宇宙起源的大争论

.宏轰？稳态？：宇宙起源的大争论1陈天机*，王永雄**，彭金满**2008-1-111. 大问题，大争论我们的宇宙有没有起源?现在的宇宙是怎样的?将来的宇宙又会怎样演变？宏轰理论(The Big Bang Theory)认为宇宙源自太初突发的膨胀，密度日渐低降。

稳态理论(The Steady-State Theory)也认为宇宙膨胀，但氢原子到处悄然介入，平均密度得以维持；宇宙自古如此，没有 (可以侦察到的)起源。

争论自1948年开始，延续了近30年，产生了两项诺贝尔奖，以宏轰理论全胜告终。

难以想象的是，宇宙这最大的大题目竟然会是科学家研究的对象，竟然得到今天公认的细节答案；而且倘如没有这轰天动地、剑拔弩张的论争，答案肯定会姗姗来迟，甚或出现「无期」。

这三十年的论争也供应了罕有的机会，让我们看到理论、技术的交错发展、潮流取向的消长；更让我们看到科学家和科学团体人性的一面。

「前事不忘，后事之师」，有不少地方值得参考，作为殷鉴。

2. 科学宇宙论的前奏1905年，爱因斯坦提出 (狭义) 相对论，认为在宇宙中光速最大，而且任何相对速度都不可能超过光速。

后来 (1915) 他更提出广义相对论，认为重力扭曲了时空。

1919年，他自然地应用相对论将整个宇宙作为研究的对象，但初步结果使他大吃一惊，宇宙间所有物质不住互相拉近，整个宇宙最终可能自动崩溃。

爱因斯坦当时想象中的宇宙应该是静态的，因此他在方程式里插入一个名为「宇宙常数」(cosmological constant) 的东西，代表一种斥力，使所有物质互相排斥，使宇宙达到一个静态平衡。

2从今天的眼光来看，爱因斯坦的「宇宙常数」就像上古时托勒密的周转圆一样，是「只此一次，下不为例 (ad hoc)」的，也是对静态宇宙一厢情愿信仰的表现。

*香港中文大学大学通识教育部。

**香港中文大学物理系。

1部份摘自陈天机：《大自然与文化》(第2版)(香港：中文大学出版社，2006)，第1章：最大的大自然。

讨论大争论最完整的书相信是Helge Kragh, Cosmology and Controversy: The Historical and Development of Two Theories of the Universe。

Simon Singh, Big Bang: The Origin of the Universe是畅销的通俗阐述。

2 Simon Singh, Big Bang: The Origin of the Universe, pp.153-160.1922年，苏联的佛里曼修正了爱因斯坦理论的一个错误，3指出爱因斯坦的宇宙其实可以不住收缩，也可以不住膨胀。

比利时神父勒梅特4在1927年提出，我们的宇宙从最早的「太初原子(primeval atom)」开始，正在不住膨胀。

5勒梅特是一位兼顾科学、宗教的奇人。

他与天文学界接触紧密，显然得到启发(见下节)，在1927年，勒梅特早已从自己的太始原子理论推出了两年后震撼天文学界的「哈勃定律」，6但自1933年后在宇宙论研究方面便没有作进一步的贡献。

这位淡泊名利的君子后来也备受荣宠，做了教宗科学院的院长(1960-66) 。

73. 宇宙膨胀的观测证据3.1. 光学杜普勒效应天文学家利用光谱学，可以推论出星体与地球的相对速度。

假如我们知道某一条 (地面)光谱线的实际波长λ，而观察到星体放出的同一条光谱线的「有效波长」却是不同的λ’，则星体与地球的相对速度是，v= c (λ’-λ) /λ, c=光速。

v> 0 : 星体离开我们 (星体光谱有效波长增大：俗称「红移」)v< 0 : 星体趋近我们 (星体光谱有效波长缩短：俗称「蓝移」)8这现象叫做「杜普勒效应」9。

3Alexander A. Friedman (1888-1925) ，苏联物理学家、气象学家。

爱因斯坦将一个方程式两边用除法消掉一个数；但这数可能是0。

4 Father Georges-Henri Lemaître (1894 –1966).5他有时也用「宇宙卵(Cosmic egg)」，有点中国传说中「盘古开天辟地」的味道。

6 Helge Kragh, Cosmology and Controversy, : The Historical and Development of Two Theories of the Universe, pp.58-59。

7 Pontifical Academy of Sciences是罗马天主教廷辖下的科学院。

8严格来说，用「红移」的字眼代表「离弃」，只应限于波长低于「红光」的光；用「蓝移」的字眼代表「趋近」，只应限于波长大于「蓝光」的光。

9 Doppler effect。

发现者是杜普勒 (J. Christian A. Doppler,1803 –1853) 奥地利物理学家，杜普勒所发现的是声波效应(他是火车的常客，发现火车经过时汽笛声音由高(频率高，波长小)) 变低(频率低，波长大)) 。

在杜普勒的声波公式里c是声音的速度。

光波通常遵守同一公式，只需将光速代入c；但如光源速度v接近c，则应根据相对论改为v=c[(λ’/λ)2-1]/[(λ’/λ)2+1]≈c[(λ’-λ) /λ] [1-½(λ’-λ)/λ]。

