宇宙学说的发展

中国古代的宇宙结构学说

把宇宙作为一个整体,探讨我们所居住的大地在其中所处的位置,即天和地的关系,叫宇宙结构理论。在中国古代,天体学说有所谓论天六家:即盖天、浑天、宣夜、昕天、穹天、安天。其中主要有三家:即盖天、浑天、宣夜。昕天基本上属于盖天体系,穹天是盖天说的翻版,安天则是宣夜的发展。

盖天说出现于殷末周初。主要观点为天在上,地在下,天为一个半球形的大罩子。南北朝时代鲜卑族歌手斛律金《敕勒歌》中"天似穹庐,笼盖四野"两句诗,是对盖天说的形象化说明。盖天说一共有两种。

第一种盖天说即"天圆地方"说。《晋书·天文志》中说:"周髀家云:‘天员(圆)如张盖,地方如棋局。’"关于方形的大地,战国时代阴阳家齐人邹衍解释说,上有九个州,中国是其中之一,叫赤县神州,每个州四周环绕着一个稗海。九州之外,还有一个大瀛海包围着,一直与下垂的天的四周相连接。穹庐般的天穹有一个极(这个极实际上是地球自转轴正对这一点),天就象车轱辘一样绕着这个"极"旋转不息。天圆地方说的最大破绽,就是半球形的天穹和方形大地之间不能吻合。迫使其修改为:天并不与地相接,而是象一把大伞一样,高悬在大地上空,有绳子缚住它的枢钮,周围有八根在柱子支撑着。天空有如一座顶部为圆拱的凉亭。《列子·汤问》篇中所说的共工触倒的那个不周山,就是八根擎天柱之一,所以女娲便出来炼石补天。天圆地方说提出的宇宙模型,只是凭感性的观察,又掺入了许多规定的。但在我国历史上却有广泛影响,符合儒家关于"天尊地卑"的说教,在封建王朝的天地理论体系中占据正统地位。如北京的天坛,是圆形的;地坛,是方形的。这是天圆地方的象征性模型。

第二种盖天说将方形大地改为拱表大地,即《晋书.天文志》中所说的"天象盖笠,地法覆盘。"第二种盖天说已经有了拱形大地的设想,为以后球形大地的认识奠定了基础。便它仍然不能解释天体的运行,如太阳的东升西落和月亮的盈亏等问题。

浑天说主张大地是个球形,外裹着一个球形的天穹,地球浮于天表内的水上。汉代天文学家张衡在《浑天仪图注》中说:"浑天如鸡子,天体圆如弹丸,地如鸡子中黄,孤居于天内,天大而地小。天表里有水,天之包地,犹壳之裹黄。天地各乘气而立,载水而浮。......天转如车毂之运也,周旋无端。其形浑浑,故曰浑天。"浑天说始于战国时期,战国人慎到、惠施都提出过关于球形大地的设想。关于球形大地如何悬在空中,最早的浑天说认为天球里盛满水,地球浮在水面。半边天在地上,半边天在地下。日月星辰附在天壳上,随天周日旋转。后来一些浑天论者纷纷反对地球浮于水面的说法。明代章潢《图书编·天地总论》中说:"《隋书》谓日入水中,妄也。水由地中行,不离乎地,地之四表皆天,安得有水?谓水浮天载地,尤妄也。"

随着元气体论的发展,浑天说改为地球浮于气中,与气天相似。宋张载《正蒙.参两篇》中说"地在气中"。浑天说比起盖天说来,无疑要进步得多。浑天说与球面天文学的基本出发点完全一致,对于观测天文学来说,也能充分满足要求。但是,作为宇宙结构理论来说,浑天说则是不符合事实的。天球的概念完全是个臆想的概念。

