闲话天文

近年来翻印古书和翻译古书忽然流行，早已超过了《四库全书》时代，可是讲怎么读古书的还很少。是不是大部头古书只为包装摆起来好看？谁有那么多时间读古书？赏鉴古董？“博览群书”只怕是属于有电视电脑以前的时代，不属于现代或者“后现代”了。

不过有书就会有人读。现代人读古书和100年以前古人读古书不会一样。现代人有些想法是古时人不会有的。我想起一个例子。

清初顾炎武的《日知录》大概是从前研究学问的人必读的。记得开篇及时条便是“三代以上人人皆知天文”，举了《诗经》的例证。现代人，就说我吧，读起来就有些看法，是80多年前离开世界的我的父亲想不到的。我想的是什么？

顾老前辈是明末清初的人，自命遗民，怀念前朝，自然更多今不如昔的复古之情。夏商周三代以上是圣人尧舜治世，是黄金时代。夏朝有治水的大禹，周朝有演周易八卦的文王和制礼的周公，当然是后代赶不上的。那时人人都知天文，不分上等下等男人女人，真正是“猗欤休哉”的盛世。但我想，古人没有钟表和日历，要知道时间、季节、方位，都得仰看日月星辰。“东方红，太阳升。”日出在东方，是早晨，永远光明。日落在西方，是黄昏，接近黑暗。“日出而作，日入而息。”作息时间表是在天上。“人人皆知天文”，会看天象，好像看钟表，何足为奇？现在是“六亿神州尽舜尧”。照50年代统计，全国有6亿人口，个个都是圣人，

尧舜也不稀罕了。人人知道，地球是圆的，向东向西都会回原地。古人不知道。

我说这些话当然不是要讲现代人怎么读古书，只是由此想到今天是不是还要人人知道一点天文。古人说的天文只是天象，抬头就可以望见。现在都市兴起，处处是高楼大厦，夜间灯火通明照耀如同白昼，再要仰观天象只有去广阔天地才行。现在说天文也不再是观赏星空，望望银河边上的牛郎织女了。30年代我在北京还能够看星空认星座谈天文。过了60年，不但看不到星空，天文学也起了大变化。那时我译的《流转的星辰》《通俗天文学》和因抗战未能出版的《时空旅行》都大大过时了。那时的天文学家爱丁顿和秦斯讲宇宙膨胀，写通俗天文学书，我看得津津有味。他们力求普及深奥的新理论，相对论、量子论，现在都是古典了。我也快成为古人了。科学一定要有新知，否则就成为玩古董。现代人看古时人读古时书无论如何也不会摆脱现代人的眼光，这是不由自主的。现在的天文学讲大爆炸，讲黑洞，早已脱离古时诗意的广寒宫和北斗七星以及神话的猎户和仙女了。现在的小学生的课本里都有太阳系、银河系的常识了。还需要提倡“人人皆知天文”吗？

不过我仍然认为，至少是读书人，现在也是有点天文常识，看点通俗天文书为好。从我的微薄经验说，看天象，知宇宙，有助于开拓心胸。这对于观察历史和人生直到读文学作品，想哲学问题，都有帮助。心中无宇宙，谈人生很难出个人经历的圈子。有一点现代天文常识才更容易明白：为什么有些大国掌权者不惜花重金去研究不知多少万万年以前发生而现在才传到地球的极其遥远的银河外星系、超新星、黑洞等。这些枯燥的观察、计算、思考只要有一点前进结果，从天上理论转到地上实际，就会对原子爆炸、能源危机产生不可预计的影响。最宏观的宇宙和最微观的粒子多么相似啊！宇宙的细胞不就是粒子吗？怎么看宇宙和怎么看人生也是互相关联的。有一点宇宙知识和没有是不一样的。哪怕是只懂小学生课本里的那一点点也好。古时读书人讲究上知天文下晓地理，我看今天也应当是这样。不必多，但不可无。

我还想提一点，是近代和现代天文学发展历史的通俗化。这会有助于破除流行的不认识。例如日心说和地心说是早就有的，困难在于科学论证。哥白尼神父有了及时次大成功，但完成还是在开普勒算出行星轨道。尽管人已能飞出地球，行走在太空，但太阳系里还有不少难题。牛顿对神学是有兴趣的。科学和宗教是两回事。科学可以研究宗教，但不能消灭人的信仰。要用科学实验破除迷信也不容易，还需要破除迷信中的心理因素和社会因素，如此等等。要知道历史事实，知道科学进步非常困难，科学家是会有牺牲的。

我想现在一定出了不少讲新天文学成就的通俗易懂的好书，可惜我不知道。希望读书人不妨翻阅一下，可能比有些小说还要有趣。

金克木1996年11月1日

大爆炸宇宙学

1929年哈勃从星系红移与距离的关系得到：v=H0l，其中l为星系到我们的距离，H0是哈勃常数，v为天体的退行速度。哈勃定律表明，天体离开我们愈远，退行速度就愈大；而且从任何方向看天体都在离我们而去。为什么天体的退行速度随距离而增加呢？这种退行各个方向上都一样，那么我们是否处在宇宙中心呢？如果我们不在宇宙的中心，那么如何理解这一确定的观测事实呢？

