宇宙的未来教学参考_在线教学教案查询
一、背景知识
中国是最早进行天文观测的国家之一,在殷商甲骨文里,就有许多天文观测记录。汉语“宇宙”一词出现较早。战国时期的尸佼在他的着作《尸子》中就说:“上下四方曰宇,往古来今曰宙。”东汉的高诱在《淮南子·原道训》注中也说:“四方上下曰宇,古往今来曰宙。”
中国古代的宇宙学说,有浑天说、盖天说、宣夜说等。浑天说认为,“浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡子中黄,孤居于天内,天大而地小。天表里有水,天之包地,犹壳之裹黄。天地各乘气而立,载水而浮。”(《张衡浑仪注》)盖天说认为,“天似盖笠,地法覆盘”(《晋书·天文志》),天地都是穹形的,如同一个同心的球穹,相距八万里。宣夜说认为,“天了无质,仰而瞻之,高远无极,眼瞀精绝,故苍苍然也。”(《晋书·天文志》)就是说“天”不是一个固体的“天穹”,不过充满了无边无际的气体,日月星辰都在这气体中浮动。
在西方,古希腊人也有多种宇宙学说。公元前600年左右,住在米利都的古希腊哲学家泰利斯认为地球是一个圆盘,漂浮在一片汪洋中。他的弟子阿那克西曼德认为天空是包围地球的一个球层,恒星在内层,太阳和月亮在外层。毕达哥拉斯认为,地球、月亮、太阳、行星和恒星都在一个同心球上围绕中央火旋转。托勒密总结了古希腊的天文学成就,着《天文学大成》,认为地为球形,静止不动,处于宇宙的中心,其他天体围绕地球运行,创立了“地心说”,统治西方天文学界一千四百多年,直到波兰天文学家哥白尼在16世纪发表《天体运行论》,创立日心说。17世纪,意大利物理学家和天文学家伽利略亲手制造天文望远镜,开拓了人们的天文视野。德国天文学家开普勒提出了行星运动的三大定律,英国物理学家牛顿用力学的引力原理解释开普勒的行星运动定律,创立了天体力学。
现代宇宙学最有影响的学说是大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为,宇宙早期温度极高(在100亿度以上),物质密度极大。在那里,物质被压缩成一个奇点,时间和空间都毫无意义。大约200亿年前,发生“爆炸”,温度逐渐冷却,形成各种各样的恒星体系,也就是我们今天所能观测到的宇宙。
宇宙大爆炸学说是逐渐形成的。20世纪初,爱因斯坦的相对论改变了科学家研究宇宙的方法。1927年,比利时天文学家勒梅特第一个提出了动态宇宙模型,认为宇宙是从一种“原始原子”不断分裂、膨胀形成的。他推测:如果宇宙中物质的质量小于某个临界值,宇宙就会继续膨胀下去,成为“开放的宇宙”;反之,就会坍缩,成为“闭合的宇宙”。1948年,出生在俄国的美籍物理学家伽莫夫发展了这一理论,提出了“大爆炸”学说。
大爆炸学说得到了以下天文观测的支持。(1)河外星系有系统地谱线红移(课文中涉及到)。1917年,美国天文学家斯里弗发现河外星系谱线有系统地向红端移动,表明这些遥远的天体正在离我们远去。1929年,美国天文学家哈勃发现,几乎所有的星系都有红移现象。星系距离越远,红移越大。这种红移与距离之间的线性关系,称为哈勃定律。(2)在各种不同的天体上,氦的丰度相近,大都是30%。根据大爆炸理论,早期宇宙温度很高,所以产生氦的效率也很高。(3)测定各种天体的年龄,均小于200亿年。(4)宇宙微波背景辐射的发现(课文中涉及到)。
二、内容理解
在讲演的开头,作者就指出,预言将来是非常困难的,预言宇宙的将来尤其困难。但科学家仍然有信心。
提到预言,人们会不由自主地想到古代的巫术。女巫把自己“弄得精神恍惚”,不过是为了增加点神秘色彩,“而真正的技巧在于解释”。近代宗教预言也是这样,不断用新的解释来掩饰预言的失败。也许,科学预言并不比巫师或宗教预言家的预言更可靠,但预言宇宙的未来,还是可能的。
当然,我们现在还不知道一些极端条件下的物理定律,但这并不影响我们对宇宙未来演化的预测,因为这些定律的物理方程是不稳定的,不会有确切的解──就像我们用手旋转赌盘,你感觉不到用力的微小变化,但指针却停留在不同的地方。同样道理,对五天以外的天气情况作预报是相当困难的,因为复杂得难以计算;即使我们知道了制约大脑的所有方程,也不能对人类的行为作出预测,因为小小的改变会导致截然不同的结果。
宇宙中的局部运动也许会出现混沌状态,但宇宙在大尺度上是可以预测的。宇宙正在膨胀,其他星系正在离我们远去。宇宙微波背景辐射证明了宇宙的膨胀大体上“是平滑的而非混沌的”;反过来说,如果宇宙的膨胀率和平均密度不是“处处相同”,各个方向上的宇宙微波背景辐射就不会如此一致。“这表明,宇宙的行为在非常大尺度下是简单的,而不是混沌的。”
