爱因斯坦提出有限无边宇宙模型促使形成新的宇宙学说

在二十世纪初,宇宙的无限性,无论是作为一种科学理论还是哲学信条,都好象已经成为定论。人们默认了这样一种宇宙结构图:宇宙空间是欧几里得几何的三维无限空间,无限的天体就分布在无限的空间之中。其实,当时人们对宇宙的了解还少得可怜。在20世纪以前,人们知道太阳系和无数的恒星(有人估计在1亿颗以上)组成了一个星系——银河系,银河的形状好象是一个中间凸起的盘子或者象一个凸透镜。1900年,天文学家才测定了大约70颗恒星离开我们的距离。1906年,荷兰天文学家卡普坦(1851—1922)测量了银河系的大小,他指出银河系的直径是2万3千光年(1光年等于每秒30万公里的光在一年里走过的距离),厚度是6千光年。到20世纪20年代,天文学家认为:银河系的直径是10万光年,中心的厚度是2万光年,银河系大约有1千亿颗恒星。当时所知道的宇宙范围不超过20万光年,也就是只包含我们的银河系和另外两个相邻的星系。这时候,科学家对宇宙中星系的了解,远远不如伽利略时代人们对太阳系中行星的了解。就在这个极低的起点上,1917年,爱因斯坦运用广义相对论,提出了关于宇宙的模型,开创了宇宙学的理论研究。
爱因斯坦放弃无限空间的概念,建立了静态有限无边的宇宙模型。他主张宇宙从它的空间广延来说是一个闭合的连续区,这个连续区的体积是有限的,是一个弯曲的封闭体,因此没有边界。天体分布在弯曲的无边的封闭体里。
爱因斯坦从无限宇宙观走向有限宇宙观,提出了有限无边的宇宙模型。这是和人们的直接感觉经验相反的,在一开始也是很难理解的。要理解有限无边的宇宙模型,就要懂得相对论,懂得四维空间结构和黎曼几何学,懂得光线和空间会发生弯曲。如果承认光线会发生弯曲,那么也就容易理解宇宙是有限的了。正象你沿着地球表面一直向前走,就会随着地表而弯曲,永远走不到地球外面去一样。
爱因斯坦的有限无边模型只是一个大胆的假说或推论,哪些内容是正确的,哪些内容是错误的,一时很难完全弄清。这个模型提出不久,有人就根据广义相对论的引力场方程的解,指出宇宙不是静态的,而是不断膨胀的。围绕宇宙是不断膨胀的观点,形成和发展了两种现在比较流行的宇宙学说。
宇宙这个词,在科学家和哲学家的头脑里可能意味着不同的概念。现代科学家一般认为,宇宙就是我们现在所能观测的天体和空间的总和。因为在科学家的头脑里,空间可能是弯曲的闭合区,宇宙自然可能是有限的。哲学家认为,宇宙就是无限的物质和无限的空间。我们在下面所说的宇宙,也是指现在所能观测的天体的空间的总和,而不是指哲学意义的宇宙。
宇宙是不断膨胀的观点,不但来自引力场方程的解,也来自实际观测的推论。在实际观测中发现,许多星系的光谱都有红移现象。天文学家知道,当发光体向离开我们的方向运动的时候,我们接收到的光谱线向红端移动。星系的光谱红移意味着星系是在离开我们而运动,也就是在退行。如果宇宙中所有的星系都在退行,那么就好象一个气球上各点之间由于气球膨胀而距离增大一样,说明宇宙在膨胀。1929年,美国天文学家哈勃(1889—1953)发现了星系退行速度和离我们的距离成正比,也就是离我们越远的星系退行速度越快,这个规律就叫哈勃定理。哈勃定理不断得到天文观测资料的证实。
宇宙为什么会膨胀呢?1927年,比利时数学家勒梅特(1894—1966)提出大爆炸说。他认为宇宙间一切都起自一个超高温、超高密的“宇宙蛋”,由于某种原因突然发生了大爆炸,各个碎片向四面八方飞去,形成了无数的星系。到20世纪40年代末期,不少物理学家和天文学家解释、计算和论证了宇宙起源于大爆炸的说法,以及大爆炸以后星系怎样形成、演化和运动等问题。1949年,俄国血统的美籍物理学家盖莫夫(1904—1968)预言,大爆炸以后存在“宇宙灰烬”,它产生弥漫于整个空间的、相当于绝对温度5度(摄氏零下268度)的辐射。
大爆炸以前的“宇宙蛋”是怎样形成的呢?一些天文学家设想,它是由宇宙间的原始星云在引力聚集下形成的。宇宙演化过程是一个循环过程,由爆炸而膨胀,当膨胀到一定阶段又开始收缩。1965年,有人提出宇宙的一个循环周期是820亿年。
大爆炸学说是把宇宙看做一个运动着的、不断演化的整体,实际上也认为宇宙是有限的,并且指出宇宙的空间范围大约是100亿光年(也有人认为现在的观测范围达到200亿光年),这是我们现在所能观测到的最远范围。1960年,发现90亿光年远的星系的运行速度大约是每秒24万公里,也就是光速的五分之四。按照哈勃定理,离我们110亿光年远的星系就应该用光速退行,它所发出的光永远也到达不了我们这里,可以说这个星系离开我们这个宇宙消失了。在更远的地方,如果没有星系存在,那么就应该用超过光速的速度退行,而根据相对论,这是不可能的。比110光年更远地方的情况怎样呢?现代的天文学家认为,那不在我们所谈论的这个宇宙范围里。
和大爆炸学说相对立,1948年,英国天文学家邦迪(1919—)、霍伊耳和哥尔德(1920—)提出稳恒态学说。这个学说后来又被其他天文学家发展了。稳恒态学说也同意星系在退行,宇宙在膨胀,但是不同意现在的宇宙是在大爆炸以后产生的。他们认为,当我们宇宙中的星系因为膨胀而四散离去,最后达到光速而消失的时候,又有新的星系形成,空间中的星系密度是不变的,宇宙维持稳恒状态。稳恒态学说认为,产生新星系的物质是从宇宙膨胀的能量转化而来的,只要在1升的体积里每5千亿年平均产生一个氢原子,就能够满足产生新星系所需要的物质了。
大爆炸学说、稳恒态学说以及我们没有介绍的其他学说,还有前面提到的恒星演化理论,都要接受天文学新发现的检验。