宇宙起源的大争论.docx

1、宇宙起源的大争论. 宏轰？稳态？：宇宙起源的大争论陈天机*，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(The Big Bang Theory)认为宇宙源自太初突发的膨胀，密度日渐低降。稳态理论(The Steady-State Theory)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家研究的对象，竟然得到今天公认的细节答案；而且

2、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

3、此他在方程式里插入一个名为宇宙常数(cosmological constant) 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。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 (ad hoc)的，也是对静态宇宙一厢情愿信仰的表现。1922年，苏联的佛里曼修正了爱因斯坦理论的一个错误，指出爱因斯坦的宇宙其实可以不住收缩，也可以不住膨胀。比利时神父勒梅特在1927年提出，我们的宇宙从最早的太初原子(primeval atom)开始，正在不住膨胀。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

4、，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，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后来也备受荣宠，做了教宗科学院的院长(1960-66) 。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，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，则星体与地球的相对速度是，v = c () /, 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) 这现象叫做杜普勒效

5、应。图1. 以0.7c速度向左移动的光源引起的杜普勒效应。光源放的绿光，在图左的观察者看出来却是红色的。(Wikipedia, http:/commons.wikimedia.org/wiki/Image:Velocity0_70c.jpg. )3.2. 史来弗与哈勃定律最早研究星系光谱的天文学家是史来弗。1912年，他发现仙女座大星系M31显出蓝移。但星系蓝移原来是例外。1915年，他已得到15个星系的光谱，其中显出红移的竟有12个。1925年，他取得45个星系的光谱，其中41个显出红移，看来都在离开我们。1929年，哈勃将星体的红移和已知的距离放在一起，公布了哈勃定律(Hubbles la

6、w)：v = H0d (星系离地球的距离(d) 与星系离开地球的速度(v)成正比)定律里的比率H0现在叫做哈勃常数。哈勃并不是最早提出正比定律的人。远在1923年，德国天文学家维茨(Carl Wirtz) 根据史来弗的资料，假设所有有关的星系的大小都是相同的，早已提出正比定律。上节也讲过，在1927年，勒梅特也从他的宇宙理论推出正比定律。 哈勃融会了红移数据与天文学公认的观测距离。他当时掌握到的数据只限于近距离 ( 6.52百万光年)的星系，正比定律只是斗胆的猜测；而且这些星系在他的速度距离图上分布散落，并不太依循直线。但后来他和休玛逊在1931年公布的数据包括远达 97.8百万光年的星系，直

7、线关系非常清晰。最近的资料推出来的哈勃常数数值是 H0 = 21.7 0.5(km/s)/ 百万光年。根据哈勃定律，大星系几乎都在避开我们；距离我们愈远， 走得愈快。离地球10亿(109)光年的星系，抛离地球的速度是每秒钟21,700公里。我们是否这样面目可憎，引致几乎所有星系都要避之则吉呢？非也！它们根本不知道我们的存在。惟一可能的结论是：整个宇宙正在膨胀！让我们想象时光倒流。假如哈勃常数大致不变的话，以往有一天，整个可见宇宙的物质都集中在一小点上。这是乾坤巨爆理论的一个论证。3.3. 数字游戏根据哈勃定律，远离速度v达到光速(c 300,000公里/秒) 的星体，距离地球 d = 13.6

8、8109光年(136.8亿光年) ；这是可见宇宙的半径。半径外的星体我们根本无法观测。1/H0 = d / v的单位可以简化为年：1/H0 = 13.772109年 = 137.72 亿年假设哈勃常数不因时而变，这是宇宙岁数相当可靠的估计。4. 二次大战后的科学界4.1. 理论在二次大战后，科学界普遍接受了相对论、哈勃的宇宙膨胀定律和基础量子力学。科学界也接受了早期的粒子理论；常态的粒子包括 光子()、电子(e 或e)、正子 (e+)，质子(p或p+)、中子(n) 后二者通称核子( nucleon) ，是组成原子核的原料。中子不带电荷 (呈中性)；电子带负电荷，正子和质子都带同样的正电荷：质子