宣夜说认为"天"并没有一固定的天穹,而只不过是无边无涯的气体,日月星辰就在气体中飘浮游动。关于宣夜说的命名,清代邹伯奇说:"宣劳午夜,斯为谈天家之宣夜乎?"宣夜说之得名,是因为观测星星常常闹到夜半不睡觉。宣夜说的历史渊源,可上溯到战国时代的庄子。《庄子·逍遥游》:"天之苍苍,其正色邪?其远而无所有至极邪?"用提问的方式表达了自己对宇宙无限的猜测。宣夜说自然观的基础是元气学说。战国时代宇宙无限的猜测。宣夜自然观的基础是元气学说。战国时代道有中的宋尹学派,把宇宙万事万物的本源归结为"气"。这气可以上为日月星辰,下为山川草木。在这方面,宣夜说有重大发展。三国时代的宣夜说学者杨泉在《物理论》中说:"夫天,元气也,皓然而已,无他物焉。"他还进一步论证说:"夫地有形而天无全。譬如灰焉,烟在上,灰在下也。

宣夜说的进一步发展,还牵涉到天体的物理性质问题。据《列子·天瑞》篇记载,有位杞国人听说日月星辰是在天空飘浮的,便"忧天地崩坠,身无所寄,废寝食者。"这便是成语故事札人忧天的由来。劝札人的人,还提出了不但天空充满气体,连日月星辰也是气体,只不过是发光的气体。后来的宣夜说学者又进而提出地球会坏,天地也会坏,但是用不着担忧。就其宇宙结构理论来说,宣夜说确实达到了较高水平,它提出了一个朴素的无限宇宙观。但是,从观测天文学的角度来看,宣夜说却不如浑天说的价值大。浑天说能够近似地说明太阳和月亮的运行,宣夜说只能指出它们运行的不同,却没有探讨其运行的规律性。修订历法时,浑天说有很重要的实用意义,宣夜说却仅仅具有理论意义。但在人类认识宇宙的历史上,宣夜说无疑应有重要意义。

地心说 



  地心说是长期盛行于古代欧洲的宇宙学说。它最初由古希腊学者欧多克斯提出,后经亚里多德、托勒密进一步发展而逐渐建立和完善起来。
   托勒密认为,地球处于宇宙中心静止不动。从地球向外,依次有月球、水星、金星、太阳、火星、木星和土星,在各自的圆轨道上绕地球运转。其中,行星的运动要比太阳、月球复杂些:行星在本轮上运动,而本轮又沿均轮绕地运行。在太阳、月球行星之外,是镶嵌着所有恒星的天球——恒星天。再外面,是推动天体运动的原动天。
   地心说是世界上第一个行星体系模型。尽管它把地球当作宇宙中心是错误的,然而它的历史功绩不应抹杀。地心说承认地球是“球形”的,并把行星从恒星中区别出来,着眼于探索和揭示行星的运动规律,这标志着人类对宇宙认识的一大进步。地心说最重要的成就是运用数学计算行星的运行,托勒密还第一次提出“运行轨道”的概念,设计出了一个本轮均轮模型。按照这个模型,人们能够对行星的运动进行定量计算,推测行星所在的位置,这是一个了不起的创造。在一定时期里,依据这个模型可以在一定程度上正确地预测天象,因而在生产实践中也起过一定的作用。
   地心说中的本轮均轮模型,毕竟是托勒密根据有限的观察资料拼凑出来的,他是通过人为地规定本轮、均轮的大小及行星运行速度,才使这个模型和实测结果取得一致。但是,到了中世纪后期,随着观察仪器的不断改进,行星位置和运动的测量越来越精确,观测到的行星实际位置同这个模型的计算结果的偏差,就逐渐显露出来了。
   但是,信奉地心说的人们并没有认识到这是由于地心说本身的错误造成的,却用增加本轮的办法来补救地心说。#初这种办法还能勉强应付,后来小本轮增加到80多个,但仍不能满意地计算出行星的准确位置。这不能不使人怀疑地心说的正确性了。到了16世纪,哥白尼在持日心地动观的古希腊先辈和同时代学者的基础上,终于创立了“日心说”。从此,地心说便逐渐被淘汰了。 