现在,宇宙中星系之间的距离在增大,“但是人们预料星系之间的引力吸引正在降低这个膨胀率。如果宇宙的密度大于某个临界值,引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压。”“大挤压”和“大爆炸”前的状态一样,“是具有无限密度的状态,物理定律在这种状态下失效。”
预言宇宙的未来,“关键问题在于:平均密度是多少?如果它比临界值小,宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大,宇宙就会坍缩,而时间本身就会在大挤压处终结。”
计算宇宙的平均密度并不容易。“如果我们计算能看得见的恒星并把它们的质量相加,我们得到的,不到临界值的百分之一左右。”即使加上“气体云的质量”,临界值最多是百分之一。但是,我们能不能据此得出宇宙将永远膨胀下去的结论呢?还不能。因为宇宙中还有许多暗物质。根据现在的观测研究,将这些暗物质估算在内,“仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右。这样,如果我们仅仅依据观测证据,则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。”这样,“在大约一百亿年以后,宇宙中大多数恒星都已把燃料耗尽”,走向灭亡。因它们的质量的不同,或者变成白矮星,或者变成中子星,或者变成黑洞。
霍金对黑洞的解释是:“空间—时间的一个区域,因为那儿的引力是如此之强,以至于任何东西,甚至光都不能从该处逃逸出来。”(《时间简史》一书所附《小辞典》)但是,也许“黑洞并不像被描绘的那样黑”,根据量子力学的测不准原理,如果黑洞中有一颗粒子的位置是确定的,那么它的速度就有可能超过光速“逃离黑洞”。
我们不能相信已有的确定证据,是因为还有别的理论在探讨宇宙的奥秘。人择原理和暴涨理论就是其中的两种。
宇宙是继续膨胀还是可能收缩,这取决于宇宙现有密度。在对这个问题没研究清楚之前,科学家也不得不认为“宇宙实际上是处在刀锋上”,所以要继承巫师或预言家的传统,“两方下赌注,以保万无一失。”
三、演讲的特点
1.生动的导引
这篇科技论文是演讲辞,具有演讲的特点。预言宇宙的未来,虽然是一个严肃的科学话题。但如果就事论事,很容易枯燥乏味。演讲需要激起听众的兴趣。演讲者从古代的巫术和近代的宗教预言谈起,既增加了趣味性,又深化了讲演的主题──在与巫术的对比中,更显出了科学的求实精神。
2.严谨的推理
作为一篇科学演讲,其最终目的是让人信服。本文严谨的推理,增强了说服力。宇宙虽然复杂,但它在大尺度上又是可以描述的。宇宙的密度是决定其命运的关键,然而,确定这一点非常不易。演讲者从可见物质谈到暗物质,从成熟的理论谈到科学假说,把问题讲得透彻明白。没有作出一个明确的预言,也说明了演讲者严谨的科学态度。
3.幽默的语言
演讲是面对面的交流,这种交流是单向的,如果不注意演讲的语言艺术,就达不到最佳的表达效果。这篇演讲语言幽默,创造出一种轻松愉快的气氛,使所论述的问题更易于为听众接受。如,文中有一段话说:“我比其他的末日预言者更占便宜。即使宇宙将要坍缩,我可以满怀信心地预言,它至少在一百亿年内不会停止膨胀。我预料那时自己不会留在世上被证明是错的。”以揭示自己“自私”的心理表示幽默,同时传达出重要的信息:宇宙“至少在一百亿年内不会停止膨胀”。
●解题指导
一、设计此题,是为了让学生透过生动的比喻,来理解作者所要说明的科学道理。
1.我们目前还不知道“制约宇宙的有关定律”。即使知道了,它的“物理方程的解”也会出现混沌性质,不可能有确解。
2.“宇宙在大挤压处终结”,终结就是死亡,再讨论时空问题,或者再问“在这‘之后’的事件”,已毫无意义。
二、设计此题,是为了让学生提炼出作者所论证的一些观点及论据。
宇宙中存在暗物质的证据有两个。“一个来自于螺旋星系”,如果没有暗物质的引力作用,这些旋转的星系早就被甩开了。“另一个证据来自于星系团”,这些星系团“成团地集中在一起”,其中个别星系运动速度非常高,若不是存在暗物质,“这些星系团就会飞散开去”。
作者在说明现在的宇宙密度可能就在临界状态时,列举了两种假说。一是“人择原理”:可能存在多个宇宙,只有那些接近临界密度的宇宙,才有我们这些“智慧生物”去问这个问题。二是“暴涨理论”:宇宙可能从一个微小的尺度暴涨到我们现在的临界状态。
