第二章 宇宙、太阳系和地球

2.1 宇宙的起源

宇宙的起源历来是天文学家和广大的科学爱好者所关注的问题。对于宇宙的认识，人类是由近而远、由表及里不断深入的。人类最初对天地宇宙的初浅认识和迷惑不解，往往导致一些神话的诞生。关于宇宙的起源，每个民族都有一些美丽的传说，这些传说大多包括天、地、太阳、月亮、星星的形成。而日食、月食、彗星等不常见的天象则往往被认为是不吉利的。

传说远古时期，天地形成之前到处是一片混沌，分不出东西南北，在这一片混沌的中间孕育了人类始祖盘古氏（图2-1）。他用自己制造的石斧劈开了混沌的世界，清者日升一丈，浊者日降一丈，经过了18000年终于形成了天地。盘古开天辟地的传说代表了古代中国人对宇宙起源朴素的理解。

古印度人认为，世界像球面的一部分，由几头巨兽驮着，巨象站在海龟的背上，海龟又骑在盘卷成一团的巨蛇上面，高高的塔尖就是高耸入云的山峰（图2-2）。

古埃及人则认为他们居住的地方是四周环绕高山的谷底，天被山峰支撑着，天的形态好像屋顶，星星是悬在屋梁上的油灯（图2-3）。

宇宙起源的哲学观

关于宇宙的起源，我国古代著名思想家李聃的一段话历来为研究宇宙起源的科学家所推崇。《老子》曰：“有物混成，先天地生，寂兮廖兮，独立不改，周行而不殆，可以为天地母。吾不知其名，字之曰‘道’”，“道生一，一生二，二生三，三生万物”。如果把“道”理解为能量的话，从道生一到万物的形成，生动地描绘了宇宙的起源问题。可以说老子的这一思想，已经包含了现代宇宙起源理论的最基本的内容。

公元2世纪，古希腊哲学家托勒密总结了前人的认识后提出了“地心说”理论体系，这一理论流传了14个世纪，极大地推动了天文学的研究。直到今天，天文学家仍然在使用托勒密“天球”的概念。经过哥白尼、伽利略、开普勒等著名天文学家不断地努力，人类终于在牛顿力学体系下对宇宙有了一个全新的认识。

1686年牛顿发表了《自然哲学的数学原理》一书，并论证了万有引力定律。从17世纪开始，天文学家根据牛顿力学的原理去研究宇宙，得出的结论是：宇宙在空间和时间上都是无限的。恩格斯把当时的这一科学论断写入了他的著作中，成为自然辩证法的组成部分。牛顿的万有引力定律在当时对天文学的研究起到了巨大的推动作用（图2-4）。牛顿力学体系下的宇宙观可以归结到以下几点：

（1）宇宙空间是无限的；

（2）时间既没有起点也没有终点；

（3）星体在万有引力作用下运动。

这种看似运动的宇宙认识论实际上是一种静态的宇宙观，因为宇宙是在万有引力的作用下进行着永恒不变的运动。

大爆炸理论

乘坐过火车的人可能都有这样的经验，当一列火车迎面驶来时，我们会觉得汽笛的声音非常尖锐；而当火车经过身边远离我们而去时，汽笛的声音会突然变得低沉，这是一个多普勒效应的实例。根据爱因斯坦相对论原理可以推出，辐射源向观测者方向运动时，其辐射波的波长将变短；而辐射源远离观测者而去时，其辐射波的波长将变长，这就是多普勒效应。

把多普勒效应原理应用到天体的观测中，当天体远离观测者而去时，其辐射光谱谱线的波长将变长，向红端移动；反之，如果天体向观测者靠近，其辐射光谱谱线的波长将变短。根据这一原理观测的结果大大出乎天文学家的预料，他们发现，所有的星系全都远离我们而去，其退行速度达到每秒数千千米。天文学家把远离我们而去的星系退行现象称为红移。

20世纪30年代，美国天文学家哈勃在对比研究各星系的红移资料时发现，距离我们越远的星系，其退行的速度越大，即红移的大小与星系的距离成正比。这一红移和距离的关系被称之为“哈勃定律”。根据这一定律可以想象，观测者不论位于宇宙的什么地方，其观测结果都是相同的，所有的星系全都远离观测者四散而去。哈勃的这一发现使人们对宇宙有了一个全新的认识，宇宙并不是静态的、永恒不变的，而是动态的、膨胀的。

1946年俄裔美国天文学家加莫夫根据宇宙膨胀的现象提出了大爆炸学说，即宇宙起源于150亿年前的一次大爆炸（图2-5）。大爆炸发生后的大约10 -43秒，宇宙进入了“普朗克时代”，这个时代的物质密度、空间尺度、时间经历都处于极限状态，温度可达1032K；当温度下降到1013K时，宇宙进入了“强子时代”，这时的宇宙有大量的质子、中子和其他粒子发生强相互作用；大爆炸之后大约1秒，宇宙进入“轻子时代”，以电子、中微子和其他粒子发生弱相互作用为特征，并辐射出光子；大约1分钟后，宇宙进入“辐射时代”，此时的温度仍高达1010K，光辐射能量达到极大值，并逐渐开始简单的核合成；核合成时期结束之后，宇宙经历了“物质时代”，当温度下降到4000～3000 K时，电子和质子几乎全部结合成氢原子。这一理论能够较好地解释宇宙的膨胀和宇宙中氢和氦的原始丰度问题。两年之后，加莫夫又预测了大爆炸余烬大约5～10 K的背景辐射，他的预测在1965年得到了美国彭齐亚斯和威尔逊两位工程师的证实，其背景辐射值相当于3K，大爆炸理论也得到了普遍的认同。当然，大爆炸理论中所说的爆炸并不是我们日常见到的，以一个确定点为中心的爆炸，而是一开始就充满宇宙空间的膨胀，所有宇宙中的星系都远离其他星系而去。

关于宇宙起源的问题应该说到目前为止还没有完全解决，例如大爆炸理论仍然存在着宇宙如何从无到有的问题，或者说是对大爆炸发生的最初时刻（0～10 -43秒）宇宙所发生的事情仍然了解很少。宇宙的物质又是如何从分布极端的均匀状态，发展到今天的极不均匀状态的，这些问题至今还没有令人满意的解释。