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                                    人类宇宙观的演化

■古代西方国家流行的宇宙模型→■地心说及其回光返照→■哥白尼革命———日心说的提出→■从星云说到河外星系→■当代宇宙学说

□汲培文 曹盛林

古代西方国家流行的宇宙模型

    古代天文学的发展主要是由于生产的需要，为确定农时，天文学家需要观测太阳与一些星星的相对位置。逐渐人们学会了制订历法。因此天文学首先在美索不达米亚、埃及、中国和印度等古代文明地区萌芽和诞生了。人们一方面观测天象，另一方面按自己的体验去构造一些宇宙模型，并力图通过自己的模型来理解所观测到的种种现象。

    巴比伦人最早把天和地设想为浮在水上的两个扁盘；后来建立新巴比伦王国的迦勒底人则进一步设想地是半球形的，周围是大洋，正中是高山，幼发拉底河就从那里发源，天穹则是在大地上的一个更大的半球，在大洋之外以及在天上居住着神灵，在天上的东西两侧各有一根管子，太阳每天从东口升起，而从西口落下，翌晨再出于东口。

    古埃及人认为，世界像一只长方形的大盒子，大地是盒底，天是盒盖，四周架在从大地四角隆起的四座大山顶上，天顶稍微拱起，环绕大地周围的是宇宙之河，尼罗河就是宇宙之河从南方分出来的一个支流，流过大地的中央。古代印度关于宇宙的一种古老观念认为：天国在大地之上，大地则由四头大象背负着，大象站在一只巨大的海龟背上，这一切又被一条巨大的蛇所环绕。

    这些宇宙模型今天看来或许有些可笑，但在历史上它们仍起过某些积极作用。它使人们相信，宇宙是可以理解的，并通过人们设想去描述已有的感受并预测未来。这些模型也确实能解释生活中对宇宙的一些感受，如理解天和地的差别，理解日、月和星辰的升落，甚至可以解释一些恐怖的自然现象，如地震的出现等。所有这些模型都把“天堂”留给了“神”！

    古希腊是欧洲文化的发源地，由于古希腊天文学有四个活动中心并形成了四个学派，因此关于宇宙的结构和演化也有四种代表性的学说，形成人类最早的思辨性的宇宙论。公元前7至前5世纪的爱奥尼亚学派认为水是宇宙本源，大地是浮在水上的圆盘，并认为天上也有水，故天会下雨。此学派以后对宇宙的本源又有不同的提法，开始认为是“无限”，后来又认为火是宇宙的本源，一切都从火产生，也都被消灭于火。在宇宙本源问题方面最出色的古希腊学者是留基伯和他的学生德谟克利特，他们创立的古典原子论认为自然界只有原子和空虚，原子是不可再分的，万物由原子构成。毕达哥拉斯学派在天文学上是最有影响的，他们提出宇宙和谐的观念、最早提出地球是球形的、地球绕宇宙中心转动等见解并提出了地球自转的图像。此外在古希腊还有赫拉克利特的日心说和柏拉图的正多面体宇宙结构模型。

从星云说到河外星系

    银河系的结构及太阳系在其中的位置

    18世纪后期，英国天文学家威廉·赫歇耳用自制的反射望远镜进行了系统的恒星计数观测，他计数下117600颗恒星，以此得出了一个恒星系统呈扁盘状的结论。其子约翰·赫歇耳在19世纪将恒星计数的工作扩展到南天。上世纪初，天文学家开始把这个系统称为银河系。

    1918年，沙普利提出了太阳不在银河系中心的观测分析结果。在观测发现了银河系自转以后，沙普利的银河系模型得到了天文学家的公认。从宇宙论角度看，银河系结构的确定不仅是从尺度上扩大了人类认识到的时空结构，同时是继哥白尼之后又一次否定了人类（及他所居住的星球）在宇宙中具有任何特殊地位。

从星云到河外星系

    虽然康德在他的《宇宙发展史概论》中以太阳系为中心来论述宇宙的结构和演化，但他在1755年的《自然通史和天体论》一书中却明确提出“广大无边的宇宙”之中有“数量无限的世界和星系”的观念。宇宙中无数的恒星系统可形象地比喻成汪洋大海中的岛屿，后来人们把它称为宇宙岛。

