人類對宇宙的認識發(fā)展史

【專家解說】：1881年，美國實驗物理學(xué)家A.麥克爾遜以高度的準(zhǔn)確性測量了光沿著不同方向傳播的速度數(shù)值。為了探測預(yù)想中的微小差別，A.麥克爾遜使用了非常精確的實驗設(shè)備，他的實驗精確性很高，他測量出來的速度差別比預(yù)想中的差別要小得多。A.麥克爾遜的實驗，以后在不同的條件下又作過多次。他的實驗得到了出乎預(yù)料的結(jié)果。在一個運動著的參照系里，光的傳播情形同我們在前面推想的恰恰相反。A.麥克爾遜發(fā)現(xiàn)，在地球上，光向任何方向傳播，其速度都時相同的、不變的。在這一意義上，光的傳播使我們聯(lián)想到子彈的飛行。前面我們曾經(jīng)設(shè)想，在一列運動中的火車上，子彈運動同火車的運動無關(guān)。同車廂相對而言，子彈向任何方向運動，其前進速度是相同的。 于是，A.麥克爾遜的實驗證明：同我們的推想恰恰相反，光的傳播同運動的相對性原理并不矛盾，而是完全符 合運動的相對性原理。這也就是說，我們在前面“運動的相對性原理會被動搖嗎”一節(jié)中所作的推理是完全錯誤的。 相對論的研究對象是超越我們?nèi)粘＝?jīng)驗的高速運動世界和廣闊的宇宙，這是我們難以理解相對論的主要原因。 自相對論誕生之日起，它所帶來的時空觀革命就極大地拓展了人類對宇宙的理解。從相對論中，人們發(fā)現(xiàn)了時間旅行的奧秘、原子裂變的巨大能量、宇宙的起源和終結(jié)、黑洞和暗能量等奇妙現(xiàn)象。幾乎宇宙所有的奧秘都隱藏在相對論那幾行簡單的公式中。 狹義相對論證明高速旅行會使時間變慢，假定將來的某個時候，人們已解決了所有的技術(shù)難題，能夠制造一艘以亞光速飛行的宇宙飛船，一定意義上的時間旅行就變成可能了。如果飛船以亞光速從地球出發(fā)向遙遠的星系飛去，來回的旅程僅僅幾年（按飛船上的時間），但在此期間地球上卻已過去了幾千年，一切都發(fā)生了天翻地覆的變化。如果人類文明依然還存在的話，那又會是一個什么新的模樣呢？ 廣義相對論表明，時空可以不是平坦的，而是彎曲的。我們可以在地球與宇宙遙遠的地方這兩點之間鑿出一個蟲洞，然后用某種“奇異物質(zhì)”把洞口撐開，使之成為一個突然出現(xiàn)在宇宙中的超空間管道，讓我們在瞬間到達遙遠的彼岸。然后當(dāng)我們返回時，蟲洞的奇異性質(zhì)讓我們年輕了很多。 廣義相對論判定足夠的質(zhì)量能改變和扭曲時空，數(shù)學(xué)家法蘭克•提普勒據(jù)此設(shè)想了把時空卷起來的時間旅行方法。他認為，如果太空中的一個巨大物體以一半光速旋轉(zhuǎn)，時空便會扭曲折回。因此，只要將來有人制造一個巨大的圓筒，它的長約為直徑的10倍，然后使圓筒以15萬公里/秒的速度旋轉(zhuǎn)，便會使圓筒中央附近產(chǎn)生一個扭曲折回的時空。 要將這圓筒當(dāng)時間機器使用，宇宙飛船一定要開到圓筒的中心沿圓筒內(nèi)壁盤旋飛行：逆圓筒旋轉(zhuǎn)的方向航行是駛?cè)脒^去，順圓筒旋轉(zhuǎn)的方向航行是駛?cè)胛磥?，每盤旋一周都使宇宙飛船更深入過去或未來一些。時間旅行者到達了目的時間，便將飛船駛離圓筒。有一件必須明了的事是，正像所有理論上的時間機器一樣，就是駛向過去無論怎樣也不能到達比制成圓筒更早的時間。 時間旅行是一個極具幻想色彩、也極具魅力的話題，長期以來，科學(xué)家們提出的方案一個又一個，時間旅行可能遇到的問題也被熱烈討論著?？傆幸惶欤鄬φ撁匀说墓饷找覀冮_始真正的時間旅行。 原子裂變 1905年11月，愛因斯坦同樣在德國《物理學(xué)紀(jì)事》雜志上發(fā)表了關(guān)于狹義相對論的第二篇文章：《物體的慣性同它所包含的能量有關(guān)嗎？》