从牛顿定律到爱因斯坦相对论-13

λ0大。通常用z =λ.λ0λ0 来表示红移的大小。z称为红移量。从这种红移的特征看，它可能是由多普勒效应引起的。所谓多普勒效应是指当光源相对于观测者有运动时，观测者收到的谱线波长与光源静止时发射的谱线的波长有差别。如图11-4，一个光源A向着观测者运动，另一个光源B远离观测者运动。如果两个光源A和B本身发射相同波长的光，波图11-4 多普勒效应长是λ0，那么观测者收到的光，波长都不相同。他看到A光源的波长λA要比λ0小，而B光源的波长λB要比λ0大。通常·125·称称而B光源的波长红移了。相对速度越大，红移或紫移越厉害。采用多普勒效应的机制来解释河外星系的红移，那就表示河外星系正在远离我们。哈勃还发现，河外星系红移量的大小同其距离有关。距离越近的星系红移量越小，距离越远图11-5 距离越远的星系，远离我们的速度也越大的星系红移量越大（见图11-5）。这个性质通常叫做哈勃关系。它是表示越远的星系远离我们的速度也越大。这一切都符合膨胀宇宙的预言。哈勃研究的星系，红移量还都比较小。都在z < 0.003的范围。哈勃之后的几十年来，已经发现了许多大红移的星系。在目前已知星系中最大红移已经达到z ～1。在这样大的范围中哈勃关系仍然成立。至今观测的结果都符合膨胀模型的预言。·126·宇宙膨胀观念彻底改变了宇宙学上一种传统的观念，就是认为在“大”尺度上的天体，应当处在静态。换句话说，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是零。形成这种观念是有客观根源的，因为我们肉眼常见的天空景象，除了东升西落之外，几乎看不见其它的变化。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的。但是由于他觉得大尺度的运动是不能接受的，所以他甚至不惜修改引力场方程，以给出一个静态模型。红移现象发现之后，他对他自己原来的做法深表后悔，本来宇宙膨胀是他的广义相对论的一个自然结果，可是他却放弃了它们。后来爱因斯坦曾说，这是他“一生中最大的错事”。宇宙膨胀观念彻底改变了宇宙学上一种传统的观念，就是认为在“大”尺度上的天体，应当处在静态。换句话说，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是零。形成这种观念是有客观根源的，因为我们肉眼常见的天空景象，除了东升西落之外，几乎看不见其它的变化。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的。但是由于他觉得大尺度的运动是不能接受的，所以他甚至不惜修改引力场方程，以给出一个静态模型。红移现象发现之后，他对他自己原来的做法深表后悔，本来宇宙膨胀是他的广义相对论的一个自然结果，可是他却放弃了它们。后来爱因斯坦曾说，这是他“一生中最大的错事”。如果宇宙是膨胀的。那么，昨天的宇宙应该比今天的宇宙更小，物质也更密集一些。所以，在宇宙的早期，可能是一种非常密集的状态。那时候物质密度非常之高，完全不同于我们今天看到的星空世界。沿着这条线索来研究宇宙中物性的演化历史，称为大爆炸宇宙学。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。具体地说，大约在一百多亿年前，开始发生大爆炸过程。当时，宇宙间物质密度比原子核的密度还·127·要大，温度也极高，达到万亿度以上。爆炸初期宇宙间的物质形式是各种各样的粒子，例如中子，质子，电子，光子，中微子，μ子，π介子，超子等等。这些粒子不断地碰撞，并相互转化。整个宇宙基本上处于热力学平衡之中。例如，电子与正电子互相碰撞湮灭成一对γ光子，同样γ光子相互作用而产生一对电子和正电子。这些过程在一秒钟内可能发生几十亿亿次，但每一种反应都与相反的反应达到平衡。这是我们宇宙的极早期。这个极早期是非常短暂的，也许不到一分钟。由于整个体系在不断地膨胀，温度迅速下降，宇宙演化进入了下一阶段。在这个阶段中，中子开始失去自由存在的条件，中子要么发生衰变，要么它与质子结合成重氢、氦等元素。