宇宙起源的大争论

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1、陈天机，王永雄，彭金满宏轰？稳态？2008-1-11第19页/19.宏轰？稳态？：宇宙起源的大争论香港中文大学大学通识教育部。香港中文大学物理系。部份摘自陈天机：《大自然与文化》(第2版)(香港：中文大学出版社，2006)，第1章：最大的大自然。讨论大争论最完整的书相信是HelgeKragh,CosmologyandControversy:TheHistoricalandDevelopmentofTwoTheoriesoftheUniverse。SimonSingh,BigBang:TheOriginofthe

2、Universe是畅销的通俗阐述。陈天机，王永雄，彭金满2008-1-111.大问题，大争论我们的宇宙有没有起源?现在的宇宙是怎样的?将来的宇宙又会怎样演变？宏轰理论(TheBigBangTheory)认为宇宙源自太初突发的膨胀，密度日渐低降。稳态理论(TheSteady-StateTheory)也认为宇宙膨胀，但氢原子到处悄然介入，平均密度得以维持；宇宙自古如此，没有(可以侦察到的)起源。争论自1948年开始，延续了近30年，产生了两项诺贝尔奖，以宏轰理论全胜告终。难以想象的是，宇宙这最大的大题目竟然会是科学

3、家研究的对象，竟然得到今天公认的细节答案；而且倘如没有这轰天动地、剑拔弩张的论争，答案肯定会姗姗来迟，甚或出现「无期」。这三十年的论争也供应了罕有的机会，让我们看到理论、技术的交错发展、潮流取向的消长；更让我们看到科学家和科学团体人性的一面。「前事不忘，后事之师」，有不少地方值得参考，作为殷鉴。2.科学宇宙论的前奏1905年，爱因斯坦提出(狭义)相对论，认为在宇宙中光速最大，而且任何相对速度都不可能超过光速。后来(1915)他更提出广义相对论，认为重力扭曲了时空。1919年，他自然地应用相对论将整个宇宙作为研究

4、的对象，但初步结果使他大吃一惊，宇宙间所有物质不住互相拉近，整个宇宙最终可能自动崩溃。爱因斯坦当时想象中的宇宙应该是静态的，因此他在方程式里插入一个名为「宇宙常数」(cosmologicalconstant)的东西，代表一种斥力，使所有物质互相排斥，使宇宙达到一个静态平衡。SimonSingh,BigBang:TheOriginoftheUniverse,pp.153-160.从今天的眼光来看，爱因斯坦的「宇宙常数」就像上古时托勒密的周转圆一样，是「只此一次，下不为例(adhoc)」的，也是对静态宇宙一厢情愿信

5、仰的表现。陈天机，王永雄，彭金满宏轰？稳态？2008-1-11第19页/191922年，苏联的佛里曼修正了爱因斯坦理论的一个错误，AlexanderA.Friedman(1888-1925)，苏联物理学家、气象学家。爱因斯坦将一个方程式两边用除法消掉一个数；但这数可能是0。指出爱因斯坦的宇宙其实可以不住收缩，也可以不住膨胀。比利时神父勒梅特FatherGeorges-HenriLemaître(1894–1966).在1927年提出，我们的宇宙从最早的「太初原子(primevalatom)」开始，正在不住膨胀。

6、他有时也用「宇宙卵(Cosmicegg)」，有点中国传说中「盘古开天辟地」的味道。勒梅特是一位兼顾科学、宗教的奇人。他与天文学界接触紧密，显然得到启发(见下节)，在1927年，勒梅特早已从自己的太始原子理论推出了两年后震撼天文学界的「哈勃定律」，HelgeKragh,CosmologyandControversy,:TheHistoricalandDevelopmentofTwoTheoriesoftheUniverse,pp.58-59。但自1933年后在宇宙论研究方面便没有作进一步的贡献。这位淡泊名利的君子

7、后来也备受荣宠，做了教宗科学院的院长(1960-66)。PontificalAcademyofSciences是罗马天主教廷辖下的科学院。3.宇宙膨胀的观测证据3.1.光学杜普勒效应天文学家利用光谱学，可以推论出星体与地球的相对速度。假如我们知道某一条(地面)光谱线的实际波长λ，而观察到星体放出的同一条光谱线的「有效波长」却是不同的λ’，则星体与地球的相对速度是，v=c(λ’-λ)/λ,c=光速。v>0:星体离开我们(星体光谱有效波长增大：俗称「红移」)v<0:星体趋近我们(星体光谱有效波长缩短：俗称「蓝移」)

8、严格来说，用「红移」的字眼代表「离弃」，只应限于波长低于「红光」的光；用「蓝移」的字眼代表「趋近」，只应限于波长大于「蓝光」的光。这现象叫做「杜普勒效应」Dopplereffect。发现者是杜普勒(J.ChristianA.Doppler,1803–1853)奥地利物理学家，杜普勒所发现的是声波效应(他是火车的常客，发现火车经过时汽笛声音由高(频率高，波长小))变低(频率低，波长大))