，這是一篇短文，在這篇論文中，他提出一個物體的質(zhì)量并不是恒定不變的，而是隨著運動速度的增加而增加。這就是運動中物體的“質(zhì)增效應(yīng)”。 現(xiàn)在我們想象我們在推一輛小板車，板車很輕，上面什么東西也沒有。假設(shè)這是一輛在真空中的“理想”板車，沒有任何摩擦力、也沒有任何阻力，因此，只要我們持續(xù)地推它，它的速度就越來越快，但隨著時間的推移，它的質(zhì)量也越來越大，起初像車上堆滿了鋼鐵，然后好像是裝著一座喜馬拉雅山、再然后好像是裝著一個地球、一個太陽系、一個銀河系……當(dāng)小板車接近光速時，好像整個宇宙都裝在它上面——它的質(zhì)量達到無窮大。這時，你無論施加多大力，無論推多長時間，它都不可能運動得再快一些。 由此可見，光子既然以光速傳播，它的靜止質(zhì)量就必須等于零，否則它的運動質(zhì)量就會無窮大。 當(dāng)物體運動接近光速時，我們不斷地對物體施加外力，供給能量，可物體速度的增加越來越困難，我們施加的能量去哪兒了呢？其實能量并沒有消失，而是轉(zhuǎn)化為了質(zhì)量。這就是說，物體質(zhì)量的增加與動能增加有著密切聯(lián)系，或者說物體的質(zhì)量與能量之間有著密切聯(lián)系。愛因斯坦在說明這種聯(lián)系的過程中，提出了著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2. 能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，即使是在不甚關(guān)心其實用價值的純理論型的物理學(xué)家看來也是驚心動魄的，而在絕大多數(shù)人眼里，能量等于質(zhì)量乘以光速的平方，即能量是質(zhì)量的9萬億倍，是多么誘人的前景呀！指甲蓋般大小的物質(zhì)的質(zhì)量如果完全消失，其釋放的能量是用以萬噸煤炭來計算的。 遺憾的是，沒人能隨便減少質(zhì)量，譬如一塊石頭，我們盡可以用錘子砸成小塊，然后碾成碎末，可是當(dāng)你仔細地收集這些碎末后就會發(fā)現(xiàn)它的質(zhì)量并未變化。 但是，十幾年后的1939年，約里奧•居里、費米、西拉德這三位科學(xué)家分別獨立發(fā)現(xiàn)了鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，使人類找到了釋放巨大原子能的方法。鈾235的核收到中子轟擊就會發(fā)生裂變，分裂成兩個中等質(zhì)量的新原子核，放出1～3個中子，并釋放出巨大能量，這些中子又能引發(fā)其它鈾核再分裂，如此反復(fù)，形成連鎖反應(yīng)，不斷釋放巨大能量。這就是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)。 宇宙大爆炸 令我們這些當(dāng)代人感到驚詫的是，遲至1917年，那些人類最具智慧的大腦仍然以為我們的銀河系就是整個宇宙，而這個銀河系大小的宇宙永遠都是穩(wěn)定不變的，既不會變大也不會變小，這就是流傳了千百年的穩(wěn)恒態(tài)宇宙觀。 1917年，愛因斯坦試圖根據(jù)廣義相對論方程推導(dǎo)出整個宇宙的模型，但他發(fā)現(xiàn)，在這樣一個只有引力作用的模型中，宇宙不是膨脹就是收縮。為了使這個宇宙模型保持靜止，愛因斯坦在他的方程里額外增加了一個新的概念——宇宙常數(shù)，它表示的是一種斥力，同引力相反，它隨著天體之間距離的增大而增強。這是一個假想的、用以抵消引力作用的力。 然而，愛因斯坦很快發(fā)現(xiàn)自己錯了。因為科學(xué)家們很快發(fā)現(xiàn)，宇宙實際上是膨脹的！ 