宇宙中的化学元素就是在这一时期才开始形成的。这一阶段的时间大约是30分钟，温度在一亿度左右。在高温阶段的几十万年的时间里，宇宙中的热辐射是十分强的。热辐射和其它粒子处于平衡状态。过了这个阶段之后，物质密度降低，特别是温度降低到了几千度以下时，热辐射与其它粒子的作用才大大降低，热辐射大体不再受物质的影响，可以自由地传播。这种自由的热辐射，随着宇宙膨胀温度也逐渐降低。但是，还保持着原来的热辐射的特点(1)。热辐射与其它物质间的相互作用减弱之后。到现在，大约(1)在一定的温度，如果处于热平衡，以辐射强度按其频率有一定的分布，具有这种频率分布特性的辐肘，叫做热辐射。·128·已有一百多亿年了。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。以后逐渐发展出星云，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。已有一百多亿年了。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。以后逐渐发展出星云，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。有哪些事实支持热大爆炸宇宙学呢？图11-6 热大爆炸宇宙学所描述的宇宙演化的几个主要阶段·129·天体的年龄天体的年龄测定天体年龄的一种方法是利用放射性同位素。例如，铀有两种同位素，235U及238U。它们都具有放射性的，但半衰期不同，前者为7亿年，后者为45亿年。由于235U衰变得快，所以随着时间的推移，235U的含量就要越来越比238U少。根据235U与238U的含量比值，我们就可以估算天体的年龄。用这种放射性年代学方法得到太阳系的年龄大约是45亿年。而太阳系中的铀元素大约是在50亿年到110亿年之前产生的。另一种测定年龄的方法，是利用球状星团。球状星团是由上百万颗恒星组成的体系。我们可以测量其中各个恒星的辐射强度和它的表面温度。用这些数据画一张图，图中横坐标是表面温度，纵坐标是辐射强度（又称光度）。把球状星团中的各个恒星点标在图上，就会发现，对于不同的球状星团，有不同的分布（见图11-7），根据恒星演化的理论，不同的形状实质上表示不同的年龄。图11-7中的顺序就是按年龄增长来排的。利用这些图可以测定球状星团的年龄。最老的球状星团大约都在90亿年到150亿年之间。所有这些结果都不违背大爆炸宇宙学的要求。·130·图11-7 球状星团的赫罗图微波背景辐射大爆炸理论还预言宇宙中应当找到早期留下来的热辐射。它是宇宙温度的标志。1965年美国贝尔电话公司的彭齐斯和威尔逊从事装置人造卫星通讯地面站的工作。他们发现总有原因不明而且消除不掉的“噪声”干扰他们的接收器。当时他们的工作波长是7.35厘米。后来，这个消息被普林斯顿大学的天体物理学家得知，他们判断，这就是热大爆炸理论所预言的宇宙辐射。因为这种辐射弥漫在整个空间中，所以形成不可能消除的“噪声”。近十几年来，对这种辐射反复进行测量，的确证明它们是相当均匀地分布在宇宙空间中的一种热辐射，其温度大致为·131·绝对温度三度。这是对大爆炸宇宙学的又一个支持。绝对温度三度。这是对大爆炸宇宙学的又一个支持。天然的化学元素有九十多种，它们在自然界中的含量是很不均等的。从天体的尺度看，氢与氦是最丰富的元素，二者之和占总质量的99%，其余的元素仅约占1%。此外，对宇宙学特别有意义的是，在许多不同种类的天体上，氢含量与氦含量之比竟是大体相同的，即按质量二者之比约为3比1。下表给出一些星系氦含量（称为氦的丰度）的数值。星系银河系小麦云大麦云M 33NGC 6822NGC 4449NGC 5461NGC 5471NGC 7679氦的丰度0.290.250.290.340.270.280.280.280.29氦丰度问题在天文学里长期得不到解释。一方面不能解释为什么不同天体具有相同的氦丰度，另一方面也不能解释为什么其值是～30%。大爆炸宇宙学可以定量地解释氦丰度问题。因为，在宇宙早期高温的几十分钟里，生成氦元素的效率很高。