第一章·量天行动和宇宙膨胀说

人类早期的宇宙理论，基本上都是各个民族的神话与传说，像中国古代“盘古开天辟地”的传说，西方“上帝创造宇宙”的神话等。

经典的科学宇宙观出自17世纪的西方。1687年，牛顿发现了“万有引力定律”，这是人类对自然力认识的第一次升华。牛顿引力理论首次揭开了行星运动之谜，并由此预言了海王星和冥王星的存在，而且奇迹般地被天文观测所证实，从此，牛顿的名字誉满全球，一战成神。

牛顿还利用经典力学方法和欧几里得几何观念，建立了一个尺度无限、相对静止、永恒存在的宇宙体系。在此后的一百多年里，牛顿理论是人们普遍接受的宝典。

奥伯斯佯谬

对牛顿无限静止宇宙理论首先发难的，是德国哲学家亨利希·奥伯斯。1823年奥博斯提出：如果宇宙是无限的、静止和均匀的，那么观察者每一道视线的终点，必将会终结在一颗恒星上面，无论我们看向天空的哪个位置，都应该看到一颗星体的表面，星与星之间便不应有黑暗的位置，夜晚整个天空都会是光亮的。然而事实却是，夜晚天空中星体之间有着巨大的缝隙，缝隙之间是黑暗的。

这一论述被称作为“奥伯斯佯谬”。著名科学家开普勒认为，奥伯斯佯谬论述，说明宇宙是有限的，至少宇宙中星体数量是有限的。

勒梅特假说

20世纪初期，人类发现了不少物理学重要规律，其中之一就是，物质结构和秩序，都是从简单到复杂的演变过程。描写物质结构混乱程度的参数叫做“熵”。世界任何事物的发展规律，都是从简单到复杂，从有序到混乱，熵在一直不断地增加，这一规律被称作“熵增原理”。

例如，一个城市小区，刚刚建成时，街道巷陌干净整洁，房屋楼宇错落有致。随着居民入住，就可能有垃圾乱倾乱倒、车辆乱停乱放现象，甚至有人会私搭乱建，使得小区混乱起来，这就是小区的熵增加了。如果想要恢复从前的秩序，就得注入“负熵”，也就是加大垃圾清理力度，加强小区管理力度，增大小区拆违力度。

在自然界，熵增原理具有“普适性”。这就不禁让人联想到，宇宙是不是也遵循熵增原理，是从一个简单到复杂的演变过程呢？宇宙中最简单的，莫过于一个单元，一个小小的质点。宇宙最初是否也是从一个原始的原子诞生，逐步演变成为现在的宇宙呢？这样才符合熵增原理。

1927年，比利时天文学家、宇宙学家、神父勒梅特，根据熵增原理，首次提出了宇宙是由一个原子逐步成长为如今宇宙的假说。

量天行动

自从望远镜发明以后，人类的目光得到极大的延伸，尤其是随着高端望远镜的问世，使我们对宇宙天体的辨识能力有了空前提高。许多原本以为是银河系内一片片的星云物质，经过望远镜辨识确认，实际上是银河系之外类似银河一样的星系，我们称之为“河外星系”，也可以简称为“星系”。自此，人们掀起了一波对河外星系观测研究的高潮，尤其是哈勃为代表的科学家，对河外星系的距离进行了研究和测量，我们可以称之为“量天行动”。

地外天体距离的测量，根据它们与地球之间的远近，分别有以下几种方法。

1、电磁波测距法

这与建筑师、装修工程师常用的激光测距仪是一个道理。当测量距离很近的天体时，像测量月球和地球之间距离，可以用电磁波测距法。我们已经知道，电磁波的速度是约30万千米/秒的光速。发射一束电磁波过去，然后等着回收，测量电磁波反射回来的时间，地月间的距离也就出来了。

