宇宙大爆炸（二）

周生智

宇宙大爆炸（二）http://space.tv.cctv.com/video/VIDE1245426399132888

　　1905年，一个在瑞士伯尔尼专利局工作的小职员，德国犹太人阿尔伯特·爱因斯坦，发表了一篇关于运动媒质中电磁现象的论文，提出了狭义相对论。10年之后，他又提出了广义相对论。相对论同量子论一起推动了20世纪物理学的革命，也为从整体上研究哈勃发现的星系宇宙，奠定了理论基础。
　　20世纪以前的物理学建立在牛顿绝对时空观的基础上。时间永恒地均匀流逝，空间是不动的舞台，两者相互独立并且不受物质的影响。爱因斯坦的革命性发现是：时间和空间是不可分割的统一体，时空告诉物质如何运动，而物质告诉时空如何弯曲。
　　在爱因斯坦的理论中，两个物体间的相互作用并不像牛顿所描述的那样，是彼此直接产生引力，而是由每个物体对周围的时空产生影响，它们在时空中造成凹陷或扭曲，一个物体经过另一个物体的旁边，路径就会受到扭曲而偏向，这就好像是物质互相吸引一样。
　　这是一个描述广义相对论的动画，放在橡胶膜上的重物代表恒星或整个星系，网格代表时间和空间。重物的质量越大，空间和时间凹陷的程度也越深，那些从附近经过的东西，也就越难逃脱坠落在这个大质量物体上的命运。为什么时间和空间会是弯曲的呢？
　　什么是弯曲时空呢？这要先从平直空间说起。古希腊的欧几里德发展了一套几何理论，后人称为欧几里德几何学，他从几个定义和公设出发，可以推导出一系列定理。直到今天，这还是中学生必修课。在欧几里德几何学里，有一个第5公设，根据这个公设，我们可以推论出三角形的三个内角加起来总和是180度。因为平面上的图形显然满足这个性质，所以我们把符合欧几里德几何学的空间称为平直空间。
　　十九世纪初，法国数学家高斯、匈牙利数学家鲍耶、俄国数学家罗巴切夫斯基等人认识到，除了平直空间以外，没有第5公设的非平直空间在逻辑上是可能的。在这样的空间中，三角形的内角之和未必是180度。描述这种空间的几何学叫做非欧几何。
　　三维的非平直空间比较难以想象，但是我们看看二维的例子。比如在这个平面上，三角形的三个角加起来是180度。但是在球面上，三角形的三个角加起来超过180度，在双曲面上，三角形的三个角加起来小于180度。当然，你可能会说，在这些曲面上并没有真正的直线，但你这是从曲面之外的三维空间的看法说的。但是比方说一只蚂蚁，被局限在曲面上，那么这就是它的直线。同样，我们人也被局限在我们生活的三维空间中。
　　非欧几何虽然被发现了，但在爱因斯坦之前，它仅仅是理论上可能。而爱因斯坦的相对论说明，在大质量物体附近的时空真的就需要非欧几何来描述。这就是所谓弯曲时空。爱因斯坦并且预言，由于时空弯曲，从太阳表面附近经过的星光会偏折1.75角秒，（图）是牛顿理论预言值的2倍。1919年5月发生的日全食提供了判决两者孰是孰非的绝佳时机。英国天文学家爱丁顿领导的两个远征队，分赴巴西东北海岸外的索布拉尔岛和西非几内亚湾的普林西比岛进行观测。半年以后，英国皇家学会正式宣布，他们的观测结果符合爱因斯坦的预言！这个消息立刻轰动了世界。广义相对论从此得到科学界公认。
爱因斯坦建立广义相对论后，立刻开始思索是否可以用它来研究整个宇宙的性质。
　　在此之前，大家心目中的宇宙图像是牛顿的宇宙模型，时间和空间都是无限的，在其中均匀分布着静止的物质。但是，这个宇宙模型本身存在着内在的矛盾。一个矛盾是，由于宇宙无限大，物质无限多，物质产生的引力也变成无限大。由于万有引力的作用，牛顿宇宙中的物质难以保持静止，而会互相吸引，最后坠落到一起去。
　　爱因斯坦认为，利用非欧几何里的弯曲空间，可以解决这个问题。所以他在1917年，提出了一个宇宙模型。这个模型的空间部分是一个球面，弯曲的空间，使得宇宙看起来是有限的。因此可以避免引力变成无限大的问题。但是爱因斯坦发现，和牛顿的宇宙一样，这个模型里的物质也很难保持静止不动。
