20世纪：宇宙学的一个世纪

    宇宙学并不是从某些人大脑中凭空诞生的一门玄之又玄的学问，而是一门有着坚实的观测数据和可靠的物理理论作为基础的观测科学。现代宇宙学是在现代物理学的两大支柱——相对论和量子力学的支持下诞生的，随即得到天文望远镜制造技术与天文观测技术的发展带来的数据支持。自从身体被束缚在轮椅上，思想却在宇宙深处遨游的物理学家霍金出版《时间简史》之后，宇宙学更成为当代显学，从科学家的书房走向了大众的茶余饭后。

    和《时间简史》面向普通公众不同的是，朗盖尔（Malcolm Longair）的《宇宙的世纪》是一部扎实的“宇宙内史”，阅读它也许需要更多的知识准备。该书将20世纪现代宇宙学的诞生与一步步发展的过程详尽地勾勒出来，讨论了现代天体物理学各个分支的观测和理论过去一百年的发展。

    《宇宙的世纪》的作者朗盖尔是英国天体物理学家，在他的研究生时代正好赶上1960年的天体物理学大发展时期，同时也是大爆炸宇宙学和稳恒态宇宙学争论最激烈的时代，朗盖尔的一位导师就是稳恒态宇宙学代表人物、英国天文学泰斗霍伊尔。作者的学术生涯经历了1960年至今的宇宙学从简单到精密的全过程，由他来带领天文学爱好者重新经历一次宇宙学发展史是非常合适的。

“牛顿宇宙”模型的遗留问题

    很多中国民间科学家反对大爆炸宇宙学的理由是，“在我们上学的时候”学习的是“时间是无穷无尽的，空间也是无穷无尽的，宇宙既没有创生，也没有结束”。这是在现代宇宙学诞生之前，也就是马克思在世时科学界和思想界奉为圭臬的“牛顿宇宙”的模型。这种宇宙观是由哥白尼、布鲁诺所肇始，由牛顿及牛顿之后的科学家所确立的。在处理低速运动时，这种宇宙观提供了有效的参照系，从当前来看，它也是对“邻近宇宙”的很好的采样，因此在20世纪之前，完全称得上是科学的。

    哥白尼的日心说，以及伽利略利用刚诞生的望远镜进行的观测拓展了人们对于宇宙的认识，从太阳系的“果壳”向外发现了可能是无限的宇宙。1664年，21岁的牛顿根据开普勒第三定律推导出了万有引力，无论是地球还是天体都会受到万有引力的作用，从而在力学上统一了天地并合理地解释了太阳系诸天体的运行。但万有引力对于宇宙的“稳定存在”却是一个挑战。

    1692年一位英国牧师本特利（Richard Bentley）给牛顿写信，讨论如何从物理角度理解宇宙的本质，两人展开了短暂却频繁的通信。在写给这位牧师的回信中，牛顿讨论了布满恒星的有限或者无限宇宙的稳定性，他给出的结论是：宇宙一定是无限的，否则，有限的宇宙一定会在引力作用下向中心坍缩。不过他们也以深刻的物理洞察力认识到，即使宇宙是无限的，也存在引力不稳定性问题。牛顿承认：“上帝设计的宇宙是无限的，恒星在其中均匀分布，并且它们正如针尖倒立一样处于极其完美而微妙的不稳定平衡状态。”

    无限时空的牛顿宇宙观并没有解决稳定性问题，也没有回答“宇宙创生”的问题，只是进行了技术回避，把这个问题留给了上帝。

跟着星光走向宇宙

    在1664“奇迹年”中，牛顿用三棱镜研究太阳光，发现我们所见到的白光实际上是由七色光组成的，从而开创了光谱学。对光的传播和本质的讨论也成为牛顿理论的一个重要内容。有趣的是，尽管19世纪的科学家仍然在“牛顿宇宙”中工作，但在光谱学领域已经取得了许多“非牛顿”的研究成果，只是当时的科学家还没有意识到这一点。

    1802年，托马斯·杨（Thomas Young）向皇家学会提交了《关于光和颜色的理论》，用光的双缝干涉证明了光的波动理论的正确性，并用衍射光栅首次测量了不同颜色的光的波长。1817年，玻璃工出身的德国科学家夫琅和费（Joseph Fraunhofer）仔细研究了太阳光谱，发现了太阳光谱中的暗线，随后他还发现恒星光谱中也有同样的暗线存在。1859年，基尔霍夫（Gustav Kirchhoff）在实验室中观察了光线通过火焰之后的吸收光谱，发现了辐射特性与吸收特性的关系，从而明白了夫琅和费光谱中对应实验室钠元素光谱的暗线意味着太阳中存在和地球上同样的钠元素。这一发现继牛顿的万有引力之后，从物质成分的角度统一了天体和地球。

