银河系一样巨大的恒星集团,只是因为太远而看起来像“云”, 由于观测手段的限制,这两种观点孰是孰非无法得到最后的判 明 到了20世纪,观测手段有了较大的发展,美国在威尔逊 山上建造了当时世界上最大的2.5米口径的反射望远镜,确 定空间距离的天体物理方法也发展了起来。人们可以对星云的 本质有所说明了。 宇宙空间的尺度是太大了,不同的尺度范围要采用不同的 方法,因为在某个范围有效的方法进一步扩展就失效了。对于 较邻近的天体,可以用三角法测距。三角法也就是传统的视差 法,距离太阳最近的比邻星(即半人马座α星,我国古代称之 为南门二)就是通过视差法测出的,距离为4.3光年。使用 三角法已经测定了500光年的空间距离,但更大的距离三角法 就无能为力了。 更大的距离往往采用光度方法确定,我们知道,恒星的视 亮度、距离与本身的光度三者之间存在某种确定的关系,视亮 度是可以在地球上测定的,因此只要知道了某恒星的光度就可 以知道它的距离。天体物理学已经得知,从光谱分布可以相对 地确定恒星的光度。因此,光度方法可以用来大致地确定更远 的空间距离。使用主序星作为标准,天文学家测出了10万光 年的空间距离,大致搞清楚了银河系的空间结构 超出10万光年之外,主序星的光度就显得太小而不为我 们所见,天文学家又找到了造父变星作为标准,利用这个新的 光度标准,可以确定星云的本质了。 1924年,美国天文学家哈勃(1889-1953)利用威尔逊山 的大望远镜观察仙女座大星云,第一次发现它实际上由许多恒 星组成,而且其中有造父变星,这样就可以运用光度方法来确 定它的距离了。计算的结果是,仙女座星云位于70万光年之 外,远远超出了银河系的范围,这就最终证明了某些星云确实 是遥远的星系。哈勃一鼓作气,此后十年致力于观测河外星云
g6 银河系一样巨大的恒星集团，只是因为太远而看起来像“云”， 由于观测手段的限制，这两种观点孰是孰非无法得到最后的判 明。 到了 20 世纪，观测手段有了较大的发展，美国在威尔逊 山上建造了当时世界上最大的 2．5 米口径的反射望远镜，确 定空间距离的天体物理方法也发展了起来。人们可以对星云的 本质有所说明了。 宇宙空间的尺度是太大了，不同的尺度范围要采用不同的 方法，因为在某个范围有效的方法进一步扩展就失效了。对于 较邻近的天体，可以用三角法测距。三角法也就是传统的视差 法，距离太阳最近的比邻星（即半人马座α星，我国古代称之 为南门二）就是通过视差法测出的，距离为 4．3 光年。使用 三角法已经测定了 500 光年的空间距离，但更大的距离三角法 就无能为力了。 更大的距离往往采用光度方法确定，我们知道，恒星的视 亮度、距离与本身的光度三者之间存在某种确定的关系，视亮 度是可以在地球上测定的，因此只要知道了某恒星的光度就可 以知道它的距离。天体物理学已经得知，从光谱分布可以相对 地确定恒星的光度。因此，光度方法可以用来大致地确定更远 的空间距离。使用主序星作为标准，天文学家测出了 10 万光 年的空间距离，大致搞清楚了银河系的空间结构。 超出 10 万光年之外，主序星的光度就显得太小而不为我 们所见，天文学家又找到了造父变星作为标准，利用这个新的 光度标准，可以确定星云的本质了。 1924 年，美国天文学家哈勃（1889—1953）利用威尔逊山 的大望远镜观察仙女座大星云，第一次发现它实际上由许多恒 星组成，而且其中有造父变星，这样就可以运用光度方法来确 定它的距离了。计算的结果是，仙女座星云位于 70 万光年之 外，远远超出了银河系的范围，这就最终证明了某些星云确实 是遥远的星系。哈勃一鼓作气，此后十年致力于观测河外星云
