主题：【文摘】趣谈物理学的革命和统一 -- 夏翁

6-1.光谱与宇宙尺度

1814年德国物理学家夫朗和费（J. von Fraunhofer）制成第一架光谱仪来观测太阳，发现太阳的光谱中有许多暗线。1859年德国的另一位物理学家基尔霍夫（G. R. Kirchhoff）在研究火焰和金属蒸气光谱的过程中发现，每种元素都有其特征光谱。通过对比夫朗和费得到的太阳光谱，基尔霍夫认定太阳上拥有许多地球上的常见元素。1868年英国天文学家洛克耶（J. N. Lockyer）在观测日全食过程中日珥的光谱时，发现其中有一条橙黄色的明线与当时已知元素的任何谱线都不相合。他推断这条谱线一定来自一种地球上不存在而太阳中特有的元素，他把这种元素命名为“氦”（Helium，来自希腊文的“太阳”Helios）。26年后，英国的化学家拉姆塞（W. Ramsay）才从地球的矿物中找到了氦。氦的发现，是继牛顿万有引力定律后又一次证明天地之间的统一性。有趣的是法国的实证论哲学和社会科学创始人孔德（A. Comte）曾于1856年断言，人类永远不能了解天体的化学成分。

同在1868年，英国的天文学家哈金斯（W. Huggins）发现有些恒星的光谱与地球对应元素的光谱有细小的位移。如果不是在1842年奥地利数学和物理学家多普勒（C. J. Doppler）已经发现以他命名的“多普勒效应”，上述发现倒也可以认为天上和地下确有不同。“多普勒效应”是说，光源相对于观察者的运动会使观察者看到光振动频率的变化，反映到光谱上就是上面所说的位移。反过来，精确测量上述位移的大小，便可推知恒星相对于地球的速度。观测计算的结果则令严格的语义学家们哭笑不得：大多数恒星相对于地球的速度比子弹快得多，而恒星的本意是恒定不动的星。

十九世纪下半叶，德国的基尔霍夫，意大利的赛奇（A. Secchi）和英国的哈金斯等人率先研究恒星光谱，由此得知恒星是和太阳一样挚热的天体。他们同时也注意到了宇宙中的恒星有多种不同的光谱。早在十八世纪，我们上文提到的哲学家康德就提出银河与众多的恒星形成一个大的天体系统：银河系。利用1912年美国女天文学家莱维特（H. S. Leavitt）发现的变星周光关系，美国天文学家沙普利（H. Shapley）证实了银河系为直径8万光年，厚度为3千到6千光年的大圆盘。而太阳则是远距银河中心3万多光年的一颗极普通的恒星。

在人们观测恒星的同时，早就注意到一些云雾状的天体，并把它们命名为星云。有关星云的真相一直是个谜。早在18世纪就有人猜测星云是象银河那样的恒星系统。但是因没有令人信服的证据而不被接受。1924年美国天文学家哈勃（E. P. Hubble）利用1912年美国女天文学家莱维特（H. S. Leavitt）发现的变星周光关系证实了大多数星系存在于银河系之外。天文学家是怎样知道遥远的星系相对于我们的距离呢？根据有关原子核物理学、粒子物理学、光度学等方面的知识，一定大小恒星的核反应过程的途径和速度是确定的，因而它们发出的光强度也是确定的。地球上所观测到的光强度与该恒星距地球的距离的平方成反比。

20年代初，美国天文学斯莱弗（V. M. Slipher）用光谱的多普勒效应测定了41个星系的视行速度，得出有些星系以每秒300公里的速度趋进我们，有些星系则以每秒1800公里的速度远离（蓝移）我们。但是大多数都是远离（红移）我们。1929年哈勃分析了他已经测定了距离的24个星系发现：星系的红移与它们距地球的距离成正比。1931年哈勃等有得到了8个更遥远星系的红移资料，它们远离地球的速度已经达到每秒20000公里，但是仍能保持良好的线性关系。根据哈勃的发现我们可以测出星系光谱的红移量来推断该星系相对于我们的距离，从最近的测量得知我们所能看到的宇宙大小约为150亿光年。光年是光在真空中行走一年穿过的距离。如果用我们熟知的尺度单位厘米计算，我们的宇宙尺度为10^29 厘米。

