宇宙论

天体
     天体
      
       从科学方面来讲,是对宇宙整体的研究,并且延伸探讨至人类在宇宙中的地位。从哲学方面来讲,是形而上学的一部分,探讨世界,世界的偶然性、必然性、永恒性、在时空中的限制,世界在变化中的形式的规律,以及人类的自由和恶的起源,例如冯友兰所说的“对于世界之道理”,包括本体论和狭义的宇宙论。

研究宇宙论的作用

  宇宙论是研究宇宙的大尺度结构和演化的学科。当我们巡视遥远的太空深处时,也就是在沿着时间上溯。我们所看到的那些最远的星系,是很久很久以前当它们发出的光开始其漫长的太空旅行时的面貌。既然庞大的星系都曾经是年轻的,所以宇宙结构如何产生的问题就同宇宙论不可分割地联系在一起。研究宇宙中可观测的结构(从巨大的星系团到太阳系)的起源属于天体演化学的领域。有待查明的根本问题包括:宇宙是何时和怎样发端的,星系是如何形成并获得我们观测到的形态及尺度分布的,恒星是如何诞生的,行星和生命是如何演化的,等等。

宇宙论的发展

  古典哲学中对于宇宙论有着不同的看法,比如老子对于“”的论述,希腊哲学家则认为天是一个天球,当中存在着天体力学,由此发展出不同的天体理论,当中以托勒密用来解说天体运作的地心说被广为接受,直到16世纪时为哥白尼所推翻,并得到开普勒及伽里略等人提出的新日心说理论所取代。
  随着牛顿及其于1687年出版的《自然哲学的数学原理》的出现,长久以来有关天体的运动问题终于被解决了。牛顿为开普勒定律的机制提供了物理上的解释,而他的万有引力定律使过往难以解释的各种奇特天文现象,例如行星逆行的现象,都可以透过行星间的引力相互作用而解释。牛顿的天体学理论与先前的理论在根本上最大的分别,在于哥白尼原则只提出地球在宇宙里没有特殊地位,而牛顿却更进一步的指出:不论是天体和地球,两者皆遵守着相同的物理法则。这一点在宇宙物理学的进展来说是很重要的。
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宇宙论原理

·宇宙观

宇宙景象
       宇宙景象
  自古以来,人类就不愿放弃我们在宇宙里起着中心作用的想法。先是提出了地心宇宙观,放弃地心宇宙观以后又提出了日心宇宙观。直到20世纪人们才认识到,我们的太阳不过是处在一个普普通通星系边沿的一颗普普通通的恒星。我们的星系是一个大星系团外部的一个松散星系群的一员。甚至这个星系团(即室女座星系团)同我们在宇宙中其他地方看到的真正巨大的星系团相比,也只不过是一个毫不出众的角色而已。我们在宇宙中的地位可以说是平凡到了极点。
   这种用最大的光学望远镜观测得来的知识,给宇宙学者留下了一个棘手的难题。我们的观测是从宇宙中的一个特殊位置进行的,而建立一个宇宙学理论却要求一般地了解整个宇宙中物质的性质和分布。宇宙学者需要摆脱这种令人遗憾的限制,他们的办法是假设一个普适原理,这个原理要求宇宙在我们附近的部分同极遥远的区域相比没有什么差别。有很强的哲学理由来为这种普适原理辩护。举个例来说,物理学规律在全宇宙中应当是同样的;因为若不如此,实验就会不可重复,而我们的物理规律就会不成其为规律了。一个更强的要求是,大宇宙应当尽可能地简单。用可以容许的最简单模型来解释现象,这是物理学前进的自然方式。不过,宇宙学原理也有一些不同的说法。
   1543年,哥白尼提出地球可能不是宇宙的中心。哥白尼学说的逻辑推广是应将我们的银河系从任何优越的空间位置挪走。于是我们得到了近代宇宙论的重要基石,即哥白尼宇宙学原理。这个原理说,我们在宇宙空间中并不处于特别优越的位置。人们研究了天文底片上的大量星系以后发现,它们的出现频率在不同方向上是颇为相似的。这一迹象表明,宇宙是局域各向同性的,从地球上看来,宇宙在不同方向上显示出相同的面貌。(从中心看一个球是各向同性的,而看一个鸡蛋就不然了。)哥白尼原理要求,宇宙在空间任何一点周围都是各向同性的。矩的反射应足以验证,点点各向同性要求宇宙在空间上也必须均匀。因为,如果宇宙是非均匀的,那么它只能在某些特定位置上显示出各向同性。