把宇宙中的星系看作“分子”，星系膨胀中参与两种运动：“分子”具有的膨胀速度，它相对于流体元的无序运动速度(称为星系的本动速度)。这反映于物质分布的局域的不均匀性，典型值为500千米每秒，由哈勃定律，当距离大于20兆秒差距时，膨胀速度便大于本动速度。哈勃定律反映的是宇宙整体膨胀规律，而不是星系个体运动规律。而只有遵循哈勃定律，宇宙才能保持均匀性。

我们可以这样来理解：当气球膨胀时，站到气球上的每一点上看，其他的点都远离你而去，而且愈远的离开的速度愈大。各点观测到的情况都一样，没有中心。另一个例子，让我们来考察一个含有葡萄干的面包。当面包发起来的时候，每个葡萄干都看到其他葡萄干远离自己而去。而且，愈远的葡萄干离得愈远，即膨胀的速度愈大。每个葡萄干看上去都一样，没有中心。

上面的类比表示星系退行观测事实，反映真实的宇宙在膨胀——随着时间的推移，宇宙在不断地膨胀。如果逆着时间看，时间愈早，气球愈小。那么膨胀的宇宙是从哪里开始的呢？

比利时宇宙学家、数学家、天主教神父勒梅特(G.Lemaitre)在1931年提出：开始时，宇宙中所有星系都聚集在一起，称为原始原子，这个原始原子突然爆炸了，把所有星系抛入空间。尽管他没有提出大爆炸宇宙学这个名称，但他关于宇宙学的最重要的思想就是大爆炸。

1948年俄裔美国人伽莫夫(G.Gamow)将宇宙膨胀与元素形成结合起来，奠定了大爆炸宇宙学。大爆炸宇宙学认为，大爆炸发生在大约150亿年前。宇宙是有限的，但是宇宙是无界的。

将时间往前推，当宇宙尺度为今天的百分之一时，宇宙密度将达到今天的100万倍，大于星系的密度，星系不能存在。由此我们推知，宇宙结构在某一时间前是不存在的，宇宙结构只能是演化的产物。

没有结构前，宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体，温度高，越早温度越高，密度越大。温度高于104K时，粒子热运动能太大，中性的原子不能形成。中性原子只在3 000K左右时，才能形成。当温度低于3 000K时，电子与原子核结合为中性原子，大量散射光子的电子消失。宇宙失去大量电子，光子不再受到电子的强烈散射。于是宇宙开始透明，光子与物质失去了耦合。于是宇宙介质作为独立部分留下来，而我们能看到最早的宇宙，就是作为历史遗迹的2.7K背景辐射光子。

当温度高达1010K时，粒子热碰撞使原子核瓦解。这就是说，原子核也是演化的产物。现在观测到的1/4的氦丰度，就是早期宇宙核合成的结果。

标准宇宙模型

时间 温度(K) 时期 事件

0 无穷大 奇点 大爆炸

10-43秒 1038 普朗克时期 粒子产生

10-36秒 1028 大统一时期 重子对称形式

10-6秒 1013 强子时期 质子、反质子湮没

1秒 1010 轻子时期 正电子、电子湮没

3秒 109 原初核合成时期 氦和氘形成

3×105年 3×103 解耦时期 宇宙透明化

标准宇宙的困难

标准宇宙模型似乎很有说服力，与观测事实也符合得相当好。但是，也还存在着几个根本性的困难。其中最主要的是视界疑难、准平坦性疑难和磁单极疑难。

视界疑难

视界是指宇宙刚诞生时发出的信号在一定时刻最多能走多远。这是能有相互影响的空间两点之间的较大距离，或者说是具有因果关系的较大距离。这个距离与宇宙年龄成正比。按照标准宇宙模型，大统一时期的尺度(3厘米)竟比大统一时期的视界(3×10-26厘米)大了26个量级!就是说，在大统一时期，这个尺度范围内竟然包括了(1026)3=1078个无因果联系的区域!

今天观测到的尺度范围内的物质分布是几乎均匀的。世界上不会有无缘无故的均匀，均匀只可能通过相互影响而达到平衡所致。这个均匀怎么可能来自1078个无因果联系的区域？要知道，无因果联系的区域之间是不可能相互影响以使它们的密度取同样值的。怎么可能使1078个无因果联系的区域都取同样的密度？这就是视界疑难。

准平坦性疑难

就是说，宇宙早期的物质密度非常接近于临界密度，偏离程度只有10-55量级。偏差之小，实在惊人。

为什么宇宙早期物质密度会如此接近于临界密度？为什么宇宙早期空间性质会如此接近于平直空间？这是十分令人费解的。除非有特别的机制加以保障，否则难以想象会有如此接近的偶然性。