最早觀察到這一點的是20世紀(jì)的天文學(xué)之父哈勃。哈勃1889年出生于美國的密蘇里州，畢業(yè)于芝加哥大學(xué)天文系。1929年，哈勃發(fā)現(xiàn)所有星系都在遠離我們而去，這表明宇宙正在不斷膨脹。這種膨脹是一種全空間的均勻膨脹，因此，在任何一點的觀測者都會看到完全一樣的膨脹，從任何一個星系來看，一切星系都以它為中心向四面散開，越遠的星系間彼此散開的速度越大。 宇宙的膨脹意味著，在早先，星體相互之間更加靠近，并且在更遙遠過去的某一刻，它們似乎在同一個很小的范圍內(nèi)。 宇宙膨脹的消息傳到著名物理學(xué)家伽莫夫那里去的時候，立即引起了這位學(xué)者的興趣。喬治•伽莫夫出生于俄國，自小對詩歌、幾何學(xué)和物理學(xué)都深感興趣，在大學(xué)時期成為物理學(xué)家弗里德曼的得意門生。弗里德曼曾在愛因斯坦之后提出了重要的宇宙膨脹模型，伽莫夫也成為宇宙膨脹理論的熱心支持人之一。1945年，人類史上第一顆原子彈爆炸成功，看著蘑菇云升起的照片，伽莫夫突發(fā)靈感：把原子彈規(guī)模“放大”到無窮大，不就成了宇宙爆炸嗎？他把核物理知識和宇宙膨脹理論結(jié)合起來，逐漸形成了自己的一套大爆炸宇宙理論體系。 1948年，伽莫夫和他的學(xué)生阿爾法合寫了一篇著名論文，系統(tǒng)地提出了宇宙起源和演化的理論。與我們慣常的想法不同，這個創(chuàng)生宇宙的大爆炸不是發(fā)生在一個確定的點，然后向四周的空氣傳播開去的那種爆炸，而是空間本身在擴展，星系物質(zhì)隨著空間的擴展而分開。 根據(jù)大爆炸宇宙論，極早期的宇宙是一大片由微觀粒子構(gòu)成的均勻氣體，溫度極高，密度極大，且以很大的速率膨脹著。伽莫夫還作出了一個非凡的預(yù)言：我們的宇宙仍沐浴在早期高溫宇宙的殘余輻射中，不過溫度已降到6K左右。正如一個火爐雖然不再有火了，還可以冒一點熱氣。 1964年，美國貝爾電話公司年輕的工程師——彭齊亞斯和威爾遜，因一次偶然的機會發(fā)現(xiàn)了伽莫夫所預(yù)言的早期宇宙的殘余輻射，經(jīng)過測量和計算，得出這個殘余輻射的溫度是2.7K（比伽莫夫預(yù)言的溫度要低），一般稱為3K宇宙微波背景輻射。這一發(fā)現(xiàn)有力的佐證了宇宙大爆炸理論。 廣義相對論的智慧之處就在于，它從誕生起就能描述整個完整的宇宙，即使那些未知的領(lǐng)域也被全部囊括進去。讓它對付像太陽系這樣小小的、很普通的時空領(lǐng)域可真是大材小用了。 宇宙常數(shù)死而復(fù)生——暗能量 在發(fā)現(xiàn)了宇宙膨脹這個事實后，愛因斯坦就急急忙忙把他方程中的宇宙常數(shù)項去掉了，并認為宇宙常數(shù)是他“一生中最大的錯誤”。隨后，宇宙常數(shù)被拋進歷史的垃圾堆。 然而造化弄人，幾十年后，宇宙常數(shù)又像鬼魂般的復(fù)活了。這次宇宙常數(shù)的復(fù)活要歸因于暗能量的發(fā)現(xiàn)。 1998年，天文學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，宇宙不只是在膨脹，而且在以前所未有的加速度向外擴張，所有遙遠的星系遠離我們的速度越來越快。那么一定有某種隱藏的力量在暗中把星系相互以加速膨脹的方式撕扯開來，這是一種具有排斥力的能量，科學(xué)家們把它稱為“暗能量”。近年來，科學(xué)家們通過各種的觀測和計算證實，暗能量不僅存在，而且在宇宙中占主導(dǎo)地位，它的總量約達到宇宙總量的73%，而宇宙中的暗物質(zhì)約占23%、普通物質(zhì)僅約占4%.我們一直以為滿天繁星就已經(jīng)夠多了，宇宙中還有什么能比得上它們呢？