2、三角视差测距法

虽然电磁波以光速运动，但当测量较远的天体，如银河系内某颗恒星的距离，电磁波测距法就显得力不从心了，因为它们距离地球都相当遥远，除太阳外，距离我们最近的恒星，也有几光年的距离，其光线需要几年时间才能到达地球。测量它们的距离，利用电磁波也显得慢了些，就要转变思路，使用三角视差法了。

地球在沿着一个近似圆形轨道，围绕着太阳旋转。每过半年，地球就会从这一圆轨道某条直径的一端，走到这一直径的另一端。例如，春分点和秋分点，就分别位于其中一条直径的两端。当地球分别在太阳的两侧时，我们可以分别测量出某颗恒星跟地球运动平面之间的夹角。

我们已经知道了太阳和地球之间的距离为1AU，也就是大约1.5亿千米，两倍的日地距离大约为3亿千米，三角形得到了一个底边的长度。加上测量出来两个底角的大小，求另外两个边的长度就是一个简单的数学题了。

3、造父变星测距法

三角视差法对于较远距离的天体观测是非常好用，但是当天体离我们更远时，上述三角形的两条边线就会接近两条平行线，精确测量底角变得极其困难，三角视差法就不能用了，科学家们找到了另一个方法：“造父变星”测距法。

造父变星是一类高光度周期性脉动变星，也就是其亮度随时间呈周期性变化。1784年9月10日，爱德华·皮戈特首次检测到了“天鹰座η”具有这样的光度变化。在几个月后，由约翰·古德利克发现“仙王座δ”（中文名“造父一”，此类变星也因此而得名）同样具有这样的光度变化。造父一的视星等最亮时为3.7等，最暗时为4.4等，光变周期为5天8小时47分28秒。

造父变星的光度与周期具有着密切的关联，这种关联是由哈佛大学的亨丽爱

塔·勒维特发现的。1908~1912年，勒维特在研究大、小麦哲伦星系时，在小麦哲伦星系中发现25颗此类变星。她注意到，这些变星的亮度越小，光度变化周期越短；而其亮度越大，光变周期就越长，极有规律。人们把这种光变周期与亮度大小的密切关联，称为“周光关系”。

这样，天文学家就找到了比较造父变星远近的方法：如果两颗造父变星的光变周期相同，则认为它们的绝对光度相同。测量它们的“视觉亮度”，再与较近已知的造父变星相对比，就可以推算出遥远造父变星的距离。在测量不知距离的星系、星系团时，只要能观测到其中的造父变星，测得它们的视觉亮度和光变周期，利用周光关系就可以将星系、星系团的距离确定出来。因为可以用造父变星的周光关系来确定遥远天体的距离，造父变星被誉为“量天尺”。

4、Ia型超新星测距法

量天尺不止一把，还有另外一把量天尺，就是“Ia型超新星”。

类似太阳这样质量较小的恒星，在临近生命终点时，由于内部能量耗尽，核聚变产生的热量减少，热膨胀的力量再也抵抗不住引力向内收缩的力量，恒星核心就会被挤压坍缩。坍缩使得核心部分核聚变反应加剧，在短时间内释放出大量能量，反过来推动外层物质向外扩散，恒星就会形成一颗红巨星。红巨星的外层物质被抛射到宇宙空间，中心部分凝聚形成一颗白矮星。

白矮星在一定条件下，会再次复活，形成一次“Ia型超新星”爆发。形成Ia型超新星，需要两颗相互靠近的双星系统。两颗星中较大的一颗率先演化成为一颗红巨星，这两颗恒星就会共享一个气体包层。由于包层的减速作用，造成它们相互绕转的轨道逐渐缩小。较大的那颗恒星卸掉了它大部分的外层物质，核心不能再继续进行核聚变。随着时间的推移，它的伴星也慢慢演化到了晚年，成为红巨星。第二颗红巨星抛射出来的物质也会成为前一颗白矮星的美餐，它尽情吸积后者抛射出来的物质。当它吸积到足够的质量，达到一个称为“钱德拉塞卡极限”，1.44倍太阳质量时，星体原子核内电子相互间的斥力，再也无法支撑由于引力形成的巨大内聚压力，星体开始坍缩，同时释放出巨大的热量，将整个星体炸裂开来，形成一次Ia超新星爆发。正常的Ia超新星光度曲线的峰值是非常一致的，最大值是绝对星等-19.3等，大概相当于太阳亮度的5亿倍。