9、的电荷 = 正子的电荷 = (电子的电荷)。元素的原子核由质子与中子组成。重要的数字是 原子序 (atomic number) Z =原子核内质子的数目原子本身呈中性，由原子核和核外足够的电子组成：原子核外的电子数 = 原子核里的质子数 = 原子序Z。另外一个重要的数字是,：质量数(mass number) A = 原子核内核子的数目= 原子核内的 (质子数 + 中子数) 。通常原子核质量数A和原子序 Z都写在元素符号的左上角和左下角。例如42He代表质量数A = 4、原子序 Z = 2的氦 (helium) 元素、氦原子或氦原子核。4.2. 技术的新水平 1948年美国帕洛马山(Mount

10、Palomar )天文台的200吋望远镜开始运作，可见光的天文观测技术已充份成熟，产生了前所未有的精确数据。 当时的远距天文标尺和宇宙的年龄估计都带有严重的误差。今天看来，远距的星体应该比1948年代估计的距离的两倍(仙女座大星系的距离应该是2百万光年，不是1百万光年) 。更重要的是，宇宙的岁数应该是137亿年，约略8倍于早期估计的18亿年。 1933年在美国贝尔电话研究所，赞斯基安装的14.6米无线电天线收到了银河星系传来的电磁波；这是电射天文学(radio astronomy) 的开始。二次大战时双方利用雷达探测敌方物理目标；战后自然将目标转移到发射电波的星体。英国、美国和澳洲很快都兴建了

11、强大的电射天文学望远镜。电射天文学产生了观测天文学的革命；它开辟了观测的新蹊径，大大扩充了天文学家的眼界，所处理的电波多数以雷达技术所用的微波 (波长约在30cm 到1mm之间)为主。可见光会被星体间的尘云吸收；微波却大致能穿过无阻。微波讯号的扩大、整理，更是可见光所不能企及。科学家更利用太空技术，将观察站从地面转移到地球大气层外的太空。1990年，哈勃太空望远镜升空，带来了空前精确的星体彩色图片。4.3. 宇宙大争论和六位主角人物宇宙大争论从1948年开始。科学家分成两个壁垒，各有三位主角人物。宏轰 (Big Bang, BB) 派认为宇宙出于高温大爆炸，仍在不住膨胀；平均密度不住下降 。这

12、一派的主脑是俄国出生的美国物理学教授甘莫夫、他的学生阿而复、和后来加入的赫尔曼。稳态 (Steady- State, SS) 派同样认为无限的宇宙也不住膨胀，但氢原子悄然进入，恰好补偿以光速离开的星体，使宇宙亘古的平均密度与星体分布都大致不变。稳态派的主要人物是大战时在英国从事雷达研究的三位同事：班地 、戈德和剑桥大学天文学教授霍伊尔； 霍伊尔是稳态派最具影响力的发言人。5. 较量5.1. 第0个回合(1948) 天地为炉兮，造化为工；阴阳为炭兮，万物为铜。-汉贾谊：鵩鸟赋远在1948年，甘莫夫、阿而复和赫尔曼已经提出了划时代的宏轰理论，首次采用核物理学的新角度来讨论在宇宙初期、低质量元素的合

13、成。这不能算是大争论的交锋，因为他们当时可能根本不知道有打对台鼓的稳态理论。我们且当它是对垒的第0个回合罢。 5.1.1. 三字母经阿而复在甘莫夫指导下完成了博士论文，预定联名发表。但甘莫夫觉得文章仍有不妥之处：两位作者的名字合念起来不够顺口。爱开玩笑的甘莫夫在中间嵌上了物理学家贝特 (Hans Bethe)的名字，好让这讨论宇宙起源的文章作者名字Alpher, Bethe, Gamow读起来活像希腊文开头的三个字母 , , (alpha, beta, gamma)。这探讨宇宙创始的经典之作，化学元素的起源在1948年4月面世，从此便被昵称为 理论。他们认为在太初时宇宙突然爆炸起来。它的上下、

