（二）相对论 宇宙学

【狭义相对论】

爱因斯坦在研究电动力学的过程中，于 1905 年在德国《物理年鉴》杂志上发表了一篇论文，题目为“论运动物体的电动力学”。在这篇论文中， 他大胆抛弃了传统的牛顿绝对时空观，提出了关于物质运动与时间、空间互相联系的全新的时空理论，并从时空观出发对旧物理学的结构重新改

造，使其更加合理而简洁，并使新的力学适应接近光速的高速运动领域， 克服了当时旧物理理论与新实验事实之间的尖锐矛盾。今日狭义相对论已经成为近代物理学的主要基础之一。

19 世纪末、20 世纪初，在物理学中对电磁现象的研究逐步取代对力学的研究，新的实验事实层出不穷，并不断对古典物理学提出挑战，其中一个最大的挑战是所谓的“以太之谜”，而“以太之谜”实际上是光的传播问题上的困惑。当时关于电磁现象的最高理论总结（即麦克斯韦的电磁场理论），就以麦克斯韦方程组来表述。麦克斯韦得出了电磁场以波动方式传播，光就是电磁波，而光在真空中亦能传播，真空中的光速是一个不变的普适常数等结论。以太是当时被假设用来传播电磁波的一种介质，因为电磁波到处可以传播，所以以太就无处不在，充满整个空间。麦克斯韦方程得出真空中光速是个常数，所以，当时认为该方程只有在相对以太静止的参考系中才能成立，而在相对以太运动的参考系中，真空中光速在不同方向上的传播速度应是不同的。这样一来，就得出了电磁规律不满足相对性原理的结论，事实上，麦克斯韦方程组在伽利略变换下确实要改变形式。因此，人们相信可以利用电磁学实验，比如，利用光速的测定来判断实验室参考系是否相对以太静止，从而解决在牛顿力学中无法找到的绝对静止参考系。

根据以上思想，当时就设计了许多实验，企图来测定所在参考系相对于以太的速度。其中，最重要的是著名美国物理学家迈克尔逊所进行的实验。迈克尔逊利用其发明的干涉仪，从光的干涉条纹的细微变化中，可以精确测定地球相对于以太的速度。但是，实验的结果却大出意料，当时大多数物理学家所预料的干涉条纹的移动，完全没有看到。结论是地球相对于以太没有运动，或者说以太根本不存在，真空中的光速是不变的。

迈克尔逊实验如此精细、严格，实验结论是不可改变的，而这样一个实验结果，就对旧物理学提出了非常尖锐的挑战。物理学家必须在下列两者中作一选择：一种选择认为麦克斯韦理论是正确的，相对性原理是普遍的，不仅力学满足，电磁学亦满足，那么不论在任何参考系中真空中光速永远是一个普适常数，也就永远测不到参考系相对静止以太的速度，存在以太的假设亦是多余的。但是，这种选择不能为当时大多数物理学家所采纳，他们认为麦克斯韦方程与相对性原理是矛盾的，因为麦克斯韦方程在

伽利略变换下，不可能保持形式不变，那就不满足相对性原理。所以，要既保留麦克斯韦方程，又保留相对性原理，那么必须放弃伽利略变换，而伽利略变换是牛顿力学的基础，假如放弃它，等于摒弃牛顿力学，那是不可思议的。

大多数物理学家的选择，都是在保留伽利略变换，保持牛顿力学的基础上作出的，那就只有改变麦克斯韦方程，或者放弃相对性原理的普遍性。一般说来，逻辑严密的麦克斯韦方程不容修改，而放弃相对性原理又与包括迈克尔逊干涉实验在内的许多事实相冲突。因此，当时的物理学家彭加勒惊呼物理学出现了“危机”！

爱因斯坦以极其简洁而明晰的观点，认为以上企图寻找地球相对以太

（光介质）运动的实验的失败，说明“绝对静止”的概念不仅在力学中， 而且在电动力学中，亦是不可取的，即相对性原理是普适的，而真空中光速不变作为一个基本事实应当简单地接受。爱因斯坦正是从这两个基本公设出发，重新得出了两个惯性系之间的时空变换的新的关系式，即洛仑兹变换。值得指出，这个新的时空变换关系完全是由于历史的原因，而称为洛仑兹变换的。洛仑兹作为一个经典物理学时代的伟大的物理学家，他在狭义相对论建立后很久还是始终不愿放弃绝对时间、绝对空间的观念，他对以他的名字命名的变换关系的解释，完全是基于绝对时空基础之上的， 因而是不正确的。

狭义相对论的时空理论集中反映在洛仑兹变换关系之中，它与伽利略变换的主要区别在于考虑到了任何信息的传递总需要时间，信息传递的最高速度为真空中的光速，在狭义相对论的理论框架中，实际上假定了任何信息的传递速度不可能大于真空中的光速，真空中光速是作为一切真实运动速度的极限。而伽利略变换所反映的时空理论，是以超距作用为前提的， 即承认世界上存在着无限大速度，这显然是不合理的。所以，从这一点上可以明显看出狭义相对论是场的理论，而以牛顿力学为基础的经典物理是超距作用的理论。前者的时空是与物质运动紧密相联的，而牛顿的绝对时空是与物质运动完全无关的。

【时钟佯谬】

在狭义相对论中，根据洛仑兹变换，很容易得出“运动时钟变慢”的结论，这就是所谓的“时间延缓效应”或“时间膨胀效应”。根据相对性原理，这种效应完全是相对的，即运动时钟相互认为对方均变慢了。比如， 地球上的人可以认为高速飞行的火箭上的钟变慢了，火箭上的人也可以认为火箭不动，而地球相对火箭在运动，所以应该是地球上的钟变慢了。那么到底是哪一个钟慢呢？

我们知道，物质的任何自然过程都可以看作为一个计时的钟。因此， 假如将一对孪生子，一个留在地球上，另一个乘火箭去宇航，当宇航归来、两人重逢时，到底哪一个年龄大些呢？这个问题无法回避，也没有任何相

对性可言，因为这对孪生子的年龄是可以在重逢时进行比较的。这就是所谓的“时钟佯谬”，也称“孪生子佯谬”。在相对论所有的假想佯谬中， 孪生子佯谬可以说是最著名、最容易引起争论的。从 1905 年相对论刚建

立，爱因斯坦就提出了这个问题，并作了结论，但直到 1959 年它还是一个在文献上激烈争论的问题。相对论的理论认为，在重逢时，宇航归来的双生子必然比地球上的那个年轻些；两个相同的时钟，当其中之一运动一周回到原地时，两钟相比较，运动归来的那个时钟绝对地变慢了，那个留在原地的钟比运动的钟要走得快，其中没有任何相对性。时钟佯谬或孪生子佯谬并不是指他们重逢时，一个年龄比另一个更大，这一违反一般常识的佯谬。而是指为什么在这里两者没有相对性，为什么一定要认为地球不动， 火箭运动，因而一定是认为地球上的钟快，而火箭上的钟慢，而不能相反。这样就违反了相对性原理，相对论本身就出现了理论矛盾，这才是“佯谬” 之所在。

实际上，以上所谓的理论矛盾并不存在，所以只是“佯谬”。我们知道，相对论断言，运动时钟“变慢了”，并不是指两个钟之间的关系，而是指一个运动的钟与静止在不同地点的一系列校正同步的钟相比较，运动的钟走慢了。用相对论的术语说，这是固有时与坐标时之间的比较，即与运动物体固定在一起的一个钟，总是比静止在不同地点的钟走得慢些，这种比较则是完全相对的，可以说相互认为对方在运动，对方的时钟必走得慢些。现在的问题与以上所谓的时间延缓效应不同，“时钟佯谬”所出现的矛盾是在两个钟之间比较快慢，这两个钟所记录的时间分别是两个参考系中的固有时，所以，这是固有时与固有时的比较，这是两个问题，而后者具有绝对性，不具有相对性那就没有什么矛盾了。

