古往今來,無數(shù)人面對(duì)蒼茫的大地,面對(duì)燦爛的星空,面對(duì)浩瀚的宇宙,陷入了對(duì)世界的沉思:誰創(chuàng)造了這一切?
世界各地的不同文明、不同宗教,都孕育了對(duì)世界、對(duì)人類起源的故事。
我國民間流傳的是盤古開天辟地的故事:說的是,在遙遠(yuǎn)的太古時(shí)代,宇宙好像一顆碩大無比的雞蛋,有一個(gè)巨人叫盤古,在里面誕生了,他沉睡了一萬八千多年,終于蘇醒過來。他伸展一下筋骨,使出渾身氣力,大吼一聲,奮力揮舞開來。一股清新的氣體散發(fā)開來,飄飄揚(yáng)揚(yáng)升到高處,變成天空;另外一些渾濁的東西緩緩下沉,變成大地。從此,混沌不分的宇宙一變而為天和地,耗盡全身力氣的盤古死了,他的左眼變成太陽,照耀大地;右眼變成皓潔的月亮,給夜晚帶來光明;千萬縷頭發(fā)變成點(diǎn)點(diǎn)繁星,點(diǎn)綴美麗的夜空;而他的四肢和身軀卻變成雄偉山川,鮮血變成江河湖海,奔騰不息;肌肉變成千里沃野,供萬物生存;骨骼變成樹木花草,供人們欣賞;牙齒變成石頭和金屬,供人們使用;汗水變成雨露,滋潤禾苗;呼出的空氣變成輕風(fēng)和白云,匯成美麗的人間風(fēng)光。
在古老的印度教的傳說中,也有驚人相似的故事,說的是造物主梵天從一個(gè)金蛋中誕生,是一個(gè)有四個(gè)頭顱的天神,梵天從金蛋里出來后,用蛋殼的兩半創(chuàng)造了天地,然后從他身體的各個(gè)部位誕生萬物,當(dāng)然也包括人。這個(gè)故事是不是和咱們的盤古開天辟地高度的相似?
那么在西方社會(huì),流傳的是《圣經(jīng)》中的故事:起初,神創(chuàng)造天地。地是空虛混沌,淵面黑暗;神的靈運(yùn)行在水面上。神第一天創(chuàng)造了白天和黑夜,第二天創(chuàng)造了天空,第三天創(chuàng)造了大地、海洋和各種植物,第四天創(chuàng)造了太陽和月亮,第五天創(chuàng)造了動(dòng)物,第六天創(chuàng)造了人類,第七天安息了。
這些不同版本的故事,反映了人們對(duì)天地宇宙起源的思考與想象。
宇宙有沒有起源和終結(jié),它是永恒的還是演化的?其實(shí)這也是從古代哲學(xué)家到現(xiàn)代天文學(xué)家一直都在苦苦思索與探索的問題。直到20世紀(jì),宇宙學(xué)已經(jīng)不再是依靠想像的故事傳說,也不再是幽深玄奧的抽象哲學(xué)思辨,而是建立在天文觀測和物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的一門現(xiàn)代科學(xué),以眾多觀測事實(shí)為依據(jù)的宇宙起源和演化理論才正式宣告誕生。
愛因斯坦揭開了現(xiàn)代宇宙學(xué)研究的序幕。1916年,愛因斯坦提出廣義相對(duì)論。這一理論主張,時(shí)間和空間并不像人們一貫認(rèn)為的那樣,只是一個(gè)讓物體在其中運(yùn)動(dòng)而本身卻不受影響的容器,而更像是一個(gè)形狀依賴于其上所載小球的彈性薄膜,它描述的是彎曲的時(shí)空。1917年,愛因斯坦率先把他的廣義相對(duì)論應(yīng)用于宇宙學(xué)研究,得到一個(gè)有限無界的靜態(tài)宇宙模型。盡管后來發(fā)現(xiàn)它不可能保持穩(wěn)定而被放棄,但畢竟是一次開創(chuàng)性的嘗試。