　　很快有人反对爱因斯坦的这个静态宇宙模型，第一个提出质疑的，是俄国学者阿列克谢·弗里德曼。在1922年发表的一篇论文中，弗里德曼求解了不包括宇宙学常数的广义相对论方程，发现宇宙不会静止不动，而是要么膨胀要么收缩。爱因斯坦看到弗里德曼的论文后，给发表它的杂志去信，说弗里德曼可能算错了。弗里德曼并没有屈服于爱因斯坦的权威，他详细写出了自己的计算过程给爱因斯坦寄去。后来，爱因斯坦在同一个杂志上发表声明，承认自己错了而弗里德曼是对的。
　　弗里德曼不仅发现宇宙有可能膨胀和收缩，而且他还认识到，如果假定空间有最大的对称性，那么三维空间的几何只有三种可能：一种是我们熟悉的欧几里德空间，即平直空间；一种是爱因斯坦模型中类似球面的空间，即闭合空间；还有一种是类似马鞍形的双曲面空间，即开放空间。在此后几十年的时间里，探索宇宙空间的几何形状一直是宇宙学家们最重要的课题。
　　另一位从理论上研究宇宙学的，是比利时神甫、洛文天主教大学的物理学教授乔治·勒梅特。在1927年的一篇论文中，勒梅特指出爱因斯坦的静态宇宙模型是不稳定的，如果宇宙学常数的斥力稍稍超过物质的引力，宇宙就会开始膨胀，而且越膨胀越快。
　　20世纪初，天文学家想要了解的，是银河系以外，是否还有类似银河的星系。有些人猜测，旋涡星云就是其它的银河系，即康德所说的宇宙岛，里克天文台的柯蒂斯也这样主张。但是，威尔逊山天文台的沙普利，则估计银河系的尺度约有30万光年，他认为旋涡星云应该还在这庞大的银河系内。1920年4月，他们两个人在华盛顿举行的美国科学院会议上，进行了一场大辩论。两个人的论据似乎都有道理。究竟谁正确呢？
　　这时，一位天文学界的新秀，埃德温·哈勃来到了威尔逊山。哈勃明白，要弄清星云的本质，关键是要测定它们的距离。他手里有两个完成这项任务的有利条件。一是威尔逊山上清澈的大气和无风的稳定状况，极适合天文观测；二是威尔逊山天文台有当时世界上威力最大的，口径2.54米的望远镜。
　　哈勃观察着那些遥远的星云，夜空是如此的浩瀚，怎么才能测算出它们的距离呢？
　　1912年的时候，哈佛大学天文台的女天文学家赫丽塔·勒维特，在南半球天空的麦哲仑星云中找到了一类特殊的天体，叫做“造父变星”。它们的亮度先是快速上升，随后缓慢下降，呈周期性变化，越亮的造父变星光变周期越长。勒维特的发现，不久就被哈佛天文台台长沙普利知道了。沙普利立即认识到，通过造父变星，可以推算出星系的距离。
　　1915年，沙普利在银河系中找到一些已知距离的造父变星，将勒维特发现的周期亮度关系标定成为周期光度关系。以后无论在什么地方只要根据光变特征认出一颗造父变星，测出它的周期，由周期光度关系定出其真亮度，再与观测到的亮度比较，就可求出其距离了。
　　沙普利正是用这种方法,测定出银河系的尺度为30万光年，虽然比实际值偏高，但这种方法还是帮助他做出了，太阳并不在银河系中心的重大发现。
　　哈勃用同样的方法，在仙女座大星云和三角座星云中发现了一批造父变星。推算出它们的距离都是93万光年，甚至远远超出了沙普利的大银河系的范围。从此人们知道，天上许多暗弱的星云，并不属于银河系，而是一个个独立的星系。不过由于距离遥远，无法分辨出其中的恒星，更不用说证认出造父变星了。这就为测定它们的距离带来了困难。哈勃是如何解决这个问题的呢？
　　哈勃还是想尽办法，测量了24个星系的距离。当他将这些星系的距离，同光谱位移进行比较的时候，发现了一个令人吃惊的情况。
　　哈勃发现，大部分星系的光谱都发生了红位移，距离越远的星系红移量越大。根据多普勒效应，这意味着所有的星系都在远离我们，而且离我们越远的星系，退行的速度也越快。哈勃在1929年发表的这个初步结论，后来被更多观测所证实，成为人们公认的“哈勃定律”。 其中速度与距离成正比关系的比例常数被称为哈勃常数。