并找到了测定更远距离的新的光度标准,将人类的视野扩展到 了5亿光年的范围。 与此同时,美国另一位天文学家斯莱弗(1875-1969)正 致力于恒星光谱的研究。从1912年开始,他将视线对准了河 外星云,发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象。随 着观测的进展,积累的数据越来越多,除个别例外,几乎所有 的河外星系(此时哈勃已经表明这些星云确实是河外星系)的 光谱都有红移现象。如果按照多普勒效应解释,这就意味着这 些星系都在远离地球而去,而且退移的速度相当大,比如室女 座星云的速度达到了每秒1000公里,这样大的速度是令人称 奇的。 1929年,哈勃考察了斯莱弗的工作,并结合自己对河外星 系距离的测定,提出了著名的哈勃定律:星系的红移量与它们 离地球的距离成正比。这一定律被随后的进一步观测所证实。 哈勃定律指出了河外星系的系统性红移,反映了整个宇宙的整 体特征,特别是当红移作多普勒效应解释时,哈勃定律就展示 了一幅宇宙整体退移也就是整体膨胀的图景:从宇宙中任何 点看,观察者四周的天体均在四处逃散,这就像是一个正在胀 大的气球,气球上的每两点之间的距离均在变大 2.现代宇宙学的兴起 红移带来了宇宙学研究的勃兴,但现代宇宙学的源头还得 从牛顿宇宙学讲起。在牛顿世界里,空间和时间都是无限的 但空间的无限性却带来了许多佯谬,首先一个佯谬是所谓夜黑 佯谬,它是由德国天文学家奥尔伯斯(1758-1840)于1820 年提出的,有时也称奥尔伯斯佯谬。它指出,如果太空中均匀 地分布着无穷多个恒星,那么宇宙中任一点将会感受到无穷大 的亮度,考虑到恒星之间的相互遮光之后,这一亮度可以变成 个有限值,但相当恒定,这就是说,夜空也将有一个均匀的 亮度,而不是黑的。这一推论显然与事实不符,因此构成了佯 谬。奥尔伯斯本人提出了解释佯谬的一种方法,即星际尘埃遮 住了大部分星光。但这一解释是不够的,无限宇宙在物理上面 临困难
g6 并找到了测定更远距离的新的光度标准，将人类的视野扩展到 了 5 亿光年的范围。 与此同时，美国另一位天文学家斯莱弗（1875—1969）正 致力于恒星光谱的研究。从 1912 年开始，他将视线对准了河 外星云，发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象。随 着观测的进展，积累的数据越来越多，除个别例外，几乎所有 的河外星系（此时哈勃已经表明这些星云确实是河外星系）的 光谱都有红移现象。如果按照多普勒效应解释，这就意味着这 些星系都在远离地球而去，而且退移的速度相当大，比如室女 座星云的速度达到了每秒 1000 公里，这样大的速度是令人称 奇的。 1929 年，哈勃考察了斯莱弗的工作，并结合自己对河外星 系距离的测定，提出了著名的哈勃定律：星系的红移量与它们 离地球的距离成正比。这一定律被随后的进一步观测所证实。 哈勃定律指出了河外星系的系统性红移，反映了整个宇宙的整 体特征，特别是当红移作多普勒效应解释时，哈勃定律就展示 了一幅宇宙整体退移也就是整体膨胀的图景：从宇宙中任何一 点看，观察者四周的天体均在四处逃散，这就像是一个正在胀 大的气球，气球上的每两点之间的距离均在变大。 2．现代宇宙学的兴起 红移带来了宇宙学研究的勃兴，但现代宇宙学的源头还得 从牛顿宇宙学讲起。在牛顿世界里，空间和时间都是无限的。 但空间的无限性却带来了许多佯谬，首先一个佯谬是所谓夜黑 佯谬，它是由德国天文学家奥尔伯斯（1758—1840）于 1820 年提出的，有时也称奥尔伯斯佯谬。它指出，如果太空中均匀 地分布着无穷多个恒星，那么宇宙中任一点将会感受到无穷大 的亮度，考虑到恒星之间的相互遮光之后，这一亮度可以变成 一个有限值，但相当恒定，这就是说，夜空也将有一个均匀的 亮度，而不是黑的。这一推论显然与事实不符，因此构成了佯 谬。奥尔伯斯本人提出了解释佯谬的一种方法，即星际尘埃遮 住了大部分星光。但这一解释是不够的，无限宇宙在物理上面 临困难