我们说，分别静止在两个参考系中的两个钟只能相遇一次，因此，要比较两个给定钟的速率，可以让一个钟作往返航行。例如，钟 A 以速度+v 远离钟 B，当它走过了一段路程后给其一反向加速度，使其突然改变速度方向，并以速度-v 朝着钟 B 运动，当 A 与 B 重新相遇时，比较它们各自的读数。因为狭义相对论只适用于惯性系，B 钟没有经历过加速过程，即它始终处于同一惯性系中，从 B 的观点计算是不会出问题的。而钟 A 经历了加速过程，即它从一个惯性系（以+v 相对于 B 运动）变到了另一惯性系（以

-v 相对于 B 运动），因此从 A 的观点计算必须要考虑这个事实，这个事实带来的影响是由不同地点的同时性问题产生的，如果把这种同时性效应从计算中扣除，最后的结论是无论从 A 或 B 计算，钟 A 比钟 B 绝对地走慢了。

另外，我们从对称性角度亦可说明，两个运动钟之间没有相对性，是因为一个钟经历了加速过程，另一个钟没有经历加速过程，而所谓有没有加速度是相对于整个宇宙背景来说的。假如宇宙间只有两个钟就无法比较它们之间的不对称性了。因此，可以这样说，谁对整个宇宙作变速运动， 谁就活得更长久、更年轻，这是绝对的，佯谬是不存在的，这就是相对论

的结论。

上面人们从理论上讨论了如何消除“时钟佯谬”，用实验也能直接进行验证。特别值得一提的是 1971 年美国的海弗尔（Hafele）与凯汀

（Keating）环球航行原子钟的试验，完全证实了时间延缓的相对论结论。他们把 4 个铯原子钟放到飞机上，飞机在赤道平面附近分别向东及向西绕地球飞行一周后回到地面上，然后比较飞机上的铯原子钟与一直静止在地面上的铯原子钟的读数，在实验误差范围内结果与理论值相符，很好地证实了相对论的理论。这就完满地解决了“时钟佯谬”问题的论争。

【高速运动物体的视觉形象】

在狭义相对论中，我们都知道运动物体的长度在沿运动方向上会缩 短，而在垂直于运动的方向上则长度不变。因此，相当多的科普书籍、甚至教科书上都有关于运动圆球看上去成了椭球、正方体由于运动而成了压扁了的长方体之类的叙述。这样的叙述和认识是不正确的，而且长期以来

人们并未意识到这是一种误解，直到本世纪 50 年代，人们经过仔细分析， 才认识到一个高速运动物体的视觉形象的问题与相对论中关于运动物体长度的测量是很不相同的两个问题，不能混为一谈。

一个高速运动物体的视觉形象，不可能是被压缩性的形变，一般来说是形状不变，仅仅转过了一定的角度。这是为什么呢？说来也并不复杂， 我们知道，人在某一时刻看到（或拍摄到）一个物体的形象，完全取决于该时刻实际到达人眼（或照相机镜头）的光线。值得指出，这些同一时刻到达的光线却是在不同时刻从物体的不同部位发出的，即观看或拍摄一个运动物体，必须考虑到光线从物体出发再到达观察者的渡越时间。物体部位不同，离开观察者的距离不同，光线所需的传播时间也不同。因此，一般说来，一个观察者并不能简单而直接看到物体长度的相对收缩。为此， 我们可作以下简单的讨论。

设有一正立方体，其每条边长为 L[下图（a）]，当其静止时，一个正对立方体的观察者，只能看到其正面 ABCD 这一正方形。

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当正方体以速度 v 沿 AB 方向运动时，我们假定观察者距离正方体较远，观察的立体角（视角）很小，我们可以认为 ABCD 面上各点同时发出的光是同时到达观察者的，因此观察者能看到 ABCD 正方形的 AB 边长度缩短为

AD 边长度不变仍为 L，正方形便变为一长方形 ABCD[上图（b）]。同时， 由于立方体的运动，侧面 ADHE 上各点发出的光，观察者也可以看到，不过，

同一时刻为观察者所看到的却是由 ADHE 上各点不同时刻先后发出的

侧面，看到的形状也是长方形[上图（b）中的左侧]。故观察者所看到的以v 运动的立方体，完全等价于将该立方体转过了一个θ角后静止地呈现

则转过角度越大。所以，观察者看到的运动立方体正是转过了一个角度θ 的形象。

以上关于高速运动物体形象的分析，主要由特勒尔（Terrell）与彭罗斯（Penrose）在 1959 年所指出，而韦斯科夫（Weisskopf）在 1960 年对这个问题作了总结，他指出，关于高速运动物体形象的效应，是狭义相对论理论创立 50 年以来，一个最重要的发展。在此之前，许多重要的物理学家对这个问题都没有作出正确的阐述，相反许多叙述却是错误的。所以， 对于狭义相对论的许多时空特性的结论，应当严格按洛仑兹变换进行计算与解释，而不应当随意作出容易引起误解的错误陈述。

【广义相对论】

广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论之后，深入研究引力理论，于1913 年提出的引力场的相对论理论。这一理论完全不同于牛顿的引力论， 它把引力场归结为物体周围的时空弯曲，把物体受引力作用而运动，归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。因此，广义相对论亦称时空几何动力学，即把引力归结为时空的几何特性。

如何理解广义相对论的时空弯曲呢？这里我们借用一个模型式的比拟来加以说明。假如有两个质量很大的钢球，按牛顿的看法，它们因万有引力相互吸引，将彼此接近。而爱因斯坦的广义相对论则并不认为这两个钢球间存在吸引力。它们之所以相互靠近，是由于没有钢球出现时，周围的时空犹如一张拉平的网，现在两个钢球把这张时空网压弯了，于是两个钢球就沿着弯曲的网滚到一起来了。这就相当于因时空弯曲物体沿短程线的运动。所以，爱因斯坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。

进一步说，这个理论是建立在等效原理及广义协变原理这两个基本假设之上的。等效原理是从物体的惯性质量与引力质量相等这个基本事实出发，认为引力与加速系中的惯性力等效，两者原则上是无法区分的；广义协变原理，可以认为是等效原理的一种数学表示，即认为反映物理规律的一切微分方程应当在所有参考系中保持形式不变，也可以说认为一切参考

系是平等的，从而打破了狭义相对论中惯性系的特殊地位，由于参考系选择的任意性而得名为广义相对论。

我们知道，牛顿的万有引力定律认为，一切有质量的物体均相互吸引， 这是一种静态的超距作用。

在广义相对论中物质产生引力场的规律由爱因斯坦场方程表示，它所反映的引力作用是动态的，以光速来传递的。

广义相对论是比牛顿引力论更一般的理论，牛顿引力论只是广义相对论的弱场近似。所谓弱场是指物体在引力场中的引力能远小于固有能，即

场中，才显示出两者的差别，这时必须应用广义相对论才能正确处理引力问题。

广义相对论在 1915 年建立后，爱因斯坦就提出了可以从三个方面来检验其正确性，即所谓三大实验验证。这就是光线在太阳附近的偏折，水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移，这些不久即为当时的实验观测所证实。以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验，很快在更高精度上证实了广义相对论。60 年代天文学上的一系列新发现：3K 微波背景辐射、脉冲星、类星体、X 射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论，从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学，已成为物理学中的一个热门前沿。

爱因斯坦一直把广义相对论看作是自己一生中最重要的科学成果，他说过，“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟。但是我认为，广义相对论不一样。”确实，广义相对论比狭义相对论包含了更加深刻的思想，这一全新的引力理论至今仍是一个最美好的引力理

论。没有大胆的革新精神和不屈不挠的毅力，没有敏锐的理论直觉能力和坚实的数学基础，是不可能建立起广义相对论的。伟大的科学家汤姆逊曾经把广义相对论称作为人类历史上最伟大的成就之一。