14、左右、前后、 (无论我们怎样下定义！)都在急速膨胀。这爆炸并没有 排山倒海，惊天动地 ；它有的是高热。(在年龄 10-43秒的时候，温度1032 K。) 理论说，宇宙在大爆炸初期，只有不带电荷的中子；一部分中子蜕变出带正电荷的质子 (p, 即氢原子核)和带负电荷的电子 (e)。质子逐步接受中子或其它质子，间或分裂，形成低质量元素的原子核。这时宇宙的年龄只有区区几分钟。(宇宙的温度早已从10 43秒时的1032 急降到109 了。) 宇宙愈变愈大，温度继续下降。带有负电荷的电子，自然地绕着带正电荷的原子核运行，形成中性的原子；这工作要再花38万年左右才能完成。阿而复解了200多条微分方程式，成功

15、地诠释了低质量元素 (氢的三种同位素：11H, 21H, 31H; 氦的两种同位素：32He, 42He)的形成，和原子数量的相互比例。甘莫夫不久更在英国的自然杂志发表文章。阿而复和赫尔曼在同一刊物加上修正和诠释，竟然预料了十多年后的微波天文观测，见第5.5节。我们给第0个回合的评语是：甘莫夫、阿而复和赫尔曼远在1948年竟然写出了壮丽的未完成的交响乐。他们开天成功了，惜未能辟地：他们的理论无法解释中、重量元素的形成。中国传说中太初时盘古舞动巨斧，开天辟地；姑勿论巨斧从何而来，辟地所需要的，会不会是另外一把板斧呢？5.2. 第0.5个回合 (1950年代) ：霍伊尔演说，听众动容 稳态理论初时

16、只限于三位主角的相互讨论。他们看过一出电影，电影里第一幕与结局竟然完全相同，看来中间的情节只为回到开端埋下伏机！戈德最先得到启示，并于某天下午向班地和霍伊尔提出了自己的构思。起初他们并不接受，更扬言在晚餐前便会想出反驳的理据。但他们不但无法反对，更发现戈德的构思符合当时的天文观察，三个人于是合力建立了稳态宇宙的理论。 理论在1948年才现身在科学书刊，在1949年逐渐受人注意。英国国家电台(BBC)第三台邀请霍伊尔教授作一套为时五周、每周45分钟关于宇宙论的演讲(The Nature of Things (万物的本质)，大受欢迎。演讲后来更在拥有十倍听众的Home Service Progra

17、mme回放，讲词印成小书，半年内卖了6万本，后来又在企鹅丛书名下重印。霍伊尔在书的最后两章里主观地发挥稳态宇宙理论，宣称这是唯一合理的学说。他批判宏轰理论，说：就科学根据来说，这宏轰(Big Bang)是两个假设中最难下咽的一个。因为它的过程不合理，不能用科学字眼来解释。 有两点在此值得一题。第一点，霍伊尔在广播里用“Big Bang” 这双声名词来讥讽对方，不料弄巧反拙，Big Bang竟变成对方响当当的金字招牌，反过来说，稳态派始终没有为自己发展出一个瞭亮动听的口号。 第二点，霍伊尔固然认为宏轰不合理；别人同样会认为氢原子处处悄然进入的过程不能用已知的科学定律来解释。平心而论，宏轰宇宙的起

