自然界的演化图景

自然界的演化图景第1页，共18页，2023年，2月20日，星期二第一节宇宙的演化

一、宇宙演化的理论基础宇宙是神创造的，还是自生的？这一问题在近代科学发展史上已经获得了解决。但对宇宙是静止的，还是运动的这个宇宙学难题，直到20世纪初也没有一个正确的解答。从牛顿到爱因斯坦，都毫无例外地认为宇宙是均匀静止的，但自19世纪德国天文学家奥伯斯提出光度佯谬以来，静态宇宙模型就一直面临着难以自圆其说的尴尬，爱因斯坦的引力场方程中假设的宇宙项也受到了理论和观察两方面的挑战。1922年前苏联数学家弗里德曼设宇宙常数∧=0（爱因斯坦的∧=1/R2，R为宇宙半径），得出引力场方程的动态解，并导出了演化的均匀各向同性宇宙模型。1927年比利时天文学家勒梅特导出了∧>0的演化的均匀各向同性的宇宙模型。两个模型都有一个共同的宇宙膨胀的概念。这个理论预言后来得到了观测的验证。第2页，共18页，2023年，2月20日，星期二1929年，美国天文观察家哈勃在斯里弗的研究基础上进一步确证，所有的河外星系都具有红移现象，而且红移（准确的说是星系退行的速度）与距离之间有近似的线性关系。即星系的距离越远，其谱线的红移量越大。根据光的多普勒效应，可以逆推红移程度越强的星系，离开我们的距离越远，退行速度越快。1930年英国天文学家爱丁顿把星系谱线的普遍性红移现象看作是非静态宇宙的膨胀效应，爱因斯坦也建议取消他的引力场方程中的宇宙项。至此，宇宙是静止的观念被科学界放弃，一个新的宇宙模型呼之欲出。第3页，共18页，2023年，2月20日，星期二勒梅特在他的宇宙膨胀概念的基础上，于1932年关于宇宙起源的大爆炸宇宙模型。他认为宇宙物质起源于某个原子的蜕变。最初物质高度密集，宇宙斥力使他快速膨胀，由于引力的作用，随后出现一个减速期，星系的原始物质就是在这个阶段形成的，然后斥力超过引力，膨胀继续进行，于是宇宙的原创物——原子或者它的蜕变物均匀地充满整个空间，此空间的半径由起始时的零值永远增加着。

第4页，共18页，2023年，2月20日，星期二1948年美国物理学家盖莫夫提出热大爆炸模型。其主要观点是：宇宙有一个开端，原初的宇宙不是由物质构成的，早期宇宙内什么物质也没有，连夸克也不存在，而是一个几乎完全由热辐射充满的宇宙，他将之比成一个“原始火球”，时间和空间也从类似于零的奇点开始，从最大压缩、爆炸的时刻算起，距离与时间的平方根成正比增加，温度则与之成反比减少。在极高温度下原始火球（复合核）分解为各种粒子，随着宇宙的膨胀与温度下降，质子和中子开始聚合成氘、氚、氦和更重的元素。

第5页，共18页，2023年，2月20日，星期二把宇宙演化和元素起源结合起来是该理论的一大特色。他和他的同事贝特(Bethe)、学生阿尔法(Alpher)联名发表了《α、β、γ理论：化学元素的起源》指出：宇宙中的氦主要是宇宙大爆炸早期合成的，原来充满宇宙的热辐射今天应仍然有残余迹象。根据宇宙的氦丰度和膨胀速度，他推算宇宙残留辐射的温度大约在5K左右。1964年美国射电天文学家彭齐亚斯与威尔逊在测量银晕气体射电辐射时，发现有消不掉的背景噪声。这些微波噪声的相当于3.5K,1965年订正为2.7K。

第6页，共18页，2023年，2月20日，星期二这种微波辐射的重要特征是具有黑体辐射谱。而黑体辐射谱只有通过辐射与物质的相互作用才能形成，现今宇宙的辐射与物质相互作用极小，可根据大爆炸假说推测宇宙早期辐射与物质相互作用极大，所以，这种宇宙背景辐射必定起源于那时，是早期宇宙辐射的残余。这样就在实践的意义上验证了宇宙大爆炸学说的预言。第7页，共18页，2023年，2月20日，星期二但是，按照标准宇宙大爆炸模型来解释宇宙的起源和演化，仍有许多问题。这个模型可以简单地表述为：宇宙在空间上具有均匀的各向同性的特征，所有的星系都直接互相离开，这情形很像一个画上好多斑点的气球被逐渐吹胀。当气球膨胀时，任何两个斑点之间的距离加大，但是没有一个斑点可认为是宇宙的中心。与前所述，这一点已得到了观察上的支持，但是接踵而来的问题是：这个膨胀受哪些因素影响和制约？在大爆炸之前是怎样的状况？为何在大尺度上宇宙是均匀的呢？

第8页，共18页，2023年，2月20日，星期二按照相对论，如果连光都不能从一个区域走到另一个区域，则没有任何其他的信息可以传递？早期宇宙又是如何协调一致，保证宇宙不仅在空间上具有均匀的分布特征，而且为何宇宙以这样接近于区分塌缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的速率开始，如果在大爆炸后的一秒钟内，其膨胀速率只要小十亿亿分之一，那么在它达到今天这么大的尺度之前就已塌缩