三、设计此题,是为了让学生注意文章幽默的语言风格,体会演讲辞的特点。文章中幽默的话语,除了“课文说明”中提到的一段,还有很多,如,说古代的女巫“通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人”,说明她们作预言需要借助于神秘的力量,语言夸张而带有讽刺意味;同样,在讽刺近代宗教预言家时说:“幸运的是,数人名看来要花很长的时间”,将“末日预言者”的尴尬处境含蓄幽默地揭露出来;一句“否则的话,物理学家就会在赌场发财”,将“轮赌盘”的不确定性和“制约宇宙的有关定律”的物理方程的解具有混沌性质一语说透,妙趣横生。另外尚有:“为何世界的终结会使人愿意用股票来换钱,假定你在世界末日什么也带不走的话”;“无论如何,假定在太阳爆炸的时刻,我们还没有把自己毁灭的话,我们应该已经掌握了恒星际旅行的技术。”;“所以我正是继承那些巫师或预言者的良好传统,两方下赌注,以保万无一失。”等等。
●教学建议
本课用三课时自读。
这篇课文涉及的科学知识比较深,但也不难懂。在教学中,教师可参考“课文说明”及“有关资料”部分,帮助学生读懂课文。在此基础上,找出课文的重点难点,结合完成课后练习,加深对课文的理解。
课文的主体部分,论述了宇宙中物质密度问题,这是课文的重点,从理解上来说,也是难点。宇宙中物质的密度,决定了引力的大小。物质密度大,引力就大;物质密度小,引力就小。物质密度的大小,如果超过了一个临界值,就会发生质的变化。依据大爆炸宇宙学,宇宙的未来只有两种命运:继续膨胀或坍缩。目前的观测表明宇宙“至少在一百亿年内不会停止膨胀”,但由于宇宙中存在着许多暗物质,也许还存在一些我们尚不十分明了的原因,在遥远的未来,它会不会坍缩,还是一个未解之谜。
在教学中,可以请物理学习好的学生或爱好天文的学生,结合自己的学习或知识,就课文内容作一些引申发挥。现在,宇航、天文观测等科学研究都具有世界性,经常有一些有关的报道。有条件的地方可组织参观一次科技馆或天文馆。
●有关资料
一、作者简介(麦克丹尼尔)
斯蒂芬·霍金是继阿尔伯特·爱因斯坦之后最杰出的物理学家。霍金1942年出生于英国牛津,先后就读于牛津大学和剑桥大学,学习数学、物理学和宇宙学。1963年,霍金经诊断得了肌萎缩性侧索硬化症。这种病会引起肌肉萎缩,导致瘫痪;说话会越来越困难,直至完全丧失语言能力;患者通常因并发肺炎或窒息而死亡。不过,患者的思维能力包括记忆能力不受影响。医生告诉霍金他最多只能活两年。在经历了一段短暂的失望和沮丧后,霍金又开始了他的宇宙学研究。霍金后来在相对论、“大爆炸”和黑洞等领域取得了突出的研究成果。霍金1988年出版的宇宙学着作《时间简史:从大爆炸到黑洞》,是一部里程碑式的畅销书。霍金被确诊患病已30多年,但他仍孜孜于宇宙起源的理论研究,仍在为大统一理论而耕耘不已。霍金现任剑桥大学卢卡斯数学教授,这也是牛顿爵士曾担任过的职位。
(选自《斯蒂芬·霍金:伟大的物理学家》,世界知识出版社1998年版,翟玉章译)
二、穷宇宙之际(吴国盛)
20世纪的天文学,由于观测手段更为先进,将人类的视野扩展到了150亿光年的空间距离。除了传统的光学望远镜随光学材料的改进和加工能力的提高,出现了空前大的口径外,无线电接收技术的发展,导致了可见光之外各波段的天文观测,射电望远镜冲破了银河系内星云尘埃等设置的光学屏障,把目光射向了河外星系。天文学进入了全波时代。
天体物理学在20世纪发展成了天文学的主流,它最引人注目的成就是诞生了将整个宇宙作为自己的研究对象的现代宇宙学。以爱因斯坦的相对论为理论基础,以大尺度的天文观测特别是河外星系的普遍红移和宇宙背景辐射为事实依据,宇宙学展示了宇宙整体的物理特征。
1.河外星系的观测与红移的发现
在浩瀚的太空中,除了有无数发光的星星外,还有弥散状的星云。关于星云的本质长时期存在争论,一种观点认为星云是银河系内的星际物质,另一种观点则认为,星云实际上是像银河系一样巨大的恒星集团,只是因为太远而看起来像“云”,由于观测手段的限制,这两种观点孰是孰非无法得到最后的判明。
到了20世纪,观测手段有了较大的发展,美国在威尔逊山上建造了当时世界上最大的2.5米口径的反射望远镜,确定空间距离的天体物理方法也发展了起来。人们可以对星云的本质有所说明了。
宇宙空间的尺度是太大了,不同的尺度范围要采用不同的方法,因为在某个范围有效的方法进一步扩展就失效了。对于较邻近的天体,可以用三角法测距。三角法也就是传统的视差法,距离太阳最近的比邻星(即半人马座α星,我国古代称之为南门二)就是通过视差法测出的,距离为4.3光年。使用三角法已经测定了500光年的空间距离,但更大的距离三角法就无能为力了。