目前，引力理论如何与其他几种相互作用统一，引力场如何量子化等问题摆在物理学家的面前，我们相信，量子引力论建立之日，将是广义相对论被突破之时。

【黑洞】

黑洞是一个十分奇妙的物理概念，严格地说它是相对论引力理论，即广义相对论中提出的一个概念。它是指恒星（或任何物质）的外部会有一个特别的时空区域，在这个区域中，由于存在特别强烈的引力作用，那里的时空便变得如此弯曲，以至那里的光和其他粒子都只能单方向落入引力源，而不能静止或向外运动，其中恒星物质本身也只能不断收缩而变成密

度为无穷大的奇点。这样一个特别的时空区域就叫做黑洞。

早在 1796 年法国科学家拉普拉斯就曾在牛顿力学基础上计算过这样一个有趣的问题：一颗恒星收缩到多大时，它附近的引力可大到足以使恒

星的所有辐射物，包括光也不能逃逸。我们知道，对于质量为 M 的恒星来说，当质量为 m 的物体之速度υe 满足

时，它就可逃离该恒星。也即物体脱离该恒星的逃逸速度是

其中 G 为万有引力常数。当υe 为光速 c 时，有

此式告诉我们，在 r≤rg 的球形区域中，即使光也无法逃离（辐射）出去。

以上简单的计算结果令人惊叹的是它恰恰与广义相对论的结果完全一致， 正是这个半径为 rg 的球形区域叫做黑洞，rg 称为该恒星的引力半径或席瓦

西尔半径。

上面介绍的黑洞概念本身是易于理解的，然而问题是一颗恒星能否收缩到引力半径 rg 这么大小，甚至更小的区域呢？根据简单计算，太阳的引

力半径大约为 3 千米（太阳的实际半径为 6.96×105 千米）；地球的引力

半径则不到 1 厘米（实际半径为 6.37×103 千米）。显然，引力半径比它们的实际半径要小得多。那么，自然界是否存在这么大的作用力，能够把星体收缩到如此之小的区域之内呢？长期以来人们一直认为是不可能的。即使爱因斯坦的广义相对论问世后，1916 年就算出了以上的引力半径，但也仅看作是理论计算的一个数学解，并没有引起人们的重视与注意。但是本世纪 60 年代以来，随着恒星演化理论的发展以及天文观测手段，特别是射电技术的进展，黑洞这一理论概念受到越来越多的物理学工作者的重 视。到了 70 年代，黑洞则成为当时天体物理学的一个热门的前沿课题，使许多人深入到这个领域，展开了多方面的研究，甚至成了社会文化的一个热门话题。

恒星演化理论的发展使人们认识到，不需要依靠什么神奇的力量，仅

仅依靠物质本身的引力，就能使星体一直崩坍收缩为一个黑洞。我们知道， 恒星的演化是以其内部核反应的能源作标志的，该能源维持着星体内部的温度及压力分布，而正是后者抵挡了星体的自身引力作用，实现着力学的平衡。一颗恒星当其内部核燃料耗尽，核反应停止后，究竟演化为哪一类天体，完全取决于其自身的质量，目前的理论结论大致可归结如下：

对于 M＜1.2MS（MS 为太阳质量）的晚期恒星，将演化为密度极大的白

矮星，它由高密度的等离子体构成（密度约为 109 千克·米-3～1012 千克·米

-3），即使它的温度降得很低，根据量子力学中的泡利不相容原理，电子

不能占有相同的能量空间，这意味着物质内部结合的紧密程度有一定的限度，当物质内部粒子靠近这一限度时，就会出现相互排斥的作用，这种作用称为简并电子气体的费米压力。白矮星内部正是由电子简并压力与引力保持着平衡，这类恒星在晚期还会丢失部分或大部分质量，从而形成一颗质量较小的白矮星。

对于 1.2MS＜M＜3.2MS 的晚期恒星，将最后演化为中子星。所谓中子

星是由原子核瓦解后形成的高密度中子气体所构成（密度约为 4×1017 千克·米-3），中子星靠中子气的简并压力与引力平衡而存在。1967 年观测到的脉冲星被证实是快速旋转、并具有强磁场的中子星。

对于 M＞3.2MS 的晚期恒星，它的内部再也没有能抵挡住引力的作用机

制了，因此不再存在稳定的结构，这种星体将无止境地塌缩下去，最后形成黑洞。

当一颗恒星最终形成黑洞后，任何信息都不能传出来，那么天文上如何能观察到黑洞，或如何确定黑洞的真实存在呢？虽然黑洞是漆黑一团、不发射任何东西，但还是有许多外部的观测效应，为黑洞的存在提供有力的证据。

寻找黑洞的可行途径之一是利用密近双星。所谓密近双星是指靠得很近的两个星体，在相互引力作用下，形成相互环绕运行的一个系统。每一个双星系，常常由一个明显可见的正常星和一个看不见（或看不清）的物体（从正常星体运行轨道可推断其存在）所组成，前者称主星，后者称伴星。如果一个黑洞和一个正常恒星构成密近双星，那么我们可以通过正常星的运行周期、质量来判明其中黑洞的存在。

另外，双星系中的主星，由于受到伴星黑洞强大引力的吸引，当其外层物质被黑洞潮汐力撕裂后，这些物质必然会被吸积到黑洞中去。在这些物质向黑洞坠落的过程中，巨大的能量将以 X 射线或γ射线辐射出来。所以，强烈 X 射线源常常是寻找黑洞的主要线索之一。

现在大多数天文学家认为“天鹅座 X-1”这一密近双星系的一员，很可能是黑洞。因为根据天文观测，其主星是质量为太阳质量 20 倍的超巨

星，周期为 5.6 天。这说明两星的密近程度，而其伴星的质量亦很大，是

太阳质量的 5.5 倍以上，所以不可能是中子星。这颗看不见的星还测到了

强烈的 X 射线辐射。美国在 1978 年 11 月发射的“高能天文台 2 号”卫星， 曾特地给这个最有希望的黑洞候选者拍摄了一张 X 光照片。

虽然许多天文学家相信黑洞的存在，但是因以上这些证据都带有某些不确定性，所以还有争论。人们正通过其他途径努力寻找黑洞存在的更确定的证据。

在黑洞理论方面，英国当代著名物理学家霍金（S.W.Hawking）作出了重要贡献：1971 年提出了黑洞面积不减定理；1974 年进一步把量子理论与广义相对论结合，提出了黑洞的辐射理论，这就是在 70 年代～80 年代引起物理学界轰动的“霍金辐射”。

【新星和超新星】

在天空中本来看不到星的地方突然出现的亮星，天文学上叫做“新 星”。新星是一些正在膨胀着的恒星，在膨胀时喷向宇宙空间的恒星物质像一个膨胀着的气体壳层，它被恒星的其余部分所照亮，所以能为我们观察到。其中有些亮度特别大的新星叫做“超新星”。

其实把它们叫做“新星”、“超新星”真有点名不符实。它们并不是什么新产生或新出现的恒星，恰恰相反，它们都是演化到了晚期的恒星。它们原来的亮度太微弱了，人们用望远镜也观察不到它们，而当它们进入晚期、发生爆发时，亮度突然（可在不到一天的时间内）增加到原来的几万、几十万甚至几百万倍时，才为人们所观察到。我国古代把它们看作是偶而来做“客”的，所以称之为“客星”，又名“暂星”。

晚期的恒星为什么会爆发呢？原来恒星在中年期是比较稳定的（如太阳目前就处在中年期），其内部物质间的万有引力作用使恒星有巨大的向内收缩的力；而恒星中心区域又在发生轻核聚变反应——热核反应，热核反应一方面使它向外产生辐射，有辐射压力，另一方面又使恒星内部达极高温度，组成恒星微粒的热运动也会产生向外的气体压力。这些向外的压力与引力的收缩作用平衡时，恒星就处于稳定状态。