6-2.宇宙大爆炸

宇宙学是从整体上研究宇宙的性质、结构和演化的学问。尽管牛顿力学成功地解释了行星和地球绕太阳运转的规律，但是对遥远的恒星运动的规律和整个宇宙的结构则无能为力。真正把宇宙学变为一门科学，肇始于前面讲到的爱因斯坦的广义相对论。1917年爱因斯坦提出了以广义相对论为基础的引力场方程，为了得到一个解来描述当时认为是静态的宇宙，他还人为地引入一个常数。同在1917年，荷兰天文学家戴西特（W. De Sitter）根据爱因斯坦的场方程，求出了一个不断膨涨的宇宙模型。因该宇宙中的物质平均密度为零，该模型也属静态宇宙模型。1922年苏联数学家弗里德曼（Fridermann）把上述场方程用来解决宇宙结构时去掉了爱因斯坦人为引入的常数，得到了第一个动态宇宙模型。1927年比利时天文学家勒梅特（G. Lemaitre）证明了爱因斯坦和戴西特的模型是一种模型的两个极端情况，并提出了大尺度空间随时间而膨涨的学说，建立了常质量而增尺寸的动态宇宙模型。

在哈勃定律发现不久，那位因证实爱因斯坦广义相对论预言光线在引力场中会弯曲的英国天文学家爱丁顿就指出，哈勃定律支持膨涨的宇宙模型。1932年勒梅特提出整个宇宙所有的物质最初是聚集在一个原始原子中，后来发生了大爆炸，我们今天看到的星系就是大爆炸的碎片。

借助光谱分析，人们进一步得知所观察到的宇宙中物质质量的99％是氢与氦。氢与氦的质量比例为3：1，氦的比例远远大于恒星演变过程中所应该产生的比例。据此在1946年俄国出生的美国物理学家盖莫夫（George Gamow）利用当时已知的亚原子粒子的知识提出热大爆炸的宇宙模型。盖莫夫认为，宇宙起源于高温高密度的原始物质，最初温度高达几十亿度，只有亚原子粒子和辐射存在。在宇宙膨涨的过程中温度逐渐下降，几分钟之内形成元素氢与氦。当膨涨持续了100多万年后，温度降至4000K而形成了我们今天看到的星云。1948年盖莫夫的学生阿尔发（R. A. Alpher）等根据盖莫夫的模型算出，在150亿年前热大爆炸之后的余烬应表现在今天温度为5K的背景辐射。也许是这些想法太具革命性，没有被广泛的接受。在这之后，一些著名的天文学家不断醉心于静态的宇宙模型构建，如著名的霍尔静态宇宙模型。

1964年，一个偶然的发现促使人们回到了热大爆炸的宇宙模型。这一年五月，贝尔实验室的彭奇亚斯（A. A. Penzias）和威尔逊（R. W. Wilson）为了改进地面与通讯卫星的联系，调试新建立的一套灵敏的天线接收系统。他们发现在波长为7.35厘米处存在一些消除不去的噪声，经过将近一年的研究也不得要领。在1965年初他们访问离他们实验室不远的普林斯顿大学后终于意识到这些噪声就是近20年前预言的宇宙背景辐射（7。35厘米的微波波长相当于约 3K^0宇宙背景辐射），因为普林斯顿的迪克（R.Dicke）此时正在重新考察盖莫夫的宇宙模型。为了确证这一想法，他们又精密测量了太空间75厘米到0。3毫米之间的电磁辐射分布，发现宇宙背景辐射的分布完全符合温度为 黑体辐射的分布。从此热大爆炸的宇宙模型被公认为是最精确和令人满意的宇宙图象理论。上述二人获得了1978年的诺贝尔物理学奖。1989年美国发射的宇宙背景探测器以更高的精度证实了以上测量。另外COBE的探测结果还显示了宇宙背景辐射的微量的不均匀性，为暴涨宇宙模型提供了证据。暴涨宇宙模型是为了解释现今我们看到的平直宇宙结构而提出的一种极早期宇宙行为的模型。该模型认为极早期的宇宙在各种相互作用从统一中分化时产生的过热真空负压力在极短的时间内极大地扩展了宇宙的尺度。