更大的距离往往采用光度方法确定,我们知道,恒星的视亮度、距离与本身的光度三者之间存在某种确定的关系,视亮度是可以在地球上测定的,因此只要知道了某恒星的光度就可以知道它的距离。天体物理学已经得知,从光谱分布可以相对地确定恒星的光度。因此,光度方法可以用来大致地确定更远的空间距离。使用主序星作为标准,天文学家测出了10万光年的空间距离,大致搞清楚了银河系的空间结构。
超出10万光年之外,主序星的光度就显得太小而不为我们所见,天文学家又找到了造父变星作为标准,利用这个新的光度标准,可以确定星云的本质了。
1924年,美国天文学家哈勃(1889—1953)利用威尔逊山的大望远镜观察仙女座大星云,第一次发现它实际上由许多恒星组成,而且其中有造父变星,这样就可以运用光度方法来确定它的距离了。计算的结果是,仙女座星云位于70万光年之外,远远超出了银河系的范围,这就最终证明了某些星云确实是遥远的星系。哈勃一鼓作气,此后十年致力于观测河外星云,并找到了测定更远距离的新的光度标准,将人类的视野扩展到了5亿光年的范围。
与此同时,美国另一位天文学家斯莱弗(1875—1969)正致力于恒星光谱的研究。从1912年开始,他将视线对准了河外星云,发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象。随着观测的进展,积累的数据越来越多,除个别例外,几乎所有的河外星系(此时哈勃已经表明这些星云确实是河外星系)的光谱都有红移现象。如果按照多普勒效应解释,这就意味着这些星系都在远离地球而去,而且退移的速度相当大,比如室女座星云的速度达到了每秒1000公里,这样大的速度是令人称奇的。
1929年,哈勃考察了斯莱弗的工作,并结合自己对河外星系距离的测定,提出了着名的哈勃定律:星系的红移量与它们离地球的距离成正比。这一定律被随后的进一步观测所证实。哈勃定律指出了河外星系的系统性红移,反映了整个宇宙的整体特征,特别是当红移作多普勒效应解释时,哈勃定律就展示了一幅宇宙整体退移也就是整体膨胀的图景:从宇宙中任何一点看,观察者四周的天体均在四处逃散,这就像是一个正在胀大的气球,气球上的每两点之间的距离均在变大。
2.现代宇宙学的兴起
红移带来了宇宙学研究的勃兴,但现代宇宙学的源头还得从牛顿宇宙学讲起。在牛顿世界里,空间和时间都是无限的。但空间的无限性却带来了许多佯谬,首先一个佯谬是所谓夜黑佯谬,它是由德国天文学家奥尔伯斯(1758—1840)于1820年提出的,有时也称奥尔伯斯佯谬。它指出,如果太空中均匀地分布着无穷多个恒星,那么宇宙中任一点将会感受到无穷大的亮度,考虑到恒星之间的相互遮光之后,这一亮度可以变成一个有限值,但相当恒定,这就是说,夜空也将有一个均匀的亮度,而不是黑的。这一推论显然与事实不符,因此构成了佯谬。奥尔伯斯本人提出了解释佯谬的一种方法,即星际尘埃遮住了大部分星光。但这一解释是不够的,无限宇宙在物理上面临困难。
1917年,也就是广义相对论提出的次年,爱因斯坦发表了《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》一文,将广义相对论用于宇宙学问题,并建立了一个有限无边的静态宇宙模型。这个模型有两大特征,第一,它是有限无边的,第二,它是静态的。前一特征来源于广义相对论。在相对论看来,有物质存在就会出现时空弯曲,整个宇宙的平均物质密度不为零,那么,它整体上必然是一个封闭的体系,它是有限的,但没有边界、没有尽头,就像二维球面是一个有限但无边的二维空间一样。后一特征来自爱因斯坦的一时猜想,他当时相信,宇宙整体上应该是静态的,但他的引力场方程只能得出一个动态解,所以他人为地加了一个宇宙常数,以维持宇宙的静态的。
爱因斯坦的广义相对论出来之后,马上就有许多人据此构造宇宙模型。几乎与爱因斯坦同时,荷兰天文学家德西特得出了一个膨胀的宇宙模型。1922年,苏联物理学家弗里德曼得出了均匀各向同性的膨胀或收缩模型。1927年,比利时天文学家勒梅特再次独立地得到这一模型。后来人们发现,基于爱因斯坦的引力场方程所得到的宇宙模型必定是动态的,或者膨胀,或者收缩,而且膨胀和收缩的速度与距离成正比。
以弗里德曼模型为代表的相对论宇宙学一开始并不为人重视,因为它主要是一些数学推导,看不到物理内容。到了1929年,情况发生了变化。哈勃定律公布后,人们才惊喜地发现,它所展示的宇宙大尺度膨胀现象正是弗里德曼模型所预言了的。科学界一下子被震动了,原来研究整个宇宙的宇宙学确实是可能的,它的预言居然被证实了。作为相对论宇宙学之鼻祖的爱因斯坦也为这一发现欢呼,认为自己在宇宙模型中人为地引进宇宙常数是犯下了一个大错误。