　　哈勃定律的重要意义在于，它显示出宇宙中的星系，就像一个膨胀气球上的斑点，彼此分散那样运动，从而为弗里德曼和勒梅特的膨胀宇宙模型提供了观测依据。哈勃的观测证实了，这个膨胀的宇宙和以前人们想象的，那个无限和永恒的宇宙，完全不同。仿佛电影中的画面，若倒着播放，所有的星系都在时空中逆行，它们将越来越靠近。如果不断沿时间上溯，越早期的宇宙就会越小，那么，总会有足够早的某个时刻，宇宙处在非常致密的状态。这便是那个“奇点”。那一点表示了宇宙的创生。我们能看到的一切，所有恒星，所有行星，所有地球上和宇宙中的生物，都有赖于那一刻的创生，这就是我们后来所说的“大爆炸”，或者正确的称它为“创世纪”。
　　这时，勒梅特听说了哈勃的发现，他知道这是自己一直等待的结果，他决定找到爱因斯坦，当面向他陈述自己的想法。1931年，爱因斯坦访问威尔逊山天文台，哈勃是主人，勒梅特也赶到加州和他们见面。他们推心置腹的讨论了各自的观点。在一次演讲中，勒梅特以诗意的叙述，向爱因斯坦陈述了他的理论。按他的说法，宇宙是从一个“原始原子”开始，不断分裂膨胀而成的，就如同一颗小小的橡果，长大成为一棵参天的橡树那样。他并以哈勃的观测为证，说明宇宙是创生于“没有昨天的那一天”。演讲结束的时候，他看到爱因斯坦站起来说：“这是我所看到过的最美丽的结果”。从那时开始，爱因斯坦承认，引进“宇宙学常数”是他一生最大的失误。
　　尽管有了这些观测和理论上的进展，但是当时的大多数科学家对于宇宙学还是持相当怀疑的态度。根据哈勃测出的星系退行速度和距离，假设速度一直不变，那么用距离除以速度，就可以得出星系聚于一点的那个时刻应当是在20亿年前，这就是所谓的宇宙年龄。而当时的地质学家们都知道，地球的年龄已有40多亿年。宇宙的年龄怎么能比地球还短呢？显然，一定有什么地方出了错。
　　1948年的一天，英国广播电台正在播出一个宇宙学的科普节目，主讲人是剑桥大学的数学家弗里德·霍伊尔。由于事先进行了预告，引起了许多人的关注。霍伊尔在节目里说：“你们可能跟我一样，在成长过程中了解到，宇宙是在某个久远的时间点以前，由一次大爆炸形成的。现在我要告诉你们，这是错的”。
　　霍伊尔对宇宙有一个起点的说法，提出了一系列质疑，他特别反对宇宙起源于一次大爆炸的观点。实际上，“大爆炸”这个词正是他在电台科普节目中用来嘲讽勒梅特的“原始原子”理论的。1948年，他与同事邦迪和戈尔德一起，提出了与大爆炸理论完全对立的“稳恒态宇宙”理论。
　　霍伊尔认为大爆炸理论很荒谬。他问道：如果说宇宙起源于大爆炸，那么大爆炸之前难道就没有宇宙吗？这从哲学上让人感到困惑。所以他提出了所谓完美宇宙学原理的假设。认为宇宙不仅在空间上均匀，而且面貌不随时间改变。
　　霍伊尔提出的这种“稳恒态宇宙”的要点是，宇宙中我们所在的这个正在膨胀的角落，星系间的距离虽然越来越大，但会有新的物质产生出来，填补由于膨胀留下的空间。因而宇宙在整体上是稳恒的。
　　由于新物质的产生，会保持宇宙内稳定的密度，所以霍伊尔认为，宇宙是稳恒态的。但是这个理论遇到一个问题，即它不能解释宇宙间的物质是如何形成的。而大爆炸的理论，就能够解释物质怎样被创造出来，一切都是在火热的大爆炸的时候，被创造出来的。支持大爆炸理论的人认为，霍依尔的“稳恒态”，违反了物质守恒和能量守恒的原理。
　　尽管霍伊尔无法解释清楚新的物质如何产生出来，而且这也违反了物理学中的能量守恒原理，但是在他看来，这比整个宇宙一下子创生出来还是容易接受得多。更重要的是，既然宇宙一直存在，也就不会出现地球年龄大于宇宙年龄的矛盾了。
　　由于哈勃根据星系退行速度，测算出宇宙年龄只有20亿年，导致霍依尔的“稳恒态”一时占了上风。因为根据霍依尔的理论，既然宇宙一直存在，也就不会出现地球年龄大于宇宙年龄的矛盾了。正当宇宙年龄所造成的疑惑，使大爆炸理论陷入困境的时候，天文学家发现，哈勃当年测定的星系距离全都偏低，由此推算出的宇宙年龄也自然就偏低了。为什么会出现这种情况呢？
