60．关于宇宙起源的发现

1929年，哈勃定律提出：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。哈勃定律展示了宇宙在退移，也就是说，现在的宇宙在膨胀。从宇宙中任何一点看，观察者所见的天体都在远离观察者而去，就好比站在一个正在膨胀的气球上看气球上的任意一点。

红移是由于多普勒效应，从离开我们而去的恒星发出的光线红化。可见光即是电磁场的起伏或波动，它的频率（每秒的振动数）高达4～7百万亿次，对不同频率的光，人的眼睛看起来为不同颜色，最低的频率出现在光谱红端，而最高频率在蓝端。

如果恒星光源固定，星系的引力场不会对其有足够强的明显作用，那么我们接收到波频率和发出时的频率一样。如果恒星向观察者运动，当光源发出第二个波峰时，它离开我们更近一些，这样波峰到达我们所用的时间会缩短。两个波峰到达我们的时间间隔变小了，那么我们接收到的频率比恒星固定不动时的波频率要高。如果光源离观察者逐渐远去，我们接收到波频率就变低了。

因此，恒星离我们不断远去时，其光谱向红端移动，接收频率减弱，称之为红移。反之，恒星离我们越来越近，光谱则会出现蓝移情况。

哈勃发现的就是红移律。不仅如此，他还发现，离我们越远的恒星其退行速度越快，这不像正在膨胀的气球吗？

这种发现，使宇宙大爆炸理论显出优势地位。宇宙论成为实验科学是由于微波背景的辐射。

关于宇宙的起源和形成，是哲学和神学最关注的问题，科学家们并没有表现出多大的热情，但是20世纪中后期，宇宙学的研究却成为显学，这是由于理论与技术设备的共同发展而导致的。两种互相争论的宇宙论也就应运而生了。

通俗的宇宙大爆炸论，简言之，就是假定宇宙在原初状态时，温度高到无穷大，密度大到无穷高，只有辐射和基本粒子存在，随着“乒乓”一声，宇宙开始膨胀的冷却降温，星云、恒星、星系就诞生了，宇宙现在正在膨胀。稳恒态理论认为，宇宙自始至终就存在，目前观察到的宇宙膨胀所引起的物质分散，由不断产生的物质来补偿。

在公元前4世纪的古希腊，亚里士多德在《天论》中，论证了地球为球形并且处于宇宙中心，整个宇宙环绕着地球，由7个同心球组成。直到托勒密体系，空间位置是绝对的。

哥白尼指出，太阳是宇宙的中心，而伽利略最早指出相对性原理。地球说被否定了，绝对空间也不存在了。

到了牛顿，他认为宇宙是无边无限的，宇宙的体积无限，也没有边界。宇宙空间是三维欧氏几何空间，在各个方向上延直线可以延伸到正无穷，在这个空间中，星体密布，无论怎么测量，任何方向上都存在星体。

从哥白尼到牛顿，推翻了地球为宇宙中心的观念，但是牛顿的时空观也是一种绝对时空观，直到爱因斯坦，才根据相对论创立了有限无边的静态宇宙模型。

爱因斯坦的宇宙模型，既不是亚里士多德的有限有边说，也不是牛顿的无限无边型，而是一个有限无边的体质。即空间体积有限，也就是说宇宙体积是有大小的，在这个大小之外任何物质都不存在，这就是无边。

1823年、1894年分别由奥尔勃斯和塞里格尔提出光度悖论与引力悖论，都是对牛顿宇宙模型的责难。

光度学悖论是：如果宇宙无限，那么空间中均匀分布的恒量也应无限，即人们在任何方向上看到的星星应该是无限多，但是实际不是这样。

引力悖论是：如果宇宙中的恒星是无限的，那么任何一个物体就会受到无限多恒星的无限大的引力作用，产生的加速度也会无限大，但是实际上也不是这样。

宇宙没有开始的时候。星系看上去在远离我们并不一定代表物质的变稀，而是新的物质正在连续不断地产生，产生的速度正好足够补偿从可见宇宙消失的物质。这种新的物质最终会形成恒星和星系，因此，观察者会在任何时刻都把宇宙看成一样的。