宇宙学变得热闹起来了。人们想到,既然宇宙是膨胀的,那么越往早去,宇宙体积就越小,在某一个时间之前,宇宙就应该极为密集,现有的天体都不可能以现在的状态存在。照哈勃当时提供的数据估计,这个时间大概是20亿年。
事有凑巧,当时的地质学已经能够利用放射性同位素来测定地球上岩石的年龄,初步估计,大约是20亿~50亿年。相比之下,宇宙膨胀的年限也太短了。这使许多宇宙学家感到很为难,爱因斯坦也表态了:“既然由这些矿物所测定的年龄在任何方面都是可靠的,那么,如果发觉这里所提出的宇宙学理论同任何这样的结果有矛盾,它就要被推翻。”
为了既保留宇宙膨胀的观念,又回避年龄困难,英国天文学家邦迪、哥尔得和霍伊尔在1948年分别提出了稳恒态宇宙模型。他们认为,宇宙虽然在不断膨胀,但其中的物质密度并不变小,因为有物质不断地凭空产生出来。由于物质密度不变,所以不存在一个宇宙的密集时期,因而也不存在星体的年龄上限问题。
稳恒态宇宙模型预言了一个极其微小的物质产生率,它在地面实验室里无法验证,但可以通过天文观测检验,因为如果宇宙是稳恒的,那么恒星的分布密度应该是不变的,在地球上的所有天文观测都有一个特点,它完全依赖电磁信号(光是其中最重要的一种),而电磁信号的传播需要时间,因此,你看到的越远也就看得越古老,其空间分布就是时间分布。如果恒星的空间分布是均匀的,那就意味着它在时间上是稳恒的。反之,就不稳恒。通过30年代的星系计数和60年代的射电源计数,结论有了,天体的空间分布是不均匀的。这就是说,稳恒态宇宙模型有问题。
1948年,美国帕洛马山天文台建成了当时世界最大的光学望远镜,其口径达到5米,远远超过了此前哈勃使用的威尔逊山天文台的2.5米口径。天文学家利用新的望远镜继续证实了哈勃定律,但对哈勃关系中的哈勃常数提出了疑问,经认真仔细地校订,发现哈勃常数比实际数值小了10倍。按新的常数估计宇宙的年龄应当是200亿年,这样星体年龄问题就迎刃而解了。
年龄问题解决之后,理论宇宙学家当即着手研究宇宙早期的密集状态。从40年代末开始,俄裔美籍物理学家伽莫夫(1904—1968)等人提出了热大爆炸宇宙模型。他们认为,宇宙起源于一次巨大的爆炸,之后不仅连续膨胀,而且温度也在由热到冷地逐步降低。在宇宙早期,不仅密度很高,而且温度也很高,所有的天体以及化学元素都是在膨胀过程中逐步生成的。
大爆炸模型有一个重要的预言,即随着宇宙的不断膨胀,温度不断下降,各类元素开始形成,但原初辐射与物质元素脱离耦合后仍保持黑体谱,黑体辐射的温度大约是5 K。60年代,天文学家真的观测到了这种宇宙背景辐射,从而使大爆炸宇宙模型被广泛地接受,成为宇宙学界的标准模型。
3.射电望远镜与二十世纪六十年代的四大发现
传统的天文观测均是收集宇宙天体发来的可见光信息,但这只是它们所发射的大量电磁波的一个极小的部分。这些电磁波依波长从短到长有γ射线、X射线、紫外线、光波、红外线和无线电波,地球大气严重地吸收了它们之中的紫外和红外的大部分,只留下了一个狭窄的可见光段的窗口,人们常称它是大气的小天窗。当然,在电磁学理论未建立之前,人们也不知道还有其他的窗口。
电磁波发现以来,很快在各个领域得到了应用。无线电是最引人注目的重大应用成就。马可尼已经发现,地球上空的电离层可以反射无线电波,这促使他开通了英国与加拿大之间的无线电报。1924年,在一次测定电离层高度的无线电实验中,人们偶然发现,当发射的电波波长小于40米时,电波便一去不回了,开始以为是被吸收了,后来才知道它透过地球大气层飞出了外层空间。既然地球内部的电波可以跑出去,宇宙空间中的电波也就可以飞进来。天文观测的另一窗口就这样不知不觉被打开了。
窗口虽然已经打开,但由于仪器的灵敏度不高,一直也没有接受到来自天外的电磁信号。1932年,美国电信工程师央斯基(1905—1950)在做无线电通信干扰实验时,偶然发现了来自银河系中心人马座的电波信号。这一发现公布后并未引起人们的注意,无线电工作者认为其干扰不大,不予理会,而天文学家则均没有意识到它的重大意义。只是随着宇宙射电讯号的不断发现,天文学家才开始关注这一新的观测方法。
1946年,英国曼彻斯特大学开始建造直径66米的固定抛物面射电望远镜,1955年又建成了世界上当时最大的76米直径的可转抛物面射电望远镜。以后,射电技术有了长足的发展,射电望远镜发展出了射电干涉仪,它由一组射电望远镜组成一个天线阵,可以观测到很微弱的射电源。
