穷宇宙之际(吴国盛)
20世纪的天文学，由于观测手段更为先进，将人类的视野扩展到了150亿光年的空间距离。除了传统的光学望远镜随光学材料的改进和加工能力的提高，出现了空前大的口径外，无线电接收技术的发展，导致了可见光之外各波段的天文观测，射电望远镜冲破了银河系内星云尘埃等设置的光学屏障，把目光射向了河外星系。天文学进入了全波时代。
天体物理学在20世纪发展成了天文学的主流，它最引人注目的成就是诞生了将整个宇宙作为自己的研究对象的现代宇宙学。以爱因斯坦的相对论为理论基础，以大尺度的天文观测特别是河外星系的普遍红移和宇宙背景辐射为事实依据，宇宙学展示了宇宙整体的物理特征。
1河外星系的观测与红移的发现
在浩瀚的太空中，除了有无数发光的星星外，还有弥散状的星云。关于星云的本质长时期存在争论，一种观点认为星云是银河系内的星际物质，另一种观点则认为，星云实际上是像银河系一样巨大的恒星集团，只是因为太远而看起来像“云”，由于观测手段的限制，这两种观点孰是孰非无法得到最后的判明。
到了20世纪，观测手段有了较大的发展，美国在威尔逊山上建造了当时世界上最大的25米口径的反射望远镜，确定空间距离的天体物理方法也发展了起来。人们可以对星云的本质有所说明了。
宇宙空间的尺度是太大了，不同的尺度范围要采用不同的方法，因为在某个范围有效的方法进一步扩展就失效了。对于较邻近的天体，可以用三角法测距。三角法也就是传统的视差法，距离太阳最近的比邻星(即半人马座α星，我国古代称之为南门二)就是通过视差法测出的，距离为43光年。使用三角法已经测定了500光年的空间距离，但更大的距离三角法就无能为力了。
更大的距离往往采用光度方法确定，我们知道，恒星的视亮度、距离与本身的光度三者之间存在某种确定的关系，视亮度是可以在地球上测定的，因此只要知道了某恒星的光度就可以知道它的距离。天体物理学已经得知，从光谱分布可以相对地确定恒星的光度。因此，光度方法可以用来大致地确定更远的空间距离。使用主序星作为标准，天文学家测出了10万光年的空间距离，大致搞清楚了银河系的空间结构。
超出10万光年之外，主序星的光度就显得太小而不为我们所见，天文学家又找到了造父变星作为标准，利用这个新的光度标准，可以确定星云的本质了。
1924年，美国天文学家哈勃(1889—1953)利用威尔逊山的大望远镜观察仙女座大星云，第一次发现它实际上由许多恒星组成，而且其中有造父变星，这样就可以运用光度方法来确定它的距离了。计算的结果是，仙女座星云位于70万光年之外，远远超出了银河系的范围，这就最终证明了某些星云确实是遥远的星系。哈勃一鼓作气，此后十年致力于观测河外星云，并找到了测定更远距离的新的光度标准，将人类的视野扩展到了5亿光年的范围。
与此同时，美国另一位天文学家斯莱弗(1875—1969)正致力于恒星光谱的研究。从1912年开始，他将视线对准了河外星云，发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象。随着观测的进展，积累的数据越来越多，除个别例外，几乎所有的河外星系(此时哈勃已经表明这些星云确实是河外星系)的光谱都有红移现象。如果按照多普勒效应解释，这就意味着这些星系都在远离地球而去，而且退移的速度相当大，比如室女座星云的速度达到了每秒1000公里，这样大的速度是令人称奇的。
1929年，哈勃考察了斯莱弗的工作，并结合自己对河外星系距离的测定，提出了著名的哈勃定律：星系的红移量与它们离地球的距离成正比。这一定律被随后的进一步观测所证实。哈勃定律指出了河外星系的系统性红移，反映了整个宇宙的整体特征，特别是当红移作多普勒效应解释时，哈勃定律就展示了一幅宇宙整体退移也就是整体膨胀的图景：从宇宙中任何一点看，观察者四周的天体均在四处逃散，这就像是一个正在胀大的气球，气球上的每两点之间的距离均在变大。
2现代宇宙学的兴起
红移带来了宇宙学研究的勃兴，但现代宇宙学的源头还得从牛顿宇宙学讲起。在牛顿世界里，空间和时间都是无限的。但空间的无限性却带来了许多佯谬，首先一个佯谬是所谓夜黑佯谬，它是由德国天文学家奥尔伯斯(1758—1840)于1820年提出的，有时也称奥尔伯斯佯谬。它指出，如果太空中均匀地分布着无穷多个恒星，那么宇宙中任一点将会感受到无穷大的亮度，考虑到恒星之间的相互遮光之后，这一亮度可以变成一个有限值，但相当恒定，这就是说，夜空也将有一个均匀的亮度，而不是黑的。这一推论显然与事实不符，因此构成了佯谬。奥尔伯斯本人提出了解释佯谬的一种方法，即星际尘埃遮住了大部分星光。但这一解释是不够的，无限宇宙在物理上面临困难。
