自然界的演化圖景第一頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一第一節(jié)宇宙的演化

一、宇宙演化的理論基礎(chǔ)宇宙是神創(chuàng)造的，還是自生的？這一問(wèn)題在近代科學(xué)發(fā)展史上已經(jīng)獲得了解決。但對(duì)宇宙是靜止的，還是運(yùn)動(dòng)的這個(gè)宇宙學(xué)難題，直到20世紀(jì)初也沒有一個(gè)正確的解答。從牛頓到愛因斯坦，都毫無(wú)例外地認(rèn)為宇宙是均勻靜止的，但自19世紀(jì)德國(guó)天文學(xué)家奧伯斯提出光度佯謬以來(lái)，靜態(tài)宇宙模型就一直面臨著難以自圓其說(shuō)的尷尬，愛因斯坦的引力場(chǎng)方程中假設(shè)的宇宙項(xiàng)也受到了理論和觀察兩方面的挑戰(zhàn)。1922年前蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家弗里德曼設(shè)宇宙常數(shù)∧=0（愛因斯坦的∧=1/R2，R為宇宙半徑），得出引力場(chǎng)方程的動(dòng)態(tài)解，并導(dǎo)出了演化的均勻各向同性宇宙模型。1927年比利時(shí)天文學(xué)家勒梅特導(dǎo)出了∧>0的演化的均勻各向同性的宇宙模型。兩個(gè)模型都有一個(gè)共同的宇宙膨脹的概念。這個(gè)理論預(yù)言后來(lái)得到了觀測(cè)的驗(yàn)證。第二頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一1929年，美國(guó)天文觀察家哈勃在斯里弗的研究基礎(chǔ)上進(jìn)一步確證，所有的河外星系都具有紅移現(xiàn)象，而且紅移（準(zhǔn)確的說(shuō)是星系退行的速度）與距離之間有近似的線性關(guān)系。即星系的距離越遠(yuǎn)，其譜線的紅移量越大。根據(jù)光的多普勒效應(yīng)，可以逆推紅移程度越強(qiáng)的星系，離開我們的距離越遠(yuǎn)，退行速度越快。1930年英國(guó)天文學(xué)家愛丁頓把星系譜線的普遍性紅移現(xiàn)象看作是非靜態(tài)宇宙的膨脹效應(yīng)，愛因斯坦也建議取消他的引力場(chǎng)方程中的宇宙項(xiàng)。至此，宇宙是靜止的觀念被科學(xué)界放棄，一個(gè)新的宇宙模型呼之欲出。第三頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一勒梅特在他的宇宙膨脹概念的基礎(chǔ)上，于1932年關(guān)于宇宙起源的大爆炸宇宙模型。他認(rèn)為宇宙物質(zhì)起源于某個(gè)原子的蛻變。最初物質(zhì)高度密集，宇宙斥力使他快速膨脹，由于引力的作用，隨后出現(xiàn)一個(gè)減速期，星系的原始物質(zhì)就是在這個(gè)階段形成的，然后斥力超過(guò)引力，膨脹繼續(xù)進(jìn)行，于是宇宙的原創(chuàng)物——原子或者它的蛻變物均勻地充滿整個(gè)空間，此空間的半徑由起始時(shí)的零值永遠(yuǎn)增加著。

第四頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一1948年美國(guó)物理學(xué)家蓋莫夫提出熱大爆炸模型。其主要觀點(diǎn)是：宇宙有一個(gè)開端，原初的宇宙不是由物質(zhì)構(gòu)成的，早期宇宙內(nèi)什么物質(zhì)也沒有，連夸克也不存在，而是一個(gè)幾乎完全由熱輻射充滿的宇宙，他將之比成一個(gè)“原始火球”，時(shí)間和空間也從類似于零的奇點(diǎn)開始，從最大壓縮、爆炸的時(shí)刻算起，距離與時(shí)間的平方根成正比增加，溫度則與之成反比減少。在極高溫度下原始火球（復(fù)合核）分解為各種粒子，隨著宇宙的膨脹與溫度下降，質(zhì)子和中子開始聚合成氘、氚、氦和更重的元素。

第五頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一把宇宙演化和元素起源結(jié)合起來(lái)是該理論的一大特色。他和他的同事貝特(Bethe)、學(xué)生阿爾法(Alpher)聯(lián)名發(fā)表了《α、β、γ理論：化學(xué)元素的起源》指出：宇宙中的氦主要是宇宙大爆炸早期合成的，原來(lái)充滿宇宙的熱輻射今天應(yīng)仍然有殘余跡象。根據(jù)宇宙的氦豐度和膨脹速度，他推算宇宙殘留輻射的溫度大約在5K左右。1964年美國(guó)射電天文學(xué)家彭齊亞斯與威爾遜在測(cè)量銀暈氣體射電輻射時(shí)，發(fā)現(xiàn)有消不掉的背景噪聲。這些微波噪聲的相當(dāng)于3.5K,1965年訂正為2.7K。