在大爆炸与稳恒态的争论中，一种意见认为物质无中生有违背质量与能量守恒定律，但反驳意见是，大爆炸也是违反的，而且物质是在开始时刻突然产生，开始时刻无法研究无法解释，只能从开始时刻的第1秒内开始研究，始终研究不了那个“零”时间。

霍伊尔认为背景物质中还会不断有新的物质产生出来，弥补由于不断凝聚成新的星系所引起的耗损。

不断创生的物质从何而来呢？这是不断创生的关键。霍伊尔认为：物质就是出现了——它们被创造了。在某个时刻，组成这些物质的各种原子并不存在，而过了一些时候，它们就出来了，在霍伊尔等人的观点中，从事实出发有两种可能。事实是宇宙在膨胀，那么两个结果都是可能的，要么是宇宙消失，要么是物质创生，他们理所当然选择后者。

后来，霍伊尔又提出了重力能产生物质，这样保证了质能的守恒，但也引发别的困难。总之，稳恒态理论认为：“当宇宙不断地膨胀时，新的物质便接连创造出来以填补空隙。新形成的物质就是构成星系团的氢。每个星系团将随着宇宙的不断膨胀而逐渐衰老以至死亡，但又形成了新的星系团。新星系形成，老星系衰亡，但宇宙的总密度始终不变；并且总是存在有各种各样年龄的星系。因此，宇宙不论在任何时候检验都是一样的。尽管个别星系和星系团有变化，但整体图像是始终如一的。这就是所谓无论年龄上还是在空间上都是无限的稳恒态宇宙。”

相比来说，大爆炸理论认为太空温度开始很高，现在只比绝对零度高几度；稳恒态理论认为是零度（无辐射）。从宇宙年龄上说，大爆炸可以计算出宇宙年龄；而稳恒态理论认为是无限的。大爆炸理论认为物质突然产生；稳恒态认为物质连续自始至终创生；大爆炸认为元素是爆炸后马上形成的；稳恒态理论认为元素自始至终出现在恒量中。

可是自20世纪70年代后，稳恒态理论变得没有支持率了，因为一系列的观测事实被大爆炸理论预言并解释：

第一，宇宙年龄问题。

大爆炸理论认为，天体的年龄应小于宇宙年龄。起初有计算为20亿年的，但都被观测所否定。继而，当代大爆炸论认为150亿年这是宇宙年龄，基于此，目前发现的天体可以纳入演化轨道。

第二，微波辐射。

大爆炸理论预言了残余爆炸的辐射，均匀分布在宇宙空间，结果约3K的微波背景辐射的发现强有力地支持了大爆炸。

第三，宇宙中氦的丰度。

天文学中，一直不能解释为什么天体中有相同的氦丰度，并且也不能解释为什么一些恒星的氦丰度（也就是氦含量）是30％左右。在英格利斯的著作中是这样解释的：“大爆炸宇宙学可以定量地解释氦的丰度问题。因此，在宇宙早期高温的几十分钟里，生成氦元素的效率很高。根据宇宙膨胀速度的测量，以及热辐射温度的测量，我们可以计算出宇宙早期产生的氦丰度。这个数值恰好是30％。这就是说，今天我们看到不同天体上都约有30％的氦，这可能正是100多亿年前的一次事件所留下来的痕迹。”

第四，河外星系的普遍退行，也就是红移现象。

以上事实有些地方还有争议，但是比起稳恒态宇宙论预测的事实来看，大爆炸理论已十分占优势。

1965年以后，稳恒态理论迅速退让，但是大爆炸理论受到的严重挑战依然很多，新的问题不断出现，比如说，微波辐射是否真的各向同性，星系红移分布的周期性等等，严峻的形势不容乐观。

科学探索是不惧怕严峻的。

科学家们自我询问：宇宙会永远持续膨胀吗？会最终坍塌成黑洞吗？这一系列的问题要深入研究，而宇宙论这门学科的性质也变为了实验科学，当然主要是因为微波辐射的原因。