探索·發(fā)現

1905年，一個在瑞士伯爾尼專利局工作的小職員，德國猶太人阿爾伯特·愛因斯坦，提出了狹義相對論。10年之后，他又提出了廣義相對論。相對論同量子論一起推動了20世紀物理學的革命，也為從整體上研究哈勃發(fā)現的星系宇宙，奠定了理論基礎。

20世紀以前的物理學建立在牛頓絕對時空觀的基礎上:時間永恒地均勻流逝，空間是不動的舞臺，兩者相互獨立并且不受物質的影響。愛因斯坦的革命性發(fā)現是：時間和空間是不可分割的統一體，時空告訴物質如何運動，而物質告訴時空如何彎曲。

在愛因斯坦的理論中，兩個物體間的相互作用并不像牛頓所描述的那樣，是彼此直接產生引力，而是由每個物體對周圍的時空產生影響，它們在時空中造成凹陷或扭曲，一個物體經過另一個物體的旁邊，路徑就會受到扭曲而偏向，這就好像是物質互相吸引一樣。

為什么時間和空間會是彎曲的呢？什么是彎曲時空呢？這要先從平直空間說起。古希臘的歐幾里德發(fā)展了一套幾何理論，后人稱為歐幾里德幾何學，他從幾個定義和公設出發(fā)，可以推導出一系列定理。直到今天，這還是中學生必修課。在歐幾里德幾何學里，有一個第5公設，根據這個公設，我們可以推論出三角形的三個內角加起來總和是180度。因為平面上的圖形顯然滿足這個性質，所以我們把符合歐幾里德幾何學的空間稱為平直空間。

19世紀初，法國數學家高斯、匈牙利數學家鮑耶、俄國數學家羅巴切夫斯基等人認識到，除了平直空間以外，沒有第5公設的非平直空間在邏輯上也是可能的。在這樣的空間中，三角形的內角之和未必是180度。描述這種空間的幾何學叫作非歐幾何(圖1)。

（1）在非平直空間中的三角形的內角之和未必是180°

三維的非平直空間比較難以想象，但是我們看看二維的例子。比如在一個平面上，三角形的三個角加起來是180度。但是在球面上，三角形的三個內角加起來超過180度，在雙曲面上，三角形的三個角加起來小于180度（圖2）。當然，你可能會說，在這些曲面上并沒有真正的直線，你這是從曲面之外的三維空間的看法說的。但是比方說一只螞蟻，被局限在曲面上，那么這就是它的直線。同樣，人也是被局限在我們生活的三維空間中。

（2）圖組:球面和雙曲面上三角形圖示

非歐幾何雖然被發(fā)現了，但在愛因斯坦之前，它僅僅是理論上的可能。而愛因斯坦的相對論說明，在大質量物體附近的時空真的就需要非歐幾何來描述。這就是所謂彎曲時空。愛因斯坦并且預言，由于時空彎曲，從太陽表面附近經過的星光會偏折1.75角秒，是牛頓理論預言值的2倍。

1919年5月發(fā)生的日全食提供了判決兩者孰是孰非的絕佳時機。英國天文學家愛丁頓領導的兩個遠征隊，分赴巴西東北海岸外的索布拉爾島和西非幾內亞灣的普林西比島進行觀測。半年以后，英國皇家學會正式宣布，他們的觀測結果符合愛因斯坦的預言！這個消息立刻轟動了世界。廣義相對論從此得到科學界公認。

愛因斯坦建立廣義相對論后，立刻開始思索是否可以用它來研究整個宇宙的性質（圖3）。

（3）提出相對論的偉大科學家愛因斯坦

在此之前，大家心目中的宇宙圖像是牛頓的宇宙模型:時間和空間都是無限的，在其中均勻分布著靜止的物質。但是，這個宇宙模型本身存在著內在的矛盾。一個矛盾是，由于宇宙無限大，物質無限多，物質產生的引力也變成無限大。由于萬有引力的作用，牛頓宇宙中的物質難以保持靜止，而會互相吸引，最后墜落到一起去。

愛因斯坦認為，利用非歐幾何里的彎曲空間，可以解決這個問題。所以他在1917年提出了一個宇宙模型。這個模型的空間部分是一個球面，彎曲的空間，使得宇宙看起來是有限的。因此可以避免引力變成無限大的問題。但是愛因斯坦發(fā)現，和牛頓的宇宙一樣，這個模型里的物質也很難保持靜止不動。