日心说


   1543年,波兰天文学家哥白尼在临终时发表了一部具有历史意义的著作——《天体运行论》,完整地提出了“日心说”理论。这个理论体系认为,太阳是行星系统的中心,一切行星都绕太阳旋转。地球也是一颗行星,它上面像陀螺一样自转,一面又和其他行星一样围绕太阳转动。
   日心说把宇宙的中心从地球挪向太阳,这看上去似乎很简单,实际上却是一项非凡的创举。哥白尼依据大量精确的观测材料,运用当时正在发展中的三角学的成就,分析了行星、太阳、地球之间的关系,计算了行星轨道的相对大小和倾角等,“安排”出一个比较和谐而有秩序的太阳系。这比起已经加到80余个圈的地心说,不仅在结构上优美和谐得多,而且计算简单。更重要的是,哥白尼的计算与实际观测资料能更好地吻合。因此,日心说最终代替了地心说。
   在中世纪的欧洲,托勒密的地心说一直占有统治地位。因为地心说符合神权统治理论的需要,它与基督教会所渲染的“上帝创造了人,并把人置于宇宙中心”的说法不谋而合。如果有谁怀疑地心说,那就是亵渎神灵,大逆不道,要受到严厉制裁。日心说把地球从宇宙中心驱逐出去,显然违背了基督教义,为教会势力所不容。为了捍卫这一学说,不少仁人志士与黑暗的神权统治势力进行了前仆后继的斗争,付出了血的代价。意大利思想家布鲁诺,为了维护日心说,最终被教会用火活活烧死;意大利科学家伽利略,也因为支持日心说丽被宗教法庭判处终身监禁;开普勒、牛顿等自然科学家,都为这场斗争作出过重要贡献。 


大爆炸说 


   1929年,天文学家哈勃公布了一个震惊科学界的发现。这个发现在很大程度上导致这样的结论:所有的河外星系都在离我们远去。即宇宙在高速地膨胀着。这一发现促使一些天文学家想到:既然宇宙在膨胀,那么就可能有一个膨胀的起点。天文学家勒梅特认为,现在的宇宙是由一个“原始原子”爆炸而成的。这是大爆炸说的前身。美国天文学家伽莫夫接受并发展了勒梅特的思想,于1948年正式提出了宇宙起源的大爆炸学说。
   伽莫夫认为,宇宙最初是上个温度极高、密度极大的由最基本粒子组成的“原始火球”。根据现代物理学,这个火球必定迅速膨胀,它的演化过程好像一次巨大的爆发。由于迅速膨胀,宇宙密度和温度不断降低,在这个过程中形成了一些化学元素(原子核),然后形成由原子、分子构成的气体物质.气体物质又逐渐凝聚起星云,最后从星云中逐渐产生各种天体,成为现在的宇宙。 
   这种学说一般人听起来非常离奇,不可思议。在科学界,也由于这个学说缺乏有力的观测证据,因而在它刚刚问世时,并未予以普遍的响应。
   到了1965年,宇宙背景辐射的发现使大爆炸说重见天日。原来,大爆炸说曾预言宇宙中还应该到处存在着“原始火球”的“余热”,这种余热应表现为一种四面八方都有的背景辐射。特别令人惊奇的是,伽莫夫预言的“余热”温度竟恰好与宇宙背景辐射的温度相当。另一方面,由于有关天文学数据已被改进,因此根据这个数据推算出来的宇宙膨胀年龄,已从原来的50亿年增到100-200亿年,这个年龄与天体演化研究中所发现的最老的天体年龄是吻合的。由于大爆炸说比其他宇宙学说能够更多、更好地解释宇宙观测事实,因此愈来愈显示出它的生命力。
   现在,大多数天文学家都接受了大爆炸说的基本思想,不少过去不能解释的问题正在逐步解决,它是最有影响、最有希望的一种宇宙学说。 