18、源、和稳态宇宙氢原子的进入，两者都越过了当时公认科学的界限。 在1949年，双方已经壁垒分明。虽然霍伊尔所用的武器不是硬科学的刀枪，我们可以说他的演讲是大争辩的第0.5个回合。他自己的雄辩在宣传、推广方面打赢了漂亮的一仗，引起了群众对科学的好奇、向往；对稳态宇宙的认识、甚至信仰。话说回头，不少科学家认为稳态宇宙在英国较受欢迎，因为维持全球权力平衡多年来正是大英帝国的外交传统。我们在这里也顺便讨论一下这两套理论与宗教的关系。许多人认为稳态宇宙更接近基督教教义，但天主教显然认为宏轰解释了旧约的创世纪。甘莫夫曾开玩笑地将宏轰文章寄给罗马教皇，但甘莫夫本人没有接受任何正式宗教；霍伊尔更在广播里公开了自

19、己的反宗教立场。我们给第0.5个回合的评语是：霍伊尔普及了尖端科学，功不可没；但雄辩究竟应该胜于事实吗？5.3. 第1个回合(1953-67) ：霍伊尔策划的实验在第0个回合，三字母经所描绘的逐步合成的工作无法闯过两重大关：原来世上根本没有A = 5或A = 8 的稳定原子！稳态宇宙理论却自然地供应了另外一种元素合成的环境。假如重元素在星体炽热高压的内部产生，稳态宇宙派认为大自然总有办法将它们重新循环到别的星体。在那个非常尴尬的时候，甘莫夫教授在美国作巡回公开演讲。他回溯 理论的出现，成功和不足之处，然后讲了一个笑话： 上帝创造万物。 祂命令：质量数 = 1的原子，出现罢！质量数 = 1的原子

20、便顿然出现了； 质量数 = 2的原子，出现罢！质量数 = 2的原子便顿然出现了； 质量数 = 3的原子，出现罢！质量数 = 3的原子便顿然出现了； 质量数 = 4的原子，出现罢！质量数 = 4的原子便顿然出现了；但质量数更大的原子怎么办呢？黔驴技穷的上帝于是命令，霍伊尔教授，出现罢！当时看来只有霍伊尔的理论能够解释高质量数原子的出现，但是甘莫夫教授其实根本不必自嘲认输。宏轰理论也一样容许重元素在星球内形成，然后散布到星际空间。我们只须了解，恒星的死灰可以复燃，变成含有较重元素的新恒星。 稳态派主角霍伊尔早于1946年已提出星体内部元素合成的概念，1952年，中立偏稳的萨彼得(Edwin E.

21、Salpeter) 指出两颗粒子(通常的氦原子核：42He)可以合成极不稳定、质量数A = 8的铍原子核84Be*，这原子核在2.610-16秒内便会蜕变，但在高温、高压的恒星内部，总有一些能够捕捉第三颗粒子，产生碳原子核126C：2 42He 84Be* + 42He + 84Be* 126C + 霍伊尔认为萨彼得的理论中第二部份，应该改写成激发的碳原子核(126C*)，随即放出 射线，变成常态的碳原子核126C，即42He + 84Be* 126C* 126C + 激发态(excited state)碳原子核126C*的存在，令反应的速率增加几个数量级，也是解释氦、碳和氧的宇宙丰度(cos

22、mic abundance)的关键。霍伊尔当时在加州理工学院访问，向佛敖勒和威灵详述了这要点，后者的实验结果验证了激发态碳原子核的存在，并与霍伊尔的预测值几乎完全吻合。佛敖勒对天文物理作了巨大的贡献。他量度了在低能量下多种核反应的效率，解释了星体释放能量的过程，为这方面元素产生的定量研究奠定坚实的基础。四位作者：布别治夫妇、佛敖勒和霍伊尔合写了经典之作B2FH (姓氏的缩写)， 将中量、重量原子的产生与恒星的生命历程紧密配合起来，奠定了恒星中心核合成(nucleosynthesis)理论。大部分恒星演化至最后阶段，就会成为红巨星；质量大的红巨星在发生超新星爆炸前，核心已合成了各种中量原子 (见