恒星内部的热核反应最初是氢聚合成氦，在恒星内近中心的地方，温度和压力都最高，热核反应主要在此进行，因此这里的氢最早消耗完毕， 而在中心区域形成一个由氦组成的核心，叫氦核。当恒星中央形成氦核时， 其周围氢的热核反应仍在不断继续和向外扩展，再向外是尚未“燃烧”的氢的壳层。此时恒星中心的温度约 1500 万℃，密度为 100 吨/米 3，即温度和压力都还未高到足以使氦发生热核反应的程度，也就是说在氦核区的热核反应暂停了，不再供应能量了。于是向外的斥力就减弱了，引力和斥力间的平衡遭破坏，等到氦核的质量达到一定程度，巨大的引力就会使恒星的核心部分向内收缩，收缩时要释放大量能量，一部分能量使氦的温度升高、燃烧，当达到点火温度时，氦又发生聚合成碳的热核反应；另一部分能量输送到外壳，使恒星外层的物质急剧膨胀，表面积迅速增大，恒星又处于新的平衡状态。待氦用完后又继之以碳、氧⋯⋯的聚合反应，最后

较轻的元素都合成为铁族元素，而恒星中并不具备铁族元素的聚合反应的条件，于是恒星内的热核反应就停止。这意味着使恒星物质间的巨大引力完全失去了与之抗衡的斥力，犹如坑道中抽掉了支撑的坑木，整个恒星向中心激烈“坍缩”，把核心部分的物质挤压得非常厉害，致使组成物质的原子中的电子也被挤压到核内，与核内的质子结合成为中子，恒星的核心部分演化为中子星，同时又向外放射出大量中微子。中微子具有极强的贯穿本领，强大的中微子流毫不费劲地撕碎恒星外壳，并将它抛向远方。恒星外壳的这种迅猛异常的碎裂、膨胀过程，释放出惊人的能量，这就是新星、超新星的爆发过程。晚期恒星爆发时抛向宇宙空间的外壳（这部分约占恒星总质量的 1～2%）成为星云，而残留下来的核心成为密度更大的星体，小质量（小于 1.2 个太阳质量）的恒星演化为白矮屋，中质量（1.2～

3.2 个太阳质量之间）的恒星演化为中子星，大质量（大于 3.2 个太阳质量）的恒星则演变为黑洞。

新星和超新星的爆发过程，并不意味着一颗恒星的灭亡，但显然是一颗耗尽核燃料的恒星坍缩为白矮星、中子星等的巨大“灾变”。在此剧变时释放出极大的能量，超新星爆发时一秒钟放出的能量，相当于 100 亿亿颗百万吨级的氢弹爆炸的能量，它在几天内产生的能量超过它在几十亿年内所辐射出的能量总和。所以根据我国宋史记载的、公元 1054 年 5 月在金牛星座的ζ星（我国古代叫天关星）附近出现的一颗超新星，虽然与地球相距 5000 光年之遥，但人们仍然可以用肉眼在大白天看到它“芒角四出、色赤白”的壮观盛况。这最大光度阶段经历的时期并不长，继而它又逐渐暗淡下来，回复到原来的光度。如 1054 年的这颗超新星，持续亮了 23 天

才开始暗下来，近 2 年才从人的视野里消失。（现今所看到的蟹状星云就是该超新星爆发后遗留下来的气体云。其中心处的星体，就是一个每秒转动 30 周的中子星，这类闪烁发光的中子星也叫脉冲星。）超新星爆发时喷向宇宙空间的恒星物质，像膨胀着的气体壳层，其膨胀速度可达每秒几百千米、甚至几千千米以上。研究这些高能现象和过程，有可能使人们探索到天体起源和演变的奥秘。超新星爆发所产生的强辐射，也可能是地球上古老的庞然大物——恐龙灭绝的原因。地球上现存的较重的元素，以及人体所需的大多微量元素，如铁、铜、锌、钼等，几乎都是超新星爆发留下的“灰烬”。

在银河系里观察到的上一颗超新星是由开普勒在 1604 年于长蛇座发

现的。至今在银河系内已发现了 150 个以上的新星和 7 个超新星，如 1901 年发现的英仙座新星、1918 年的天鹰座新星，1942 年的船尾座新星等都是有名的新星。我国公元 1700 年之前古书记载、现整理并认证出来的约有

90 个新星和超新星的记录。

【脉冲星】

1967 年英国剑桥大学新建了一架射电望远镜，用来观察行星际闪烁现

象，以此研究射电源的性质。所谓行星际闪烁是指遥远恒星所发射的电波在通过太阳系中各行星际空间时，这些电波讯号大小产生起伏变化的现 象。射电讯号起伏主要是受行星际空间的太阳风（太阳上抛射出来的带电粒子流）作用所引起的。望远镜的观测由记录仪自动记录在纸上，然后由计算机分析。但因仪器刚投入运行，为了检验它们工作是否正常，所以当时由一位叫乔斯琳·贝尔的年轻研究生进行人工分析。

1967 年 10 月贝尔发现，仪器记录纸上有一段不易辨认的记录，它不是闪烁，也不是其他干扰，因为它出现在深，深夜时太阳是在地球背面， 这时太阳风引起的闪烁非常小，贝尔感到这个现象无法解释，就去请教她的老师赫威斯（A.Hewish）。赫威斯决定对这一现象作快速记录，以便弄清这段信号的精细结构。经过一番周折终于在 11 月末获得了第一个快速记录结果，研究发现这段信号不是那种没有规则的跳动，而是一连串有规则的脉冲，每两个脉冲间隔周期都是 1.337 秒，极其稳定，极其准确。那么这种脉冲信号是从哪里发出来的呢？根据进一步的分析，这种脉冲信号既不可能是地球上某个电台发射的无线电信号，也不可能是其他星球上的“理智居民”、所谓的“小绿人”发出的无线电报。赫威斯肯定这种脉冲信号来自一种新型的天体。1968 年 2 月英国的《自然》杂志发表了赫威斯和贝尔等 5 人的文章，标题就是“发现快速脉冲射电源”。这种奇妙新天体的发现，很快就轰动了全世界的天文学家与物理学家。这种脉冲射电源很快被定名为脉冲星。到 1978 年，人们已经在银河系内找到了 300 多颗脉冲星，

它们的周期短到 0.033 秒，长到 3.7 秒。据估计，银河系内脉冲星的总数

至少有 10 万颗左右。

为什么人们对脉冲星的发现如此重视呢？脉冲星的什么奇妙特性引起人们巨大的兴趣呢？这又要从晚期恒星结构说起。我们知道，恒星的能量主要来自其内部的核反应所释放的能量，当恒星稳定地燃烧其核燃料时， 依靠核反应产生的辐射和热压力同它自身的引力相抗衡来维持平衡，核燃料烧完之后，恒星会不会在自身引力作用下无限制地收缩下去呢？不会， 当星体收缩到一定程度，由于物质密度增高，内部物质粒子的相互靠近， 会出现一种叫做电子简并压力，只要恒星质量＜1.2 倍太阳质量，这种压力就能抵挡住恒星的自身引力。所谓电子的简并压力，是一种量子效应， 根据泡利不相容原理，一个系统中不可能有两个电子处于完全相同的状

态。又根据测不准原理，当电子处于某个状态时，它的位置确定得越准确， 其动量值变化的范围就越大。当恒星晚期达到高密度状态时，其中的电子不可能处在相同的状态，它们因挤压所占的空间体积非常小，所以，每个电子的空间位置的变动范围就非常小，因而其平均动量就变得非常大，动能也很大。根据气体分子运动论，这种状态下的电子“气”的压强也极大， 这种压强就是电子简并压的来历。电子简并压与恒星的自引力相抗衡，使星体处于一种新的平衡状态。这样的晚期恒星就是白矮星，它的密度可达