而現(xiàn)在，我們才發(fā)現(xiàn)這滿天繁星卻是“弱勢群體”，剩下的絕大部分都是我們知之甚少或干脆一無所知的，這怎么不讓人感到驚心動魄呢！ 事實上，早在1930年，就有天體物理學(xué)家指出，愛因斯坦那加入了宇宙常數(shù)的宇宙學(xué)方程并不能導(dǎo)出完全靜態(tài)的宇宙：因為引力和宇宙常數(shù)是不穩(wěn)定的平衡，一個小小的擾動就能導(dǎo)致宇宙失控的膨脹和收縮。而暗能量的發(fā)現(xiàn)告訴我們，愛因斯坦那作為與引力相抗衡的宇宙常數(shù)不僅確確實實存在，而且大大擾動了我們的宇宙，使宇宙的膨脹速率嚴(yán)重失控。在經(jīng)歷了一系列曲折后，宇宙常數(shù)正在時間中復(fù)活。 宇宙常數(shù)今日以暗能量的面目出現(xiàn)在世人面前，它所產(chǎn)生的洶涌澎湃的排斥力已令整個宇宙為之變色！暗能量和引力之間的角力戰(zhàn)自宇宙誕生起就沒有停止過，在這場漫長的戰(zhàn)斗中，最舉足輕重的就是彼此的密度。物質(zhì)的密度隨著宇宙膨脹導(dǎo)致的空間增大而遞減；但暗能量的密度在宇宙膨脹時，變化得非常緩慢，或者根本保持不變。在很久以前，物質(zhì)的密度是較大的，因此那時的宇宙是處于減速膨脹的階段；現(xiàn)今的暗能量密度已經(jīng)大于物質(zhì)的密度，排斥力已經(jīng)從引力手中徹底奪得了控制權(quán)，以前所未有的速度推動宇宙膨脹。根據(jù)一些科學(xué)家的預(yù)測，再過200多億年，宇宙將迎來動蕩的末日，恐怖的暗能量終將把所有的星系、恒星、行星一一撕裂，宇宙將只剩下沒有盡頭的寒冷、黑暗。 暗能量的發(fā)現(xiàn)，也充分地體現(xiàn)了人類認知過程又走進了一個“悖論怪圈”：即宇宙中所占比例最多的，反而是最遲也是最難為我們所知曉的。一方面人類現(xiàn)在對宇宙奧秘的了解越來越多，另一方面我們所要面對的未知也越來越多。而這日益深遠的未知又反過來不斷刺激著人類去探索宇宙背后的真相。 暗能量是怎么來的？它將如何發(fā)展？這已經(jīng)是21世紀(jì)宇宙學(xué)所面臨的最重大問題之一。 黑洞大發(fā)現(xiàn) 廣義相對論表明，引力場可以造成空間彎曲，強大的引力場可以造成強烈的空間彎曲，那么無限強大的引力場會產(chǎn)生什么情況呢？ 1916年愛因斯坦發(fā)表廣義相對論后不久，德國物理學(xué)家卡爾•史瓦西就用這個理論描繪了一個假設(shè)的完全球狀星體附近的空間和時間是如何彎曲的。他證明，假如星體質(zhì)量聚集到一個足夠小的球狀區(qū)域里，比如一個天體的質(zhì)量與太陽相同，而半徑只有3公里時，引力的強烈擠壓會使那個天體的密度無限增大，然后產(chǎn)生災(zāi)難性的坍塌，使那里的時空變得無限彎曲，在這樣的時空中，連光都不能逃逸！由于沒有了光信號的聯(lián)系，這個時空就與外面的時空分割成兩個性質(zhì)不同的區(qū)域，那個分割球面就是視界。 這就是我們今天耳熟能詳?shù)暮诙?，但在那個年代，幾乎沒有人相信有這么奇怪的天體存在，甚至包括愛因斯坦本人和愛丁頓這樣的相對論大師也明確表示反對這種怪物，愛因斯坦還說他可以證明沒有任何星體可以達到密度無限大。就連黑洞這個名稱也是一直到1967年才由美國物理學(xué)家惠勒命名。 歷史當(dāng)然不會因此而停止前進，時間進入20世紀(jì)30年代，美國天文學(xué)家錢德拉塞卡提出了著名的“錢德拉塞卡極限”，即：一顆恒星當(dāng)其氫核燃盡后的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的1.44倍以上時，將不可能變成白矮星，而會繼續(xù)坍塌收縮，變成體積比白矮星更小、密度比白矮星更大的星體，即中子星。