认识宇宙的艰难历程

2014-04-16张志嵩张同杰

天文爱好者 2014年9期

关键词：银河系星云星系

□ 许文张志嵩张同杰

认识宇宙的艰难历程

□ 许文张志嵩张同杰

一切从这里开始终极之问

当古人在闲暇之时，偶尔望着星空发呆：我从哪里来？这个问题是人类可能提出来的最深奥的问题，从某种意义上来说，这也是原始宇宙论之发端。

茫茫宇宙，我们人类只是沧海一粟。在浩瀚的宇宙中，我们生活的地球也只是其中微小的一部分。生活在地球上的我们的祖先，早在古代就开始探究关于宇宙的许多根本问题∶ 宇宙中的万事万物是从哪里来？宇宙中的万事万物要去往何处？宇宙有中心和边界吗？宇宙之外是什么？我们现在的宇宙是唯一的吗？

为了解决这些问题，人们幻想着有神的存在，神明主宰着我们人类。例如古代明令禁止老百姓学习和研究天文，只有政府设置的天文机构中的官员才有这种特权。天文官员也不得和一般人交往，怕“泄漏天机”，否则重罪。当时的人们认为天象对应政治事件，研究天文的目的之一是预言政治事件，例如古代就将超新星的出现认为是灾难的发生，彗星的出现预示着不吉利。

也有古人将宇宙学放在了哲学的层面上，马克思主义宇宙观认为宇宙是无限而广阔无边的，而现代科学认为宇宙是有限的。其实二者并不矛盾，因为我们目前的科学研究水平只限于我们观测到的具体的宇宙，这与哲学上的时间空间无限性并不相悖，就是因为宇宙中有许多还是未知的、神秘的时空。所以，科学发展到今天，具有科学性的宇宙学挑战了人类的思想，促使我们认识我们的生存世界。

本质上讲，宇宙是由空间、时间、物质和能量所构成的统一体，是一切时空和能量的综合。哲学上的宇宙在空间上包罗万象，时间上永无止境；科学上的宇宙则认为时间有开始，空间有大小。20世纪以来，西方科学家根据现代物理学和天文学，建立了关于宇宙的现代科学理论，称为宇宙学。

古人在观测星空

走出太阳系的边缘初识银河

——1785年英国天文学家威廉·赫歇尔用“数星星”的方法绘制了一张银河图，这是人类建立的第一个银河系模型，它虽然很不完善，但使人类的视野从太阳系扩展到了银河系广袤的恒星世界中。

按照现代科学发展水平，要说古代人目光“短浅”一点都不假，哪怕著名的伽利略也只是局限在银河系中，但是人家敢用望远镜指向天空，使人类的目光冲出了太阳系，成为用望远镜看天空的第一人。天文学家们发现银河系是由几千亿颗恒星、数千个星团和星云组成的盘状恒星系统，直径约为100000多光年，中心的厚度约为12000多光年，这仿佛是一个大盘子中洒满了芝麻及大大小小不同的坚果。地球身处的太阳系也只是属于这个庞大星系中的一颗坚果，小小的地球只能说是其中的一粒芝麻了。

赫歇尔父子从天文观测结果中第一次得出了银河系的结构，使人们冲出了太阳系，走进了银河系的世界。但是赫歇尔的银河系模型也有不足之处，例如，他将太阳系放在了银河系的中间。1917年美国天文学家沙普利通过对银河系内天体分布的分析，确认太阳并不是在银河系的中心，而是处在靠银河系边缘的位置，这一伟大的发现及时纠正了赫歇尔的错误。

聪明的人类虽然身处在宇宙这个大环境的内部，但依旧可以探究未知宇宙中到底蕴含了多少的奥秘，用古代人的一句话来讲就是：虽然身在此山中，也识庐山真面目。

基于2MASS的观测数据的银河系红外线画像

赫歇尔认为，我们所看到的几乎所有的恒星大部分均匀分布在形状如一个“透镜”或者一块“磨盘”那样的空间里，而太阳系很可能位于靠近“透镜”中心的地方。1785年，赫歇尔建立了第一个银河系模型。

M31，银河之邻步入“河外”

——今天，科学家们探测到数以十亿的星系……人类对宇宙的认识，正面临着自哥白尼以来的第二次飞越。

著名德国天文学家奥伯斯在1826年提出：为何夜晚的星空是暗的？提出这一疑问后，著名的奥伯斯佯谬就此诞生了：如果假设宇宙是均匀无限的，且均匀地分布着天体，星体的发光本领是不变的，且亮度与距离成反比，那么地球上观测到的夜空就应该像白昼一样。然而事实并非如此，根本原因是宇宙是在膨胀的。这就需要人类的目光冲出银河系，放眼宇宙，探究银河系是不是整个的宇宙？