第六頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一這種微波輻射的重要特征是具有黑體輻射譜。而黑體輻射譜只有通過(guò)輻射與物質(zhì)的相互作用才能形成，現(xiàn)今宇宙的輻射與物質(zhì)相互作用極小，可根據(jù)大爆炸假說(shuō)推測(cè)宇宙早期輻射與物質(zhì)相互作用極大，所以，這種宇宙背景輻射必定起源于那時(shí)，是早期宇宙輻射的殘余。這樣就在實(shí)踐的意義上驗(yàn)證了宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)的預(yù)言。第七頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一但是，按照標(biāo)準(zhǔn)宇宙大爆炸模型來(lái)解釋宇宙的起源和演化，仍有許多問(wèn)題。這個(gè)模型可以簡(jiǎn)單地表述為：宇宙在空間上具有均勻的各向同性的特征，所有的星系都直接互相離開，這情形很像一個(gè)畫上好多斑點(diǎn)的氣球被逐漸吹脹。當(dāng)氣球膨脹時(shí)，任何兩個(gè)斑點(diǎn)之間的距離加大，但是沒有一個(gè)斑點(diǎn)可認(rèn)為是宇宙的中心。與前所述，這一點(diǎn)已得到了觀察上的支持，但是接踵而來(lái)的問(wèn)題是：這個(gè)膨脹受哪些因素影響和制約？在大爆炸之前是怎樣的狀況？為何在大尺度上宇宙是均勻的呢？

第八頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一按照相對(duì)論，如果連光都不能從一個(gè)區(qū)域走到另一個(gè)區(qū)域，則沒有任何其他的信息可以傳遞？早期宇宙又是如何協(xié)調(diào)一致，保證宇宙不僅在空間上具有均勻的分布特征，而且為何宇宙以這樣接近于區(qū)分塌縮和永遠(yuǎn)膨脹模型的臨界膨脹率的速率開始，如果在大爆炸后的一秒鐘內(nèi)，其膨脹速率只要小十億億分之一，那么在它達(dá)到今天這么大的尺度之前就已塌縮

第九頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一這些問(wèn)題在后來(lái)美國(guó)麻省理工學(xué)院的古斯提出的暴漲宇宙模型中得到了解決。他認(rèn)為可以將宇宙理解為從一個(gè)非常熱而且相當(dāng)紊亂的狀態(tài)開始爆炸，對(duì)稱性破缺導(dǎo)致了相變，宇宙初始狀態(tài)的不規(guī)則性將因膨脹而抹平。所以，宇宙現(xiàn)在光滑一致的狀態(tài)，是可以從許多不同的非一致的初始狀態(tài)演化而來(lái)，這就避免了關(guān)于初始宇宙的過(guò)分理想化的猜測(cè)，使該理論更具有普遍性。第十頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一但對(duì)在爆炸之后（包括從我們現(xiàn)在算起的未來(lái)）是否會(huì)繼續(xù)膨脹下去？這個(gè)問(wèn)題卻是這一模型提出者始料未及而又無(wú)可回避的。要回答這個(gè)問(wèn)題，首先必須確定膨脹的機(jī)制，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙的膨脹速度和它的密度之間存在正相關(guān)性，如果密度比一個(gè)由膨脹率決定的某臨界值（該臨界值可參考印度科學(xué)家薩拉瑪尼安-強(qiáng)德拉塞卡計(jì)算出的強(qiáng)德拉塞卡極限，它可以形象化的表述為：一個(gè)大約為太陽(yáng)質(zhì)量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。）還小，則引力太弱不足以將膨脹停?。蝗绻芏缺冗@臨界值大，則引力會(huì)在未來(lái)的某一時(shí)刻將膨脹停止并使宇宙塌縮。宇宙是繼續(xù)膨脹下去還是有可能塌縮？