    天文学中关于宇宙岛是否真的存在的议论，始终是围绕着对星云的观测而展开的。

    1918年，威尔逊山天文台建成了口径2.54m的反射望远镜———胡克望远镜。1922年，威尔逊山天文台的邓肯在编号为M31的星系中发现了一些变星。1923年，哈勃用威尔逊山天文台的胡克望远镜通过照相观测，将M31的外围部分分解为单个的恒星，并认出其中的一颗是造父变星，接着在M31中又找到几颗造父变星。此外，在M33和NGC6822中也发现了一些这类变星。

河外星系的红移和哈勃的发现

    光谱分析是天文观测的最重要手段之一。观测谱线的展宽和红移（或蓝移）可分析天体表面介质和天体自身的运动。双星系统的观测确定就利用了谱线的红移性质。对星系谱线红移的观测给宇宙论带来了难以预想的特殊意义。

    哈勃发现：河外星系的光谱线绝大多数都具有红移，特别令人吃惊的是河外星系的红移与它的距离成正比。由于红移和距离的关系并不依赖于天体的内在性质，因此天体的红移提供了一个确定天体的新手段。

    哈勃的这一发现对宇宙论的发展具有划时代的深远意义。经1930年爱丁顿的解释，哈勃的发现成为宇宙正在膨胀的观测证据。“宇宙正在膨胀”！或许比当年布鲁诺宣布“地球正在转动”更令人震惊！

地心说及其回光返照

    如果说，科学是人类试图把握客观世界的一种努力。那么人们总是力图把自己对客观世界的各种感受用自己设想的一个“模型”加以概括解释。对于天象，生活在地球各地的人们几乎都有他们自己的独特研究方法和习惯。天象的最大特点也许是它持久的稳定性。日月星辰的升落，给人们的直觉是：绝大部分的星星像明亮的钻石，固定不动地镶嵌在天球的内表面上。整个天球就嵌着这些星星，绕着一根天轴，环绕着地面，由东向西不停地转动。看来，我们的地球当然是宇宙的中心了！

    上面的描述大体上是符合人们的直觉感受乃至粗略观测。利用这些粗略观测，人类制定了较好的历法，从而有效地指导了农业生产和其它活动。利用日食和月食的统计规律甚至可粗略地预测下次日、月食将要发生的时间。但在长期的观测中，人们发现行星的运行规律似乎比较特殊，它们好像是在沿着黄道附近“兜圈子”，平时由西向东，有时好像在天空中停着不动，然后又由东向西，经过一段时间又折回它们平时的运动方向。

    前面介绍过，古希腊学者早已提出了日心说。本来上面观测到的特征已是日心说的证据，但把几颗行星与地球同等对待违背了古希腊人普遍接受的天地是截然不同的见解。为维护神圣的地球中心说，人们用了本轮－均轮体系，认为行星一方面绕地球运动，其轨道形成“均轮”，另一方面又绕以均轮上的点为圆心的“本轮”运动。公元2世纪托勒密创立了一个完整的地心体系，他采用几何的方式比较正确地描绘了各个行星的运动，但要把几颗行星作为整体就显得十分混乱。即使对同一行星为了得到与精确的观测相符的结果，往往需要假设好几重的本轮和均轮。这就使得地心说违背了简单、和谐及统一的原则。托勒密的学说虽然没有冒犯任何人，多种宗教都能够在整个模型中找到存在的位置。但是，本轮、均轮以及托勒密的学说均未能挽救地心说的命运，这些只不过是地心说死亡前的回光返照。

哥白尼革命—日心说的提出

    托勒密的地心说，到16世纪之前一直占统治地位，没有受任何有力的挑战。其原因一是它符合教会的教义，二是当时没有出现新的观测技术。但是，随着观测精度的提高，按地心学说推算的行星位置与观测的偏差越来越明显，托勒密学说的后继者需要在行星轨道上附加更多的本轮来调整轨道周期，以适应观测结果。波兰天文学家哥白尼经过近40年的辛勤研究，在1543年出版的《天体运行论》中，系统地提出了日心说———一个新的宇宙体系，即太阳居于宇宙的中心静止不动，而包括地球在内的行星都绕太阳转动。他认为，地球不是宇宙的中心，而是一颗普通的行星，太阳才是宇宙的中心，地球围绕太阳转。