汤姆斯·莱特（Thomas Wright）作为冲出银河系的先驱，是第一位描述银河的形状和猜测暗淡星云是遥远星系的天文学家。汤姆斯·莱特在他1750年出版的《宇宙起源论》中对银河是这样描述的：起初，认为恒星是“杂乱分布在宇宙空间”；后来，认为夜空中的银河、恒星是“以某种规则的秩序”分布的，这是不是也证实了无规矩不成方圆的道理呢？当时他把这种秩序又分为两种情形：第一，恒星是围绕神秘的星系中心转动的，宇宙中充满了类似的盘状星系；第二，恒星分布在以星系为中心的球壳上，宇宙中充满了类似的球状星系。他也是首次猜出可能存在河外星系的人。

德国著名的哲学家和科学家康德也对银河系是否包括宇宙的全部这一问题有了猜想，他首次提出“宇宙岛”的思想（后人译作“岛宇宙”）：认为宇宙空间分布着一个个岛宇宙，我们太阳系所处的银河只是其中的一个小岛。后来，这些银河系之外的天体系统——“岛宇宙”正式改名为河外星系。

在哲学层面上的河外星系诞生了，那么实际观测中又是如何发现的呢？其实早在赫歇尔尝试确定银河系结构之前，人们就已观测到天空中除恒星外还存在着一些暗弱而又模糊的云雾状天体，取名为“星云”，最初所有在宇宙中的云雾状天体都被称作星云。随着天文望远镜的发展，现代天文学把原来的星云划分为星团、星系和星云三种类型。星云的观测导致了河外星系的发现。

赫歇尔当时在较小望远镜中看到模糊一片的星云，而在大望远镜中可显出成千上万颗恒星。重要的是在大望远镜中仍有一些不可分解恒星的星云。他引用galaxy来概括这些大的天体系统（当时galaxy即宇宙之意）。他开始接受康德的岛宇宙的概念，但其后又放弃了。受当时观测仪器水平等限制，他没有能从观测上确认河外星云的存在，与历史上河外星系的重大发现擦肩而过!

从观测上区分不同的星云、区分银河系和河外星系，直到20世纪才有所突破。20世纪初，我们人类面临着两种选择：一是宇宙中充满着星系，每个星系包含着大量像太阳这样的恒星，银河系只是宇宙中的一个星系；二是宇宙的物质包含在银河系中，各种星云都是银河系中的天体，即银河系就是我们观测到的宇宙。人类必须做出选择，能否冲出银河系取决于星云距离的测定——仙女座星系的确定。

从地球到整个宇宙

美国天文学家哈勃（E.Hubble）1924年在威尔逊山（Mount Willson）天文台用2.5m望远镜找到了仙女座大星云（M31）中的造父变星，并根据其周光关系定出其距离，即根据测得亮度的变化得到周期，进而由周期得到绝对星等，再与视星等作比较则可得出距离。当时测得M31位于90万光年之外，而银河系的直径约为10万光年，因此，M31是远处银河系之外的天体，从而使我们走出了银河系。作为现代宇宙学之父，哈勃厥功至伟。

哈勃不仅在银河系之外发现了仙女座大星云，而且在1929年仅用了24个星系的观测数据，得出了星系的红移与距离之间存在着粗略的线性关系——哈勃定律：离我们越远的星系，远离我们的速度越快。哈勃定律揭示出我们的宇宙在不断膨胀。

“宇宙生于一无所有？”宇宙大爆炸

——伽莫夫将宇宙大爆炸理论幽默地称之为α-β-γ宇宙创生理论，这三个排在前面的希腊字母，即是大爆炸论文作者阿尔弗、贝特、伽莫夫的姓氏首写字母，隐喻着宇宙万物创生伊始的含义。

哈勃定律的发现使现代宇宙学在全面的意义上诞生了，它既有广义相对论的理论支持，又有天文观测的验证，哈勃定律的发现震惊了整个世界。在人们逐渐将眼光放远的同时，追溯过去也成了新一轮的热点问题，宇宙到底是如何形成的？人们断定，既然现在宇宙在膨胀, 必定在遥远的过去某时刻，宇宙中的物质是集结在一起的，密度大到趋于无限。此时聪明的天文学家勒梅特在1932年首次提出了现代宇宙大爆炸理论，他认为现在的宇宙是由一个极端高热、极端高压的“原始原子”大爆炸形成的，这是现代大爆炸宇宙学的雏形。

1948年美国科学家伽莫夫等人运用原子核和基本粒子物理学将其与宇宙膨胀联系起来，正式提出大爆炸宇宙论（Big Bang）。大爆炸宇宙论认为，大爆炸发生后的10-43～10-35秒为大统一时期，10～1000秒期间是宇宙最初元素合成时期，大爆炸3亿多年后（1016秒），星系、恒星和行星开始形成，宇宙继续膨胀，温度逐渐下降。现今我们的宇宙仍在膨胀之中。