1917年，也就是广义相对论提出的次年，爱因斯坦发表了《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》一文，将广义相对论用于宇宙学问题，并建立了一个有限无边的静态宇宙模型。这个模型有两大特征，第一，它是有限无边的，第二，它是静态的。前一特征来源于广义相对论。在相对论看来，有物质存在就会出现时空弯曲，整个宇宙的平均物质密度不为零，那么，它整体上必然是一个封闭的体系，它是有限的，但没有边界、没有尽头，就像二维球面是一个有限但无边的二维空间一样。后一特征来自爱因斯坦的一时猜想，他当时相信，宇宙整体上应该是静态的，但他的引力场方程只能得出一个动态解，所以他人为地加了一个宇宙常数，以维持宇宙的静态的。
爱因斯坦的广义相对论出来之后，马上就有许多人据此构造宇宙模型。几乎与爱因斯坦同时，荷兰天文学家德西特得出了一个膨胀的宇宙模型。1922年，苏联物理学家弗里德曼得出了均匀各向同性的膨胀或收缩模型。1927年，比利时天文学家勒梅特再次独立地得到这一模型。后来人们发现，基于爱因斯坦的引力场方程所得到的宇宙模型必定是动态的，或者膨胀，或者收缩，而且膨胀和收缩的速度与距离成正比。
以弗里德曼模型为代表的相对论宇宙学一开始并不为人重视，因为它主要是一些数学推导，看不到物理内容。到了1929年，情况发生了变化。哈勃定律公布后，人们才惊喜地发现，它所展示的宇宙大尺度膨胀现象正是弗里德曼模型所预言了的。科学界一下子被震动了，原来研究整个宇宙的宇宙学确实是可能的，它的预言居然被证实了。作为相对论宇宙学之鼻祖的爱因斯坦也为这一发现欢呼，认为自己在宇宙模型中人为地引进宇宙常数是犯下了一个大错误。
宇宙学变得热闹起来了。人们想到，既然宇宙是膨胀的，那么越往早去，宇宙体积就越小，在某一个时间之前，宇宙就应该极为密集，现有的天体都不可能以现在的状态存在。照哈勃当时提供的数据估计，这个时间大概是20亿年。
事有凑巧，当时的地质学已经能够利用放射性同位素来测定地球上岩石的年龄，初步估计，大约是20亿～50亿年。相比之下，宇宙膨胀的年限也太短了。这使许多宇宙学家感到很为难，爱因斯坦也表态了：“既然由这些矿物所测定的年龄在任何方面都是可靠的，那么，如果发觉这里所提出的宇宙学理论同任何这样的结果有矛盾，它就要被推翻。”
为了既保留宇宙膨胀的观念，又回避年龄困难，英国天文学家邦迪、哥尔得和霍伊尔在1948年分别提出了稳恒态宇宙模型。他们认为，宇宙虽然在不断膨胀，但其中的物质密度并不变小，因为有物质不断地凭空产生出来。由于物质密度不变，所以不存在一个宇宙的密集时期，因而也不存在星体的年龄上限问题。
稳恒态宇宙模型预言了一个极其微小的物质产生率，它在地面实验室里无法验证，但可以通过天文观测检验，因为如果宇宙是稳恒的，那么恒星的分布密度应该是不变的，在地球上的所有天文观测都有一个特点，它完全依赖电磁信号(光是其中最重要的一种)，而电磁信号的传播需要时间，因此，你看到的越远也就看得越古老，其空间分布就是时间分布。如果恒星的空间分布是均匀的，那就意味着它在时间上是稳恒的。反之，就不稳恒。通过30年代的星系计数和60年代的射电源计数，结论有了，天体的空间分布是不均匀的。这就是说，稳恒态宇宙模型有问题。
1948年，美国帕洛马山天文台建成了当时世界最大的光学望远镜，其口径达到5米，远远超过了此前哈勃使用的威尔逊山天文台的25米口径。天文学家利用新的望远镜继续证实了哈勃定律，但对哈勃关系中的哈勃常数提出了疑问，经认真仔细地校订，发现哈勃常数比实际数值小了10倍。按新的常数估计宇宙的年龄应当是200亿年，这样星体年龄问题就迎刃而解了。
年龄问题解决之后，理论宇宙学家当即着手研究宇宙早期的密集状态。从40年代末开始，俄裔美籍物理学家伽莫夫(1904—1968)等人提出了热大爆炸宇宙模型。他们认为，宇宙起源于一次巨大的爆炸，之后不仅连续膨胀，而且温度也在由热到冷地逐步降低。在宇宙早期，不仅密度很高，而且温度也很高，所有的天体以及化学元素都是在膨胀过程中逐步生成的。
大爆炸模型有一个重要的预言，即随着宇宙的不断膨胀，温度不断下降，各类元素开始形成，但原初辐射与物质元素脱离耦合后仍保持黑体谱，黑体辐射的温度大约是5 K。60年代，天文学家真的观测到了这种宇宙背景辐射，从而使大爆炸宇宙模型被广泛地接受，成为宇宙学界的标准模型。