由于Ia型超新星爆发的机制相同，就相当于都是100瓦特的电灯泡，我们知道它们绝对亮度是一样的，当距离我们较近时，视觉亮度就会大一些，距离较远时，视觉亮度就小一些。这使它能够成为一种“标准烛光”。我们可以测量它们的视觉亮度，用以计算其所在星系的距离。

有了上述的一把把量天尺，人们开始了测量宇宙天体距离的工作，20世纪初，美国著名的天文学家爱德温·鲍威尔·哈勃等人正是利用上述的量天尺，对宇宙天体的距离进行测量，这也就给后来的“哈勃定律”问世奠定了基础。

哈勃定律

在人类的量天行动中，哈勃是其中最有代表性的人物。自1920年代初起，哈勃利用当时世界上最大的“威尔逊山天文台”2.5米口径的望远镜，全力从事星系的实测和研究工作，其中包括测定星系的“视向速度”（物体沿着视线方向远离或靠近我们的速度）以及估计星系的距离。他开展上述两项工作的目的，是试图探求星系视向速度与距离之间是否存在某种关系。

在哈勃之前，曾有一位叫做维斯托·斯里弗的科学家，对河外星系进行过系统地研究，测定了一部分星系与地球间的距离。1922年，哈勃继续了斯里弗所做的研究和观测。他注意到，较远星系的颜色比较近星系的要稍红些。哈勃仔细测量了这种“红化”，并作了一张图。他发现，这种红化（红移）是系统性的，星系离我们越远，它就显得越红。

我们知道，光波是由原子运动过程中的电子产生的电磁辐射。各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同。复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，称为“光谱”。

在物理学和天文学领域，“红移”指物体的电磁辐射由于某种原因波长增加的现象。光的颜色与它的波长有关。恒星发出的光是复合光。例如，太阳光的可见波段，是由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等多种单色光混合而成的，太阳光谱中蓝光位于短波端，红光位于长波端。如果一个星系正在高速远离我们而去，该星系在可见光波段，表现为光谱的谱线朝着红端移动了一段距离，即波长变长频率降低，这一现象称作“多普勒红移”。相反的，如果一个星系正在高速接近我们，其光谱的谱线则会朝着蓝端移动，即波长变短、频率升高，这称作“多普勒蓝移”。星系的红移，意味着它们的光波波长已稍微变长了。

如果这些河外星系的红移，是源自于星系视向运动而引起的多普勒红移，则说明这些星系都在做远离地球的运动，且速度很大。这与银河系中恒星的运动情况截然不同，银河系的恒星光谱既有红移也有蓝移，表明有的恒星在靠近地球，有的在远离地球。不仅如此，由红移值的大小得出，哈勃所观测的星系运动速度远远大于银河系内的恒星，可高达数百、数千千米每秒，甚至更大，而银河系内的恒星的运动通常仅为几千米或数十千米每秒。

1929年，在仔细测定40多个星系光谱中具有特征的谱线位置后，哈勃根据自己的观测研究，总结出了一个具有里程碑意义的发现，即：不管你往哪个方向看，远处的星系光谱都有红移现象，距离地球较近的星系，红移幅度较小，距离地球越远的星系，红移幅度就越大。星系的红移值与星系的距离之间，可表述为简单的正比例函数关系，这就是著名的“哈勃定律”。

