宇宙膨胀——难以置信的科学事实

□ 张雨范

宇宙膨胀
——难以置信的科学事实

□ 张雨范

天文学中谈论的宇宙，是指广漠空间以及其中存在的各种天体和各种形态的物质的总称。地球和月亮属于宇宙，太阳和太阳系的行星、彗星等天体属于宇宙，天狼星和织女星等约数千亿颗恒星和许多星云组成的银河系同样属于宇宙。银河系之外，仙女星系及大小麦哲伦星系等数千亿个星系还是宇宙的组成部分。宇宙有多大？是无限的还是有限的？宇宙如何演化？寿命有多长？等等，仍是现代天文学中探讨的问题。我国战国时期称“天地四方曰宇，古往今来曰宙”，将宇宙概括为空间和时间的综合，这或许是对宇宙的更加准确的描述。如今，大爆炸宇宙学获得了绝大多数科学家的认可，但宇宙正在膨胀这一现象，仍然不是普通人可以轻易理解和想象的。要完美解释宇宙膨胀现象，科学家还需要克服许多难题。

我国古代的宇宙观

白天，太阳东升西落；夜晚，月亮和群星同样东方升起西方落下。生活在地球上的我国古代先人，限于当时科学和认识的水平，逐渐建立了朴素的唯物主义宇宙观。归纳起来主要有三种：盖天说、浑天说和宣夜说。

盖天说主张“天圆如张盖，地方如棋局”。大地是一个棋局样子的正方形，天如一个圆圆的盖子罩住大地。考虑到圆盖形的天与方形的大地不能衔接，盖天说又进一步发展认为，不仅天是拱形的，地也是拱形的，天地如两个同心球穹，其间有着很大的距离，日月星辰出没是由于不同远近所致。

浑天说的最早著作见于东汉张衡的《浑天仪注》：“浑天如鸡子，天体圆如弹丸，地如鸡子中黄，孤居于内，天大而地小，天之包地，犹壳之裹黄。”意思是说，天如球形，地球位于其中心。最初，浑天说认为地球浮在水中，后来又改进为浮在气中。根据浑天说制造的浑仪可以逼真地演示日月星辰的运动，因此，浑天说比盖天说更为流行。

宣夜说也是一种当时相当先进的宇宙结构学说。据《晋书·天文志》记载：“惟汉秘书郎郄萌记先师相传云：天了无质，仰而瞻之，眼瞀精绝，故苍苍然也，……日月众星，自然浮生虚空之中，其行其止，皆须气焉。”可以看出，宣夜说认为天是没有形质的，不存在固体的天穹，而只是无边无际的气体。日月星辰漂浮在无限的气体之中，游来游去。

我国古代关于宇宙结构的盖天说示意图

我国古代关于宇宙结构的浑天说示意图

不断发展的西方宇宙学说

早在公元前4世纪，雅典哲学家柏拉图就提出了“同心球”宇宙模型。他认为，宇宙是以地球为中心的一个个同心球，这些球壳从内向外依次分布着月球、太阳、水星、金星、火星、木星、土星和恒星。这一理论在解释天体运动，尤其是行星的运动时，遇到许多困难。虽经不断改进，仍不能解释某些天文现象。公元2世纪，属于亚历山大学派的托勒密认识到“同心球”宇宙模型的缺陷，提出了“地心说”。托勒密在他的十三卷巨著《天文学大成》中指出，日月行星都以圆轨道绕地球运动，但地球并不位于圆心，而是偏离中心一点，这些偏心圆称为均轮；五大行星都绕着自己的本轮圆运动，本轮圆的中心再绕均轮运动；最外一层是恒星天，所有恒星都镶嵌在恒星天上。托勒密的地心宇宙体系学说可以很好地解释当时的天文观测。

亚历山大派天文学家托勒密

托勒密的地心说示意图

在托勒密时代之后，欧洲逐步进入了宗教统治的黑暗时期，“地心说”也因为统治者的需要而一直主导着人类的宇宙观。到15、16世纪，哥伦布发现新大陆，麦哲伦环绕地球一周，这些表明地球是一个悬在宇宙空间的球体。随着生产力和科学技术的进步，地心说与科学观测日益抵触。16世纪波兰天文学家哥白尼提出了“日心说”，他在《天体运行论》中指出：太阳是宇宙的中心，静止不动；地球和其他行星围绕太阳旋转；按距离顺序，水星距离太阳最近，往外依次是金星、地球、火星、木星和土星，恒星则分布在最外层的球面上。意大利学者布鲁诺是宇宙“日心说”的支持者，后来他进一步发展了这一学说。他认为，恒星是无数个遥远的太阳，太阳是一颗普通恒星，并非宇宙的中心；宇宙是无限大的，其中有无数个世界。