·推广

  某些宇宙学者曾试图把宇宙学原理推广到包括沿时间不变的概念。根据这个原理,至少在最大的尺度上宇宙是永恒不变的。于是,完美宇宙学原理说,从空间和时间中的任何一点看去,宇宙都呈现出相似的面貌。由这个假设导出的稳恒态宇宙论已被观测排除。因而,宇宙学者一般只接受宇宙学原理的较弱的形式,而我们也乐于承认,宇宙在空间(而不是时间)中是近似均匀且各向同性的。

·人择宇宙学原理

  为了完备起见,我们还得谈谈人择宇宙学原理。这个原理采取的观点同完美宇宙学原理正好相反,宣称人类是在一个特定时期观察着宇宙的,尽管目前的宇宙从空间任何点看去显得一样。假设这个特定时期是因为需要产生那些有利于生命演化的特殊条件,比方说,假如宇宙比现在炽热得多或稠密得多,星系就不能形成;假如引力的强度和我们的观测值大不相同,行星系统就不能形成,或不适合于我们所知的生命形式存在。现已查明,地球的年龄和天文学家发现的最老恒星或星系的年龄相仿(顶多差4倍),这毕竟是一个惊人的符合。人择宇宙学原理用“许可”来解释这种相似性。宇宙本来可以比它实际的情形不规则和无序得多。人择宇宙学原理断言,若是那样的话,各种条件就不能容许生命存在了。因此,作为观察者,我们是生活在一个非常特殊的宇宙中,并且这个宇宙必须是均匀各向同性的。“人择”是一个非常基本的论据,因为它试图对哥白尼宇宙学原理作出解释,而后者几乎是所有有生命力的宇宙论的核心。

近代理论

·大爆炸理论

大爆炸
                大爆炸
  “大爆炸宇宙论”认为:宇宙是由一个致密炽热的奇点于150亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。1929年,美国天文学家哈勃提出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律,并推导出星系都在互相远离的宇宙膨胀说。宇宙并非永恒存在而是从虚无创生的思想在西方文化中可以说是根深蒂固。虽然希腊哲学家曾经考虑过永恒宇宙的可能性,但是,所有西方主要的宗教一直坚持认为宇宙是上帝在过去某个特定时刻创造的。象历史学家一样,宇宙学家意识到开启未来的钥匙在于过去。
   早在1929年,埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的发现,即不管你往哪个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去。换言之,宇宙正在不断膨胀。这意味着,在早先星体相互之间更加靠近。事实上,似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方,所以哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙无限紧密。

万达

   1950年前后,伽莫夫第一个建立了热大爆炸的观念。这个创生宇宙的大爆炸不是习见于地球上发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是一种在各处同时发生,从一开时就充满整个空间的那种爆炸,爆炸中每一个粒子都离开其它每一个粒子飞奔。事实上应该理解为空间的急剧膨胀。"整个空间"可以指的是整个无限的宇宙,或者指的是一个就象球面一样能弯曲地回到原来位置的有限宇宙。根据大爆炸宇宙论,甚早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。这些气体在热平衡下有均匀的温度。这统一的温度是当时宇宙状态的重要标志,因而称宇宙温度。气体的绝热膨胀将使温度降低,使得原子核原子乃至恒星系统得以相继出现。