哈勃认为，这些星系的红移，是由于多普勒效应引起的，也就是这些星系都在远离我们而去。距离我们较近的星系，红移较小，也就是远离我们的速度较小；距离我们越远的星系，红移值较大，也就是远离我们的速度就越大。因此，哈勃认为宇宙正在膨胀。

宇宙膨胀说

人们常常用正在被吹大的气球来类比膨胀的宇宙：在一个气球上画上若干个点做标记，其中一个点是观察者所在的地球，发光天体则处于其他一些点的位置。当气球被慢慢吹涨起来，气球表面所有的点都会按照一定比例相互远离而去。

宇宙膨胀，意味着在早先星系相互之间距离更加靠近。换言之，若将时光倒流，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，所有的星系刚好处在同一个地方，此后逐步分散开来，形成目前的宇宙。

1905年和1915年爱因斯坦分别发表了《狭义相对论》和《广义相对论》。相对论主要是研究时空宇宙的，这样就有了一个基础理论来描述我们的宇宙。根据广义相对论的计算结果，宇宙很难是稳定的，要么是在引力作用下收缩在一起，要么会逐渐分散开去。

先是有一个勒梅特，根据熵增原理提出由一个简单的粒子逐渐成长为现今宇宙的假说，又有一个广义相对论作为理论铺垫，再加上一个系外“天体距离越远，红移越大”的观测事实，加上哈勃等人认为星系红移现象是宇宙膨胀产生的结果。就这样，一个“大爆炸宇宙论”就像足月后在娘胎里躁动的胎儿，就要呱呱坠地了。

1947年，有几位物理学家首先形成了大爆炸的思想，为首的是美国科学家伽莫夫，他们合作提出了“宇宙大爆炸理论”，也称作“阿尔法·贝塔·伽马理论”。

大爆炸宇宙论认为，在一百多亿年前，宇宙还只是一个点，一个体积无限小，密度无限大，温度无限高，一个时空曲率无限大的点，通常人们把它称为“奇点”。大约在138亿年前，奇点爆炸开来，逐渐形成了现今的宇宙。

在大爆炸发生的一秒钟后，宇宙的温度降低到100亿℃,这个温度大约是太阳中心温度的1000倍。此时，由于温度极高，物质只能以夸克、胶子、电子、光子等粒子形态存在。随着温度不断降低，这些粒子结合成为质子和中子。

在宇宙大爆炸发生了大约100秒之后，温度降得更低，降低到10亿℃左右，相当于最热的恒星内部的温度。由于温度降低，质子和中子的运动速度也大大降低，其本身所具有的能量也在降低，直接导致氢（氕）和重氢（氘）原子核的出现。此外，还有一些较重的元素，如氦、锂等元素也在生成，这些元素就是以后组成万物的框架。

宇宙爆炸之后的不断膨胀，导致温度和密度持续快速下降。随着温度降低、冷却，氢、氦、锂等较轻的原子，逐步复合成为通常的气体。当宇宙大爆炸发生了几个小时后，重氢和其他元素停止产生。这个时候的宇宙物质已经不再进行创造了，气体逐渐凝聚成星云，星云进一步形成各种各样的恒星和星系，最终形成我们如今所看到的宇宙。

伽莫夫等人还认为，我们的宇宙正沐浴在大爆炸早期高温宇宙的残余辐射中，宇宙在爆炸之后的百亿年中，在不断地膨胀和降温。温度下降到现在，宇宙最边缘的温度，应该降到6K左右。这个6K是绝对温标，相当于摄氏温度-267℃。这就像是一个火炉，虽然里面不再有火了，但还可以冒一点热气。

宇宙背景辐射

在伽莫夫等人发出上述预言，苦苦等待天文观测的结果时，被认为是支持大爆炸宇宙理论的另一个证据，“宇宙微波背景辐射”被发现了。

1964年，美国贝尔电话公司年轻的工程师彭齐亚斯和威尔逊，在调试他们一个巨大的喇叭形天线时，出乎意料地接收到一种无线电干扰噪声，且在各个方向上信号的强度都一样，并历时数月而无变化。