第二次世界大战之后迅速兴起的射电天文学成了天文学中最有活力的新领域,60年代出现的四大发现就是在射电天文学观测中做出的。
第一个发现是宇宙微波背景辐射。1964年,贝尔电话实验室在新泽西州的克劳福德山上建立了一架供人造卫星用的天线,射电天文学家彭齐亚斯(1933—)和威尔逊(1936—)正在调试这架天线,以测定银河系平面以外区域的射电波强度。当他们想出办法避免地面噪声,而且提高了灵敏度后,发现总有一个原因不明的噪声消除不掉。该噪声十分稳定,相当于3.5 K的射电辐射温度。他们开始很不理解,因而也没有立即公布自己的发现。消息传到了普林斯顿大学,那里的天体物理学家迪克等人正在准备做实验验证大爆炸模型所预言的背景辐射,听到这个消息之后,立即断定这个无法理解的噪声就是宇宙背景辐射。他们通力协作,继续观测,终于证实了彭齐亚斯和威尔逊的观测结果。观测到的背景辐射是黑体谱且各向同性,与热大爆炸宇宙说的预言完全符合。这就强烈地支持了大爆炸宇宙理论,使宇宙学的理论研究掀起了一个新的高潮。
第二个发现是类星体。1963年,天文学家发现了一种新的奇异的星体,它体积极小、辐射能量极大。更为奇特的是,它们的红移量都相当巨大。这类新天体的发现给红移问题带来了麻烦。如果按红移的多普勒解释,类星体应该离我们极为遥远,有些类星体可以达到上百亿光年。但它们的亮度又十分大,这样远的天体向我们辐射出如此巨大的能量,这用我们已知的任何物理规律都无法解释。由于类星体发现得越来越多,红移量也越来越大,以致许多人开始怀疑红移的本性究竟是不是多普勒效应造成的。在红移本性方面出现的争论至今也没有平息。
第三个发现是脉冲星。1968年,天文学家用射电望远镜发现了又一种新型的天体,它以很短的周期有规律地发出短促的射电脉冲。天体物理学家已经证认出,它是一种超高温、超高压、超高密、超强磁场、超强辐射的中子星,脉冲星的发现对于进一步了解宇宙的物理本质有很高的价值。
第四个发现是星际分子。1963年,射电天文学家在仙后座发现了羟基分子的光谱,1968年又在人马座方向发现了氨分子的发射谱线。更值得注意的是,1969年在人马座上还发现了一个多原子的有机分子:甲醛分子。这个发现引起了科学界的高度重视,因为甲醛分子在适当的条件下可以转化为氨基酸,而氨基酸是生命物质的基本组成形式。这意味着,在宇宙空间确实存在着生命发生的适宜条件。随着星际分子发现得越来越多,一门星际分子天文学也诞生了。
宇宙是神秘的,它正在等待着未来的天文学家去识破、猜度。
(选自《科学的历程》,湖南科学技术出版社1995年版)
三、宇宙论导引(J.希尔克)
宇宙论是研究宇宙的大尺度结构和演化的学科。当我们巡视遥远的太空深处时,也就是在沿着时间上溯。我们所看到的那些最远的星系,是很久很久以前当它们发出的光开始其漫长的太空旅行时的面貌。既然庞大的星系都曾经是年轻的,所以宇宙结构如何产生的问题就同宇宙论不可分割地联系在一起。研究宇宙中可观测的结构(从巨大的星系团到太阳系)的起源属于天体演化学的领域。有待查明的根本问题包括:宇宙是何时和怎样发端的,星系是如何形成并获得我们观测到的形态及尺度分布的,恒星是如何诞生的,行星和生命是如何演化的,等等。
仅仅在20年前,人们还没有什么把握来回答宇宙论和天体演化学的这些根本问题。我们对于遥远宇宙和早期宇宙的知识是如此贫乏,以至于好些很不相同的宇宙学理论似乎都可以解释观测资料。然而近年来天文学家们作出了有关宇宙本性的激动人心的新发现,这些发现提供了压倒优势的证据支持一种宇宙学理论,即大爆炸理论。今天,人们正是在这个理论的框架内探索着宇宙论和天体演化学的根本问题。
尽管大爆炸理论还不能对所有的重大问题作出回答,但它却为我们勾画出了一幅宇宙演化的大致轮廓。在下面几章中,我们将描述那些为大爆炸理论提供了证据的发现,并将追溯宇宙从最初时刻以来的演化。可以看到,当我们试图回答宇宙论和天体演化学的某些基本问题时,新的问题和争议又会不可避免地出现。我们理论的许多细节仍然是不确定的。在这种情况下,我们可以描述一些可供选择的假说,并指出一些方向留待进一步的研究来判明。因此,我们的讨论既包含了宇宙本身的过去和未来,也包含着人类为理解它所作努力的历史和前景。作为开始,我们要介绍一些形成任何科学的宇宙理论基础的原理。
1.宇宙学原理
