宇宙起源的大争论.doc

. 宏轰?稳态?:宇宙起源的大争论 1 陈天机*,王永雄**,彭金满** 2008-1-11 ,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。 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 , -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) 。 7 . 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。 3 Alexander 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 es-Henri Lema ? tre( 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, -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 Doppl