1924年,蘇聯(lián)科學(xué)家亞歷山大·弗里德曼在廣義相對(duì)論的框架下,從理論上論證了宇宙要么膨脹,要么收縮,決不會(huì)保持靜止?fàn)顟B(tài)。1929年,美國天文學(xué)家哈勃在仔細(xì)研究了一批星系的光譜之后發(fā)現(xiàn),除個(gè)別例外,絕大多數(shù)星系的光譜都表現(xiàn)出紅移,而且紅移量大致同星系的距離成正比,說明恒星在遠(yuǎn)離地球而去,那么,直接的推論就是:字宙中所有的星系都在彼此遠(yuǎn)離,即宇宙處于普遍的膨脹之中!哈勃的這一發(fā)現(xiàn)為弗里德曼宇宙模型提供了直接的觀測依據(jù),動(dòng)搖了宇宙整體靜止的傳統(tǒng)觀念,為進(jìn)步研究字宙的起源和演化掃清了道路,是上世紀(jì)天文學(xué)最重要的成就之一。這一研究結(jié)果也改變了愛因斯坦對(duì)宇宙的看法,他把堅(jiān)持靜態(tài)宇宙模型的失誤稱為自己“一生中最大的錯(cuò)事”。

宇宙大爆炸是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說。根據(jù)40年代由伽莫夫等人開創(chuàng)的對(duì)于宇宙早期高密狀態(tài)的研究,在大爆炸發(fā)生以前,宇宙中的溫度高于100億K。那時(shí)不僅不可能存在星系、恒星、地球,甚至除氫核外也沒有其他到化學(xué)元素,只有處于熱平衡狀態(tài)下的由質(zhì)子、中子、電子、光子K等基本粒子混合而成的“宇宙湯”。不僅溫度極高,物質(zhì)密度也相當(dāng)大。宇宙起源于一個(gè)單獨(dú)的無維度的點(diǎn),即一個(gè)在空間和時(shí)間上都無尺度但卻包含了宇宙全部物質(zhì)的奇點(diǎn)。至少是在120~150億年以前,宇宙及空間本身由這個(gè)點(diǎn)爆炸形成。整個(gè)體系在不斷膨脹,結(jié)果溫度很快下降。在溫度下降的過程中,宇宙中的各種基本粒子,比如中子、質(zhì)子、電子、光子和中微子等等,這些基本粒子發(fā)生各種核反應(yīng),產(chǎn)生各種化學(xué)元素。當(dāng)溫度降到幾千度時(shí),輻射減退,宇宙間主要是氣態(tài)物質(zhì),氣體逐漸凝聚成氣云,再進(jìn)一步形成各種各樣的恒星體系,成為我們今天看到的宇宙。
對(duì)大爆炸理論形成有力證據(jù)的觀測事實(shí)主要有:
一是哈勃觀測到河外天體有系統(tǒng)性的譜線紅移,而且紅移與距離大體成正比。如果用多普勒效應(yīng)來解釋,那么紅移就是宇宙膨脹的反映。
二是各種天體年齡的測量。借助盧瑟福所開創(chuàng)的利用物質(zhì)中放射性同位素含量測定其形成年代的方法,人們測量了地球上最古老的巖石、“阿波羅號(hào)”宇航員從月球上帶回的巖石以及從行星際空間掉到地球上的隕石樣本,發(fā)現(xiàn)它們的年齡均不超過47億年。恒星的年齡可以從它們的發(fā)光功率和擁有的燃料儲(chǔ)備來估計(jì)。根據(jù)熱核反應(yīng)提供恒星能源的理論,人們估計(jì)出銀河系中最老恒星的年齡為100-150億年。用這兩種完全不同的方法得到的天體年齡竟與“宇宙齡”協(xié)調(diào)一致,這對(duì)大爆炸宇宙模型當(dāng)然是十分有力的支持。
三是輕元素豐度的測量。天文觀測表明,無論在宇宙中哪個(gè)角落,無論在恒星、星際物質(zhì)中,氦與氫的比例均大體與此相符。同-時(shí)期合成的氘、氚、鋰、鈹、硼等輕元素,盡管數(shù)量小得多,但它們的豐度(即與氫的比例)也具有類似的普適性。這對(duì)熱大爆炸模型無疑又是一個(gè)有力的支持。