3射电望远镜与二十世纪六十年代的四大发现
传统的天文观测均是收集宇宙天体发来的可见光信息，但这只是它们所发射的大量电磁波的一个极小的部分。这些电磁波依波长从短到长有γ射线、X射线、紫外线、光波、红外线和无线电波，地球大气严重地吸收了它们之中的紫外和红外的大部分，只留下了一个狭窄的可见光段的窗口，人们常称它是大气的小天窗。当然，在电磁学理论未建立之前，人们也不知道还有其他的窗口。
电磁波发现以来，很快在各个领域得到了应用。无线电是最引人注目的重大应用成就。马可尼已经发现，地球上空的电离层可以反射无线电波，这促使他开通了英国与加拿大之间的无线电报。1924年，在一次测定电离层高度的无线电实验中，人们偶然发现，当发射的电波波长小于40米时，电波便一去不回了，开始以为是被吸收了，后来才知道它透过地球大气层飞出了外层空间。既然地球内部的电波可以跑出去，宇宙空间中的电波也就可以飞进来。天文观测的另一窗口就这样不知不觉被打开了。
窗口虽然已经打开，但由于仪器的灵敏度不高，一直也没有接受到来自天外的电磁信号。1932年，美国电信工程师央斯基(1905—1950)在做无线电通信干扰实验时，偶然发现了来自银河系中心人马座的电波信号。这一发现公布后并未引起人们的注意，无线电工作者认为其干扰不大，不予理会，而天文学家则均没有意识到它的重大意义。只是随着宇宙射电讯号的不断发现，天文学家才开始关注这一新的观测方法。
1946年，英国曼彻斯特大学开始建造直径66米的固定抛物面射电望远镜，1955年又建成了世界上当时最大的76米直径的可转抛物面射电望远镜。以后，射电技术有了长足的发展，射电望远镜发展出了射电干涉仪，它由一组射电望远镜组成一个天线阵，可以观测到很微弱的射电源。
第二次世界大战之后迅速兴起的射电天文学成了天文学中最有活力的新领域，60年代出现的四大发现就是在射电天文学观测中做出的。
第一个发现是宇宙微波背景辐射。1964年，贝尔电话实验室在新泽西州的克劳福德山上建立了一架供人造卫星用的天线，射电天文学家彭齐亚斯(1933—)和威尔逊(1936—)正在调试这架天线，以测定银河系平面以外区域的射电波强度。当他们想出办法避免地面噪声，而且提高了灵敏度后，发现总有一个原因不明的噪声消除不掉。该噪声十分稳定，相当于35 K的射电辐射温度。他们开始很不理解，因而也没有立即公布自己的发现。消息传到了普林斯顿大学，那里的天体物理学家迪克等人正在准备做实验验证大爆炸模型所预言的背景辐射，听到这个消息之后，立即断定这个无法理解的噪声就是宇宙背景辐射。他们通力协作，继续观测，终于证实了彭齐亚斯和威尔逊的观测结果。观测到的背景辐射是黑体谱且各向同性，与热大爆炸宇宙说的预言完全符合。这就强烈地支持了大爆炸宇宙理论，使宇宙学的理论研究掀起了一个新的高潮。
第二个发现是类星体。1963年，天文学家发现了一种新的奇异的星体，它体积极小、辐射能量极大。更为奇特的是，它们的红移量都相当巨大。这类新天体的发现给红移问题带来了麻烦。如果按红移的多普勒解释，类星体应该离我们极为遥远，有些类星体可以达到上百亿光年。但它们的亮度又十分大，这样远的天体向我们辐射出如此巨大的能量，这用我们已知的任何物理规律都无法解释。由于类星体发现得越来越多，红移量也越来越大，以致许多人开始怀疑红移的本性究竟是不是多普勒效应造成的。在红移本性方面出现的争论至今也没有平息。
第三个发现是脉冲星。1968年，天文学家用射电望远镜发现了又一种新型的天体，它以很短的周期有规律地发出短促的射电脉冲。天体物理学家已经证认出，它是一种超高温、超高压、超高密、超强磁场、超强辐射的中子星，脉冲星的发现对于进一步了解宇宙的物理本质有很高的价值。
第四个发现是星际分子。1963年，射电天文学家在仙后座发现了羟基分子的光谱，1968年又在人马座方向发现了氨分子的发射谱线。更值得注意的是，1969年在人马座上还发现了一个多原子的有机分子：甲醛分子。这个发现引起了科学界的高度重视，因为甲醛分子在适当的条件下可以转化为氨基酸，而氨基酸是生命物质的基本组成形式。这意味着，在宇宙空间确实存在着生命发生的适宜条件。随着星际分子发现得越来越多，一门星际分子天文学也诞生了。
宇宙是神秘的，它正在等待着未来的天文学家去识破、猜度。
(选自《科学的历程》，湖南科学技术出版社1995年版)