很快有人反對愛因斯坦的這個靜態(tài)宇宙模型，第一個提出質疑的，是俄國學者阿列克謝·弗里德曼。在1922年發(fā)表的一篇論文中，弗里德曼求解了不包括宇宙學常數的廣義相對論方程，發(fā)現宇宙不會靜止不動，而是要么膨脹要么收縮。愛因斯坦看到弗里德曼的論文后，給發(fā)表它的雜志去信，說弗里德曼可能算錯了。弗里德曼并沒有屈服于愛因斯坦的權威，他詳細寫出了自己的計算過程給愛因斯坦寄去。后來，愛因斯坦在同一個雜志上發(fā)表聲明，承認自己錯了而弗里德曼是對的。

弗里德曼不僅發(fā)現宇宙有可能膨脹和收縮，他還認識到，如果假定空間有最大的對稱性，那么三維空間的幾何只有三種可能:一種是我們熟悉的歐幾里德空間，即平直空間;一種是愛因斯坦模型中類似球面的空間，即閉合空間;還有一種是類似馬鞍形的雙曲面空間，即開放空間。在此后幾十年的時間里，探索宇宙空間的幾何形狀一直是宇宙學家們最重要的課題。

另一位從理論上研究宇宙學的，是比利時神甫、洛文天主教大學的物理學教授喬治·勒梅特。在1927年的一篇論文中，勒梅特指出愛因斯坦的靜態(tài)宇宙模型是不穩(wěn)定的，如果宇宙學常數的斥力稍稍超過物質的引力，宇宙就會開始膨脹，而且越膨脹越快。

20世紀初，天文學家想要了解的是，銀河系以外，是否還有類似銀河的星系。有些人猜測，旋渦星云（圖4）就是其它的銀河系，即康德所說的宇宙島，里克天文臺的柯蒂斯也這樣主張。但是，威爾遜山天文臺的沙普利，則估計銀河系的尺度約有30萬光年，他認為旋渦星云應該還在這龐大的銀河系內。1920年4月，他們兩個人在華盛頓舉行的美國科學院會議上，進行了一場大辯論。兩個人的論據似乎都有道理。究竟誰正確呢？

（4）宇宙中的旋渦星云

這時，一位天文學界的新秀，埃德溫·哈勃來到了威爾遜山。哈勃明白，要弄清星云的本質，關鍵是要測定它們的距離。他手里有兩個完成這項任務的有利條件:一是威爾遜山上清澈的大氣和無風的穩(wěn)定狀況，極適合天文觀測;二是威爾遜山天文臺有當時世界上威力最大的，口徑2.54米的望遠鏡。

哈勃觀察著那些遙遠的星云，夜空是如此的浩瀚，怎么才能測算出它們的距離呢（圖5）？

（5）天文學家哈勃在威爾遜山天文臺觀測遙遠的星云

1912年，哈佛大學天文臺的女天文學家赫麗塔·勒維特，在南半球天空的麥哲侖星云中找到了一類特殊的天體，叫作“造父變星”。它們的亮度先是快速上升，隨后緩慢下降，呈周期性變化，越亮的造父變星光變周期越長。勒維特的發(fā)現，不久就被哈佛天文臺臺長沙普利知道了。沙普利立即認識到，通過造父變星，可以推算出星系的距離。

1915年，沙普利在銀河系中找到一些已知距離的造父變星，將勒維特發(fā)現的周期亮度關系標定成為周期光度關系。以后無論在什么地方只要根據光變特征認出一顆造父變星，測出它的周期，由周期光度關系定出其真亮度，再與觀測到的亮度比較，就可求出其距離了（圖6）。

（6）利用造父變星的光變周期推算星系距離的示意圖

沙普利正是用這種方法,測定出銀河系的尺度為30萬光年，雖然比實際值偏高，但這種方法還是幫助他做出，太陽并不在銀河系中心的重大發(fā)現。

哈勃用同樣的方法，在仙女座大星云和三角座星云中發(fā)現了一批造父變星。推算出它們的距離都是93萬光年，甚至遠遠超出了沙普利的大銀河系的范圍。從此人們知道，天上許多暗弱的星云，并不屬于銀河系，而是一個個獨立的星系。