四是微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)。按照宇宙大爆炸理論,隨著宇宙的膨脹,輻射溫度不斷下降,但始終保持黑體譜形和總體均勻性。按伽莫夫等人的計(jì)算,作為大爆炸過程的遺跡,目前的宇宙中應(yīng)普遍存在溫度約5K的背景黑體輻射。由于這種輻射的峰值波長在1毫米附近,處于微波波段,故又稱微波背景輻射。這一重要預(yù)言在提出后并未引起人們的認(rèn)真關(guān)注。直到1964年,美國貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的彭齊亞斯和威爾遜用架衛(wèi)星通訊天線在7.35厘米波長處探測到一種來自宇宙空間的強(qiáng)度與方向無關(guān)的信號(hào)時(shí),他們起初也并不清楚自已發(fā)現(xiàn)的意義。后來普林斯頓大學(xué)的皮伯斯等得知這一消息,才認(rèn)識(shí)到這正是他們?cè)噲D尋找的宇宙背景輻射。為了最后“驗(yàn)明正身”,20多年來,全世界天文學(xué)家對(duì)這種輻射的譜分布和方向進(jìn)行了大規(guī)模調(diào)查,形勢(shì)逐漸明朗。1989年,美國宇航局專門為此發(fā)射了宇宙背景探測者衛(wèi)星,第一批測量數(shù)據(jù)表明:在從0.5毫米到5毫米的整個(gè)波段上,該輻射的譜分布與理論完全相合。這就無容置疑地證明了微波背景輻射。它是熱大爆炸模型最令人信服的證據(jù),這個(gè)發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)代宇學(xué)史上的地位只有字宙膨脹的發(fā)現(xiàn)可以相比。如果說,哈勃的發(fā)現(xiàn)是打開了宇宙整體動(dòng)力學(xué)演化研究的大門的話,那么,彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)就是打開了宇宙整體物理演化研究的大門。
到21世紀(jì),現(xiàn)代宇宙學(xué)又有了新的探索與發(fā)現(xiàn),“大反彈”理論成為“大爆炸”理論的新發(fā)展。
2014年3月份,當(dāng)科學(xué)家們使用設(shè)在南極的探測器發(fā)現(xiàn)支持宇宙大爆炸的證據(jù)的時(shí)候,消息震動(dòng)了整個(gè)物理學(xué)界。“大反彈”理論認(rèn)為宇宙并非一定要從一個(gè)所謂的“奇點(diǎn)”誕生,而是從上一個(gè)宇宙的崩塌中反彈而生。這是統(tǒng)一量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的一項(xiàng)嘗試,而它本身便是引力對(duì)宇宙產(chǎn)生作用的表現(xiàn)形式。其基本內(nèi)涵是認(rèn)為宇宙可被視作是許多纏繞的圈環(huán),從而賦予空間本身一種類似原子的結(jié)構(gòu),使其成為類似物質(zhì)的東西。引力可以隨著宇宙密度的上升而成為一種反彈力,就像彈簧被壓縮到一定的程度之后就會(huì)變得更難繼續(xù)進(jìn)一步壓縮。因此,如果宇宙的確曾經(jīng)塌縮,那么當(dāng)它達(dá)到某一臨界尺度,它最終還將會(huì)再次反彈。這一擴(kuò)張過程就是所謂“爆炸”。
這一新的理論將解決一些棘手的問題,比如:宇宙大爆炸之前是什么?因?yàn)檫@樣一來這個(gè)問題的答案就會(huì)很簡單:一個(gè)正在收縮中,尚未抵達(dá)其最小尺度的宇宙。隨后,宇宙便再次膨脹。
科學(xué)研究永無止境,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,未來人類還將需要借助現(xiàn)代科技設(shè)備的觀測結(jié)果,對(duì)宇宙的形成將會(huì)有新的認(rèn)識(shí)。但有一個(gè)基本的事實(shí)是:宇宙是在永恒的運(yùn)動(dòng)與發(fā)展中!

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