23、图2)；爆炸时的内爆(implosion)和震波(shock wave)更产生了质量数大于铁的原子。图2。恒星内部元素产生示意图 (不按比例)。恒星诞生、放光、衰退、死亡；残骸又成为新恒星的原料，循环不息。巨型恒星产生中量、重量原子，以超新星(supernova)的形式爆炸，更是新恒星中量、重量原子的来源。论战的第1个正式回合是由稳态派发起的。事实上，佛敖勒对霍伊尔的实验建议起初并不感兴趣，后来才被霍伊尔说服完成这个实验。假使稳态派不认为恒星内部原子产生的实验非做不可，这实验便会拖后，甚至无限延搁。佛敖勒获颁发诺贝尔物理学奖(1983)，但始终没有遗忘霍伊尔不可磨灭的贡献。稳态派取得了好几年的

24、宣传胜利。笔者之一在1960年左右听过霍伊尔的演讲，很佩服他的分析、他的词锋。宏轰派当时却韬光养晦，一言不发，沉默了十年；难道他们已经认输了？ 早在1953年，宏轰派三位主要人物已转向其它工作：甘莫夫投入了DNA的研究；阿而复成为了通用电气公司 (General Electric (“GE”，亦音译为奇异)的研究员；而赫尔曼加入了通用汽车公司研究所(General Motors Research Laboratories)。稳态派沾沾自喜；著名的Solvay Congress 在1958 年举行，预定的题目是宇宙的结构和演变。宏轰派列席的只有先知勒梅特神父；他在会上重复了1933年的论据，了无

25、新意。甘莫夫和阿而复竟然不在被邀参加之列。但平心而论，第1个回合的结果只能说是稳态派先胜后和。原来稳态派发现的中、重量原子产生的理论：B2FH的内容，全部可以一字不易，用来支持宏轰理论。甘莫夫自嘲的笑话讲起霍伊尔教授的出现；原来霍伊尔不自觉地果然助了宏轰派一臂之力。 后来霍伊尔合作了三篇文章，正式承认宏轰理论也可以在恒星内部产生中量重量原子。他与泰来合作的文章中承认，宇宙中的氦元素不可能完全从恒星中产生。在那三篇文章中，两篇的第一作者是物理学新秀华共纳；他自己在1973写了一篇重要的文章，说假如轻量原子只在恒星内部产生，相互比例便不符现实；若要符合现实，我们需要假设另外一个奇大、奇热的环境；这

26、正是宏轰理论所说的：宇宙开始时的几分钟。稳态理论要产生这环境，却需要全面性的修改。 5.4. 第2个回合：古史今读 (1961) 爱因斯坦的宇宙理论采用了一个假设：我们的宇宙在构造上是大致均匀的；这假设现在叫做宇宙原理( the cosmological principle, 1933) 。最简单的讲法是： 无论 (想象中)观察者在空间任何地点，宇宙看来必须是一样的 (The world must appear the same to all observers, irrespective of their positions )。 在上古、中古时代，人认地球为是唯一的宇宙中心，享受群星的拱卫

27、。但科学后来说明，星空的旋转，只是坐标系统选择下的假象；地球固然不是宇宙的中心，宇宙也未必有中心。宇宙原理正是这种思维的自然推论，使我们能够将在地球观察到的现象，推广到宇宙任何地点可能的观测。其实在第3.2节，我们从哈勃定律推论到宇宙膨胀，已经暗中动用了宇宙原理了。稳态理论派的主要支柱是更进一步的完善宇宙原理 (the perfect cosmological principle) ，认为宇宙不但在空间上的构造大致均匀，而且在时间上也大致不变。这看法迎合许多科学家的理想：稳态宇宙可能正是善和美的典范。但这典范果然是真的吗？仙女座大星系M31放出的光，要花整整2百万年才走到地球；更有不少星系的光