1939年，美國物理學(xué)家奧本海默進一步證明，一顆恒星當(dāng)其氫核燃盡后的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的3倍以上時，其自身引力的作用將能使光線都不能逃出這個星體的范圍。 隨著經(jīng)驗的積累，關(guān)于黑洞的理論變得成熟起來，人們從徹底拒絕這個怪物到漸漸相信它，到20世紀(jì)60年代，人們已普遍接受黑洞的概念，黑洞的奧秘被逐漸研究出來。 嚴(yán)格而言，黑洞并不是通常意義下的“星”，而只是空間的一個區(qū)域。這是與我們?nèi)粘Ｓ钪婵臻g互不連通的區(qū)域，黑洞視界將這兩個區(qū)域隔絕開，在視界以外，可以由光信號在任意距離上相互聯(lián)系，這就是我們所居住的正常宇宙；而在視界以內(nèi)，光線并不能自由地從一個地方傳播到另一個地方，而是都朝向中心集聚，事件之間的聯(lián)系受到嚴(yán)格限制，這就是黑洞。 在黑洞的內(nèi)部，物體向黑洞墜落的過程中，潮汐力越來越大，在中心區(qū)域，引力和起潮力都是無限大。因此，在黑洞中心，除了質(zhì)量、電荷和角動量以外，物質(zhì)其他特性全部喪失，原子、分子等等都將不復(fù)存在！在這種情形下，無法談?wù)摵诙吹哪囊徊糠治镔|(zhì)，黑洞是一個統(tǒng)一體！ 在黑洞中心，全部物質(zhì)被極為緊密地擠壓成為一個體積無限趨近于零的幾何點，任何強大的力量都不可能把它們分開，這就是所謂的“奇點”狀態(tài)。廣義相對論無法對此進行考察，而必須代之以新的正確理論——量子理論。諷刺的是，廣義相對論給我們導(dǎo)出了一個黑洞，卻在黑洞的奇點之處失效，量子理論取而代之，而量子理論和相對論卻根本互不相容！ 宇宙觀念的發(fā)展 宇宙結(jié)構(gòu)觀念的發(fā)展 遠古時代，人們對宇宙結(jié)構(gòu)的認識處于十分幼稚的狀態(tài)，他們通常按照自己的生活環(huán)境對宇宙的構(gòu)造作了幼稚的推測。在中國西周時期，生活在華夏大地上的人們提出的早期蓋天說認為，天穹像一口鍋，倒扣在平坦的大地上；后來又發(fā)展為后期蓋天說，認為大地的形狀也是拱形的。公元前7世紀(jì) ，巴比倫人認為，天和地都是拱形的，大地被海洋所環(huán)繞，而其中央則是高山。古埃及人把宇宙想象成以天為盒蓋、大地為盒底的大盒子，大地的中央則是尼羅河。古印度人想象圓盤形的大地負在幾只大象上，而象則站在巨大的龜背上，公元前7世紀(jì)末，古希臘的泰勒斯認為，大地是浮在水面上的巨大圓盤，上面籠罩著拱形的天穹。 最早認識到大地是球形的是古希臘人。公元前6世紀(jì)，畢達哥拉斯從美學(xué)觀念出發(fā)，認為一切立體圖形中最美的是球形，主張?zhí)祗w和我們所居住的大地都是球形的。這一觀念為后來許多古希臘學(xué)者所繼承，但直到1519～1522年，葡萄牙的F.麥哲倫率領(lǐng)探險隊完成了第一次環(huán)球航行后 ，地球是球形的觀念才最終證實。 公元2世紀(jì)，C.托勒密提出了一個完整的地心說。這一學(xué)說認為地球在宇宙的中央安然不動，月亮、太陽和諸行星以及最外層的恒星天都在以不同速度繞著地球旋轉(zhuǎn)。為了說明行星視運動的不均勻性，他還認為行星在本輪上繞其中心轉(zhuǎn)動，而本輪中心則沿均輪繞地球轉(zhuǎn)動。地心說曾在歐洲流傳了1000多年。1543年，N.哥白尼提出科學(xué)的日心說，認為太陽位于宇宙中心，而地球則是一顆沿圓軌道繞太陽公轉(zhuǎn)的普通行星。1609年，J.