哈勃想盡辦法，測量了24個星系的距離。當他將這些星系的距離，同光譜位移進行比較的時候，發(fā)現了一個令人吃驚的情況。

哈勃發(fā)現，大部分星系的光譜都發(fā)生了紅位移，距離越遠的星系紅移量越大。根據多普勒效應，這意味著所有的星系都在遠離我們，而且離我們越遠的星系，退行的速度越快。哈勃在1929年發(fā)表的這個初步結論，后來被更多觀測所證實，成為人們公認的“哈勃定律”。其中速度與距離成正比關系的比例常數被稱為哈勃常數。

哈勃定律的重要意義在于，它顯示出宇宙中的星系，就像一個膨脹氣球上的斑點，彼此分散運動，從而為弗里德曼和勒梅特的膨脹宇宙模型提供了觀測依據。哈勃的觀測證實了，這個膨脹的宇宙和以前人們想象的，那個無限和永恒的宇宙完全不同。仿佛電影中的畫面，若倒著播放，所有的星系都在時空中逆行，它們將越來越靠近。如果不斷沿時間上溯，越早期的宇宙就會越小，那么，總會有足夠早的某個時刻，宇宙處在非常致密的狀態(tài)。這便是那個“奇點”。那一點表示了宇宙的創(chuàng)生（圖7）。我們能看到的一切，所有恒星，所有行星，所有地球上和宇宙中的生物，都有賴于那一刻的創(chuàng)生，這就是我們后來所說的“大爆炸”，或者正確地稱它為“創(chuàng)世紀”。

這時，勒梅特聽說了哈勃的發(fā)現，他知道這是自己一直等待的結果，他決定找到愛因斯坦，當面向他陳述自己的想法。在一次演講中，勒梅特以詩意的敘述，向愛因斯坦陳述了他的理論。按他的說法，宇宙是從一個“原始原子”開始，不斷分裂膨脹而成的。就如同一顆小小的橡果，長大成為一棵參天的橡樹那樣。他并以哈勃的觀測為證，說明宇宙是創(chuàng)生于“沒有昨天的那一天”。演講結束的時候，他看到愛因斯坦站起來說:“這是我所看到過的最美麗的結果”。從那時開始，愛因斯坦承認，引進“宇宙學常數”是他一生最大的失誤。

（7）宇宙創(chuàng)生的“奇點”

盡管有了這些觀測和理論上的進展，但是當時的大多數科學家對于宇宙學還是持相當懷疑的態(tài)度。

1948年的一天，英國廣播電臺播出一個宇宙學的科普節(jié)目，主講人是劍橋大學的數學家弗里德·霍伊爾，引起了許多人的關注?；粢翣栐诠?jié)目里說：“你們可能跟我一樣，在成長過程中了解到，宇宙是在某個久遠的時間點以前，由一次大爆炸形成的?，F在我要告訴你們，這是錯的”。

霍伊爾對宇宙有一個起點的說法，提出了一系列質疑，他特別反對宇宙起源于一次大爆炸的觀點。1948年，他與同事邦迪和戈爾德一起，提出了與大爆炸理論完全對立的“穩(wěn)恒態(tài)宇宙”理論（圖8）。

（8）提出與宇宙“大爆炸”理論完全對立的“穩(wěn)恒態(tài)宇宙”理論的數學家弗里德·霍伊爾

霍伊爾認為大爆炸理論很荒謬。他問道:如果說宇宙起源于大爆炸，那么大爆炸之前難道就沒有宇宙嗎？這從哲學上讓人感到困惑。所以他提出了所謂完美宇宙學原理的假設。認為宇宙不僅在空間上均勻，而且面貌不隨時間改變?；粢翣柼岢龅倪@種“穩(wěn)恒態(tài)宇宙”的要點是，宇宙是穩(wěn)恒態(tài)的。但是這個理論遇到一個問題，即它不能解釋宇宙間的物質是如何形成的。而大爆炸的理論，就能夠解釋物質怎樣被創(chuàng)造出來，一切都是在火熱的大爆炸的時候被創(chuàng)造出來的。支持大爆炸理論的人認為，霍伊爾的“穩(wěn)恒態(tài)”，違反了物質守恒和能量守恒的原理。

盡管霍伊爾無法解釋清楚新的物質如何產生出來，而且這也違反了物理學中的能量守恒原理，但是在他看來，這比整個宇宙一下子創(chuàng)生出來還是容易接受得多。

由于哈勃根據星系退行速度，測算出宇宙年齡只有20億年，導致霍伊爾的“穩(wěn)恒態(tài)”一時占了上風。因為根據霍伊爾的理論，既然宇宙一直存在，也就不會出現地球年齡大于宇宙年齡的矛盾了。正當宇宙年齡所造成的疑惑，使大爆炸理論陷入困境的時候，天文學家發(fā)現，哈勃當年測定的星系距離全都偏低，由此推算出的宇宙年齡也自然就偏低了。為什么會出現這種情況呢？

