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第七章 当代宇宙学
当代宇宙学
１８４６年，解析力学取得了胜利：德国天文学家伽勒根据勒威耶（Ｌｅ Ｖｅｒｒｉｅｒ）给他指出的方位，在观测天的一个区域时发现了一颗新的行星——海王星。这个行星在某一时间的位置，通过以偏离理论轨道为基础的计算来确定，如果不是像猜测的那样存在着一种摄动力（ｐｅｒｔｕｒｂａｔｅｕｒ），天王星就应按这个理论轨道运行。这样，将近二百年以来，牛顿的万有引力不仅阐述了所有被观测的天体运动，而且使人们发现了新的天体。换句话说，它除了描述能力之外，还有更为神奇的预言能力。然而，康庄大道很快就通向死路一条：它的胜利也是它的绝唱。从十九世纪末起，作为经典力学基础的绝对空间和时间的概念开始崩溃。哥白尼的革命因牛顿的工作而变得有效并得以完成，这个革命在出现时并没有明显的必要性，但爱因斯坦的革命是经典物理学总危机的结果：经典物理学无法解决一系列新问题。其次，由于无法阐明地球运动与被认为是光辐射的物质基础的以太的关系，当时流行的运动学和以太本身就遭到否定。一些问题导致一种新的物理学的构成。另外，在二十世纪初，被观测的宇宙虽说充实了新的天体，范围大大增加，却仍然十分简单，体积并不可观：大部分天文学家对宇宙的看法是“斯多亚派式的”，即一个星系——我们的星系——飘浮在欧几里得的虚空的空间之中。这种看法虽然做了一些修改，但仍无法证明全新的宇宙学思考。１９２１年至１９２９年，两个新的事实改变了这种看法。１９２１年，对二十九个星云的光辐射进行的光谱分析显示，光谱线向红端位移明显大于向紫端位移，并且绝对值变得越来越大。人们很想把这种位移看做多普勒效应的结果，多普勒效应是因声音而被阐明的，声音的频率取决于声音发出者和接受者的相对速度。人们也由此联想到，多普勒效应能确定星云的辐射速度：向红端位移表明星云远离地球，向紫端位移说明星云靠近地球。退行的星云大大多于接近我们的星云，由此可以认为宇宙在膨胀（ｅｘｐａｎｓｉｏｎ），星云越远，离开我们的速度就越快。１９２９年，哈勃（Ｈｕｂｂｌｅ）和赫马森（Ｈｕｍａｓｏｎ）掌握了四十六个位移并测量了十八个距离，提出了星云的距离和它远离的视速度之间的关系。另一方面，在１９２３年，同一个哈勃发现仙女座星云的一个巨大的造父变星（Ｃéｐｈéｉｄｅ）。这个发现使他推算出仙女座星云的距离为九十万光年（一光年为光在一年内行经的距离，即一万亿公里），因此，这个星云离我们的星系十分遥远。当时观测到的星云大部分位于我们的星系之外，离我们十分遥远，这种假设很快被人接受，并导致宇宙学的复兴。但是，并非只有这些天文学的理由。这个过程使爱因斯坦得出广义相对论，迫使他把空间和时间的概念联系在一起，并使他关心非欧几里得几何（ｇéｏｍéｔｒｉｅ ｎｏｎ ｅｕｃｌｉｄｉｅｎｎｅ），数学家洛巴切夫斯基（Ｌｏｂａｔｃｈｅｖｓｋｉ）和黎曼（Ｒｉｅｍａｎｎ）创立非欧几里得几何时并没有想到它们在物理学上的“用处”。广义相对论的空间－时间随着它的物质内容而变化，在物质的重力下发生弯曲（因此求助于黎曼几何）。宇宙作为总的实体成为物理学研究的客体。宇宙学呈现全新的面貌。在牛顿的理论中，绝对的空间和时间预先被确定为物理学和宇宙学之外的框架，而广义相对论则在它自己的形式结构内部来确定空间－时间的框架。不管涉及何种理论，世界都应该用人们所说的偏导数方程来描述，这就是说，世界总是被局部描述，人们无法从中推断出它的整体结构：为了确定它的整体结构，必须引入“极限条件”，这种条件只能被排除在理论之外。虽然宇宙膨胀理论并不像人们经常在文章中说的那样是广义相对论的产物，大爆炸不是膨胀的必然结果，勒梅特（Ｌｅｍａｉｔｒｅ）教士仍从对爱因斯坦和德西特的相对论的思考出发，于１９２７年制定了他的宇宙膨胀理论，并对这最初的理论加以补充，于１９３１年提出原始原子爆炸的理论，即大爆炸宇宙论的雏形。大多数天文学家很快就接受了宇宙膨胀的想法，但大爆炸的想法引起的却是更多的保留。有些天文物理学家企图建造新的宇宙膨胀模型。构思最为严密、最为“持久”的企图出自戈尔德（Ｇｏｌｄ）和邦迪（Ｂｏｎｄｉ），他们于１９４８年认为，宇宙肯定在膨胀，但密度保持不变。这个解决办法给所谓的标准的宇宙模型提供了一种选择，直至１９６５年，威耳孙（Ｗｉｌｓｏｎ）和彭齐亚斯（Ｐｅｎｚｉａｓ）意外地发现了宇宙的背景辐射：这个观测到的事实与邦迪和戈尔德的不断创生的理论相矛盾，但已被宇宙标准模型所预见。
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