6-3. 黑洞

按照大众一般的理解，黑洞是爱因斯坦广义相对论中的明星。其实，早在1796年，法国科学家拉普拉斯（P．S．Laplace）根据牛顿力学就曾预言：若一个密度与地球一样，直径比太阳直径大250倍的发光星体，它的光线在它引力的作用下传不到我们这里；这样一来宇宙中最大的发光星球可能由于质量太大而成为看不见的星体。然而这一预言却没有引起人们的注意。

到了1916年， 爱因斯坦在黎曼几何学的基础上构造出了广义相对论的引力场方程，同年被德国天文学家史瓦西（Schwarzschild）找出了一个解。这个解说明当一个质量足够大的天体在引力的作用下会不可阻挡地塌缩成一个奇点。在该奇点为中心的一定半径内的任何物质，包括光信号只可以传入，而不能传出。显然满足拉普拉斯预言的“黑洞”。这样的黑洞称为史瓦西黑洞。1963年，澳大利亚的克尔(Kerr) 对确定质量，角动量、电荷的天体也得到了黑洞解。此解只依赖上述三个参数：质量、角动量和电荷，被称为黑洞的无毛定理。到此为止是广义相对论的话语。

　　　使量子论在黑洞里开始有了话语权的机会是来自惠勒（Wheeler）的妖怪：如果黑洞外面的物质进入黑洞，而黑洞中连光也不能发出，则我们无法得知进入黑洞物质的熵是增加还是减少；但是黑洞外的世界由于失去了这些物质，其熵的确是减少的。那末热力学第二定律还成立否? 惠勒的学生贝肯斯坦（Bekenstein）为此断言黑洞一定有熵存在。只不过该熵很特别，它正比于黑洞的面积。根据是1971年霍金（Hawking）证明的任何黑洞视界的表面积不减少，而且在动力学过程中增加。

　　而霍金在1974年更进一步，运用量子论于黑洞表面让黑洞长出了毛：黑洞会有量子辐射，其能量谱是黑体谱。

　因为根据量子场论，真空中不断自发地产生虚的正反粒子对，若其中的一个不幸在黑洞视界里面一侧，则它就会被拉向深渊，另一个在黑洞视界外面一侧的则又可能投奔自由。整体上看就象黑洞在蒸发。黑洞蒸发现象到目前还没有被观测到，另外最近一位名叫Adam D. Helfer的人收集了大量的材料来质疑黑洞蒸发现象的合法性。

　　6-4.宇宙的命运与暗能量

宇宙膨涨是说宇宙的星系间在不断地相互远去。就象正在吹起的气球上任何两点间的距离不断增大一样。既然我们的宇宙在不断的膨涨，最终我们要落入寒冷的宇宙孤岛之上。有什么力量能阻止这种灾难呢？爱因斯坦的广义相对论告诉我们，只要有足够多的物质或能量就成。不幸的是人们想尽各种方法所观测到的物质和能量还不到所需要量的三分之一。焦急的物理学家们不顾一切地发明各种各样有质量的奇异粒子来当此重任，但都还没有实验的证据。最近用哈勃望远镜的观测结果则可能会使不希望宇宙过分膨胀的科学家们接近绝望：宇宙不但在继续膨胀，而且还是在加速地膨胀。现在唯一可被接受的解释是宇宙绝大部分的能量竟然都是以暗能量的形式存在！这就是爱因斯坦场方程中的常数项，即爱因斯坦的宇宙常数。该常数是说，宇宙间无所不在的真空中的能量不为零，单位体积中能量的大小不会随宇宙的不断扩大而变化，这种能量现在不但不帮我们阻止宇宙膨胀，相反地它致力于把我们抛向漫无边际的宇宙空间。后面我们还会提及宇宙常数，读者现在可以放心的是不管宇宙最终会怎样，我等网民，当然也包括所有最高贵的帝王将相们，在最近几十亿年的将来不用发愁：我们有足够的时间相互亲热，缠斗，厮杀和毁灭。