開普勒揭示了地球和諸行星都在橢圓軌道上繞太陽公轉(zhuǎn)，發(fā)展了哥白尼的日心說，同年，伽利略•伽利雷則率先用望遠鏡觀測天空，用大量觀測事實證實了日心說的正確性。1687年，I.牛頓提出了萬有引力定律，深刻揭示了行星繞太陽運動的力學(xué)原因，使日心說有了牢固的力學(xué)基礎(chǔ)。在這以后，人們逐漸建立起了科學(xué)的太陽系概念。 在哥白尼的宇宙圖像中，恒星只是位于最外層恒星天上的光點。1584年，喬爾丹諾•布魯諾大膽取消了這層恒星天，認為恒星都是遙遠的太陽。18世紀(jì)上半葉，由于E.哈雷對恒星自行的發(fā)展和J.布拉得雷對恒星遙遠距離的科學(xué)估計，布魯諾的推測得到了越來越多人的贊同。18世紀(jì)中葉，T.賴特、I.康德和J.H.朗伯推測說，布滿全天的恒星和銀河構(gòu)成了一個巨大的天體系統(tǒng)。弗里德里希•威廉•赫歇爾首創(chuàng)用取樣統(tǒng)計的方法，用望遠鏡數(shù)出了天空中大量選定區(qū)域的星數(shù)以及亮星與暗星的比例，1785年首先獲得了一幅扁而平、輪廓參差、太陽居中的銀河系結(jié)構(gòu)圖，從而奠定了銀河系概念的基礎(chǔ)。在此后一個半世紀(jì)中，H.沙普利發(fā)現(xiàn)了太陽不在銀河系中心、J.H.奧爾特發(fā)現(xiàn)了銀河系的自轉(zhuǎn)和旋臂，以及許多人對銀河系直徑、厚度的測定，科學(xué)的銀河系概念才最終確立。 18世紀(jì)中葉，康德等人還提出，在整個宇宙中，存在著無數(shù)像我們的天體系統(tǒng)(指銀河系)那樣的天體系統(tǒng)。而當(dāng)時看去呈云霧狀的“星云”很可能正是這樣的天體系統(tǒng)。此后經(jīng)歷了長達170年的曲折的探索歷程，直到1924年，才由E.P.哈勃用造父視差法測仙女座大星云等的距離確認了河外星系的存在。 近半個世紀(jì)，人們通過對河外星系的研究，不僅已發(fā)現(xiàn)了星系團、超星系團等更高層次的天體系統(tǒng)，而且已使我們的視野擴展到遠達200億光年的宇宙深處。 宇宙演化觀念的發(fā)展 在中國，早在西漢時期，《淮南子•俶真訓(xùn)》指出：“有始者，有未始有有始者，有未始有夫未始有有始者”，認為世界有它的開辟之時，有它的開辟以前的時期，也有它的開辟以前的以前的時期。《淮南子•天文訓(xùn)》中還具體勾畫了世界從無形的物質(zhì)狀態(tài)到渾沌狀態(tài)再到天地萬物生成演變的過程。在古希臘，也存在著類似的見解。例如留基伯就提出，由于原子在空虛的空間中作旋渦運動，結(jié)果輕的物質(zhì)逃逸到外部的虛空，而其余的物質(zhì)則構(gòu)成了球形的天體，從而形成了我們的世界。 太陽系概念確立以后，人們開始從科學(xué)的角度來探討太陽系的起源。1644年，R.笛卡爾提出了太陽系起源的旋渦說；1745年，G.L.L.布豐提出了一個因大彗星與太陽掠碰導(dǎo)致形成行星系統(tǒng)的太陽系起源說；1755年和1796年，康德和拉普拉斯則各自提出了太陽系起源的星云說。現(xiàn)代探討太陽系起源z的新星云說正是在康德-拉普拉斯星云說的基礎(chǔ)上發(fā)展起來。 1911年，E.赫茨普龍建立了第一幅銀河星團的顏色星等圖；1913年，伯特蘭•阿瑟•威廉•羅素則繪出了恒星的光譜-光度圖，即赫羅圖。羅素在獲得此圖后便提出了一個恒星從紅巨星開始，先收縮進入主序，后沿主序下滑，最終成為紅矮星的恒星演化學(xué)說。1924年 ，亞瑟•斯坦利•愛丁頓提出了恒星的質(zhì)光關(guān)系；1937～1939年，C.F.魏茨澤克和貝特揭示了恒星的能源來自于氫聚變?yōu)楹さ脑雍朔磻?yīng)。