自古以来,人类就不愿放弃我们在宇宙里起着中心作用的想法。先是提出了地心宇宙观,放弃地心宇宙观以后又提出了日心宇宙观。直到20世纪人们才认识到,我们的太阳不过是处在一个普普通通星系边沿的一颗普普通通的恒星。我们的星系是一个大星系团外部的一个松散星系群的一员。甚至这个星系团(即室女座星系团)同我们在宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系团相比,也只不过是一个毫不出众的角色而已。我们在宇宙中的地位可以说是平凡到了极点。
这种用最大的光学望远镜观测得来的知识,给宇宙学者留下了一个棘手的难题。我们的观测是从宇宙中的一个特殊位置进行的,而建立一个宇宙学理论却要求一般地了解整个宇宙中物质的性质和分布。宇宙学者需要摆脱这种令人遗憾的限制,他们的办法是假设一个普适原理,这个原理要求宇宙在我们附近的部分同极遥远的区域相比没有什么差别。有很强的哲学理由来为这种普适原理辩护。举个例来说,物理学规律在全宇宙中应当是同样的;因为若不如此,实验就会不可重复,而我们的物理规律就会不成其为规律了。一个更强的要求是,大宇宙应当尽可能地简单。用可以容许的最简单模型来解释现象,这是物理学前进的自然方式。不过,宇宙学原理也有一些不同的说法。
1543年,哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼学说的逻辑推广是应将我们的银河系从任何优越的空间位置挪走。于是我们得到了近代宇宙论的重要基石,即哥白尼宇宙学原理。这个原理说,我们在宇宙空间中并不处于特别优越的位置。人们研究了天文底片上的大量星系以后发现,它们的出现频率在不同方向上是颇为相似的。这一迹象表明,宇宙是局域各向同性的,从地球上看来,宇宙在不同方向上显示出相同的面貌。(从中心看一个球是各向同性的,而看一个鸡蛋就不然了。)哥白尼原理要求,宇宙在空间任何一点周围都是各向同性的。矩的反射应足以验证,点点各向同性要求宇宙在空间上也必须均匀。因为,如果宇宙是非均匀的,那么它只能在某些特定位置上显示出各向同性。
某些宇宙学者曾试图把宇宙学原理推广到包括沿时间不变的概念。根据这个原理,至少在最大的尺度上宇宙是永恒不变的。于是,完美宇宙学原理说,从空间和时间中的任何一点看去,宇宙都呈现出相似的面貌。由这个假设导出的稳恒态宇宙论已被观测排除。因而,宇宙学者一般只接受宇宙学原理的较弱的形式,而我们也乐于承认,宇宙在空间(而不是时间)中是近似均匀且各向同性的。
为了完备起见,我们还得谈谈人择宇宙学原理。这个原理采取的观点同完美宇宙学原理正好相反,宣称人类是在一个特定时期观察着宇宙的,尽管目前的宇宙从空间任何点看去显得一样。假设这个特定时期是因为需要产生那些有利于生命演化的特殊条件,比方说,假如宇宙比现在炽热得多或稠密得多,星系就不能形成;假如引力的强度和我们的观测值大不相同,行星系统就不能形成,或不适合于我们所知的生命形式存在。现已查明,地球的年龄和天文学家发现的最老恒星或星系的年龄相仿(顶多差4倍),这毕竟是一个惊人的符合。人择宇宙学原理用“许可”来解释这种相似性。宇宙本来可以比它实际的情形不规则和无序得多。人择宇宙学原理断言,若是那样的话,各种条件就不能容许生命存在了。因此,作为观察者,我们是生活在一个非常特殊的宇宙中,并且这个宇宙必须是均匀各向同性的。“人择”是一个非常基本的论据,因为它试图对哥白尼宇宙学原理作出解释,而后者几乎是所有有生命力的宇宙论的核心。
2.近代宇宙论
不同的宇宙学原理导致迥然不同的宇宙图景。哥白尼宇宙学原理是大爆炸理论的基础。的确,大爆炸理论实际上先于宇宙膨胀的发现。如果要求宇宙处处均匀各向同性,我们就唯一地得出大爆炸宇宙论。实际上有两种不同的大爆炸宇宙论模型。按第一种模型,宇宙将永远膨胀下去。按第二种模型,宇宙最后将重新收缩。在这两种模型中,使宇宙趋向再收缩的引力都是由初始爆炸的力抗衡着,后者在永远膨胀的模型中相对较强,而在注定要再收缩的模型中相对较弱。
按照大爆炸理论,宇宙在过去一定要比现在致密得多炽热得多。这个理论不符合完美宇宙学原理,后者要求宇宙在一切时期显示出相同的面貌。建立稳恒态宇宙论就是为了满足完美宇宙学原理的要求。这种理论是1948年由海尔曼·邦迪、托马斯·哥尔德和弗雷得·霍依耳引入的。它假设物质不断地以准确的速率产生出来恰好维持宇宙中各处相同的平均物质密度,从而预言宇宙在一切时代都具有相同的面貌。稳恒态理论(至少它的初始形式)是一个非常大胆的理论。大爆炸理论最薄弱的一环,即初始创生的时刻被暴露出来了。既然大爆炸理论可以断言宇宙是在遥远而有限的过去一瞬间创生的,那为什么不能同样合理地断言任何时刻任何地方都在发生创造呢?