他们把天线拆开进行清洁后重新组装，依然接收到那种无法解释的噪声。这种噪声的波长在微波波段，对应于有效温度为3.5K的电磁波。他们分析后认为，这种噪声肯定不是来自人造卫星，也不可能来自太阳、银河系或某个河外星系射电源，因为在转动天线时，噪声强度始终不变。

后来，经过进一步测量和计算，得出辐射温度是2.7K，一般称之为“3K宇宙微波背景辐射”。这一发现，使许多从事大爆炸宇宙论研究的科学家们获得了极大的鼓舞。因为彭齐亚斯和威尔逊的观测，竟与理论预言的温度如此接近，正是对宇宙大爆炸论的一个非常有力的支持！

氦丰度问题

另一个被认为大爆炸宇宙论证据的是“氦丰度问题”。

天文观测发现，在各种不同天体上，氦元素所占的比例（通常称为氦丰度）相当大，大都是30%左右。如果用恒星中氢元素的核聚变机制来解释，是不足以说明为什么有如此多的氦。根据宇宙膨胀模型，宇宙诞生于138亿年前，在这100多亿年里，宇宙天体制造出来的氦元素，应该远远低于我们所测得的值，应该不大于1%。这也被称之为氦丰度问题。

如若根据大爆炸理论，宇宙早期温度很高，产生氦的效率也很高，这样就可以解释氦丰度问题了。根据宇宙爆炸的膨胀速度，可以具体计算宇宙每一历史时刻的温度以及氦元素生成速率。由大爆炸宇宙模型计算出来的氦丰度是：氢占75％，氦占25％，与观测值大致相同。就这样，氦丰度问题也被当作大爆炸宇宙又一个支持证据。

三种红移

支持大爆炸理论的核心证据，是河外星系的“红移”。随着对电磁波谱各个波段的了解逐步深入，我们可以把任何波段电磁辐射的波长增加都可以称为红移。目前认为，天体的光或者其他电磁辐射，可以由于三种效应被拉伸，而使波长变长，分别是多普勒红移、引力红移、宇宙学红移。

1、多普勒红移

奥地利有一位名叫克里斯琴·安德烈·多普勒的数学家、物理学家，1842年的一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过。他发现火车由远而近时，汽笛声变得更响亮，音调变得更尖利。而火车由近而远时，汽笛声变弱，音调变得低沉。他对这个现象产生了极大兴趣，并进行了深入研究。发现这是由于“振源”与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率发生了变化，不同于振源频率，这种频率变化称为“频移现象”。

当声源远离而去时，观测者听到的声波波长增加，音调变得低沉；当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。音调的变化同声源与观测者之间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，这一效应也就称作“多普勒效应”。多普勒效应被荷兰的科学家ChristophHendrikDiederikBuysBallot于1845年做的声波实验所证实。

多普勒还预言，多普勒效应可以应用在所有的波上。他认为，恒星的颜色不同，可能是由于它们相对于地球的运动速度不同而引起的。如果恒星高速向地球奔来，星球的光线会变蓝，人们称之为“多普勒蓝移”。如果星球高速远离地球而去，星球的光线会变红，人们称之为“多普勒红移”。

多普勒红移是法国物理学家斐索在1848年首先证实的。斐索认为恒星谱线位置的移动是由于多普勒效应，因此这一效应又被称为“多普勒—斐索效应”。

2、引力红移

除了多普勒红移之外，还有另一种形式的红移，就是“引力红移”，是爱因斯坦相对论预言的一种红移效应，也被称作“相对论性效应”。由广义相对论可知，当从远离引力场的地方观测时，处在引力场中的光源（辐射源）所发射出来光的谱线，其波长会变长一些。从一颗恒星向外运动的光就像是在恒星的引力场中做“登山”运动，因而它将损失能量，波长会变长，也就是“引力红移”。

