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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Helge Kragh, Cosmology and Controversy: The Historical and Development of Two Theories of the Universe。Simon Singh, Big Bang: The Origin of the Universe是畅销的通俗阐
2、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(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；而且倘如没有这轰天动地、剑拔弩张的论争，答案肯定会姗
3、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，因此他在方程式里插入一个名为宇宙常数(cosmol
4、ogical 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。 Simon Singh, Big Bang: The Origin of the Universe, 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 (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，Alexander A. 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
5、不住收缩，也可以不住膨胀。比利时神父勒梅特 Father Georges-Henri Lematre (1894 1966).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。 他有时也用宇宙卵(Cosmic egg)，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， Helge Kragh, Cosmology and Controversy, : The Historical and Developm
6、ent of Two Theories of the Universe, 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后来也备受荣宠，做了教宗科学院的院长(1960-66) 。 Pontifical Academy of Sciences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，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 (
7、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)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 Doppler effect。发现者是杜普勒 (J. Christian A. 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) 。在杜普勒的声波公式里c是声音的速度。光波通常遵守同一公式，只需将光速代入c；但如光源速度v接近c，则应根据相对论改为v=c(/)2
8、-1/(/)2+1 c(-) / 1-( - )/。见Wikipedia, “Relativistic Doppler shift”条，15:21, 1 May 2007。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 Vesto Melvin Slipher (1875 1969) ，美国亚利桑那州洛威尔天文台台长。见Wikipedia,
9、“Vesto Slipher”条，18:53, 4 April 2007。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 law)：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) Carl Wilhelm W
10、irtz, 见Heinz R. Pagels, Perfect Symmetry: The Search for the Beginning of Time (New York: Simon and Schuster 1985), p.87. 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。 1908年，天文学家Henrietta S. Leavitt发现从造父变星(Ceipheid variables )光度的周期可以算出绝对光度，与观测光度比较便可以推出距离。星
11、系中常见1型(Type 1)造父变星，星系的距离因此可以量出。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 Milton Lasell Humason (1891-1972) 。这位传奇天文学家只受过中学教育，当初只是一位送货上美国威尔逊山天文台的骡夫。在1931年公布的数据包括远达 97.8百万光年的星系，直线关系非常清晰。最近的资料推出来的哈勃常数数值是 H0 = 70.81.6 (km/s)/Mpc = 21.70.5 (km/s)/Mly; M = 百万、ly = 光年、p
12、c = 秒差距 = 3.26光年。秒差距(parsec, pc)当初的定义是引起天文视差角(parallax)1秒的距离，如地球(E)到太阳(S)的距离是 = 1AU，太阳到星体(O)的距离是 =1pc，则天文视差角 SOE = (1/360) 。(实际上 = 1.000.02 AU。) http:/map.gsfc.nasa.gov/m_uni/uni_101expand.html 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，
13、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 = 13.68109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。 2003年美国NAS
14、A的人造卫星WMAP观测所得宇宙年龄是(13.70.2)109年。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(g)、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。质子质量= 1836 电子质量= ( 1/1.0014) 中子质量 = 1.672610-27kg；正子质量 = 电子质量。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：质子的电荷 = 正子的电荷 = - (电子的电荷)
15、。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 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