见Wikipedia, “Relativistic Doppler shift”条，15:21, 1 May 2007。

图1. 以0.7c速度向左移动的光源引起的杜普勒效应。

光源放的绿光，在图左的观察者看出来却是红色的。

(Wikipedia, /wiki/Image:Velocity0_70c.jpg. )3.2.史来弗与哈勃定律最早研究星系光谱的天文学家是史来弗10。

1912年，他发现仙女座大星系M31显出蓝移。

但「星系蓝移」原来是例外。

1915年，他已得到15个星系的光谱，其中显出红移的竟有12个。

1925年，他取得45个星系的光谱，其中41个显出红移，看来都在离开我们。

1929年，哈勃将星体的红移和已知的距离放在一起，公布了哈勃定律(Hubble’s law)：v = H0d (星系离地球的距离(d) 与星系离开地球的速度(v)成正比)定律里的比率H0现在叫做哈勃常数。

哈勃并不是最早提出正比定律的人。

远在1923年，德国天文学家维茨(Carl Wirtz)11根据史来弗的资料，假设所有有关的星系的大小都是相同的，早已提出正比定律。

上节也讲过，在1927年，勒梅特也从他的宇宙理论推出正比定律。

哈勃融会了「红移」数据与天文学公认的观测距离。

12他当时掌握到的数据只限于近距离 (≤ 6.52百万光年)的星系，正比定律只是斗胆的猜测；而且这些星系10 V esto Melvin Slipher (1875 – 1969) ，美国亚利桑那州洛威尔天文台台长。

见Wikipe dia, “V esto Slipher”条，18:53, 4 April 2007。

11 Carl Wilhelm Wirtz, 见Heinz R. Pagels, Perfect Symmetry: The Search for the Beginning of Time (New Y ork: Simon and Schuster 1985), p.87.12 1908年，天文学家Henrietta S. Leavitt发现从「造父变星(Ceipheid variables )」光度的周期可以算出「绝对光度」，与「观测光度」比较便可以推出距离。

星系中常见「1型(Type 1)造父变星」，星系的距离因此可以量出。

在他的速度／距离图上分布散落，并不太依循直线。

但后来他和休玛逊13在1931年公布的数据包括远达 97.8百万光年的星系，直线关系非常清晰。

最近的资料推出来的哈勃常数数值是14H0 = 21.7 ± 0.5(km/s)/ 百万光年。

根据哈勃定律，大星系几乎都在避开我们；距离我们愈远，走得愈快。

离地球10亿(109)光年的星系，抛离地球的速度是每秒钟21,700公里。

我们是否这样面目可憎，引致几乎所有星系都要「避之则吉」呢？非也！它们根本不知道我们的存在。

惟一可能的结论是：整个宇宙正在膨胀！让我们想象时光倒流。

假如哈勃常数大致不变的话，以往有一天，整个可见宇宙的物质都集中在一小点上。

这是乾坤巨爆理论的一个论证。

3.3.数字游戏根据哈勃定律，远离速度v达到光速(c ≈ 300,000公里/秒) 的星体，距离地球 d = 13.68×109光年(136.8亿光年) ；这是「可见宇宙」的半径。

半径外的星体我们根本无法观测。

1/H0= d / v的单位可以简化为「年」：1/H0 = 13.772×109年 = 137.72 亿年假设哈勃常数不因时而变，这是宇宙岁数相当可靠的估计。

154.二次大战后的科学界4.1.理论在二次大战后，科学界普遍接受了相对论、哈勃的宇宙膨胀定律和基础量子力学。

科学界也接受了早期的粒子理论；常态的粒子包括13 Milton Lasell Humason (1891-1972) 。

这位传奇天文学家只受过中学教育，当初只是一位送货上美国威尔逊山天文台的骡夫。

14H= 70.8±1.6 (km/s)/Mpc = 21.7±0.5 (km/s)/Mly; M = 百万、ly = 光年、pc = 秒差距 = 3.26光年。

秒差距(parsec, pc)当初的定义是「引起天文视差角(parallax)1秒的距离」，如地球(E)到太阳(S)的距离是ES = 1AU，太阳到星体(O)的距离是SO =1pc，则天文视差角≡∠SOE = (1/360) ︒。

(实际上ES = 1.00±0.02 AU。

) /m_uni/uni_101expand.html15 2003年美国NASA的人造卫星WMAP观测所得宇宙年龄是(13.7±0.2)×109年。

光子( )、电子(e或e-)、正子 (e+)，质子(p或p+)、中子(n)后二者通称核子( nucleon) ，是组成原子核的原料。

16中子不带电荷 (「呈中性」)；电子带负电荷，正子和质子都带同样的正电荷：质子的电荷 = 正子的电荷 = - (电子的电荷)。

元素的原子核由质子与中子组成。

重要的数字是原子序 (atomic number) ≡Z=原子核内质子的数目原子本身呈中性，由原子核和核外足够的电子组成：原子核外的电子数 = 原子核里的质子数 = 原子序Z。

另外一个重要的数字是,：质量数(mass number) ≡ A =原子核内核子的数目= 原子核内的 (质子数 + 中子数) 。