1917年,也就是广义相对论提出的次年,爱因斯坦发表了 《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》一文,将广义相对论 用于宇宙学问题,并建立了一个有限无边的静态宇宙模型。这 个模型有两大特征,第一,它是有限无边的,第二,它是静态 的。前一特征来源于广义相对论。在相对论看来,有物质存在 就会出现时空弯曲,整个宇宙的平均物质密度不为零,那么 它整体上必然是一个封闭的体系,它是有限的,但没有边界、 没有尽头,就像二维球面是一个有限但无边的二维空间一样 后一特征来自爱因斯坦的一时猜想,他当时相信,宇宙整体上 应该是静态的,但他的引力场方程只能得出一个动态解,所以 他人为地加了一个宇宙常数,以维持宇宙的静态的。 爱因斯坦的广义相对论出来之后,马上就有许多人据此构 造宇宙模型。几乎与爱因斯坦同时,荷兰天文学家德西特得出 了一个膨胀的宇宙模型。1922年,苏联物理学家弗里德曼得出 了均匀各向同性的膨胀或收缩模型。1927年,比利时天文学家 勒梅特再次独立地得到这一模型。后来人们发现,基于爱因斯 坦的引力场方程所得到的宇宙模型必定是动态的,或者膨胀, 或者收缩,而且膨胀和收缩的速度与距离成正比。 以弗里德曼模型为代表的相对论宇宙学一开始并不为人 重视,因为它主要是一些数学推导,看不到物理内容。到了1929 年,情况发生了变化。哈勃定律公布后,人们才惊喜地发现 它所展示的宇宙大尺度膨胀现象正是弗里德曼模型所预言了 的。科学界一下子被震动了,原来研究整个宇宙的宇宙学确实 是可能的,它的预言居然被证实了。作为相对论宇宙学之鼻祖 的爱因斯坦也为这一发现欢呼,认为自己在宇宙模型中人为地 引进宇宙常数是犯下了一个大错误。 宇宙学变得热闹起来了。人们想到,既然宇宙是膨胀的 那么越往早去,宇宙体积就越小,在某一个时间之前,宇宙就 应该极为密集,现有的天体都不可能以现在的状态存在。照哈 勃当时提供的数据估计,这个时间大概是20亿年。 事有凑巧,当时的地质学已经能够利用放射性同位素来测 定地球上岩石的年龄,初步估计,大约是20亿~50亿年。相
g6 1917 年，也就是广义相对论提出的次年，爱因斯坦发表了 《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》一文，将广义相对论 用于宇宙学问题，并建立了一个有限无边的静态宇宙模型。这 个模型有两大特征，第一，它是有限无边的，第二，它是静态 的。前一特征来源于广义相对论。在相对论看来，有物质存在 就会出现时空弯曲，整个宇宙的平均物质密度不为零，那么， 它整体上必然是一个封闭的体系，它是有限的，但没有边界、 没有尽头，就像二维球面是一个有限但无边的二维空间一样。 后一特征来自爱因斯坦的一时猜想，他当时相信，宇宙整体上 应该是静态的，但他的引力场方程只能得出一个动态解，所以 他人为地加了一个宇宙常数，以维持宇宙的静态的。 爱因斯坦的广义相对论出来之后，马上就有许多人据此构 造宇宙模型。几乎与爱因斯坦同时，荷兰天文学家德西特得出 了一个膨胀的宇宙模型。1922 年，苏联物理学家弗里德曼得出 了均匀各向同性的膨胀或收缩模型。1927 年，比利时天文学家 勒梅特再次独立地得到这一模型。后来人们发现，基于爱因斯 坦的引力场方程所得到的宇宙模型必定是动态的，或者膨胀， 或者收缩，而且膨胀和收缩的速度与距离成正比。 以弗里德曼模型为代表的相对论宇宙学一开始并不为人 重视，因为它主要是一些数学推导，看不到物理内容。到了 1929 年，情况发生了变化。哈勃定律公布后，人们才惊喜地发现， 它所展示的宇宙大尺度膨胀现象正是弗里德曼模型所预言了 的。科学界一下子被震动了，原来研究整个宇宙的宇宙学确实 是可能的，它的预言居然被证实了。作为相对论宇宙学之鼻祖 的爱因斯坦也为这一发现欢呼，认为自己在宇宙模型中人为地 引进宇宙常数是犯下了一个大错误。 宇宙学变得热闹起来了。人们想到，既然宇宙是膨胀的， 那么越往早去，宇宙体积就越小，在某一个时间之前，宇宙就 应该极为密集，现有的天体都不可能以现在的状态存在。照哈 勃当时提供的数据估计，这个时间大概是 20 亿年。 事有凑巧，当时的地质学已经能够利用放射性同位素来测 定地球上岩石的年龄，初步估计，大约是 20 亿～50 亿年。相