到 100 千克/立方厘米以上。

1932 年发现中子以后不久，前苏联物理学家朗道就猜测，既然中子和电子一样服从泡利不相容原理，那么由中子气的简并压同引力相平衡也将形成一种稳定的状态。宇宙中可能存在这种完全由中子组成的更高密度的星体——中子星。这是关于中子星的最初预言。那么，这种完全由中子组成的极高密度的中子星，在自然界中真的存在吗？它通过什么途径形成的呢？美国科学家巴德和兹维基首先提出，中子星可能是在超新星爆发过程中形成的。1934 年，他们发表了一篇题为“超新星及宇宙线”的短文，全文只有 400 字，却对超新星爆发的全过程作了全面的推测，这些推测几乎全部为今天的天文观测所证实。所以，它是一篇科学史上不同凡响的论文， 文章最后的论述是：“作为存照，我们还提出这样的观点：超新星是表示从普通恒星到中子星的过渡，所谓中子星，就是恒星的最终阶段，它完全由挤得很紧的中子构成。”1939 年，物理学家还进一步建立了一个中子星的简单模型，预计这种星的质量与太阳同数量级，但体积很小，直径只有几十千米，其密度则高达每立方厘米几亿吨到几十亿吨。

30 年代关于中子星的一系列科学预言，在以后几十年中却一直没有为天文观测所证实，中子星一直渺无踪影，关于中子星的预言也备受冷落。就在这种情况下，赫威斯与贝尔的发现，很快为科学界公认，1968 年所发现的脉冲星不是别的，正是几乎被人遗忘了的中子星。那么，怎么知道所发现的脉冲星就是中子星呢？这主要从脉冲星发射的脉冲信号的特征，可以分析出能发射这种脉冲信号的星体必定是中子星。我们知道，中子星是由恒星坍缩而成的，根据角动量守恒定律，恒星坍缩过程中角动量是不会改变的，当恒星坍缩为中子星时，尺度变小了许多倍，所以，中子星的角速度比恒星的自转角速度要大许多倍，计算表明，中子星的角速度大约为 1 秒左右转一周，这同观测到的脉冲星周期范围是符合的，所以，中子星是高速旋转的星体。另外，在恒星坍缩为中子星的过程中，磁场也会随星体而收缩，星体表面的磁场变得非常强。例如一个太阳大小的恒星表面磁场强度大约为 102 高斯，但当这个恒星收缩为半径 10 公里的中子星时，磁场强度可达到 1012 高斯。这一点已为 X 射线脉冲星的能谱分析得到证实。在这么强的磁场中，电子几乎沿磁场方向高速运动，从而发出的同步加速辐射与电子运动方向相同，形成一个细的射线束，一般中子星磁轴与自转轴并不重合。因此，当中子星自转时，这个细的射线束也在空中扫射，像探照灯光扫过空间一样，当它扫过我们的望远镜时，便形成一个脉冲信号。中子星转一周，射线束在空中扫一圈。所以，脉冲信号的周期就反映了中子星的自转周期。观测表明，在一个周期内，脉冲所占的时间仅为百分之三到百分之十，其余大部分时间无信号。观测的结果与理论推测是一致的。

脉冲星的脉冲周期极其稳定，这主要是由于中子星的自转周期基本恒定。但它的周期也不是完全不变的，而是会逐渐细微地变慢，大约一天中

周期加长 1.5×10-13 秒。从脉冲星周期的细微变化中可以推测它的年龄。在已经观测到的脉冲星周期中，蟹状星云脉冲星的周期最短，说明它是一颗比较年轻的中子星，它每天周期大约变长 35 毫微秒，由此可推出它的年

龄为 1000 年左右，这与天文观测值符合得较好。而且脉冲星自转周期的细微变化，恰恰是其能量的来源。我们知道当星体在引力坍缩时，星体自转加快，这时引力能转化为转动能，当转动逐渐变慢时，能量又转化为磁场中高能电子的能量，由此获得同步辐射的能量。

中子星的表面温度约为 1000 万℃，中心温度高达 60 亿℃，是一个少有的超高温世界。中子星又是超高密度物质，密度高达 1015 克/厘米 3。总之，中子星具有超高密度、超高温、超高压、超强磁场、超强辐射等各种“极端”物理条件。这在地球上的实验室内是无法实现的，这是一个天然的理想实验室，利用它可以研究各种极端条件下的物质性状。

脉冲星的发现并被证实为中子星，为恒星晚期演化理论提供了关键性的支持，为宇宙中物质形态多样性的观点提供了有力的证据，为现代物理学科的发展提供了新的领域及动力。这一发现的意义的确十分重大，它当之无愧地被列为 20 世纪 60 年代天文学的四大发现之一。赫威斯因此获得

了 1974 年诺贝尔物理学奖。

【膨胀的宇宙】

爱因斯坦在 1917 年首次提出的宇宙模型是静态的，即认为宇宙在大尺度结构上是静止不变的。在这之后不久，陆续又有其他人提出了一些宇宙模型，其中弗里德曼和勒梅特前后得出了动态的，即膨胀的宇宙模型。所谓膨胀是指宇宙的空间尺度随时间而不断地增大。如果我们仍用二维的有限无边的球面来类比三维的有限无边的宇宙，那么膨胀的宇宙就类似于一个不断吹胀的气球。当气球不断胀大时，气球上的许多小点间的相互距离就越来越大，它们的密集程度就越来越稀，如右图所示。

■

图中的小点可代表宇宙中的星系，当球面不断膨胀时，任何星系之间的距离就越来越大。如果我们设想一个观测者站在其中的任何一个星系 上，他就会发现，所有其他的星系都在远离他而去。而且，与他距离较近的星系离去得慢一些，与他距离较远的星系离去得快一些。距离越大，彼此远离的速度越大。这就是一幅膨胀宇宙的图景。

那么这样一种膨胀的宇宙模型，是否代表真实的客观宇宙图景呢？为什么长期以来人们总是认为宇宙是不变的呢？诚然，有浮云掩月、天空绕北极星回旋、还有月亮的圆缺、月亮和行星在星空背景上运行等，然而， 这些只不过是我们太阳系里的运动所产生的局部现象。在行星以外，所有的恒星都像是永恒不变、不动的，不然还会叫恒星吗？但是事实上恒星不恒，即使是恒星也都在变、都在动，一颗快速的恒星一年大约要走 100 亿公里左右。那么为什么我们看不到恒星的运动呢？这主要是这些恒星离我

们实在太远了。最近的恒星距离我们至少在几十亿公里以上，因此我们就很难观察到恒星视位置的变化，所以长期以来静止不变宇宙的观念一直占统治地位。直到本世纪 20 年代，由于天文观测上河外星系光谱线的红移现象的重大发现，静止宇宙的观念开始动摇，一个动态的膨胀宇宙的观念逐步确立。

首先在 1910～1920 年的 10 年内，洛威尔天文台的斯莱弗（V.Slipher） 发现许多星系的谱线有红移现象（极少数星系，如仙后座星系，有蓝移现象）。所谓红移，就是整个光谱结构向光谱红色的一端偏移。这现象可以用多普勒效应加以解释：由于星系的退行（即退离我们的运动），接收到的星光的频率就变低，谱线就向红端（长波方向）移动，而且从红移的大小还可以算出这种退行速度。根据这种解释，星系光谱线的红移，说明绝大多数星系都以不同的速度离开我们而运动。

1919 年美国天文学家哈勃（E.Hubble）发现，所有河外星系的谱线都有红移现象，他把所测得的各星系距离和它们各自的退行速度画到一张图上，然后发现，在大尺度上，星系的退行速度是和它们离开我们的距离成正比的，越远的星系退行得越快，即红移越大。这一比例关系叫做哈勃定

律，它可表示为

υ0=H0r。

其中υ0 为星系退行速度，距离 r 的单位为光年，H0 称为哈勃常数，目

前一般认为的估计值为 15 千米/（秒·百万光年），因为星系距离很不容易测定，所以 H0 至少有 25%的误差。哈勃定律给我们提供了星系都远离我

们而去的有力证据。值得指出，所有星系都远离我们而去，好像我们所处的银河系是处在宇宙的中心。其实，其他星系并非只是离开我们而去，而是彼此相互远离。从任何一个星系上看，其他星系都在退行远离，这实际上显示的正是我们前面所绘出的一幅宇宙膨胀的图景。