磁单极疑难

我们知道，电荷有正、负之分。质子带正电，电子带负电。正、负电荷相隔一小距离，可以组成一个电偶极。电偶极总体是电中性的，但具有电偶极矩。正电荷、负电荷就是电单极。磁虽然也有北极和南极之分，就像正电荷和负电荷那样，但是，磁总是以偶极方式出现，却从未见过磁北极和磁南极单独存在。所谓磁单极就是指带有净“磁荷”的粒子，即磁北极或磁南极。

磁单极最早是由狄拉克在20世纪30年代研究电荷量子化时预言的。他说如果有了磁单极，就可以很自然地解释为什么电荷总是电子电荷的整数倍。后来，大统一理论也预言了磁单极的存在。按照大统一理论算出的磁单极的质量比质子质量还重1015倍，约为0.02微克。一个微观粒子的质量重到接近可以用宏观精密天平来称的程度!

磁单极极少湮灭，在宇宙膨胀过程中，磁单极密度的减小只是因为体积膨胀而增大。今天的磁单极密度约为2×10-8每立方厘米，如果是这样，磁单极应当非常容易找到。事实上却一个也还没有找到。同时，考虑到磁单极的质量非常大，按此计算，磁单极对宇宙密度的贡献将高达3×10-16克每立方厘米。按这样高的密度来计算，今天宇宙的年龄将会年轻到十分荒谬的地步(只有几万年)!这就是磁单极疑难。

暴胀宇宙模型

上述这些疑难的关键之点在于：宇宙的膨胀太慢。要突破这个困难，必须找到一种机制，使得宇宙至少在一段时间内曾经快速膨胀过。宇宙早期可能存在过这种快速膨胀阶段的想法首先是古思(A.H.Guth)于1981年提出来的，叫作暴胀宇宙学或暴胀宇宙模型。这个模型后来又经过许多发展。

宇宙在大统一时期以前，真空处于对称态。当温度降到临界温度时，达到对称态向破缺态相变的条件，但由于较大势垒的存在，使宇宙得以暂时继续停留在对称态。随着宇宙的膨胀，温度降到临界温度以下，破缺态成为真的真空。在势垒仍较大的情况下，宇宙还会再在对称假真空态上继续停留一段时间。类似的情况我们也常见到，比如从气态到液态的相变中。当一盒水蒸气在一个大气压下冷却到100摄氏度时，如果水蒸气足够干净，就不会开始凝结成水。即使继续冷却，水蒸气仍会作为过冷蒸汽而停留在气态，不会马上进行相变而成为水。类似地，宇宙在其温度降至临界温度以下时，其真空也会在过冷亚稳对称态停留一段时间。因此，这段时间宇宙所处的亚稳对称假真空态的能量(或质量)密度不为零。

更形象地说是处于过冷状态，就像零摄氏度以下的水是过冷水一样。而当宇宙处于过冷态时，粒子与辐射这两种成分对宇宙膨胀的影响很小，而起作用的是真空态。真空压力是负的，即相当于一个排斥力。也就是说，当宇宙处于过冷真空态的时期，是一个以排斥力为主的时期。在斥力作用下，宇宙的膨胀将会是加速的。这种加速会使宇宙极快地膨胀，它就是暴胀。

与标准模型中早期宇宙的膨胀规律相比，这一阶段的指数式膨胀是极其快速的，常称为暴胀阶段。按照大统一理论，以估算出过冷对称相的真空能量密度，由此得知暴胀阶段约可持续10-32秒以上。因此，在这短短的时间内，宇宙尺度竟暴胀了1043倍以上!

前面已经估计出，按标准模型来算，与今天所观测到的尺度相对应的大统一时期的尺度比视界大了26个量级。现在看来，那个尺度过高估计了43个量级。也就是说，考虑了暴胀以后，与今天所观测到的尺度相对应的大统一时期的尺度不过是视界中的极小部分而已，因而自然都在因果影响的范围之内，视界疑难就不复存在了。

在暴胀宇宙学中，不仅在宇宙的早期无量纲密度非常接近于1，而且现在的值也非常接近于1。所以，暴胀宇宙学暗示宇宙应是严格平直的，或者说，应是爱因斯坦—德西特宇宙。这样就解决了准平坦性疑难。

同样，在考虑到暴胀以后，今天所观测到的宇宙不过是来自暴胀前破缺产生的一个均匀真空小区域内的一小部分。作为不同真空区域交界点的磁单极自然就少到几乎不存在了。因此，磁单极疑难也就不复存在。就是说，今天没有观测到磁单极，并不是磁单极不能存在，而是在今天所观测到的宇宙范围内一直没有提供生成磁单极的条件。

暴胀宇宙学利用粒子物理中的真空相变概念，只对宇宙极早期(10-34～10-32秒)小范围内做出修改，自然地解决了标准宇宙学的几大困难，却又保全了标准宇宙学的原有成果。暴胀宇宙学还预言，宇宙中非重子物质非常多，宇宙暗物质中可能主要是非重子物质。