三维空间下从一个奇点开始的大爆炸学说

掀开宇宙极早期演化的帷幕暴胀学说

——暴胀可视为自最早暗示宇宙起源于大爆炸的宇宙膨胀被发现以来，宇宙学思想的最重大进展。

大爆炸宇宙学虽然成为历史上比较流行的理论，但是仍然有其局限性，例如，它没有解释在大尺度上为什么宇宙中的物质是均匀分布的；也没有完整解释恒星和星系是如何产生的，等等。宇宙大爆炸理论在其发展的过程中产生的问题，有些随着观测和理论的不断完善得到了解决，而成为了历史，但也有一些问题至今没有圆满解决，诸如星系晕尖点问题、视界问题、平坦性问题、重子的不对称性、磁单极问题以及众所周知的暗物质、暗能量问题等。有些人认为这些问题并不是大爆炸理论的致命问题，通过大爆炸理论的进一步发展可以得到解决。

宇宙学家在研究平坦性问题的时候提出无论宇宙在爆胀以前是开放的、平坦的还是封闭的，在极早期宇宙经历过这样一个急速膨胀阶段，即“暴胀”。“暴胀”是一种超光速的现象——宇宙在早期并非像标准宇宙学描述的那样是一个减速膨胀过程，而是从10-35秒至10-33秒期间以指数形式急剧膨胀，这是一个不同寻常的急剧加速膨胀过程。如何解释这种加速膨胀的过程呢？大爆炸的状态是非常热的，这表明宇宙中的粒子具有极高的能量。在如此的高温下，强相互作用力、弱相互作用力和电磁力都被统一在一起，称为“大统一”时代；当宇宙膨胀并变冷，力之间的对称性由于粒子能量降低而被破坏，强力、弱力和电磁力变得彼此不同。这就好像液态水在各个方向上性质都相同，而结冰形成晶体后，就变成了各向异性，水的对称性在低能态被破坏了。当宇宙暴胀时，它所有的不规则性都被抹平，就如同吹涨一个气球时，它上面的皱褶都被抹平一样，这时候再放眼看宇宙时空已经被抹平了，导致了成为一个平坦的宇宙。

宇宙早期产生的量子扰动经过暴胀阶段放大，之后进入经典宇宙学时期，又经引力不稳定性形成现在我们所看到各种各样的宇宙结构。

暴胀——将宇宙时空抹平

伽利略利用望远镜观测银河系，使天文观测第一次走出了太阳系。放眼宇宙，人们不再局限于仅仅是观察天体的运动，而且更加着眼于宇宙中各种物质的形成研究。目前的宇宙学观测表明∶ 宇宙中的物质大约是由0.5%的恒星和星系、4.5%的传统物质、25%的暗物质和70%的暗能量组成的，其中我们所探究到的物质只占了宇宙空间中的5%，真可谓冰山一角, 其他95%都是未知的、需要我们去探索的。

未知的“世界末日”图景宇宙的命运

——诗人艾略特这样写道：“这就是世界结束的方式，并非一声巨响，而是一阵呜咽？”

我们知道万有引力充斥在宇宙中以克服宇宙大爆炸开始的膨胀，那么到底需要多大的力才能完全克服宇宙的继续膨胀呢？其实这决定于此时宇宙的总质量密度(如下图所示)。科学家们将宇宙既不膨胀也不收缩时候的宇宙密度称作临界密度。在发现暗能量之前，有三种理论模型，即开放的宇宙、平坦的宇宙和封闭的宇宙。如果宇宙物质密度超过临界密度，宇宙会在膨胀到最大体积之后收缩。在收缩过程中，宇宙的密度和温度都会再次升高，最后终结于同爆炸开始相似的状态——一个致密致热的火球。或者如果宇宙物质密度小于临界密度，膨胀会逐渐减速，但永远不会停止。造星运动会随宇宙密度减小而逐渐停止，而宇宙的温度会趋近于绝对零度，形成一个马鞍形状的宇宙。如果宇宙的密度接近于临界密度，那么宇宙将会像一张白纸，成为平坦宇宙，宇宙膨胀趋近一个平衡状态。

美国航空航天局发射的人造卫星WMAP对宇宙微波背景辐射的观测结果表明宇宙在整体上是平坦的；超新星的观测结果也表明宇宙正在加速膨胀。基于宇宙微波背景辐射和超新星发现宇宙加速膨胀，已经获得3项诺贝尔物理奖。今年3月美国哈佛-史密松天体物理中心宣布南极BICEP2试验探测到了来自宇宙暴胀时期引力波产生的宇宙微波背景辐射特殊的B模式极化信号，成为宇宙暴胀理论的第一个直接证据, 大大支持了大爆炸理论，同时也间接证实了原初引力波的存在，真可谓“一石三鸟”。不过，BICEP2项目的论文目前仍在同行审议之中，结果如何，尚需等待。