比之下,宇宙膨胀的年限也太短了。这使许多宇宙学家感到很 为难,爱因斯坦也表态了:“既然由这些矿物所测定的年龄在 任何方面都是可靠的,那么,如果发觉这里所提出的宇宙学理 论同任何这样的结果有矛盾,它就要被推翻。” 为了既保留宇宙膨胀的观念,又回避年龄困难,英国天文 学家邦迪、哥尔得和霍伊尔在1948年分别提出了稳恒态宇宙 模型。他们认为,宇宙虽然在不断膨胀,但其中的物质密度并 不变小,因为有物质不断地凭空产生出来。由于物质密度不变, 所以不存在一个宇宙的密集时期,因而也不存在星体的年龄上 限问题。 稳恒态宇宙模型预言了一个极其微小的物质产生率,它在 地面实验室里无法验证,但可以通过天文观测检验,因为如果 宇宙是稳恒的,那么恒星的分布密度应该是不变的,在地球上 的所有天文观测都有一个特点,它完全依赖电磁信号(光是其 中最重要的一种),而电磁信号的传播需要时间,因此,你看 到的越远也就看得越古老,其空间分布就是时间分布。如果恒 星的空间分布是均匀的,那就意味着它在时间上是稳恒的。反 之,就不稳恒。通过30年代的星系计数和60年代的射电源计 数,结论有了,天体的空间分布是不均匀的。这就是说,稳恒 态宇宙模型有问题。 1948年,美国帕洛马山天文台建成了当时世界最大的光学 望远镜,其口径达到5米,远远超过了此前哈勃使用的威尔逊 山天文台的2.5米口径。天文学家利用新的望远镜继续证实 了哈勃定律,但对哈勃关系中的哈勃常数提出了疑问,经认真 仔细地校订,发现哈勃常数比实际数值小了10倍。按新的常 数估计宇宙的年龄应当是200亿年,这样星体年龄问题就迎刃 而解了 年龄问题解决之后,理论宇宙学家当即着手研究宇宙早期 的密集状态。从40年代末开始,俄裔美籍物理学家伽莫夫(1904 1968)等人提出了热大爆炸宇宙模型。他们认为,宇宙起源 于一次巨大的爆炸,之后不仅连续膨胀,而且温度也在由热到
g6 比之下，宇宙膨胀的年限也太短了。这使许多宇宙学家感到很 为难，爱因斯坦也表态了：“既然由这些矿物所测定的年龄在 任何方面都是可靠的，那么，如果发觉这里所提出的宇宙学理 论同任何这样的结果有矛盾，它就要被推翻。” 为了既保留宇宙膨胀的观念，又回避年龄困难，英国天文 学家邦迪、哥尔得和霍伊尔在 1948 年分别提出了稳恒态宇宙 模型。他们认为，宇宙虽然在不断膨胀，但其中的物质密度并 不变小，因为有物质不断地凭空产生出来。由于物质密度不变， 所以不存在一个宇宙的密集时期，因而也不存在星体的年龄上 限问题。 稳恒态宇宙模型预言了一个极其微小的物质产生率，它在 地面实验室里无法验证，但可以通过天文观测检验，因为如果 宇宙是稳恒的，那么恒星的分布密度应该是不变的，在地球上 的所有天文观测都有一个特点，它完全依赖电磁信号（光是其 中最重要的一种），而电磁信号的传播需要时间，因此，你看 到的越远也就看得越古老，其空间分布就是时间分布。如果恒 星的空间分布是均匀的，那就意味着它在时间上是稳恒的。反 之，就不稳恒。通过 30 年代的星系计数和 60 年代的射电源计 数，结论有了，天体的空间分布是不均匀的。这就是说，稳恒 态宇宙模型有问题。 1948 年，美国帕洛马山天文台建成了当时世界最大的光学 望远镜，其口径达到 5 米，远远超过了此前哈勃使用的威尔逊 山天文台的 2．5 米口径。天文学家利用新的望远镜继续证实 了哈勃定律，但对哈勃关系中的哈勃常数提出了疑问，经认真 仔细地校订，发现哈勃常数比实际数值小了 10 倍。按新的常 数估计宇宙的年龄应当是 200 亿年，这样星体年龄问题就迎刃 而解了。 年龄问题解决之后，理论宇宙学家当即着手研究宇宙早期 的密集状态。从 40 年代末开始，俄裔美籍物理学家伽莫夫（1904 —1968）等人提出了热大爆炸宇宙模型。他们认为，宇宙起源 于一次巨大的爆炸，之后不仅连续膨胀，而且温度也在由热到