1948年，美國帕洛瑪山天文臺5米望遠鏡投入使用，取代威爾遜山天文臺的望遠鏡，成為當時世界上最大的望遠鏡。德裔天文學家沃爾特·巴德用這個望遠鏡，做出了一個新的發(fā)現。

沃爾特·巴德發(fā)現，恒星按化學組成和空間分布等性質分為不同的族群——星族，屬于不同星族的造父變星，亮度與周期之間的比例系數并不相同。

當初哈勃不知道這種差別，導致他將星系的距離低估了一半，因此也就將宇宙的年齡低估了一半。在改正了這個錯誤以后，宇宙的年齡就不會比地球的年齡低了。沃爾特·巴德的發(fā)現，為大爆炸理論的確立，掃除了一個障礙。

霍伊爾的另一個質疑是，勒梅特并沒有具體說明“原始原子”究竟是什么，它是如何形成，又如何崩解為各種元素的？而“穩(wěn)恒態(tài)”恰恰能證明這一點。

哈勃望遠鏡拍攝到一顆新的恒星正在星云中形成:當空間中的氫原子由于引力，逐漸凝聚到一起，形成越來越大的球體時，恒星形成了（圖9）。在恒星像滾雪球似地越滾越大時，引力造成的內部壓力也越來越高。這種壓力會把氫原子緊緊壓合在一起，產生聚變反應，形成新的元素“氦”。當氫燃燒完后，恒星內的氦可以再聚變?yōu)檠鹾吞迹绱顺掷m(xù)，合成越來越重的原子，直到鐵的產生。比鐵更重的元素，則可以在一些特殊的環(huán)境，如大質量恒星演化晚期的超新星爆發(fā)中產生。而組成我們身體的碳、氧、鐵等重元素，都是先在恒星中產生，再于恒星爆發(fā)后被拋射出來，在太空中像灰塵一樣游蕩，直到跟其他的星塵混合，因重力形成新的行星。可以說，我們每個人都曾經是某顆恒星中的一部分。生命，也由此產生。

（9）哈勃用望遠鏡拍攝到的一顆新恒星在星云中形成的情形

1954年在太平洋比基尼珊瑚島進行了氫彈核爆試驗，它通過裂變反應發(fā)生爆炸。在爆炸的中心，可產生上百億度的高溫，這與大爆炸后1秒鐘內宇宙的溫度相當。高溫引發(fā)氫核產生聚變反應，形成氦核，同時在這過程中釋放出更大的能量。這為恒星能源來自聚變反應的理論提供了有力的支持。

霍伊爾關于重元素在恒星內合成的理論，固然非常成功。但卻不能解釋輕元素氦在宇宙中含量高達1/4的觀測事實。因為假如這么多氦都是在恒星中合成的話，那么夜晚就會比白天還亮了。

1946年的時候，一位移居美國的前蘇聯科學家，也在探討宇宙中的基本元素如何形成的問題。他在勒梅特“原始原子”的基礎上另辟蹊徑，提出:宇宙中的氦，主要是在大爆炸后不久的高溫條件下合成的。

他認為，宇宙大爆炸可以很自然地解釋氫和氦的來源:早期宇宙密度和溫度極高，不僅分子會離解，原子核也不能存在。但是隨著宇宙的膨脹，溫度降低，就可以形成基本的核子:質子和中子。最輕的原子核——氫核——其實就是一個質子。在大爆炸時核子間相互反應，就會形成一些復合的原子核，根據這個理論算出來的氫和氦按質量計算應該分別占3/4和1/4，與觀測符合得很好。這個觀點，給了大爆炸理論有力的支持。這位科學家的名字叫作喬治·伽莫夫（圖10）。

（10）給了大爆炸理論有力支持的前蘇聯科學家喬治·伽莫夫

但是，霍伊爾不愿意承認這一點，他提出了一個尖銳的問題:“如果宇宙起始于一次大爆炸，在那種高溫高熱狀態(tài)下所產生的輻射，一定會在太空中留下某種痕跡，即使是在大爆炸已經過去了140億年的今天，也應該能找到哪怕一丁點兒輻射痕跡的殘留。可問題是，這個痕跡能找到嗎？”