第9页，共18页，2023年，2月20日，星期二这些问题在后来美国麻省理工学院的古斯提出的暴涨宇宙模型中得到了解决。他认为可以将宇宙理解为从一个非常热而且相当紊乱的状态开始爆炸，对称性破缺导致了相变，宇宙初始状态的不规则性将因膨胀而抹平。所以，宇宙现在光滑一致的状态，是可以从许多不同的非一致的初始状态演化而来，这就避免了关于初始宇宙的过分理想化的猜测，使该理论更具有普遍性。第10页，共18页，2023年，2月20日，星期二但对在爆炸之后（包括从我们现在算起的未来）是否会继续膨胀下去？这个问题却是这一模型提出者始料未及而又无可回避的。要回答这个问题，首先必须确定膨胀的机制，天文学家们发现，宇宙的膨胀速度和它的密度之间存在正相关性，如果密度比一个由膨胀率决定的某临界值（该临界值可参考印度科学家萨拉玛尼安-强德拉塞卡计算出的强德拉塞卡极限，它可以形象化的表述为：一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。）还小，则引力太弱不足以将膨胀停住；如果密度比这临界值大，则引力会在未来的某一时刻将膨胀停止并使宇宙塌缩。宇宙是继续膨胀下去还是有可能塌缩？

第11页，共18页，2023年，2月20日，星期二宇宙标准爆炸模型提供了三种可能解：第一种是，宇宙膨胀得足够慢，以至于在不同星系之间的引力时膨胀变慢下来，并最终时之停止；然后星系开始相互靠近，宇宙开始收缩；最后星系聚合在一起，成为霍金所描述的黑洞。（注意霍金最初所讨论的黑洞仅限于恒星的最终态，但只要出现星体或星系的聚合，霍金的黑洞效应就可能发生作用。）第二种是，宇宙膨胀得如此之快，以至于引力虽然能使之缓慢一些，却永远不能使之停止，它表示刚开始时星系间距离是零，最后以稳恒的速度相互离开。第三种是，宇宙的膨胀快到足以刚好避免塌缩，星系分开的速度永远不会变为零，但却越变越慢。它表示星系的距离从零开始，然后永远增大。第12页，共18页，2023年，2月20日，星期二现在，天体物理学家依据星系谱线红移和多普勒效应已计算出宇宙的膨胀速度，即宇宙在每10亿年里膨胀5%至10%。根据这个结果，如果我们将银河系和其他所有能看到的星系的恒星的质量加起来，甚至是按照膨胀率的最低的估值而言，其质量总量比用以阻止膨胀的临界值的1%还少。但在我们以及其他的星系里应该有大量的“暗物质”，那是我们不能直接观察到的，可由于它的引力对星系中恒星轨道的影响，我们可以确证它存在。况且人们发现，大多数星系是成团的，由其对星系运动的效应，我们能推断出还有更多的暗物质存在于这些成团的星系之间。但将所有这些暗物质加在一起，仍只能获得用以停止膨胀所必须的密度的十分之一。

第13页，共18页，2023年，2月20日，星期二科学家们进一步设想，可能还有我们未能探测到的其他的物质形式几乎均匀地分布于整个宇宙，它仍可以使宇宙的平均密度达到停止膨胀所必要的临界值。所以，现在的证据显示，宇宙可能会无限地膨胀。第14页，共18页，2023年，2月20日，星期二但即便我们推测宇宙在未来的漫长时间内不会塌缩，可关于大爆炸之前的早期宇宙状况，标准模型的三种形式都是假设宇宙的密度和空间——时间曲率都是无穷大，这使得广义相对论在处理这一奇点问题时失效。1970年，英国数学物理学家罗杰-彭罗斯和霍金证明，广义相对论只是一个不完全的理论，它不能告诉我们宇宙是如何开端的。

第15页，共18页，2023年，2月20日，星期二霍金主张将广义相对论和量子力学结合起来，创立新的量子引力理论来解决这个问题。但人们将不确定性原理合并到广义相对论时，只有两个可以调整的量：引力强度和宇宙常数的值。但是调整它们不能消除所有的无穷大。1984年，美国加州理工学院的约翰-施瓦兹和伦敦玛丽皇后学院的麦克-格林发表的论文，引起了人们对弦理论的关注，它虽然也会导致无穷大，但它们在一种类似异形弦的变体中会被消除掉（这一点还有待确认）

第16页，共18页，2023年，2月20日，星期二对此科学界仍是疑虑重重，如霍金就此说到：“我们还不能确定，是否所有的无穷大会被对消去，或如何准确地将弦的波动和我们所观察到的粒子的特殊类型相关联。”关于宇宙起源的最后解释，我们还想引用霍金的一些预言，他说“确实存在这样的一个统一理论吗？或者我们也许仅仅是在追求海市蜃楼。看来存在三种可能性：（1）确实存在一个完整的统一理论，如果我们足够聪明的话，总有一天会找到它。（2）并不存在宇宙的最终理论，仅仅存在一个越来越精确地描述宇宙的无限的理论序列。（