空中的点点繁星一样，是普通的恒星；而宇宙是无限的，星星则散布于无尽的空间里。也许布鲁诺的步子迈得太大，宗教法庭无法容忍其“异端邪说”，于１６００年把他烧死在罗马的百花广场，他因此成为最著名的科学殉道者。直到１８２２年，教庭才正式裁定太阳是所有行星的运转中心。

令人吃惊的是，尽管人们知道世间的一切都在运动中，只是到了２０世纪２０年代美国天文学家哈勃（那台著名的太空望远镜就以他的名字命名）发现红移定律后，宇宙演化的观念才进入人类的考量。人们甚至从来没有想过宇宙也会演化。牛顿的万有引力定律表明，宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态。即使在爱因斯坦的广义相对论中，情况也好不到哪儿去，为了得到一个稳定的宇宙模型，他曾将宇宙常数引进理论中。他们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型。可见，宇宙演化的观念并没有产生在这些天才的头脑之中。

哈勃的红移定律标志着现代宇宙学的诞生。他发现，从星系发光的波长可以推断，星系离我们的距离越远，离开我们而去的速度就越快。这表明整个宇宙处于膨胀的状态。从时间上倒溯到过去，估计在大约１５０亿年前曾经发生过一桩开天辟地的大事件，即宇宙从一个极其致密、高温的状态中爆发产生。伽莫夫在１９４８年发表的一篇关于热大爆炸模型的文章中做出了一个惊人的预言，早期大爆炸的辐射仍残存在我们周围，不过由于宇宙膨胀引起的红移，其绝对温度只余下几度左右，在这种温度下，辐射是处于微波的波段。在１９６５年彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之后，人们开始认真对待这个预言。

于是，随着实验和理论证据的积累，人们越来越清楚地认识到，宇宙在时间上必须有个开端。

（选自“大众科技报”）

发稿：2002年11月22日