28、走到地球要花整整十亿年。我们看不到这些星系的现况，只能凭吊它们十亿年前的陈迹。根据宇宙原理，同一个时候宇宙的星系，到处、大致都是差不多的。因此看着辽远星系现在供应我们眼帘的古迹，我们便可以推想出过去整个宇宙的面貌了。古迹既然是现况的前身，宏轰理论断言它们与现况应该很有差异。但根据稳态理论的完善宇宙原理，上下、古今，都可以一概而论；这古迹与现况大致相同，不看也罢了。 剑桥大学教授莱尔是稳态理论的死对头。1961年，他宣布第3期放射无线电的天体分布情况，是远多、近少；远强、近弱，并不符合完善宇宙原理。稳态理论派初时反驳，认为莱尔的数据太少、过于粗糙，而且与澳洲电射天文学的数据很有出入，不足以作出斩

29、钉截铁的结论。但后来积聚的数据愈来愈多，愈来愈精确，而且数据的来源包括英国、美国和澳洲；远多、近少；远强、近弱的现实愈来愈鲜明。更令稳态派头痛的是绝对亮度几百倍于普通星系的类星体(quasar) 。它们的分布状况竟然是远有、近无！从1962年开始，天文学家发现，从地球观察，光度最强的类星体3C 273离地球24.4亿光年。类星体离地球至少7.8亿光年，最远的达到130亿光年，很可能是古时星系形成初期、中心的巨黑洞。第2个回合的结论是：宇宙星体的分布并不均匀，古今有别。BB胜；班地因而宣告放弃稳态理论，但总的来说SS还未肯认输。5.5. 第3个回合： (1965) 背景辐射的背景早在1948年，

30、阿而复与赫尔曼合作，在英国的权威自然杂志(Nature)上讨论膨胀中的宇宙的现状，他们的结论是：宇宙现在的温度大概是5 K (-268.15 )。当宇宙年龄约是380,000岁，温度降至3,000 K时，原子核和电子结合成为中性原子。因此辐射得以自由在宇宙中传播。由于宇宙膨胀，辐射的波长也照应增加，按他们的估计，这些辐射相当于今天5 K的黑体辐射。所以，量度得这5 K背景辐射便是宏轰理论的重要证据。但宏轰派无法找到天文学家来量度这背景辐射。阿而复回忆当时：我们花了九牛二虎之力宣讲这工作。但没有人愿意上钓；没有人说这可以量出来。 1964年彭齐亚斯 (Arno Penzias) 和罗勃脱 威尔逊

31、 (Robert Wilson)完成了一部强力的微波望远镜。他们向太空深处瞭望，出乎意料之外地竟然探出微波辐射来。他们认为这辐射是由于仪器不洁引起的，但将望远镜清洗，倒出鸽子两只后，仍然到处看到微波辐射。他们迫得向物理学家狄克求助。狄克立即告诉他们，这神秘的辐射正是自己梦寐以求、寻找了好几年的宇宙背景辐射。原来热的物体会自然放光；光最强的部分，波长可以显示物体的温度，较低温的物体放出的波长较大。微波也是光的一种，波长约数英寸。宇宙到处放出的微波，相当于绝对温度约3.5 K (最新值：2.725 K)；这正是阿而复和赫尔曼预测的宇宙背景辐射。但稳态宇宙理论不容许有认得出的过去，若不作大规模的修改，便无法解释这辐射。彭齐亚斯和威尔逊荣获1978年的诺贝尔奖。其实同在美国贝尔电话实验室的奥姆 (E.A. Ohm) 早在1961年已找出这微波辐射了。阿而复和赫尔曼当时甚么都拿不到，但他们的功绩和远见现在已得到物理学界的普遍承认。无论如何，这背景辐射替宏轰理论取得决定性的胜利；多年的死敌：稳定状态理论兵败如山倒，从此便一蹶不振、翻身无期了。2000年，霍伊尔、布别治和拿尔力卡出版了一本书，讲述他们的半稳态理论(quasi-steady state mo