這兩個發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了羅素理論被否定，并導(dǎo)致了科學(xué)的恒星演化理論的誕生。對于星系起源的研究，起步較遲，目前普遍認為，它是我們的宇宙開始形成的后期由原星系演化而來的。 1917年，A.阿爾伯特•愛因斯坦運用他剛創(chuàng)立的廣義相對論建立了一個“靜態(tài)、有限、無界”的宇宙模型，奠定了現(xiàn)代宇宙學(xué)的基礎(chǔ)。1922年，G.D.弗里德曼發(fā)現(xiàn)，根據(jù)阿爾伯特•愛因斯坦的場方程，宇宙不一定是靜態(tài)的，它可以是膨脹的，也可以是振蕩的。前者對應(yīng)于開放的宇宙，后者對應(yīng)于閉合的宇宙。1927年，G.勒梅特也提出了一個膨脹宇宙模型.1929年 哈勃發(fā)現(xiàn)了星系紅移與它的距離成正比，建立了著名的哈勃定律。這一發(fā)現(xiàn)是對膨脹宇宙模型的有力支持。20世紀(jì)中葉，G.伽莫夫等人提出了熱大爆炸宇宙模型，他們還預(yù)言，根據(jù)這一模型，應(yīng)能觀測到宇宙空間目前殘存著溫度很低的背景輻射。1965年微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)證實了伽莫夫等人的預(yù)言。從此，許多人把大爆炸宇宙模型看成標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型。1980年，美國的古斯在熱大爆炸宇宙模型的 基礎(chǔ)上又進一步提出了暴漲宇宙模型。這一模型可以解釋目前已知的大多數(shù)重要觀測事實。 宇宙圖景 當(dāng)代天文學(xué)的研究成果表明，宇宙是有層次結(jié)構(gòu)的、物質(zhì)形態(tài)多樣的、不斷運動發(fā)展的天體系統(tǒng)。 現(xiàn)代天文學(xué)已經(jīng)揭示了天體的起源和演化的歷程。當(dāng)代關(guān)于太陽系起源學(xué)說認為，太陽系很可能是50億年前銀河系中的一團塵埃氣體云(原始太陽星云)由于引力收縮而逐漸形成的（見太陽系起源）。恒星是由星云產(chǎn)生的，它的一生經(jīng)歷了引力收縮階段、主序階段、紅巨星階段、晚期階段和臨終階段。星系的起源和宇宙起源密切相關(guān)，流行的看法是：在宇宙發(fā)生熱大爆炸后40萬年，溫度降到4000K，宇宙從輻射為主時期轉(zhuǎn)化為物質(zhì)為主時期，這時或由于密度漲落形成的引力不穩(wěn)定性，或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系，然后再演化為星系團和星系。熱大爆炸宇宙模型描繪了我們的宇宙的起源和演化史：我們的宇宙起源于200億年前的一次大爆炸，當(dāng)時溫度極高、密度極大。隨著宇宙的膨脹，它經(jīng)歷了從熱到冷、從密到稀、從輻射為主時期到物質(zhì)為主時期的演變過程，直至10～20億年前，才進入大規(guī)模形成星系的階段，此后逐漸形成了我們當(dāng)今看到的宇宙。1980年提出的暴漲宇宙模型則是熱大爆炸宇宙模型的補充。它認為在宇宙極早期，在我們的宇宙誕生后約10-36秒的時候，它曾經(jīng)歷了一個暴漲階段。 宇宙的創(chuàng)生 有些宇宙學(xué)家認為，暴漲模型最徹底的改革也許是觀測宇宙中所有的物質(zhì)和能量從無中產(chǎn)生的觀點，這種觀點之所以在以前不能為人們接受，是因為存在著許多守恒定律，特別是重子數(shù)守恒和能量守恒。但隨著大統(tǒng)一理論的發(fā)展，重子數(shù)有可能是不守恒的，而宇宙中的引力能可粗略地說是負的，并精確地抵消非引力能，總能量為零。因此就不存在已知的守恒律阻止觀測宇宙從無中演化出來的問題。