宇宙起源於何時?形形色色的宇宙學說(圖)

2017-08-16 13:08 作者: 尚萊茵

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人類對宇宙起源和結構的關注可以追溯到人類文明的開端。(圖片來源:Adobe stock)

古人云:「上下四方為宇、往古來今曰宙」。自古以來,宇宙這個詞彙就被定義為一切時間和空間的總和。世間萬物都在宇宙中,宇宙即是萬有,它就是一切。「宇宙學」就是研究宇宙本身的學問,具體說來,是藉助天文學、物理學、數學等手段研究宇宙結構與演化的一門自然科學。人類對宇宙起源和結構的關注可以追溯到人類文明的開端。

中國有一個流傳已久的古老傳說——盤古開天闢地,講的就是宇宙開始的故事。最初,天地呈混沌狀,像一個雞蛋,只有盤古在其中生存。過了不知多少年,這團混沌分開了,輕的和透明的部分就上升形成了天,重的和混濁的部分就下沉形成了地,盤古也屹立在天地之間。而天一日加高一丈,地一日變厚一丈,盤古也一日長大一丈。如此又經過了很多很多年,天變得極高,地也變得極厚,盤古也長得極大……

生活在4000年前伊拉克兩河流域的古巴比倫人認為,宇宙是一個密封的箱子或房間,大地是它的底板。底板中央矗立著冰雪覆蓋的區域,幼發拉底河就發源於這些區域中間。大地四周有水環繞,水之外有天和山,以支撐蔚藍色的天穹。不過,古巴比倫星象家已經認識到地球是一個球體,黃道十二星座也是他們劃分的。

在尼羅河兩岸生活的古埃及人心目中,宇宙大體上和巴比倫人心目中的宇宙一樣。他們認為,宇宙是一個方盒子,南北的長度較長,底面略呈凹形,而埃及就處於凹陷的中心。天是一塊平坦或球形的天花板,四方有四個天柱,即山峰所支撐,星星是用鏈纜懸掛在天上的燈。在方盒的邊沿上,圍著一條大河,河上有一條船載著太陽往來。尼羅河是這條河的一個支流。顯然,這個宇宙模型受古埃及地形的影響太深。

中國古代居主導地位的宇宙模型是「渾天說」。發明地動儀的張衡是它的主要擁護者。渾天說認為,天好像一個雞蛋殼籠罩在一片汪洋之上,陸地似蛋黃,浮在蛋青般的水中,恰好位於天的正下方。但是蛋殼、蛋黃的比喻只是為了說明天與地的位置關係,古人可沒有把腳下的大地看成是球形的。儘管唐代的僧一行在大地測量中曾發現了用「地平觀」解釋不了的事實,但他沒敢懷疑「渾天說」。最令古人搞不懂的是:大地的外面全是汪洋,那麼太陽落山後豈不是瀋入水中熄滅了嗎?為此,有人嘗試從五行相生相剋的角度出發解釋這個問題,但並不成功。畢竟這個模型與現實相差太遠。

古希臘人首先正確地認識到腳下的大地是一個球體的表面。亞里斯多德認為,地球位於宇宙的中心,包括太陽在內的所有天體都在各自的圓形軌道上圍繞地球運轉。後來天文學家托勒密藉助幾何學精確地描述了這個宇宙模型,使之能預測天體位置。由於亞里斯多德在學術界擁有的地位,地心說和「水晶球體系」在中世紀的歐洲深入人心。基督教完全接納了亞里斯多德的理論,認為與《聖經》的宇宙觀一致,符合上帝創世的理論。這個宇宙模型的最大「優點」,就是在最外層的恆星天球之外,為天堂和地獄留出了空間。

波蘭人哥白尼並不是第一個提出地球圍繞太陽轉的人,但他是最有影響的一個。1514年,身為天主教教士的哥白尼提出了「日心說」,認為太陽靜止地位於宇宙的中心,而地球和其它的行星圍繞著太陽作圓周運動。由於害怕教會的迫害,哥白尼只能秘密地傳播他的學說。後來,義大利的伽利略在觀測木星時,發現幾個行星在圍繞著木星旋轉,這表明其它星球不一定非得繞著地球旋轉。隨後開普勒修正了哥白尼的理論,用橢圓軌道取代了圓軌道,使其很好地符合了觀測結果。眾多天文學家的公開支持,最終宣告了亞里斯多德學說的終結。

從亞里斯多德—托勒密的地心說到哥白尼—伽利略的日心說,人們花了2000多年的時間,才學會換個角度思考問題——原來太陽東升西落,完全是地球轉動的結果。一旦思路打開,靈感便源源不斷地從科學家腦海中湧出。布魯諾認為甚至太陽也不是宇宙的中心,它和夜空中的點點繁星一樣,是普通的恆星;而宇宙是無限的,星星則散佈於無盡的空間裡。也許布魯諾的步子邁得太大,宗教法庭無法容忍其「異端邪說」,於1600年把他燒死在羅馬的百花廣場,他因此成為最著名的科學殉道者。直到1822年,教庭才正式裁定太陽是所有行星的運轉中心。

令人吃驚的是,儘管人們知道世間的一切都在運動中,只是到了20世紀20年代美國天文學家哈勃(那臺著名的太空望遠鏡就以他的名字命名)發現紅移定律後,宇宙演化的觀念才進入人類的考量。人們甚至從來沒有想過宇宙也會演化。牛頓的萬有引力定律表明,宇宙的物質在引力作用下不可能處於穩定的狀態。即使在愛因斯坦的廣義相對論中,情況也好不到哪兒去,為了得到一個穩定的宇宙模型,他曾將宇宙常數引進理論中。他們都希望在自己的理論中找到穩定的宇宙模型。可見,宇宙演化的觀念並沒有產生在這些天才的頭腦之中。

哈勃的紅移定律標誌著現代宇宙學的誕生。他發現,從星系發光的波長可以推斷,星系離我們的距離越遠,離開我們而去的速度就越快。這表明整個宇宙處於膨脹的狀態。從時間上倒溯到過去,估計在大約150億年前曾經發生過一樁開天闢地的大事件,即宇宙從一個極其緻密、高溫的狀態中爆發產生。伽莫夫在1948年發表的一篇關於熱大爆炸模型的文章中做出了一個驚人的預言,早期大爆炸的輻射仍殘存在我們周圍,不過由於宇宙膨脹引起的紅移,其絕對溫度只餘下幾度左右,在這種溫度下,輻射是處於微波的波段。在1965年彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙微波背景輻射之後,人們開始認真對待這個預言。

於是,隨著實驗和理論證據的積累,人們越來越清楚地認識到,宇宙在時間上必須有個開端。


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