星云说 


   太阳系究竟是怎样产生的,这个问题直到现在仍然没有令人完全满意的答案.长期以来,人们为了解决这个问题,曾经提出过许多学说,其中“星云说”是提出最早,也是在当代天文学上最受重视的一种学说。
   最初的星云说是在一18世纪下半叶由德国哲学家康德和法围天文学家拉普拉斯提出来的。由于他们的学说在内容上大同小异,因而人们一般称之为康德一拉普拉斯星云说。他们认为:太阳系是由一块星云收缩形成的,先形成的是太阳,然后剩余的星云物质进一步收缩演化形成行星。
   星云说出现以前,人们把天体的运动变化看作是上帝发动起来的,称之为“第一次推动”。康德一拉普拉斯的星云说,用自然界本身演化的规律性来说明行星运动的一些性质,无疑对这种荒谬的观点是一个有力的打击,也为天文学的发展建立了不朽的功勋。 
   不过,康德一拉普拉斯星云说只是初步地说明了太阳系的起源问题,还有许多观测事实却难以用它来解释。所以,星云说在很长时间里陷入了窘境。直到本世纪,随着现代天文学和物理学的进展,特别是近几十年里,恒星演化理论的日趋成熟,星云说又换发出了新的活力。
   现代观测事实证明,恒星是由星云形成的。太阳系的形成在宇宙中并不是一个独特的偶然的现象,而是普遍的必然的结果。另外,关于太阳系的许多新发现也有力地支持了星云说。 
   在这样的背景下,现代星云说逐渐完善起来了。当然,星云具体是怎样演化的,这一点还有不少分歧的意见。有一种观点认为:形成太阳系的是银河系里的下团密度较大的星云,这块星云绕银河系的中心旋转着,当它通过旋臂时受到压缩,密度增大,达到一定密度时,星云就在自身引力的作用下,逐渐收缩。收缩过程中,一方面使星云中央部分内部增温,最后形成原始太阳,当原始太阳中心温度达到700万摄氏度时,氢聚变为氦的热核反应点火,于是,现代太阳便真正诞生了。另一方面,由于星云体积缩小,因而自转加快,离心力增大,逐渐在赤道面附近形成一个星云盘。星云盘上的物质在疑柔和吞并过程中,最后演化为行星和其他小天体。总之,现在人们己能用星云说比较详细地描述太阳系的起源过程,但还有很多具体问题未能很好解决,还有待完善和充实。

宇宙学说受到挑战

     美国天文学家在猎户星座中发现了一颗巨大的原恒星,同时,他们在狮子座发现了宇宙中迄今为止最大的星团集合。科学家们说,这次的最新发现动摇了“大爆炸”理论——

      日前,美国天文学家通过哈勃望远镜在猎户星座中发现了一颗巨大的原恒星,这颗原恒星正处于其演化阶段的极早期,它距离地球约6000光年,质量达到了太阳的约10倍,人类还是第一次发现如此巨大的原恒星。从哈勃望远镜拍摄的照片上,天文学家还首次在这颗巨大的原恒星周围,发现了与它差不多大小的星云盘。专家推测,在这个星云盘中可能会有行星形成。新发现的巨大原恒星的“年龄”估计在20万年左右,在恒星中只能算是婴儿。

      几乎与此同时,美国天文学家还宣布,他们在狮子座发现了宇宙中迄今为止最大的星团集合,该星团集合由几十亿颗恒星和类星体组成,直径为600万光年,该星团距离地球为65亿光年。

      上述两项新发现所产生的欣喜尚未褪去,烦恼的事情却已经出现:翻遍人类所有的科学理论模型,都无法对新发现的自然现象做出系统的表述和令人信服的科学解释。科学家们说,这次的最新发现对现有的宇宙形成学说构成了空前的挑战。

      现代的宇宙形成学说

      现代宇宙学说中最有影响的就是宇宙大爆炸理论,与其他宇宙模型相比,它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们所处的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。

      “大爆炸”说认为,在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据这一观点,大爆炸的整个过程是:在宇宙的早期,温度极高,约有100亿摄氏度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀,随之温度很快下降。当温度降到10亿摄氏度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。当温度进一步下降到100万摄氏度后,早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千摄氏度时,辐射减退,宇宙间主要的气态物质逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙。大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实:

      1、大爆炸理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度下降到今天这一段时间为短,即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。