宇宙膨胀的观念彻底改变了宇宙学上的一种传统观念，即认为大尺度上的天体应当是静态的。也就是说，虽然太阳、银河等小范围中的天体是有运动的，但是在一个更大的尺度上看天体系统的平均速度应当为零。形成这种观念的根源是，我们肉眼常见的天空景象，除了东升西落之外，几乎看不见其他变化。爱因斯坦也没有摆脱这种传统观念的束缚。尽管按照他的引力场方程只能得到运动的解，但是他觉得大尺度的运动（即动态的宇宙）是不能接受的，所以他甚至不惜修改引力场方程，以凑出一个静态模型。红移现象发现后，爱因斯坦对自己原来的做法深表后悔，本来宇宙膨胀是他广义相对论的一个自然结果，可是他却放弃了它。爱因斯坦曾说， 这是他“一生中最大的一件错事！”

人类认识到宇宙的膨胀，是宇宙学历史上的一件大事。天文观测上红移的发现，证实了宇宙膨胀的事实。这又一次说明实践是检验真理的唯一标准，科学实验是推动科学发展的强大动力。

【大爆炸宇宙学】

我们已经知道，宇宙是膨胀的。既然认为宇宙一直在膨胀，那么逆着时间往上推，追根寻源，早期的宇宙一定处在比现在小得多、密集得多的状态，而且原则上允许一直追溯到初始奇点（即体积无限小、密度无限大的一种状态）。因此，人们提出了宇宙是起源于原始火球大爆炸的假设。原始火球就是初始奇点，现在宇宙的膨胀正是大爆炸所开始的空间膨胀的继续。值得指出，所谓大爆炸是空间本身的“爆炸”，即从一开始就充满整个空间的爆炸，而不是有什么东西在现成的空间中爆炸。目前比较盛行的是热大爆炸宇宙学。这一派的主要观点是，我们的宇宙曾有过一段从密到稀，从热到冷的演化历史，按照这种观点来研究宇宙中物性演化的历史， 统称为大爆炸宇宙学。

大爆炸宇宙学是本世纪 40 年代由伽莫夫（G.Gamow），阿尔芬

（R.A.Alpher）和赫尔曼（R.Herman）提出来的。他们认为宇宙是在 100 多亿年以前，由一个超高温、超高密的原始火球（宇宙蛋）发生大爆炸而产生的。从他们三位开始，经过许多科学家，包括许多粒子物理学家的努力，目前我们已经能够作出宇宙的形成和演化的过程，大致如下：

1. 大爆炸 宇宙开始于一个初始奇点。那时它有无限高的温度和无限大的密度。宇宙从此爆炸，从此时间开始。当然，目前还不能用已知的数学和物理规律来说明当时的情况。

2. 宇宙爆涨 根据现有的粒子物理理论，可推知大爆炸后 10-43 秒的情况。那时宇宙密度是 1093kg/m3，温度为 1032K（地球平均密度为 5× 103kg/m3，温度为 300K；宇宙现时的平均密度估计为 10-27kg/m3，温度为

3K），宇宙没有任何粒子，只有时间、空间和真空场。在 10-35 秒、温度为

1028K 时，宇宙发生了一次爆涨，其直径在 10-32 秒内增大了 1050 倍。激剧的爆涨产生了数目惊人的粒子。但由于能量非常高，这时强作用、弱作用和电磁作用没有区别，都还是统一的一种力，而产生的粒子也没有区分。这一时期重子数不守恒的过程不断进行，造成重子略多于反重子。爆涨过后，宇宙继续膨胀，强作用、弱作用和电磁作用逐渐区分开来。当温度降至 1013K 时，夸克才结团构成质子和中子一类的强子。这时宇宙中除了质子和中子外，还有电子、光子、中微子、μ子、π介子、超子等等。大约在大爆炸后百分之几秒、温度降到 1011K 时，粒子的热运动能量远低于重子（中子、质子等）的静能，因此产生重子的反应停止了，短寿命的重子迅速衰变而消失，正反重子对也迅速湮灭，重子中只剩下一些质子和中子， 结果反物质也消灭了。

因中子与质子的静能之差不大，小于当时的热运动动能，所以两者容易和轻子反应而互相转化，质子和中子的数目几乎相等，它们和轻子、光子一起处于热平衡状态，这时轻子反应仍很强烈。

中子质量大于质子，随着温度的降低，中子转变为质子的过程将比逆

过程占优势，结果中子逐渐减少，质子逐渐增多。

（3）4 秒钟以后 温度降至 109K 以下。这样的温度不足以产生正反电子对，因此，正反电子对迅速湮灭。加上中微子温度降低，质子和中子之间的转变反应基本停止。这时中子数约占 14%，质子占 86%。

（4）3 分钟之后 温度降到 108K。这时热运动动能不足以破坏氘核， 于是中子和质子迅速结合成氘核，氘核又通过各种反应形成氦核。中子占14%左右，当中子全部和质子结合成氦核后，氦约占总质量的 28%左右。这时各种粒子在相互碰撞中，由于能量不够，不能相互转化（少量的湮灭除外）。因此，从这时起宇宙中各种粒子数的丰度就基本保持不变直到今天。这时宇宙的年龄大约为 30 分钟。今天实测的氦丰度和这一理论值非常一致，是大爆炸理论的令人信服的证据之一。

1. 随后的 100 万年 在大爆炸半小时后，大量正反粒子湮灭，产生了大量的光子、中微子和反中微子，这时宇宙中重子数与光子数的比约为10-9 以，当时的宇宙是光子的海洋。由于这时温度仍然很高，光子有足够的能量去击碎任何短暂形成的原子。但是，随着宇宙的膨胀，光子能量在不断减小，这是多普勒效应的结果。由于宇宙的膨胀，光子到达任何一点时，都将因退行引起的多普勒效应而使其波长变长而能量减小；由于退行速度随宇宙的膨胀而逐渐增大，这些光子的波长也就不断增大而能量不断减小。大约经过 100 万年，这些在大爆炸初期产生的光子的能量就降到了不足以击碎原子、甚至激发原子的程度，于是宇宙中的原子和光子变成了没耦合的两种独立组份。此后原子气体的变化将对光子气体不发生影响， 这时宇宙就进入了退耦代，宇宙变得透明。这时宇宙的温度约降到 3000K。从这时候起开始形成原子，最初是形成较轻的元素。较重的元素是在星系、恒星形成后，在恒星内部形成的。在恒星形成后，在各恒星的内部也就有各自不同的温度了。

从退耦代开始，宇宙中脱离了耦合的光子气体，叫做宇宙背景辐射场。这些大爆炸初期产生的光子，随着宇宙的膨胀，能量还在不断减小。伽莫夫提出 100 多亿年之后这种显示大爆炸遗迹的光子应该仍然存在，他还计

算出这种光子现在的波长应该是 1 毫米（即相当于无线电微波），这种光子相应的温度应该是 5K 左右。这一预言在 1965 年被美国贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯（A.Penzias）和威尔逊（R.Wilson）所证实，所以，大爆炸宇宙模型很快就成为人们公认的最好的宇宙模型，称为“标准模型”。

1. 今日宇宙 宇宙从大爆炸至今，大约已有 100 多亿年了。根据大爆炸宇宙学，很容易计算宇宙年龄的估计值。宇宙的年龄就等于哈勃常数H0 的倒数，即

大约 100 亿年～200 亿年之间。宇宙年龄的这个估计值，与放射性年代测定银河系中最古老星系的年龄相符，也和天文观测估算最老的球形星团的年龄一致。也可以说，所有已知宇宙间最古老星系物质的年龄，均不违背大爆炸宇宙学。这也是支持大爆炸宇宙学的观测事实之一。