根据宇·132·宙膨胀速度的测量，以及热辐射温度的测量，我们可以计算出宇宙早期产生的氦丰度。这个数值恰好是30%。这就是说，今天我们看到不同天体上都约有30%的氦，这可能正是一百多亿年前的一次事件所留下来的痕迹。大爆炸宇宙学是正在发展中的一个宇宙学派。除了上述的成功，它还有一系列待解决或未解决的问题。不管怎么说，通过从经典宇宙学到现代宇宙学这些认真的实践和思考，今天，我们居然有一定的办法，来判断一百多亿年之前的许多事件。这不能不被看做人类认识力量的巨大成功。·133·第十二章爱因斯坦之后第十二章爱因斯坦之后回顾从亚里士多德到牛顿再到爱因斯坦的科学发展进程，似乎可以看到自然科学的一个执着不变的追求：企图找到支配各种过程的统一规律，企图发现不同形态的物质的统一起源。亚里士多德早就提出过，千变万化的世界源于一种事物，称之为物元（ylem）。不过，那只是一种哲学性的猜想。真正具有科学性的第一次统一，就是牛顿发现万有引力定律，这是支配天体运行和地面落体运动的共同规律。这一点，在第一章中已经讲过了。第二次的大进展是由十九世纪的麦克斯韦完成的，他建立了电磁理论，使电、磁及光现象得到了统一。爱因斯坦在建立了狭义相对论和广义相对论之后，用了整个后半生的精力去寻找引力和电磁的统一。他曾经说：“……但是还不能断言，广义相对论中今天可看作是定论的那些部分，已为物理学提供了一个完整的和令人满意的基础。首先，出现在它里面的总场是由逻辑上毫无关系的两个部分，即引力部分和电磁部分所组成的。其次，象以前的场论一样，·134·这理论直到现在还未能提出一个关于物质的原子论性结构的解释。”这理论直到现在还未能提出一个关于物质的原子论性结构的解释。”大统一和宇宙的极早期到六十年代末，我们已经认识到，字宙中的所有物理对象可以分成两大类，一类称为“物质”；另一类称为“相互作用”。前者如夸克、电子、中微子等等；后者如引力、电磁力等等。在目前的宇宙中，基本的相互作用只有四种，按其强度的排列顺序是：强子参与的强相互作用、荷电粒子参与的电磁相互作用、强子和轻子都参与的弱相互作用以及最弱的任何粒子都参与的引力相互作用。然而，那时各种相互作用的理论各自单独地发展，缺乏相互联系。其中以强相互作用和弱相互作用的理论最不能令人满意，因为这些理论的计算结果中有许多无限大，曾用许多方法试图消除这个困难，但都没有成功。·135·到到这一成功启示人们进一步去寻找更大的统一理论，即把强作用也同电磁作用和弱作用统一起来。这通常称为大统一理论。目前大统一的方案有很多，还不能说哪一个已经得到了决定性的证实。证实这些理论的困难是有关的实验太难作了。大统一理论中有一个基本观念，即认为强作用的藕合强度随着能量的增高而逐渐减小，电磁作用的藕合强度随着能量的增加保持不变，而弱作用藕合强度则随能量的提高而变大。几方面达到相等的能量约为1024电子伏（约为1012尔格）。1024是太高了，指望用加速器来做这种高能实验，似乎是永远不可能的。今天的加速器在质心系中的能量约为1011电子伏，下一代可望达到1013电子伏，这个能量对检验温伯格-萨拉姆的弱电统一理论是很有意义的，但对大统一理论来说仍是太小太小了。什么地方才能找到如此大的能量？也许，在我们生存于其中的宇宙里，只有在大爆炸的极早期曾经有过能量尺度为1024电子伏的粒子过程。这样，极早期宇宙，即宇宙年龄小于10-6秒的一瞬间，可能是检验大统一理论、弱电统一理论的高能行为的唯一“实验室”。这就是最近以来粒子宇宙学迅速发展的直接起因。·136·粒子宇宙学中最有兴趣的一项进展就是用大统一理论来解释粒子及反粒子之间的不对称起源。如果要仔细地讨论这个问题，那就会离开本书的主题太远，这里只概要地讲一讲它的意义。1928年，狄拉克建立了电子的相对论性量子理论，1932年由于正电子的发现而被证实。从此人们相信，宇宙间存在粒子以及相应的反粒子，粒子和反粒子的各种性质都是相互对称的，并进而推断，粒子和反粒子在宇宙中的含量也应当是对称的。可是，天文观测的结果却相反。在今天的宇宙中，粒子的含量远大于反粒子的含量，这被称为粒子和反粒子的宇宙不对称。