  2、观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映。   3、在各种不同天体上,氦密度相当大,而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论,早期温度很高,产生氦的效率也很高,则可以说明这一事实。

  4、根据宇宙膨胀速度以及氦密度等,可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言,今天的宇宙已经很冷,只有绝对温度几度。1965年,在微波波段上探测到具有热辐射谱的微波背景辐射,温度约为3K(绝对温度值)。

  原恒星是重要转折点

   根据现今的“弥漫说”的理论,恒星的形成可分为两个阶段。首先,宇宙中稀薄的物质先凝聚成星云并收缩成原恒星,然后,原恒星才慢慢向恒星发展。

    恒星通常是在星际气体中诞生的。在宇宙中,星际空间普遍存在极稀薄的物质,并且由于分布不均匀而分裂成团块,分裂后的物质向中心凝聚,逐渐成为弥漫星云。弥漫星云在逐步凝聚收缩的过程中,进一步分裂,变成体积和质量更小而密度却更高的小球状星云。当星际气体的密度增加到一定的程度时,由于其内部引力比气体压力增长得要快,气体云开始缩小。这样的倾向一产生,其本身的引力便促使星际气体的密度同时升高。质量大得惊人的星际物质变得不稳定起来。在引力作用下,这些星际气体与尘埃物质收缩、凝聚,并且这种变化的速度越来越快、越来越猛烈。部分气体成为体积较小的云团,这些较小的云团逐渐发展成为一颗颗的恒星,并且这些恒星多为“一鼓作气”而且是大批量地诞生。

  恒星的具体诞生过程是,假如有一星际气体的密度为每立方厘米六万个氢原子,大大超过一般星际物质(每立方厘米一个氢原子)的密度指标。最初这团气体是透光的,气团中的尘埃不受周围气体的牵制,畅行无阻地传到外空。气体以自由落体的方式落到中心,星际物质在中心区逐渐积聚起来。本来质量分布均匀的一团物质,变成了越往里密度越大的气体球。中心附近的重力加速度越来越大,内部区域物质的运动速度的增长突出。在这时,几乎所有的氢原子都结合成分子,气体的温度很低。此时的气团仍然很稀薄,一切辐射都能往外穿透。经过几十万年后,中心区的密度逐渐变大,那里的气体对于辐射来说变得不透明了。此时,核心温度开始升高,并且随着温度的上升,压力开始变大,收缩与凝聚停止了。这个密度特别大的中心区半径和木星轨道半径差不多,而它所含的质量只涉及全部物质的0.5%。

  直至温度达到2000摄氏度左右,氢分子开始分解成为原子。于是核心再度收缩,到收缩时释放出的能量把全部的氢都重新变为原子。这个新生的核心比今天的太阳稍大一些,不断向中心跌下的全部外围物质最终都要落到这个核心上,一颗质量和太阳一样的恒星就要形成了。

  因为这样的核心是逐渐转变为恒星的,所以被称之为“原恒星”,它的辐射消耗主要由落到它上面的物质的能量来补充。由于密度和温度在升高,原子渐渐地丢失了它们的外层电子,成为电离原子。由于落下的气体和尘埃形成了厚厚的外壳,它的光穿透不出来。直至越来越多的下落物质和核心联成一体时,外壳才透光,星体就以可见光突然涌现出来。其余的云团物质还在不断向它落下,它的密度在增大,因而内部温度也在上升。当其中心温度达到1000万摄氏度时,氢聚变开始,一颗原始的恒星就这样诞生了。

   新发现带来挑战

  日益进步的科技手段,层出不穷的新发现,使得科学家们对大爆炸理论产生了疑惑。有人提出,如果宇宙是在约100亿年前从一个极小的点诞生的,从那里诞生了时间和空间、质量和能量,从而由物质小微粒聚集成大团的物质,最终形成星系、恒星和行星等。在大爆炸发生前,宇宙中没有物质,没有能量,甚至没有生命。那么,大爆炸理论却无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样,或者确切地解释清楚发生这次大爆炸的原因是什么?科学界对此也莫衷一是。