第十一頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一宇宙標(biāo)準(zhǔn)爆炸模型提供了三種可能解：第一種是，宇宙膨脹得足夠慢，以至于在不同星系之間的引力時(shí)膨脹變慢下來(lái)，并最終時(shí)之停止；然后星系開始相互靠近，宇宙開始收縮；最后星系聚合在一起，成為霍金所描述的黑洞。（注意霍金最初所討論的黑洞僅限于恒星的最終態(tài)，但只要出現(xiàn)星體或星系的聚合，霍金的黑洞效應(yīng)就可能發(fā)生作用。）第二種是，宇宙膨脹得如此之快，以至于引力雖然能使之緩慢一些，卻永遠(yuǎn)不能使之停止，它表示剛開始時(shí)星系間距離是零，最后以穩(wěn)恒的速度相互離開。第三種是，宇宙的膨脹快到足以剛好避免塌縮，星系分開的速度永遠(yuǎn)不會(huì)變?yōu)榱?，但卻越變?cè)铰Ｋ硎拘窍档木嚯x從零開始，然后永遠(yuǎn)增大。第十二頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一現(xiàn)在，天體物理學(xué)家依據(jù)星系譜線紅移和多普勒效應(yīng)已計(jì)算出宇宙的膨脹速度，即宇宙在每10億年里膨脹5%至10%。根據(jù)這個(gè)結(jié)果，如果我們將銀河系和其他所有能看到的星系的恒星的質(zhì)量加起來(lái)，甚至是按照膨脹率的最低的估值而言，其質(zhì)量總量比用以阻止膨脹的臨界值的1%還少。但在我們以及其他的星系里應(yīng)該有大量的“暗物質(zhì)”，那是我們不能直接觀察到的，可由于它的引力對(duì)星系中恒星軌道的影響，我們可以確證它存在。況且人們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系是成團(tuán)的，由其對(duì)星系運(yùn)動(dòng)的效應(yīng)，我們能推斷出還有更多的暗物質(zhì)存在于這些成團(tuán)的星系之間。但將所有這些暗物質(zhì)加在一起，仍只能獲得用以停止膨脹所必須的密度的十分之一。

第十三頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一科學(xué)家們進(jìn)一步設(shè)想，可能還有我們未能探測(cè)到的其他的物質(zhì)形式幾乎均勻地分布于整個(gè)宇宙，它仍可以使宇宙的平均密度達(dá)到停止膨脹所必要的臨界值。所以，現(xiàn)在的證據(jù)顯示，宇宙可能會(huì)無(wú)限地膨脹。第十四頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一但即便我們推測(cè)宇宙在未來(lái)的漫長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)塌縮，可關(guān)于大爆炸之前的早期宇宙狀況，標(biāo)準(zhǔn)模型的三種形式都是假設(shè)宇宙的密度和空間——時(shí)間曲率都是無(wú)窮大，這使得廣義相對(duì)論在處理這一奇點(diǎn)問(wèn)題時(shí)失效。1970年，英國(guó)數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰-彭羅斯和霍金證明，廣義相對(duì)論只是一個(gè)不完全的理論，它不能告訴我們宇宙是如何開端的。

第十五頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一霍金主張將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合起來(lái)，創(chuàng)立新的量子引力理論來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但人們將不確定性原理合并到廣義相對(duì)論時(shí)，只有兩個(gè)可以調(diào)整的量：引力強(qiáng)度和宇宙常數(shù)的值。但是調(diào)整它們不能消除所有的無(wú)窮大。1984年，美國(guó)加州理工學(xué)院的約翰-施瓦茲和倫敦瑪麗皇后學(xué)院的麥克-格林發(fā)表的論文，引起了人們對(duì)弦理論的關(guān)注，它雖然也會(huì)導(dǎo)致無(wú)窮大，但它們?cè)谝环N類似異形弦的變體中會(huì)被消除掉（這一點(diǎn)還有待確認(rèn)）

第十六頁(yè)，共十八頁(yè)，編輯于2023年，星期一對(duì)此科學(xué)界仍是疑慮重重，如霍金就此說(shuō)到：“我們還不能確定，是否所有的無(wú)窮大會(huì)被對(duì)消去，或如何準(zhǔn)確地將弦的波動(dòng)和我們所觀察到的粒子的特殊類型相關(guān)聯(lián)。”關(guān)于宇宙起源的最后解釋，我們還想引用霍金的一些預(yù)言，他說(shuō)“確實(shí)存在這樣的一個(gè)統(tǒng)一理論嗎？或者我們也許僅僅是在追求海市蜃樓。看來(lái)存在三種可能性：（1）確實(shí)存在一個(gè)完整的統(tǒng)一理論，如果我們足夠聰明的話，總有一天會(huì)找到它。（2）并不存在宇宙的最終理論，僅僅存在一個(gè)越來(lái)越精確地描述宇宙的無(wú)限的理論序列