近代波兰天文学家日心说创立者哥白尼

地心说与日心说示意图

牛顿和爱因斯坦的宇宙观

英国物理学家牛顿

17世纪，在开普勒三定律的基础上，英国科学家牛顿发现了万有引力定律。在平直几何空间的框架下，他利用万有引力定律研究宇宙问题。他认为，如果宇宙是有限的，就会有边界和中心，各部分之间在引力作用下相互吸引，物质必然落向中心，这与客观现实不符。因此宇宙应该是无限的，无边界无中心，且处于稳定的静态之中。

德国出生的美籍物理学家爱因斯坦

1915年爱因斯坦建立了广义相对论，他认为时空是弯曲的。他将广义相对论的引力场方程应用于整个宇宙。在宇宙处于静态、均匀和各向同性的假设下，他得出，具有弯曲时空特性的宇宙是有限无边的。

哈勃发现宇宙在膨胀

美国著名天文学家哈勃

仙女星系M31（仙女座大星云）

虽然牛顿和爱因斯坦利用物理定律对宇宙的属性进行了深入探讨，但是由于天文观测仪器和方法的局限，直到20世纪20年代初期，科学家还不能确定观测宇宙的尺度和范围，对此存在着不同的看法。1920年两位美国天文学家开展了关于宇宙范围和旋涡星云属性的争论，它是当时人们对宇宙认识水平的明确体现。1920年4月26日，美国国家科学院在华盛顿举行会议。以威尔逊山天文台沙普利为代表的部分天文学家认为，当时观测到的旋涡星云是银河系内的尺度相对小的天体，银河系就是我们的宇宙；以里克天文台柯蒂斯为代表的部分天文学家认为，旋涡星云位于银河系之外，是同银河系类似的巨大的恒星系统（宇宙岛）。当时双方都没有充足的论据说服对方。不过，这一困局很快被打破，1923年和1924年，美国天文学家哈勃在仙女座大星云（M31)中观测到造父变星，确定了M31的距离，它位于银河系之外，之后柯蒂斯的观点逐渐获得了普遍认可。

哈勃使用的威尔逊山天文台的2.5米胡克望远镜

在沙普利和柯蒂斯大争论之后，一些科学家从理论方面探讨宇宙的变化。1922年苏联数学家弗里德曼求解爱因斯坦引力场方程，得到宇宙的膨胀解，由此建立了宇宙的膨胀模型。1927年比利时天文学家勒梅特则通过引力场方程和相关观测数据，建立了他的宇宙膨胀模型。勒梅特认为现在观测到的宇宙是由一个极端高热、密度非常巨大的原始原子大爆炸而产生的。

尽管宇宙膨胀渐渐成为许多天文学家认可和热衷的学说，但是，真正使它立于不败之地的，是20世纪美国著名的观测天文学家哈勃的杰出观测工作。1929年，哈勃仅用24个星系的观测资料，发现星系的距离和红移存在强相关：距离越远，红移值越大。哈勃整理观测数据，做出了星系的速度距离关系图，发现它们之间是正比关系，即星系越远退行速度越大。这就是著名的哈勃定律，它意味着我们的宇宙正在膨胀着。

支持宇宙膨胀学说的其他基石

1948年俄裔美国科学家伽莫夫和他的同事阿尔弗及赫尔曼运用原子核物理学和基本粒子的知识，将宇宙膨胀与元素形成联系起来，建立了大爆炸元素形成理论，形成了大爆炸宇宙学说（Big Bang）。大爆炸宇宙学说以宇宙学原理为基础，即宇宙在大尺度上均匀和各向同性。大爆炸宇宙学说认为宇宙在早期应该处于高温高密状态，随着宇宙膨胀，温度密度下降；在宇宙演化的某一阶段，核反应发生，合成元素。按照这一理论，伽莫夫等人计算了现在宇宙中的元素含量，同时预言在宇宙空间充满了温度约为5K的微波背景辐射。不过，这一预言当时并没有引起天文学家的特别关注。

1964～1965年间，在美国贝尔实验室工作的工程师彭齐亚斯和威尔逊，使用一架口径约7米的号角形反射天线进行通讯和天文学方面的实验。他们使用的波长是7.35厘米的微波，当他们对准银河平面测量时，意外地发现存在着6.7K的剩余辐射。他们想出各种办法调整设备，甚至擦去天线上的鸟屎，这一剩余辐射依然存在，而且与方向无关。经过反复测量，扣除大气吸收以及天线自身的影响，他们发现仍然存在着3.5K的来自宇宙所有方向的辐射。当时彭齐亚斯和威尔逊并不理解这种辐射的宇宙学意义，而他们意外发现剩余辐射的消息传到普林斯顿大学后，那里的天文学家皮普斯和迪克非常兴奋，经过共同讨论，他们认为这应该是大爆炸宇宙学预言的微波背景辐射。因这项成果，彭齐亚斯和迪克获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