這種“無中生有”的觀點在哲學(xué)上包括兩個方面：①本體論方面。如果認為“無”是絕對的虛無，則是錯誤的。這不僅違反了人類已知的科學(xué)實踐，而且也違反了暴漲模型本身。按照該模型，我們所研究的觀測宇宙僅僅是整個暴漲區(qū)域的很小的一部分，在觀測宇宙之外并不是絕對的“無”?，F(xiàn)在觀測宇宙的物質(zhì)是從假真空狀態(tài)釋放出來的能量轉(zhuǎn)化而來的，這種真空能恰恰是一種特殊的物質(zhì)和能量形式，并不是創(chuàng)生于絕對的“無”。如果進一步說這種真空能起源于“無”，因而整個觀測宇宙歸根到底起源于“無”，那么這個“無”也只能是一種未知的物質(zhì)和能量形式。②認識論和方法論方面。暴漲模型所涉及的宇宙概念是自然科學(xué)的宇宙概念。這個宇宙不論多么巨大，作為一個有限的物質(zhì)體系 ，也有其產(chǎn)生、發(fā)展和滅亡的歷史。暴漲模型把傳統(tǒng)的大爆炸宇宙學(xué)與大統(tǒng)一理論結(jié)合起來，認為觀測宇宙中的物質(zhì)與能量形式不是永恒的，應(yīng)研究它們的起源。它把“無”作為一種未知的物質(zhì)和能量形式，把“無”和“有”作為一對邏輯范疇，探討我們的宇宙如何從“無”——未知的物質(zhì)和能量形式，轉(zhuǎn)化為“有”——已知的物質(zhì)和能量形式，這在認識論和方法論上有一定意義。 時空起源 有些人認為，時間和空間不是永恒的，而是從沒有時間和沒有空間的狀態(tài)產(chǎn)生的。根據(jù)現(xiàn)有的物理理論，在小于10-43秒和10-33厘米的范圍內(nèi)，就沒有一個“鐘”和一把“尺子”能加以測量，因此時間和空間概念失效了，是一個沒有時間和空間的物理世界。這種觀點提出已知的時空形式有其適用的界限是完全正確的。正像歷史上的牛頓時空觀發(fā)展到相對論時空觀那樣，今天隨著科學(xué)實踐的發(fā)展也必然要求建立新的時空觀。由于在大爆炸后10-43秒以內(nèi)，廣義相對論失效，必須考慮引力的量子效應(yīng)，因此有些人試圖通過時空的量子化的途徑來探討已知的時空形式的起源。這些工作都是有益的，但我們決不能因為人類時空觀念的發(fā)展或者在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)水平上無法度量新的時空形式，而否定作為物質(zhì)存在形式的時間、空間的客觀存在。 人和宇宙 從本世紀(jì)60年代開始，由于人擇原理的提出和討論，出現(xiàn)了人類存在和宇宙產(chǎn)生的關(guān)系問題。人擇原理認為 ，可能存在許多具有不同物理參數(shù)和初始條件的宇宙，但只有物理參數(shù)和初始條件取特定值的宇宙才能演化出人類，因此我們只能看到一種允許人類存在的宇宙。人擇原理用人類的存在去約束過去可能有的初始條件和物理定律，減少它們的任意性，使一些宇宙學(xué)現(xiàn)象得到解釋，這在科學(xué)方法論上有一定的意義。但有人提出，宇宙的產(chǎn)生依賴于作為觀測者的人類的存在。這種觀點值得商榷?，F(xiàn)在根據(jù)暴漲模型，那些被傳統(tǒng)大爆炸模型作為初始條件的狀態(tài)，有可能從極早期宇宙的演化中產(chǎn)生出來，而且宇宙的演化幾乎變得與初始條件的一些細節(jié)無關(guān)。這樣就使上述那種利用初始條件的困難來否定宇宙客觀實在性的觀點失去了基礎(chǔ)。但有些人認為，由于暴漲引起的巨大距離尺度，使得從整體上去觀測宇宙的結(jié)構(gòu)成為不可能。這種擔(dān)心有其理由，但如果暴漲模型正確的話，隨著科學(xué)實踐的發(fā)展，一定有可能突破人類認識上的困難。