宇宙从光子退耦代至今，差不多 100 多亿年了。在宇宙的演化史中， 这个阶段最长。在这个阶段开始时，宇宙中主要是气状物质，以后逐渐靠引力的作用及某些扰动引起气体物质的局部塌缩，逐渐发展成星云，再进一步收缩成星系、星团、恒星、行星⋯⋯直到形成我们今天看到的星空世界。

上面我们概略介绍了大爆炸宇宙学所描述的宇宙演化史，下面列出宇宙演化历史的大事表，其中有关 50 亿年前事件的时间标度，只能看作为假定，因为我们现在还不能精确知道宇宙的年龄。

从上可见，大爆炸宇宙模型，由于得到许多观测数据的支持，特别是3K 宇宙背景辐射预言的证实，更为大爆炸宇宙学奠定了非常可靠的基础。就在作者编写本书之际，又传来了支持大爆炸理论的最新成果，美国宇航局的“宇宙历史背景探测者”卫星发现宇宙最远的天区存在物质波动，这一发现对长期以来还没解决的星系、恒星形成理论是一个有力促进，对宇宙的大爆炸模型又提供了新的证据。当然，大爆炸模型尚未解决的疑难问题还很多，这些将有待人们进一步去研究，因此，宇宙学作为人类探索自然奥秘的重要前沿之一，它将继续激励人们的兴趣，争取对宇宙之谜的探索取得新的突破。

【宇宙微波背景辐射】

1978 年度的诺贝尔物理学奖，由两位美国的无线电工程师彭齐亚斯

（A.A.Penzias）和威尔逊（R.W.Wilson）所获得。瑞典科学院在颁奖的决定中指出：“彭齐亚斯和威尔逊的发现是一项带有根本意义的发现：它使我们能够获得很久以前，在宇宙的创生时期所发生的宇宙过程的信息。” 这样一个重要发现，称得上是哈勃定律以来宇宙学上最重大的进展，却是在无线电通讯的研究中完全偶然发现的。

1964 年，美国贝尔电话实验室在新泽西州荷尔姆德的克劳福德山上建起了一架巨大的喇叭形天线，这架不寻常的天线的特征是一个 20 英尺、具

有极低噪声的角状反射器。他们建立这架天线的目的是为了改善卫星通信的质量，提高通信的效率，消除各种噪声，或者至少查明各种噪声的来源。彭齐亚斯和威尔逊正是利用这架方向性很好的喇叭形天线来查明太空中各种原因的噪声，无线电工程师的行话就是测量天空的有效噪声温度。

无线电工程技术中所说的噪声，与日常生活中所谓的噪声不同，它指的是通信、广播中影响正常信号传递的各种无规则信号。例如，天线结构和放大器电路中，由于电路材料中导电电子的无规则热运动所产生的电路器件的固有噪声。一般来说，温度越高，电子的热运动越激烈，它的噪声也越大。因此，噪声的大小与温度有一定的对应关系。无线电工程上常用温度来标志噪声，对于那些不是由于热运动所造成的噪声，也用一个对应的“等效温度”来表示噪声辐射强度，即统一用“温度”来表示各种原因的噪声水平。

彭齐亚斯和威尔逊为了测量来自太空的微小噪声，首先采用方向性特别好的喇叭形天线以减少地面及周围的无线电干扰，他们设计的性能优良的天线，使地面噪声的贡献只有绝对温度 0.3 度。另外为了减少天线、接收器、波导管等电路对于噪声的贡献，他们用了一种称为“冷负载”的设备，将接收到的功率和一个浸在绝对温度为 4 度左右的液氦里的人工噪声源所给出的功率相比较，因为放大电路的噪声电平对于两种情况都是一样的，因此，在比较中就可以消除它，从而可以直接测量天线接收到的功率。

1964 年5 月进行了初步的测量。出乎彭齐亚斯和威尔逊的意料，在7.35 厘米波长的微波段上，扣除大气噪声、天线结构的固有噪声及地面噪声后， 最后还有 3.5K 的剩余噪声。为了找出这剩余噪声的来源，首先考虑的是天线本身产生的电噪声是否比预期的高。为此，彭齐亚斯和威尔逊仔细检查了天线金属板的接缝，赶走了曾在天线的喉部筑巢的鸽子，清扫了天线， 除去了鸽子巢居期间在天线喉部涂上的一层“白色的电介质”（鸽粪）。所有这些努力，均没有能消除这个剩余噪声。

从 1964 年到 1965 年，彭齐亚斯和威尔逊发现，这个消除不掉的噪声， 在一天之中没有变化，在一年四季也没有变化，且是一种与方向无关，亦无偏振的“稳定”不变的噪声。显然，这种噪声不可能来自人造卫星，不可能来自太阳或银河系，同样也不可能来自河外星系的某个射电源。因为， 以上这些来自某个辐射源的信号是有方向性的：当天线指向这个方向时， 接收到的信号就较强；背对这个方向时，接收到的信号就较弱。而实际测得的这些微波噪声完全不随方向变化，这就足以证明这些噪声一定不是来自任何一个射电源，它必定来自银河系之外的、更广阔的宇宙，它在各方向上分布均匀，弥漫于整个天空背景上，而它的等效温度为 3K 左右，彭齐亚斯和威尔逊就给它起名叫“3K 微波背景辐射”。但这种微波背景辐射究竟是什么原因造成的？他们无法回答。

这个神秘的消除不掉的微波噪声的来源及意义，很快从普林斯顿大学

的天体物理学家那里得到了解释。彭齐亚斯在一次完全偶然的电话联系 中，从朋友贝尔纳·伯克（BernardBurke 麻省理工学院的射电天文学家） 那里知道，普林斯顿大学的一个天体物理研究组不久前发表了一篇论文的

预印本，文中预言在 3 厘米波长的微波段，应当接收到温度为 10K 的噪声。彭齐亚斯与威尔逊很快就向这篇文章的作者、普林斯顿大学的物理教授迪克（R.H.Dicke）等人发出了邀请，并进行了互访。他们相信，彭齐亚斯和威尔逊发现的这一消不掉的噪声，很可能正是普林斯顿大学以迪克为首的研究组，已经理论预言、并正在努力寻找而还没有找到的东西。这次互访促成了两项完全不同研究目的的美妙合作，使贝尔电话实验室为提高卫星通信质量而进行的、非常实用的研究项目，意外获得了完全属于基础理论研究的、纯粹是宇宙学探索的一项带根本性的重大发现。

普林斯顿的天体物理学家究竟是如何作出这一预言的？彭齐亚斯和威尔逊的发现又为什么正好证实了他们的预言呢？这还得从大爆炸宇宙学说起。

我们已经知道，本世纪 40 年代末期，伽莫夫、阿尔发及赫尔曼根据河外星系光谱的红移现象，得出了宇宙膨胀的结论，从而提出了宇宙演化的大爆炸模型理论。

根据这一理论，宇宙起源于一次原始火球的大爆炸，由此宇宙不断膨胀，不断降温，从核子合成到元素生成，直至构成今天的世界。他们在 1948

年曾经作出过一个预言：宇宙经过 100 多亿年的不断冷却，到今天应当还留下 5K 的辐射背景。但是，由于当时大爆炸生成元素理论所遇到的一些困难，这些宇宙学的早期工作几乎没有引起人们的重视，并很快被人们遗忘。普林斯顿大学迪克等人也不知道伽莫夫等人的这一预言。但是，他们继承了大爆炸理论的思想。大爆炸宇宙学关于宇宙背景辐射的预言，同彭齐亚斯和威尔逊测到的结果正好相符。