根据大爆炸宇宙学理论，可以推算出氦元素的丰度（含量）。现实天文观测得到的氦元素的丰度值跟大爆炸学说的推算值两者符合得很好。近些年对于微波背景辐射的详细观测，和星系的形成演化及宇宙大尺度结构的观测也支持大爆炸宇宙学说。因此，星系红移（哈勃定律）、微波背景辐射、氦丰度值和星系的演化与分布被称为大爆炸宇宙学说的四个基石。

俄国天文学家伽莫夫

观测到微波背景辐射口径约7米的号角形反射天线

非专业人士对宇宙膨胀的怀疑

1929年，美国著名天文学家哈勃发现星系红移与距离的正相关关系，证实了宇宙膨胀的预言，至今已经80多年过去了。微波背景辐射的测量及氦元素含量（丰度）的测量，都使得大爆炸宇宙学说成为了坚实的科学学说。然而，在普通百姓眼中，白天太阳东升西落，夜晚深邃的星空分布不随岁月发生任何变化。宇宙膨胀对于他们来说可算是天方夜谭。即使有一定物理知识的非专业人员，对于大爆炸宇宙学说也充满了种种怀疑，甚至否定。

天空和宇宙空间无边无沿，这是民间普通百姓固有的朴素观念。他们先天地认为宇宙是无限的，无限的宇宙不可能膨胀。而略有一些物理学知识的文化人，则往往会进一步质疑：如果大爆炸理论正确，那么离我们越远的宇宙空间及天体飞离我们的速度越快；而按照狭义相对论，当星系飞离的速度越接近光速，则其质量越大；显然其速度趋近光速时，其质量则趋于无穷大；在这种情况下，由于星系质量剧烈增加而造成星系自身引力剧烈增大，在巨大的自身引力作用下星系理应塌缩为黑洞，而现实并没有观测到这样的黑洞。

根据广义相对论框架下的宇宙学方程，宇宙是有限还是无限取决于宇宙中的平均物质密度，而宇宙物质平均密度则来自天文学的观测，结果表明我们的宇宙很可能是无限的，无限的宇宙不是不能膨胀。普通百姓的固有观念，没有科学的依据，很容易看出它们是站不住脚的。然而，文化人的质疑则以科学为武器，具有极大的“说服力”，在他们的“科学逻辑”推导下，得到了“科学的结论”，相信许多人会对此深信不疑。然而，科学家告诉我们对于大尺度宇宙学问题，例如，相距遥远的星系之间的运动和引力，只能从广义相对论宇宙学方程出发，牛顿力学和狭义相对论是无效的。所以，上面文化人的质疑是在错误的理论框架下提出的错误问题。然而，在现实中除了专门研究相对论天体物理的人之外，确实没有几个人能真正懂得宇宙学理论。宇宙科学与普通人的距离比遥远的星系还远。

宇宙膨胀的两维平直模型图

夜空中的大麦哲伦云和小麦哲伦云

大爆炸宇宙学必须面对的挑战

哈勃望远镜最近拍摄的Abell2744星系团

2014年3月17日，国外媒体报道，南极望远镜观测到宇宙微波背景辐射的偏振B模式（B-Mode），这是对宇宙暴涨说的有力支持，对了解宇宙早期提供了线索。到目前为止，大爆炸宇宙学获得了天文观测的多方面支持。随着观测的深入，其进一步发展成为所谓标准宇宙学。在这一理论中，宇宙极早期经历了快速膨胀的暴涨阶段，暴涨结束后，宇宙进入原大爆炸宇宙学所描述的演化阶段。同时观测表明我们今天的宇宙处于加速膨胀阶段，宇宙的主要构成成份为暗能量和暗物质。

另一方面，目前的宇宙学说还有一些的重要问题无法回答， 比如，宇宙最初的来源和状态问题、暴涨的动力来源问题以及暗能量问题等。这些问题的存在引出了一些质疑，例如，有人以为：“大爆炸理论对宇宙大爆炸中物质的产生做了详尽的描述，但时至今日，却没有对暗能量的产生做任何说明或是猜测。”他们还认为：“在大爆炸创生的宇宙中，原本没有暗能量的地位，只是后来需要才提出所谓的暗能量。”

尽管人们对大爆炸宇宙学说的质疑有他们自己的道理，在一定程度上也是合理的，但是就此否定大爆炸宇宙学说则是非常短视和偏颇的。相反，从科学发展而言，宇宙学所面临的问题恰恰体现出了宇宙学研究的生命力所在，回答这些基本问题是天文学家和物理学家的奋斗目标。

（责任编辑 张长喜）