吳勝杳 呂慧 這是經(jīng)典宇宙學(xué)中的一個(gè)著名的問(wèn)題．自古以來(lái),人們就不斷地對(duì)宇宙進(jìn)行種種猜測(cè)．古代的人們?cè)?jīng)認(rèn)為星星是鑲嵌在一個(gè)透明球面上的．中國(guó)最古老的宇宙結(jié)構(gòu)學(xué)說(shuō)蓋天說(shuō)的基本觀點(diǎn)是天圓地方．托勒政的地心宇宙體系和哥白尼的日心地動(dòng)宇宙體系中都包括恒星天球的內(nèi)容．中世紀(jì)的思想家尼古拉認(rèn)為宇宙是無(wú)限的．牛頓把空間和時(shí)間的無(wú)限性作為他的理論的基本原理．他還推斷：星星的數(shù)目必定是無(wú)限的,而且相當(dāng)均勻地分布在空間．觀測(cè)上,英國(guó)著名的天文學(xué)家威廉·赫歇耳和約翰·赫歇耳父子宣布至少某些可觀測(cè)星云是與銀河系具有相同尺度和結(jié)構(gòu)的由分立的恒星組成的系統(tǒng)．這些星系居于整個(gè)宇宙之中．19世紀(jì)天文學(xué)家普遍認(rèn)為可觀測(cè)宇宙必須是靜態(tài)、無(wú)限的和均勻的．而對(duì)靜態(tài)、無(wú)限、均勻的宇宙的一個(gè)著名反對(duì)意見即夜黑問(wèn)題,也稱奧伯斯佯謬．這個(gè)樣謬是說(shuō),若恒星發(fā)出的光不變且都相同,而空間又是歐幾里得的（平直的）,則在此種宇宙中整個(gè)天空的亮度看起來(lái)是均勻的,且與太陽(yáng)一般亮．因?yàn)闊o(wú)論從哪一個(gè)方向觀看天空,視線都會(huì)碰到一個(gè)星星．這一點(diǎn)可以用一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何論證說(shuō)明：現(xiàn)考慮進(jìn)入人眼的一束細(xì)長(zhǎng)的錐形光線．雖然恒星表面的視亮度與距離平方成反比,但錐體的截面積（或恒星的數(shù)目）隨距離平方而增加,則集中在錐體內(nèi)的光與它從什么地方發(fā)出沒有關(guān)系,因而整個(gè)天空就要亮得像太陽(yáng)一樣,實(shí)際上夜空卻是黑的．如何才能消除觀測(cè)與理論之間的矛盾呢?奧伯斯的推導(dǎo)基于以下的宇宙學(xué)觀點(diǎn)：1．宇宙物質(zhì)是均勻分布的． 2．宇宙是靜態(tài)的． 3．宇宙是無(wú)限的． 4．宇宙存在的時(shí)間已經(jīng)無(wú)限長(zhǎng)．為了避免夜晚的天空像太陽(yáng)那么亮的結(jié)論,我們必須重新考察上述觀點(diǎn)．一個(gè)平均密度隨觀測(cè)距離的增大而減小,并以零為極限的等級(jí)式宇宙模型可以消除佯謬,但要付出失去均勻性的代價(jià)．但迄今為止的觀測(cè)結(jié)果是：宇宙物質(zhì)在大尺度空間內(nèi)的分布是均勻和各向同性的．這個(gè)觀點(diǎn)稱為宇宙學(xué)原理,是現(xiàn)代宇宙學(xué)理論所必須依據(jù)的公理．上述第一點(diǎn)符合宇宙學(xué)原理,應(yīng)予保留．這樣等級(jí)式宇宙模型應(yīng)該放棄．由于奧伯斯假定恒星發(fā)光不變,這一點(diǎn)今天看來(lái)最成問(wèn)題．如果假定恒星并不是永遠(yuǎn)那么亮,而是在有限的過(guò)去才開始發(fā)光,由于遠(yuǎn)處恒星的光線尚未到達(dá)我們這兒,這也可以避免整個(gè)天空像太陽(yáng)那么亮的結(jié)論．這使我們面臨著是什么首次使恒星發(fā)光的問(wèn)題．如此看來(lái)一個(gè)具有有限過(guò)去的宇宙可避免奧伯斯樣謬．此時(shí)宇宙在時(shí)間上有個(gè)開端．另外一個(gè)有足夠大膨脹速率的宇宙也能避免奧伯斯佯謬,即使它具有無(wú)限的過(guò)去．因?yàn)楦鶕?jù)量子理論的觀點(diǎn),光子的能量正比于其頻率．遠(yuǎn)距離高速追行光源的光線將產(chǎn)生非常大的紅移,因而其能量將相應(yīng)減小,使其總和保持有限,甚至可忽略不計(jì)．由于觀測(cè)上尚無(wú)放棄宇宙學(xué)原理的理由,第一條觀點(diǎn)應(yīng)該接受,而第二、第四條應(yīng)該重新考慮． 20世紀(jì)初,愛因斯坦創(chuàng)立了廣義相對(duì)論,這就為研究宇宙的整體結(jié)構(gòu)提供了理論基礎(chǔ)．宇宙的整體性質(zhì)由引力場(chǎng)方程決定．荷蘭物理學(xué)家德西特首先獲得了引力場(chǎng)方程的一個(gè)宇宙解,但它是動(dòng)態(tài)的而不可能是靜態(tài)的：宇宙要么是膨脹的,要么是收縮的．觀測(cè)上,哈勃發(fā)現(xiàn)河外星系的視向退行速度與距離成正比,即距離越遠(yuǎn),視向速度越大．這說(shuō)明宇宙空間中任意兩個(gè)星系間的距離都在增大,宇宙在膨脹．如果一個(gè)膨脹的宇宙沿時(shí)間反溯回去將會(huì)達(dá)到一個(gè)原始的超密態(tài),也就是宇宙于過(guò)去某一時(shí)刻創(chuàng)生于一次原初物質(zhì)的大爆炸過(guò)程．這就是大爆炸宇宙學(xué)的宇宙模型．為了理論預(yù)言和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)相一致,宇宙在極早期曾經(jīng)歷一個(gè)暴脹階段．顯然一個(gè)具有有限過(guò)去而正在膨脹的大爆炸宇宙模型能避免奧伯斯佯謬．還有一個(gè)具有無(wú)限過(guò)去的穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型,它雖能消除佯謬,但卻要破壞能量守恒且不能解釋宇宙微波背景輻射等,已經(jīng)不再為人們所接受． 綜上所述,現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙在膨脹,這是科學(xué)界公認(rèn)的．經(jīng)歷一個(gè)暴脹階段的大爆炸宇宙學(xué)模型是一個(gè)成功的模型,其理論預(yù)言與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)十分吻合．顯然這是一個(gè)動(dòng)態(tài)的宇宙學(xué)模型,且宇宙在時(shí)間上可能有一個(gè)開端．這樣看來(lái),對(duì)于一個(gè)均勻、靜態(tài)、無(wú)限的經(jīng)典宇宙學(xué)模型,其第二、第四條觀點(diǎn)不成立．如果放棄這兩條,也就自然不會(huì)得出夜晚的天空像太陽(yáng)那么亮的荒謬結(jié)論． 摘自《現(xiàn)代物理知識(shí)》