    对于恒星光谱分类的研究则从19世纪中期一直持续到20世纪，并延续到今天。由于许多天体无法得到直观的图像，光谱成为辨别它们最主要的“身份证”，使天文学家可以测量恒星的光度和距离。1925年哈勃（Edwin Hubble）正是在美国女天文学家利维特（Henrietta Leavitt）发现的造父变星的周光关系基础上证明了仙女座星云其实是河外星系，从而开创了河外星系天文学。1926年哈勃用统计方法证明在银河系附近，星系是均匀分布的，他估计，按照爱因斯坦的静态宇宙模型，他已经观测到了宇宙半径的1/600。哈勃还估计，根据天文底片和望远镜尺寸的增长速度，在可以预见的时间里人们能够观测到爱因斯坦宇宙中相当大的一部分。

    在光谱学研究的基础上，哈勃对星系光谱的研究让他于1929年得到了现代观测宇宙学的第一个重大发现，说明了星系远离速度（即红移现象）与星系距离的关系，即哈勃定律，证明整个宇宙（星系系统）正在经历匀速的膨胀。这个发现给爱因斯坦带来了尴尬和鼓舞，他本可以在观测提供证据之前就发现宇宙可能是在膨胀的。

爱因斯坦的误判

    牛顿物理学主导物理学三百多年，解释了几乎所有的自然现象，战胜了无数的困难，貌似坚不可摧。19世纪末的一些物理学家认为物理学问题已经被牛顿理论解决完了，但没有想到，广义相对论在牛顿力学出发的地方——太阳系就打败了它，这就是水星的进动问题。1915年，爱因斯坦精确地解决了水星进动问题，这给了爱因斯坦最初的信心，终于完整地发表了他的广义相对论。

    爱因斯坦发现，在广义相对论框架下，他可以构造一个从整体上描述宇宙的模型，这是自牛顿-本特利通信之后，试图“描写宇宙”的又一次尝试，但和牛顿一样，他很快发现在纯引力作用下宇宙没有稳定解。由于天文观测证据的限制，爱因斯坦并没有立刻发现“不稳定”的意义——宇宙可能是正在膨胀或者收缩，他的大脑也仍然被宇宙“稳定”的假象所蒙蔽。

    1917年，爱因斯坦构造出了一个“静态宇宙模型”，为了解决牛顿注意到的引力不稳定性问题，爱因斯坦在他的方程中人为地引入了“宇宙学常数”。这个模型是第一个完全自洽的宇宙学模型，它描述了一个封闭的有限密度的静态宇宙，这个宇宙模型实际上反映的是牛顿时空观的“余威”。虽然“宇宙学常数”出现得很突兀，但为了使宇宙保持“稳定”，爱因斯坦只能如此。这个模型就是哈勃在1926年论文中引述的“爱因斯坦宇宙”。

    幸好并非像传说的那样只有爱因斯坦等少数几个人懂广义相对论，好几位物理学家开始致力于用广义相对论建立宇宙模型。1924年，苏联科学家提出了“膨胀宇宙”的模型。

    对于当时的天文学家和物理学家来说，“膨胀宇宙”是个不可思议的怪事，因为天文学观测还没有给出任何证据表明“永恒”的宇宙还会发生变化。1927年勒梅特（Georges Lemaitre）重新发现了爱因斯坦方程的膨胀解，他指出宇宙可能是从“原初原子”或者“宇宙蛋”这样一个很小的尺度演化而来，但他也不是很自信地说：“我们仍需要解释宇宙膨胀的原因。”

    仅仅两年后，年轻的哈勃发现星系存在系统红移：宇宙正在膨胀！牛顿的绝对时空至此再也无法立足，宇宙膨胀成为新的“科学宇宙观”。

大爆炸宇宙学的确立

    在1920、1930年代，科学界的主要精力被新兴的量子力学所吸引，天体物理学家则致力于用量子力学和核物理学解释恒星的能量来源，而宇宙学仅仅得到星系红移的支持，在大多数科学家看来，证据还不充分，只有少数科学家注意到了宇宙学可以和量子力学结合起来。