    哥白尼的日心学说，摒弃了地心说中复杂的本轮系统等概念，为确定行星轨道的相对大小提供了更直接、更符合观测的方法。这不仅改变了人类对宇宙的认识，而且从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础，使长期以来占统治地位的地心学说及其所依附的宗教迷信第一次受到真正的挑战。因此，哥白尼的日心说被恩格斯赞誉为自然科学的“独立宣言”，“从此自然科学便开始从神学中解放出来”，“科学的发展从此便大步前进”。

    在哥白尼之后，意大利思想家布鲁诺发展了哥白尼的学说，认为太阳并不是宇宙的中心，也不存在“恒星天”这一层，提出宇宙无限而且不存在中心的见解。因此，布鲁诺遭到教会的残酷迫害，但他仍坚持自己的观点，终被宗教判为“异端”，于1600年2月17日被烧死。科学的进步并不是风平浪静的，科学家虽然不像战场上的英雄那样形象高大，但为了坚持真理往往也会付出鲜血和生命。

当代宇宙学说

    当代宇宙学说建立和发展于20世纪，人们普遍接受的是大爆炸宇宙论。上面提到美国天文学家哈勃由观测确立的河外星系的退行速度（由光谱线的红移确定）与其距离成正比的哈勃定律。这似乎暗示宇宙的万物最初是十分贴近的，仅由于膨胀速度不同才拉开了距离。这就自然地使人们猜测我们今天的宇宙起源于一次大爆炸！

    大爆炸宇宙论认为，大约150～200亿年前，可观测宇宙中的任意两点都曾无限地贴近，此时的物质密度为无限大。这个初始时刻叫做“奇点”，在此时间及其以前的情况，现代物理学皆鞭长莫及。今天的宇宙诞生于初始时刻的一次“大爆炸”，在此之前，空间和时间都不存在。在宇宙诞生的时刻，所有的四种力：引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力交织在一起。在10－43秒时，引力最先分离出来，在难以想象的高温高压下突然作用于粒子之间。在10－36秒时，强相互作用力与电弱作用力分离，依次产生各具特性的基本粒子———夸克和轻子。在10－10秒，弱相互作用力与电磁力分离，反应条件变缓至目前人造大型粒子加速器可模拟的环境。大爆炸后的最初三分钟内出现的一些核反应，合成宇宙中几乎所有的氦。早期极其炽热致密的宇宙由于膨胀而不断冷却，由于引力的不稳定性使物质坍缩凝聚成星系团和星系。星系中的物质进一步坍缩形成恒星，而恒星中的热核聚变又产生了碳、氧、硅、铁之类的重元素。超新星爆发把恒星中的重元素散发在太空，这些气云坍缩形成的第二代恒星的重元素，丰度就会高于第一代恒星……

    大爆炸理论能统一地勾划出整个宇宙的演化，从大爆炸之后的一刹那直到太阳系的形成、地球的诞生、乃至生命的出现，然后又走向遥远的、也许是无限的未来。大爆炸学说最具深远意义的结论是，宇宙中所有大于星系的天体都随着宇宙的膨胀而相互远离，而且天体间的距离越大，它们互相退行的速度也越大。

    大爆炸理论得到观测证据的支持，如宇宙微波背景辐射的观测、轻（特别是氦）元素丰度的测定等。

    大爆炸理论中宇宙始自初始奇点的想法在哲学上也有其不足，为弥补这些不足，人们一方面提出了暴胀宇宙模型，再进一步追溯到时空创生。这颇类似于中国古代老子的道德经中说的：“道生一，一生二，二生三，三生万物”。或易经中所述：“无极生太极，太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦生万物”。同时有的天文学家对此也提出异议。对整个大爆炸理论提出怀疑的同时，又提出了其它宇宙模型，其中最有代表性的是稳恒态宇宙论。

    稳恒态宇宙论由英国天文学家邦迪、戈尔德和霍伊尔基于不同的思路几乎同时提出。他们认为，宇宙是无限的，没有开端也没有终结，在空间上是无限的，在时间上是无始无终的，整个宇宙的图景是无演化的。由于稳恒态宇宙模型不需要时间本身有什么开端，因而不会遇到宇宙年龄的问题，也不必引入繁琐的物理假设。但是，稳恒态宇宙论致命的问题是难以解释宇宙膨胀的事实，也不能回答创生的物质究竟从何而来，在科学和哲学上都难以令人信服，所以稳恒态宇宙论便日居下风，自20世纪70年代以来便很少有人相信它是宇宙的真实写照了。

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