观测证据是任何理论最严格的仲裁者,它终于否定了稳恒态宇宙论的这个大胆断言。在1950年,由于进行了更精巧更有鉴别力的天文观测,稳恒态理论的提倡者逐渐修改了它的形式。因为这个理论变得越来越牵强,只剩下一些最固执的支持者还相信它。最后,稳恒态宇宙论在1965年被宇宙微波背景辐射的发现推翻了,这一发现为宇宙早期的炽热阶段提供了不容置辩的证据。现在,稳恒态宇宙论只不过是在现代宇宙论发展过程中的一个有相当历史意义的插曲而已。
虽然人们一直敦促稳恒态理论的提出者同意宇宙膨胀开始于百亿年前的一瞬,但关于早期宇宙行为的无数种可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙学原理只能用可观测的宇宙来评判,而大爆炸理论对后者提供了极好的描述。不过,在宇宙还很年轻的早期,我们可以想象一种宇宙论和标准大爆炸模型的均匀各向同性膨胀非常不同。这种膨胀是各向异性的:在某个优先的方向上迅速膨胀而同时在另外的方向上坍缩。或者,宇宙也可能是非常不均匀的;在较密的区域可以发生局部的坍缩而形成黑洞。我们没有科学上的理由偏爱简单而规则的大爆炸模型而讨厌宇宙可能有较离奇的开端。这两种可能性同我们的物理规律都不矛盾,而天文观测目前也还不能鉴别它们。
尽管有无数种可能的开端,我们还可求助于人择宇宙学原理为宇宙挑出唯一的过去。按照这条原理必须承认标准大爆炸模型。因为,假若宇宙以一种极不规则的方式演化,就不会有我们人类出现了。所有那些浑沌宇宙论经过充分长的时间以后,多半都会发展得不利于生命的存在。只有从无数种选择中挑选出来的标准大爆炸模型才能提供适合生命演化的环境。
否认人择原理的宇宙学者满足于宇宙的混沌起源。显然,这样的宇宙反推回去要花无穷长的时间,因此人们可以认为这种观点只具有学院式意义。相反,求助于人择原理的宇宙学者选择一种从初始至无穷永远保持简单的宇宙。选均匀的宇宙还是选早期混沌的宇宙,取开模型还是取闭模型,这乃是现代宇宙论面临的主要决择。
3.大爆炸
大爆炸理论揭示了宇宙演化的壮阔景象。宇宙膨胀大约开始于200亿年前。这个初始时刻及其以前的条件纯属猜测的范畴。虽然我们将在下面几章中碰到这个问题,但通常的理论对此是闭口不谈的。早期宇宙非常炽热、非常致密,同时也许还是很不规则的。这种不规则性和各向异性逐渐消失了。在大爆炸后数分钟内出现了一些核反应,宇宙中几乎所有的氦就是在那时合成的。随着膨胀的进行,宇宙逐渐变冷,就像热空气边膨胀边冷却一样。宇宙背景辐射就是这个早期时代的遗迹。人们一直恰当地把它称为原始火球的剩余辐射。根据一种宇宙演化的方案,随着宇宙中物质的冷却,它终将凝聚为原星系。原星系分裂为恒星并聚在一起成为范围广阔的巨大集团。随着头几代恒星的诞生和死亡,逐渐合成了碳、氧、硅、铁这类重元素。当恒星演化为红巨星时,它们便抛出凝结为尘粒的物质。从气体和尘埃云中形成了新一代的恒星。至少在一个这样的星云里,冷的尘埃坍缩成一个环绕恒星的薄盘。尘粒通过合并彼此附着并累积成较大的物体,这些物体在彼此引力的吸引下长大,形成从小行星到大行星的形形色色天体,这些天体就构成了太阳系。
大爆炸理论引导我们追溯整个宇宙的演化,从时间的头几毫秒到地球的形成和生命的出现,再走向可能是无限的未来。在考察这种演化的细节之前,我们将在第二章中讨论科学宇宙论的历史渊源。
(选自《宇宙的起源与演化──大爆炸》,科学普及出版社1988年版,邹振隆译)