  英国著名理论物理学家斯蒂芬·霍金对宇宙的起源曾提出了自己的最新解释,即宇宙有始而无终。

  霍金与其合作者、英国剑桥大学数学物理教授图罗克最新提出的“开放暴胀”理论认为,宇宙最初的模样像一个豌豆大小的物体,悬浮于一片没有时间的真空,“豌豆”状的宇宙存在的时间与“大爆炸”相隔一个极短瞬间。该理论认为,“豌豆”状的宇宙在“大爆炸”前的瞬间内经历了被称为“暴胀”的极其快速的膨胀过程。另外,霍金和图罗克还根据“开放暴胀”理论推断,宇宙最终将无限地膨胀下去,而不是像一些天文学家所认为的,膨胀到一定程度后会在引力作用下收缩。霍金和图罗克的新理论在科学界引起了不同的反应。英国的一些著名天文学家指出,霍金的新理论完全是按照物理学定律纯理论推算的结果,它是否揭示了宇宙的本质还有待于实际观测的考验。

  印度科学家也认为,宇宙在最初的时候是一个被称为“创物场”的巨大的能量库,而不是大爆炸理论所描述的没有时间、没有空间的模式。在这个能量场中不断发生爆炸,逐渐形成了宇宙的雏形。此后在密度更大的巨大物体周围,在强大的引力波作用下不断发生小规模的爆炸,导致小范围空间的膨胀,而且膨胀的速度并非是匀速的。这些时快时慢的小规模膨胀综合在一起,形成了大尺度范围内宇宙的膨胀。但迄今为止,“引力波”还只是科学家的一种假设,有待实验数据的检验。

  这次美国天文学家在猎户星座及狮子座的最新发现,为研究宇宙的诞生和演变提出了新的问题与挑战。根据“大爆炸”说及目前的普遍认识,宇宙是在一次大爆炸后产生的,到现在有约100亿年的历史,但是这次在狮子座新发现的星团,至少在65亿年前就形成了,这就意味着,在宇宙刚形成不久就有了这样的重力集中,这是现在的任何一种宇宙学说都无法解释清楚的,它无疑构成了对现有宇宙形成学说空前的挑战。正像美国的一位天文学家所说的:新的发现,又为科学的进步设置了一道不高不低的门槛儿。

宇宙大爆炸的最重要证据之一(图)

科学家在进行超级计算机模似试验后得出结论:宇宙大爆炸后形成的首颗恒星比太阳大100倍。上图展示了这颗理论恒星的密度。

  美国国家宇航局的Reuven Ramaty高能太阳分光镜成像卫星(RHESSI)2002年12月6日在拍摄太阳耀斑照片时,意外地在横跨太阳边缘的背景区域捕捉到了一个极强的伽玛射线脉冲,首次提示出伽玛射脉冲的偏振现象。这一发现表明磁场有可能是伽玛射线爆发的背后因素。
  太阳耀斑是太阳大气中的剧烈爆炸,通常由电磁能量的突然释放导致,伽玛射线脉冲则是伽玛射线的随机爆发,大约每天一次,其亮度约为太阳的百万万亿倍。以前的观察显示,伽玛射线脉冲有可能是一些特别的星体,如超新星,爆发时产生的,但并非所有的超新星爆发都能产生伽玛射线脉冲,因此伽玛射线脉冲的原理一直未能弄清。
  此次的发现对于研究伽玛射线脉冲的形成原理具有重要意义,美国天文学协会为此举行了一个特别的新闻发布会,负责这项研究的加州大学伯克利空间科学实验室的研究人员详细说明了他们的研究发现。
  参与此次研究的布莱恩-丹尼斯(Brian Dennis)表示,Reuven Ramaty高能太阳分光镜成像卫星本来是用于研究太阳耀斑的,能够意外地发现有关伽玛射线脉冲原理的证据的确令人十分高兴。伽玛射线脉冲是整个宇宙中最为壮观的爆炸,因此它对于研究宇宙的形成具有非凡的意义。