    出生在俄国的伽莫夫（George Gamow）在年轻时代发现了解释α衰变的“势垒穿透”的伽莫夫公式，这是量子力学在原子核研究上最早的成就之一。伽莫夫从而获得了玻尔的赏识，后来玻尔帮助伽莫夫逃离了铁幕下的苏联，到美国定居。伽莫夫曾经是弗里德曼的学生，对于宇宙膨胀的观念当然不陌生。勒梅特的“宇宙蛋”给伽莫夫提供了研究灵感。勒梅特认为，“宇宙蛋”里可能是高密度的质子、电子和氦原子核，这些简单的粒子是所有化学元素的起源。

    1948年的愚人节，一篇署名为阿尔弗、贝特和伽莫夫的论文发表在《物理学评论》杂志上。在这篇文章中，作者从“中子海”算起，描述了宇宙最初三分钟经历的物理过程，解释了氢、氦元素的形成，这个理论被称为αβγ理论（即作者姓名的拉丁词根）。同一年，伽莫夫的两个学生阿尔弗和赫尔曼对原初核合成计算进行了细化，他们意识到宇宙早期的状态不是物质而是充满了辐射，这些辐射一直遗留到了现在，他们算出的热背景温度约为5K，这是大爆炸宇宙学第一个科学预言。伽莫夫并没有意识到，当时已经存在能够探测5K这样低温辐射的技术，而且就在《物理学评论》αβγ论文的同一卷上，物理学家狄克（Robert Dicke）就发表了用雷达观测到星际气体温度不会高于20K的文章，但此时谁也没有把它与宇宙微波背景辐射联系起来。

    后面的故事就是很多人所熟悉的了，贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯（Arno Allan Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）为了排除天线噪声无意中发现了3K左右无法去除的“噪声”，这就是微波背景辐射。

    第二次世界大战之后政府开始对基础科学进行大批投资，天体物理学和宇宙学研究也从中受益。战争期间发展起来的计算技术、雷达技术也被应用于天文学研究，天文学观测逐渐从传统的光学波段拓展到射电、X射线和伽马射线等全电磁波段，观测设备也从单纯的望远镜发展到气球、火箭和卫星，宇宙学开始迎来了它的黄金时代。

宇宙学的黄金时代

    哥白尼之前的“宇宙”以地球为中心，是一个“安全而舒适”的宇宙，上帝照看着他所拣选的人类。牛顿时代的宇宙在时空上是无限，在物理上却是永恒和安静的，时间在静谧的空间中流淌，人类面对着不可知的过去和不可知的未来。广义相对论向人们展现的宇宙是动荡不安的，它有一个开始，也可能有一个终结。

    1960年代以来的天文学观测发现，宇宙不仅是演化的，还是暴烈的：恒星在诞生和爆炸，黑洞埋藏在几乎每个大星系的深处，就连庞大的星系也存在碰撞与合并，恒星、黑洞、中子星、类星体都存在强烈的辐射，具有极高能量的宇宙射线每天都在轰击着地球，安静的宇宙变得喧嚣起来。

    与这些发现同时发生的是，物理学家们开始从量子力学和核物理研究转向天体物理学和宇宙学，天文学从独立的传统“方位天文学”转而成为物理学的一部分。成立于1919年的国际天文联合会（IAU）人数也从1922年的200人，1938年的550人，增加到2003年的9100人。

    经过20世纪里几十年的争吵之后，1990年代宇宙学家们终于确立了“标准宇宙学模型”，能够解释宇宙从极早期的“暴胀”过程产生大尺度结构，能够说明早期留下的微弱扰动如何迅速演化出恒星、星系和星系团等可以观测的天体。天体物理学家们对于恒星、星系的演化过程也获得了较为满意的答案。

    “标准模型”的建立并不意味着解决了宇宙学和天体物理学中的所有问题，恰恰相反，有更多的问题正在等待天文学家。还没有完全解决的类星体、星系核问题，以及新提出的星系在宇宙早期已经“成熟”的问题，考验着下一代的天文观测技术和天文学家的耐心。

    从1930年代发现的暗物质，到1998年确认的暗能量，这两个“看不见”的宇宙成分对经典的物理学理论形成了挑战，又关系到宇宙的起源和未来，它们时刻提醒我们：宇宙的最终命运尚未解决。