为了进一步证明，彭齐亚斯和威尔逊所发现的微波背景辐射确实是宇宙早期一度处于热平衡状态时所遗留下来的辐射，科学家们提出了一个十分严格的检验办法。因为宇宙背景辐射来自宇宙一度达到的热平衡状态， 它应当具有热平衡物体辐射——黑体辐射的特征，即辐射能量随波长的分布应符合普朗克公式的黑体谱曲线。紧接着，彭齐亚斯和威尔逊发现，所测的背景辐射，强度随波长的变化恰好符合温度为 2.7K 到 3K 的黑体谱曲线。1990 年，根据人造卫星（Cobe 卫星）对于背景辐射的测量，给出了更加精确的符合温度为 2.7K 的黑体谱曲线。这次测量结果之所以引起人们的特别重视，原因是利用卫星才有可能精确测量到波长小于 0.1 厘米的红外波段的背景辐射，而在此之前红外波段背景辐射的测量是比较粗糙的。

当我们了解了微波背景辐射的来源后，就立即认识到这项发现的重要意义了。假如我们把宇宙学亦看作为一门考古学，那么，宇宙背景辐射就是 100 多亿年前，宇宙早期遗留下来的、被红移了的辐射“化石”。我们

从这一宝贵的“化石”中可以推出宇宙演化的许多历史事实。

从宇宙微波背景辐射的实测温度为 3K 这个关键性的数字，首先可以得到一个最重要的定量结论，即在宇宙早期，每个核子都伴随着 10 亿个光子，即核子数与光子数之比为 109，这个数字对于考察早期宇宙的历史是一个重要的数据。从这个数据出发，我们可以得出结论，星系和恒星的出现必然在宇宙温度降到 3000K 以下、中性原子形成之后。另外，从这个数据再往前推，我们又可以知道，在宇宙更早一段时间，必然是以辐射为主， 即宇宙中辐射所含的能量比物质所含的能量大得多。

宇宙微波背景辐射的各向同性，表明宇宙在大尺度上确实是非常均匀的。它也反映了在大爆炸后 50 万年的那个时候的均匀性，因为背景辐射正是在这一时刻发出的。这也说明星系、星系团等天体在那时，还没有一点要凝聚而成的迹象，因为假如当年等离子体状态的宇宙介质，已经有了集团的现象，那么今天的背景辐射也会出现某些可观察到的斑点。所以，混沌初开之时的宇宙，只能是均匀的等离子气体，星系等的凝聚肯定是在这以后相当长时间后的事情。

由此可见，宇宙背景辐射的发现极大地支持了大爆炸宇宙学。距今 150 多亿年前的事，居然可以作为理论预言，并被实际测量所证实，这是非常令人鼓舞的。大爆炸宇宙学终于赢得了人们的信任，确立了其应有的地位。

【宇宙的未来】

根据大爆炸宇宙模型，我们知道目前的宇宙正处在不断的膨胀之中， 而且可以肯定还会继续膨胀一段时间。至于宇宙以后的命运，是永无止境地一直膨胀下去呢？还是有一天会不再膨胀而收缩呢？宇宙收缩的可能性是存在的。我们知道，宇宙膨胀根据现在的理论，并不是由于任何种类的斥力，而是过去的大爆炸给它的速度所留下来的效应。而宇宙是一个引力作用体系，由于引力的作用，这个速度正在逐渐降低，天文学上可以测出这个减速度的量——减速参数，只是目前认为这个减速参数不够大，不足以使宇宙收缩。那么宇宙继续膨胀或可能收缩，究竟和现时宇宙的什么特征有关呢？根据广义相对论，它决定于宇宙的密度是大于还是小于某临界密度。

这一决定宇宙命运的临界密度，又与什么量有关呢？究竟等于多大？ 我们可以作一简单推算。

考虑一个由星系组成的、半径为 R 的球（设此半径 R 大于星系团之间的距离，小于任何表征宇宙作为一个整体的距离），这个球的质量是球的体积乘以密度ρ，即

根据牛顿万有引力定律，球面上任何星系的位能为

式中 m 为该星系的质量，G 是牛顿引力常数

球面上星系的速度可由哈勃定律给出

υ=HR， 式中 H 为哈勃常数。因此该星系的动能为

星系的总能量则为 E=U+Ek，即

这个星系的总能量在宇宙膨胀时应当守恒。因为动能永远为正，而位能在无限远处可忽略不计。因此，可能出现三种情况：

E＞0，表示星系可以逃逸至无限远处，而且还有剩余动能； E＜0，表示星系不可能逃逸至无限远处，在某有限远处即返回； E=0，表示星系正好能逃逸至无限远处，而耗尽动能，使其速度为零。

因为 E=0，这时有

其密度ρ的值，即为临界密度值

这个结果虽然是用牛顿力学定律推出的，但只需把密度ρ理解为宇宙总能

量密度除以 c2（c 为光速），即与用广义相对论计算结果一致。

设 H 是目前的公认值，为 15 公里每百万光年·秒，而每光年为 9.46

×1012 公里，于是有

因为每千克有 6.02×1026 核子，所以，目前算出的临界密度相当于 2.7 个核子每立方米。

现在，我们可以根据现时宇宙的平均密度与以上临界密度相比较来判断宇宙的前途。但是测量与估算现今宇宙物质的平均密度却是相当复杂而困难的。因为对于星系质量，目前主要通过它的光强（包括无线电波、X

宙中除了发光的星体外，还有许多不可视物质（或暗物质），这包括宇宙尘、黑洞、中微子等。而且根据粒子物理理论，可以认为宇宙中非重子暗物质是宇宙的主要组份。比如，假如中微子有质量，只要它具有电子质量的十万分之一，那么它们的总质量就会比所有质子和氦核的质量大。但目前实验不能确定中微子有质量。前苏联物理学家曾宣称测到了中微子质 量，但测量不能重复，所以没有被大家承认。天文学家相信，宇宙中主要是不发光物质，例如在银河系内可能有 80%～90%的物质是不发光的。如果这样，宇宙就可能收缩。

另一个线索却相反，表明现今宇宙的密度不是太大。这主要根据宇宙中氘的丰度来推算宇宙的物质密度。根据大爆炸模型，在大爆炸后 3 分钟终了时，宇宙中除了产生大量的氦以外，还产生出极少量的氘。如果我们知道了恒星形成之前的原始氘丰度值，就可以精确地确定光子与核粒子的比值。然后，根据目前的背景辐射温度为 3K，就可以精确定出宇宙现在的物质密度。可惜要确定真正的原始氘丰度又是非常困难的，因为我们可能测到现今宇宙的氘丰度，但与原始宇宙的氘丰度有很大的偏差。比较正确的测量值是利用人造卫星进行紫外观测。1973 年哥白尼号人造卫星携带一个紫外光谱计以测量半人马座热星β光谱的吸收线（其中一条由星际云中的氘引起），测量结果得知星际介质包含有百万分之二十的氘（按重量计）。以后对别的热星进行紫外观测，也得到相似结果。假如这 2×10-5 的氘真的是早期宇宙产生的，则可算出，那时（现在也是）光子与核子的比值为11 亿比 1，这样算得现时宇宙的密度只有 0.5 个核子每立方米，这大大低于临界密度。1990 年 4 月，美国“发现”号航天飞机送入太空的哈勃望远

镜，所测得的新数据，在 1992 年 1 月宣布了，星际空间的氘只有百万分之十五，那就更低了。所以，根据这一数据，宇宙将永无止境地膨胀下去。

宇宙的未来命运究竟是什么？是膨胀还是收缩？目前从理论到观测 值，还不足以肯定回答，我们只能期待将来的研究。然而，不论是膨胀还是收缩，宇宙的命运只能是悲剧性的，它面临着或者是无限冰冷的、或者是炽热难忍的末日。当代理论物理学家、诺贝尔奖金获得者温伯格说过“宇宙越可理解，也就越索然无味”。

歌德说过：“一切产生出来的东西，都一定要灭亡”。宇宙作为一个具体的物质过程也一样，有生有灭。但是正如恩格斯所说“我们还是确信： 物质在它的一切变化中永远是同一的，它的任何一个属性都永远不会丧

失，因此，它虽然在某个时候一定以铁的必然性毁灭自己在地球上的最美的花朵——思维着的精神，而在另外的某个地方的某个时候一定又以同样的铁的必然性把它重新产生出来。”