　　1948年，美国帕洛玛山天文台5米望远镜投入使用，取代威尔逊山天文台的望远镜，成为当时世界上最大的望远镜。德国后裔的天文学家沃尔特·巴德用这个望远镜，做出了一个新的发现。
　　沃尔特·巴德发现，恒星按化学组成和空间分布等性质分为不同的族群――星族，属于不同星族的造父变星，亮度与周期之间的比例系数并不相同。
　　当初哈勃不知道这种差别，导致他将星系的距离低估了一倍，因此也就将宇宙的年龄低估了一倍。在改正了这个错误以后，宇宙的年龄就不会比地球的年龄低了。沃尔特·巴德的发现，为大爆炸理论的确立，扫除了一个障碍。
　　霍伊尔的另一个质疑是，勒梅特并没有具体说明“原始原子”究竟是什么，它是如何形成，又如何崩解为各种元素的？而“稳恒态”恰恰能证明这一点。自19世纪中叶，光谱分析应用于天文学以来，人们在天体中发现了几十种元素，最常见的是氢和氦。进入20世纪以后，物理学家又陆续发现，原子核是由质子和中子组成的。在适当条件下，较重的原子核可以裂变为较轻的核；较轻的核也可以聚变成更重的核。在此过程中释放出的能量，可以为恒星提供足够的能源。霍伊尔和他的合作者，阐明了元素在恒星内逐级合成的具体反应过程，直到今天，这仍然是教科书中的标准理论。
　　这是哈勃望远镜拍摄到的，一颗新的恒星正在星云中形成情景的照片。当空间中的氢原子，由于引力逐渐凝聚到一起，形成越来越大的球体时，恒星形成了。在恒星像滚雪球似的越滚越大时，引力造成的内部压力也越来越高。这种压力会把氢原子紧紧压合在一起，产生聚变反应，形成新的元素“氦”。当氢燃烧完后，恒星内的氦可以再聚变为氧和碳，如此持续，合成越来越重的原子，直到铁的产生。比铁更重的元素，则可以在一些特殊的环境，如大质量恒星演化晚期的超新星爆发中产生。而组成我们身体的碳、氧、铁等重元素，都是先在恒星中产生，再于恒星爆发后被抛射出来，在太空中像灰尘一样的游荡，直到跟其他的星尘混合，因重力形成新的恒星。可以说，我们每个人都曾经是某颗恒星中的一部分。生命，也由此产生。
　　这是一张1954年在太平洋比基尼珊瑚岛进行氢弹核爆试验的照片，它通过裂变反应发生爆炸。在爆炸的中心，可产生上百亿度的高温，这与大爆炸后1秒钟内宇宙的温度相当。高温引发氢核产生聚变反应，形成氦核，同时在这过程中释放出更大的能量。这为恒星能源来自聚变反应的理论提供了有力的支持。
　　霍伊尔关于重元素在恒星内合成的理论，固然非常成功。但却不能解释轻元素氦，在宇宙中含量高达1/4的观测事实。因为假如这么多氦都是在恒星中合成的话，那么夜晚也会比白天还亮了。1946年，移居美国的前苏联科学家伽莫夫另辟蹊径，提出了宇宙中的氦主要是在大爆炸后不久的高温条件下合成的理论。
　　伽莫夫认为，宇宙大爆炸可以很自然的解释氢和氦的来源。早期宇宙密度和温度极高，不仅分子会离解，原子核也不能存在，但是随着宇宙的膨胀，温度降低，就可以形成基本的核子：质子和中子。最轻的原子核—氢核—其实就是一个质子。在大爆炸时核子间相互反应，就会形成一些复合的原子核，比如一个质子和一个中子组成的氘核，以及两个质子和两个中子组成的氦核等等。根据这个理论算出来的氢和氦按质量计算应该分别占3/4和1/4，与观测符合得很好。
　　但是，霍伊尔不愿意承认这一点，他提出了一个尖锐的问题：“如果宇宙起始于一次大爆炸，在那种高温高热状态下所产生的辐射，一定会在太空中留下某种痕迹，即使是在大爆炸已经过去了140亿年的今天，也应该能找到哪怕一丁点儿辐射痕迹的残留。可问题是，这个痕迹能找到吗？”
1946年的时候，一位移居美国的前苏联科学家，也在探讨宇宙中的基本元素如何形成的问题。他在勒梅特“原始原子”的基础上另辟蹊径，提出：宇宙中的氦，主要是在大爆炸后不久的高温条件下合成的理论。这个观点，给了大爆炸理论有力的支持。这位科学家的名字，叫做乔治·伽莫夫。