原理上，逃离太阳的光，甚至地球上的火把向上发出的光，都有这种引力红移。但是，这种红移比较微弱，很难测量，只有在如白矮星表面那样的强引力场中，引力红移才达到易于测量的程度。所以，引力红移现象首先在引力场很强的白矮星上检测出来。

根据相对论的预言，由于地球上不同高度引力势能不同，会引起光子离开地球时在不同高度的频率不同，相差20米带来的频率变化为2×10-15。1960年，庞德、雷布卡和斯奈德采用一种称作“穆斯堡尔效应”的实验方法，测量由地面上高度相差22.6米的两点之间引力势的微小差别所造成的谱线频率的移动，定量地验证了引力红移。

3、宇宙学红移

宇宙天体之间的距离都很遥远。距离我们最近的一个天体是月球，距离是38万千米，月面上的光线到达地球需要1.33秒。太阳距离地球大约有1.5亿千米，太阳光到达地球需要8分多钟。距离地球最近的一颗恒星，被称之为“比邻星”，距离地球约4.2“光年”。光年是光线在真空中传播1年所走过的距离，也就是说，比邻星的光线到达地球需要4.2年。更遥远的星系发出的光线，往往需要几万年、几亿年甚至上百亿年才能到达地球。

大爆炸宇宙理论认为，天体的红移是天体远离地球造成的，宇宙正在以很高的速度膨胀着。光离开发光星系，在宇宙空间传播时间越久，空间的扩展也越多，所以光被拉伸得就越多，红移的值也就越大。

起初，支持大爆炸理论的科学家们认为，星系的红移是由于多普勒效应造成的。但此后人们逐步认识到，可观测宇宙的直径为930亿光年，其半径为465亿光年。在宇宙大爆炸后仅仅138亿年里，宇宙膨胀到如此大的尺度，可观测宇宙距离我们最远的星系，必须以3.36倍光速以上的速度退行。这与爱因斯坦相对论主张的物体速度不能超越光速相违背。因此，有科学家们转而提出，星系红移不是多普勒红移，而是宇宙学红移。

宇宙学红移与多普勒红移是有本质区别的。假如宇宙空间中存在某种背景物质，比如说空间中充满了“以太”，就像是一个巨大房间里充满空气一样。多普勒红移是天体在以太中穿行，天体和以太之间存在相对运动。也就像苍蝇在空气中飞行，苍蝇与空气分子之间存在相对运动一样。

宇宙学红移则不然，宇宙学红移主张空间在膨胀，天体和以太之间没有相对运动。天体像是漂浮在空气中的一粒尘埃，它跟随着周围空气运动而运动，与周围空气分子之间没有相对运动。之所以星系在高速远离而去，仅仅是因为空间正在膨胀。天体是跟随背景运动的，这样就可以避免天体超光速运动这一难题了。

另外一种红移机制是引力红移。是光线从引力场中的某一点，运动到不同引力势的另一点时，造成波长增加的现象。它是根据爱因斯坦相对论推导出来的，所以也被称为相对论性红移。引力红移已经被天文观测所证实，不同引力势两点之间光的频率变化也已经被实验精确测定。

然而，为什么物质会产生“万有引力”，万有引力又如何导致光线的红移或蓝移，引力红移的物理意义是什么，光线在宇宙空间中斜穿引力场会不会引起频率变化等问题，我们还没有认真研究过。

至于星系的红移为什么是宇宙膨胀，而不是其他原因造成的，大爆炸理论没有给出解释。

由于熵增原理和相对论的理论支撑，加上星系红移现象、宇宙微波背景辐射、氦丰度问题的发现，大爆炸宇宙论渐渐被科学界所接受，获得了多数人的认可，成为当今主导宇宙学的理论。