冷地逐步降低。在宇宙早期,不仅密度很高,而且温度也很高 所有的天体以及化学元素都是在膨胀过程中逐步生成的。 大爆炸模型有一个重要的预言,即随着宇宙的不断膨胀 温度不断下降,各类元素开始形成,但原初辐射与物质元素脱 离耦合后仍保持黑体谱,黑体辐射的温度大约是5K。60年代, 天文学家真的观测到了这种宇宙背景辐射,从而使大爆炸宇宙 模型被广泛地接受,成为宇宙学界的标准模型 3.射电望远镜与二十世纪六十年代的四大发现 传统的天文观测均是收集宇宙天体发来的可见光信息,但 这只是它们所发射的大量电磁波的一个极小的部分。这些电磁 波依波长从短到长有γ射线、X射线、紫外线、光波、红外线 和无线电波,地球大气严重地吸收了它们之中的紫外和红外的 大部分,只留下了一个狭窄的可见光段的窗口,人们常称它是 大气的小天窗。当然,在电磁学理论未建立之前,人们也不知 道还有其他的窗口。 电磁波发现以来,很快在各个领域得到了应用。无线电是 最引人注目的重大应用成就。马可尼已经发现,地球上空的电 离层可以反射无线电波,这促使他开通了英国与加拿大之间的 无线电报。1924年,在一次测定电离层高度的无线电实验中 人们偶然发现,当发射的电波波长小于40米时,电波便一去 不回了,开始以为是被吸收了,后来才知道它透过地球大气层 飞出了外层空间。既然地球内部的电波可以跑出去,宇宙空间 中的电波也就可以飞进来。天文观测的另一窗口就这样不知不 觉被打开了。 窗口虽然已经打开,但由于仪器的灵敏度不高,一直也没 有接受到来自天外的电磁信号。1932年,美国电信工程师央斯 基(1905-1950)在做无线电通信干扰实验时,偶然发现了来 自银河系中心人马座的电波信号。这一发现公布后并未引起人 们的注意,无线电工作者认为其干扰不大,不予理会,而天文 学家则均没有意识到它的重大意义。只是随着宇宙射电讯号的 不断发现,天文学家才开始关注这一新的观测方法
g6 冷地逐步降低。在宇宙早期，不仅密度很高，而且温度也很高， 所有的天体以及化学元素都是在膨胀过程中逐步生成的。 大爆炸模型有一个重要的预言，即随着宇宙的不断膨胀， 温度不断下降，各类元素开始形成，但原初辐射与物质元素脱 离耦合后仍保持黑体谱，黑体辐射的温度大约是 5 K。60 年代， 天文学家真的观测到了这种宇宙背景辐射，从而使大爆炸宇宙 模型被广泛地接受，成为宇宙学界的标准模型。 3．射电望远镜与二十世纪六十年代的四大发现 传统的天文观测均是收集宇宙天体发来的可见光信息，但 这只是它们所发射的大量电磁波的一个极小的部分。这些电磁 波依波长从短到长有γ射线、X 射线、紫外线、光波、红外线 和无线电波，地球大气严重地吸收了它们之中的紫外和红外的 大部分，只留下了一个狭窄的可见光段的窗口，人们常称它是 大气的小天窗。当然，在电磁学理论未建立之前，人们也不知 道还有其他的窗口。 电磁波发现以来，很快在各个领域得到了应用。无线电是 最引人注目的重大应用成就。马可尼已经发现，地球上空的电 离层可以反射无线电波，这促使他开通了英国与加拿大之间的 无线电报。1924 年，在一次测定电离层高度的无线电实验中， 人们偶然发现，当发射的电波波长小于 40 米时，电波便一去 不回了，开始以为是被吸收了，后来才知道它透过地球大气层 飞出了外层空间。既然地球内部的电波可以跑出去，宇宙空间 中的电波也就可以飞进来。天文观测的另一窗口就这样不知不 觉被打开了。 窗口虽然已经打开，但由于仪器的灵敏度不高，一直也没 有接受到来自天外的电磁信号。1932 年，美国电信工程师央斯 基（1905—1950）在做无线电通信干扰实验时，偶然发现了来 自银河系中心人马座的电波信号。这一发现公布后并未引起人 们的注意，无线电工作者认为其干扰不大，不予理会，而天文 学家则均没有意识到它的重大意义。只是随着宇宙射电讯号的 不断发现，天文学家才开始关注这一新的观测方法