·稳恒态宇宙论

  不同的宇宙学原理导致迥然不同的宇宙图景。哥白尼宇宙学原理是大爆炸理论的基础。的确,大爆炸理论实际上先于宇宙膨胀的发现。如果要求宇宙处处均匀各向同性,我们就唯一地得出大爆炸宇宙论。实际上有两种不同的大爆炸宇宙论模型。按第一种模型,宇宙将永远膨胀下去。按第二种模型,宇宙最后将重新收缩。在这两种模型中,使宇宙趋向再收缩的引力都是由初始爆炸的力抗衡着,后者在永远膨胀的模型中相对较强,而在注定要再收缩的模型中相对较弱。
   按照大爆炸理论,宇宙在过去一定要比现在致密得多炽热得多。这个理论不符合完美宇宙学原理,后者要求宇宙在一切时期显示出相同的面貌。建立稳恒态宇宙论就是为了满足完美宇宙学原理的要求。这种理论是1948年由海尔曼·邦迪、托马斯·哥尔德和弗雷得·霍依耳引入的。它假设物质不断地以准确的速率产生出来恰好维持宇宙中各处相同的平均物质密度,从而预言宇宙在一切时代都具有相同的面貌。稳恒态理论(至少它的初始形式)是一个非常大胆的理论。大爆炸理论最薄弱的一环,即初始创生的时刻被暴露出来了。既然大爆炸理论可以断言宇宙是在遥远而有限的过去一瞬间创生的,那为什么不能同样合理地断言任何时刻任何地方都在发生创造呢?网站地图
  观测证据是任何理论最严格的仲裁者,它终于否定了稳恒态宇宙论的这个大胆断言。在1950年,由于进行了更精巧更有鉴别力的天文观测,稳恒态理论的提倡者逐渐修改了它的形式。因为这个理论变得越来越牵强,只剩下一些最固执的支持者还相信它。最后,稳恒态宇宙论在1965年被宇宙微波背景辐射的发现推翻了,这一发现为宇宙早期的炽热阶段提供了不容置辩的证据。现在,稳恒态宇宙论只不过是在现代宇宙论发展过程中的一个有相当历史意义的插曲而已。
   虽然人们一直敦促稳恒态理论的提出者同意宇宙膨胀开始于百亿年前的一瞬,但关于早期宇宙行为的无数种可能的宇宙模型仍然具有活力。哥白尼宇宙学原理只能用可观测的宇宙来评判,而大爆炸理论对后者提供了极好的描述。不过,在宇宙还很年轻的早期,我们可以想象一种宇宙论和标准大爆炸模型的均匀各向同性膨胀非常不同。这种膨胀是各向异性的:在某个优先的方向上迅速膨胀而同时在另外的方向上坍缩。或者,宇宙也可能是非常不均匀的;在较密的区域可以发生局部的坍缩而形成黑洞。我们没有科学上的理由偏爱简单而规则的大爆炸模型而讨厌宇宙可能有较离奇的开端。这两种可能性同我们的物理规律都不矛盾,而天文观测目前也还不能鉴别它们。
   尽管有无数种可能的开端,我们还可求助于人择宇宙学原理为宇宙挑出唯一的过去。按照这条原理必须承认标准大爆炸模型。因为,假若宇宙以一种极不规则的方式演化,就不会有我们人类出现了。所有那些浑沌宇宙论经过充分长的时间以后,多半都会发展得不利于生命的存在。只有从无数种选择中挑选出来的标准大爆炸模型才能提供适合生命演化的环境。
   否认人择原理的宇宙学者满足于宇宙的混沌起源。显然,这样的宇宙反推回去要花无穷长的时间,因此人们可以认为这种观点只具有学院式意义。相反,求助于人择原理的宇宙学者选择一种从初始至无穷永远保持简单的宇宙。选均匀的宇宙还是选早期混沌的宇宙,取开模型还是取闭模型,这乃是现代宇宙论面临的主要决择。