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宇宙学:再现宇宙的和谐

(2008-06-19 11:24:57)
标签:

红移

宇宙模型

宇宙学

宇宙论

弗里德曼

杂谈

分类: 散文·书评·短论

原载《光明日报》 199712196

 

现代宇宙论有两个来源,它的理论来源是爱因斯坦的广义相对论,观测方面的来源则是大尺度红移现象的发现。

在牛顿理论中,时间和空间只是一个空空如也的筐子,是用来装物质的。它因为完全是空的,所以丝毫不影响物质及其运动。另一方面,由于它是空的,物质及其运动也不会影响到它,所以,牛顿的时间和空间是绝对的时间和空间。

狭义相对论打破了时间空间的绝对性,将它们与运动相联系。在广义相对论中,爱因斯坦进一步将物质与时间空间相关联,提出空间弯曲的概念,认为物质的质量将决定空间的弯曲程度,所谓引力究其实质是空间发生的弯曲。

爱因斯坦在得出了他的引力场方程之后,马上联想到将整个宇宙做为考虑对象。宇宙论在落寞了几百年后,又开始复活,这要归功于近代科学骨子里面的希腊基因。爱因斯坦像开普勒一样,相信宇宙间的神秘的和谐,相信整个宇宙一定是一个和谐的整体。他要重新恢复希腊的宇宙概念,即cosmos,一个和谐的整体。

爱因斯坦注意到牛顿理论用于一个无限的宇宙必定会引起引力悖论,所以一开始就考虑一个有限宇宙的可能性。按照广义相对论,只要宇宙空间的平均物质密度不为零,它的大尺度空间就不可能是平直的欧几里德空间,空间必定发生弯曲。爱因斯坦采取了一个最简单的情形,即封闭的球面模型,得出了一个有限无界的宇宙模型。

数学家家基于引力场方程建立了不少宇宙模型,最著名的有苏联物理学家弗里德曼建立的弗里德曼宇宙模型。弗里德曼发现,满足广义相对论、只有引力存在的宇宙模型必定是不稳定的。所有的弗里德曼模型不仅都是动态的,或膨胀或收缩,而且都断定宇宙膨胀或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,情况发生了重要的变化。从天文学界传来振奋人心的消息,观测天文学家发现,银河系外星系的光谱普遍存在着红移,而且红移量与距离大致成正比关系。如果按照多普勒效应来解释河外星系的普遍红移,那就会得出一幅星系普遍退离的宇宙景象,即宇宙的膨胀。

1929年,美国天文学家哈勃提出了著名的哈勃定律:星系的红移量与它们离地球的距离成正比。这一定律令宇宙学家们非常兴奋,因为它与弗里德曼模型的预言正相吻合。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。

宇宙学变得热闹起来。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。

理论宇宙学家开始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的逐步降低。在宇宙早期,不仅密度很高,而且温度也很高,所有的天体甚至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5k。1964年,在贝尔电话实验室工作的射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊果然意外的观测到了这种宇宙微波背景辐射,这使大爆炸宇宙模型得到了广泛的认可,成为宇宙学界的标准模型。

现代宇宙论并未真正结束,这体现在两个方面:一方面标准模型框架内不断有新问题出现,等待理论的解决;另一方面,标准宇宙论框架本身面临多方面的挑战。红移究竟能不能用多普勒效应来解释,一直富有争议。特别是60年代以后,天文学家发现了一种奇怪的天体,它辐射能量极大,但红移量也很大。如果按红移的多普勒解释,类星体应该离我们极为遥远。然而,如此遥远的距离又发射如此巨大的能量,这样的天体无法让现今的物理理论理解。类星体的出现令人怀疑红移的多普勒效应解释,然而,这个解释一旦受到怀疑,标准宇宙模型不就成了无源之水、无本之木了吗?

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