一、奥伯斯佯谬的启示

夜晚的天空为什么是黑色的？1826年，德国天文学家奥伯斯注意到这样一个事实，从当时的宇宙学理论出发，假设宇宙是由无数明亮的星系构成，它们均匀地分布在无限的宇宙空间，那么，无限多的星光总和完全可以照亮天空，因此夜空应该是明亮的。然而，事实上，地球上的夜空背景却是黑暗的，理论推断与实际情况不符，这就是著名的奥伯斯佯谬问题。

早在1610年，德国著名天文学家开普勒就曾提出过这一问题，英国天文学家哈雷也对此提出过疑问，只是奥伯斯对这一问题做了较为系统的研究。奥伯斯认为，夜晚的天空之所以是黑色的，完全是由于星际消光的影响，遥远恒星的光在射向地球的过程中，被星际物质和尘埃吸收了，所以夜晚的天空没有被星光所照亮。然而，进入二十世纪的天文学研究表明，如果星际物质和尘埃吸收了那么多的能量，它们必然要变热而发光，这样恰恰证明奥伯斯佯谬问题不是荒谬的。

随着现代宇宙学理论的发展，天文学家们又找到了一些新的理由来解释奥伯斯佯谬问题。1929年美国天文学家哈勃发表了《河外星云距离与视向速度的关系》一文，正式提出了星系退行的宇宙学观点，指出整个宇宙正在膨胀，所有星系彼此都在以巨大的速度相互分离。根据这种论断，一些天文学家认为，来自遥远恒星的光发生了大幅度红移，在退行过程中丧失了能量，因此我们只能看到附近明亮恒星的星光，但却看不到远处恒星的光芒。

但是，大多数天文学家们更倾向地认为，有限的星系年龄才是解决奥伯斯佯谬问题的关键。如果恒星从星系诞生的时刻起就开始发光，由于光速是有限的，那么星光在空间的传播距离也必然是有限的。这是一条普适原则，宇宙中所有发光体都在遵循着这一规律。因此，就可以得出这样一个结论，宇宙中所有天体发出的光，在有限的时间内，还不能在宇宙空间中共同织造出一个均匀的辐射背景，所以夜晚的天空没有被星光所照亮。

计算结果表明，星际空间的明亮程度，主要取决于星系寿命和光的传播速度，而星系的退行对辐射强度的影响，则是微不足道的。

对奥伯斯佯谬问题的认识和解答，给人以这样一个启示，就是星系的年龄是有限的，进一步说由星系构成的宇宙，其年龄也是有限的。宇宙从诞生演化至今，所经历的时间并不是无限的，它也应该有一个起点。正是由于人们对宇宙起点的探索，所以在二十世纪出现了丰富多彩的宇宙演化学说。

二、二十世纪宇宙学

曾几何时，人类对宇宙的认识是如此的肤浅，从十八世纪到十九世纪，牛顿的无限宇宙模型在宇宙学理论中占据了统治地位。这一模型认为，宇宙在时间上是永恒的，没有开端和起点，在空间上是无限的，没有边缘和界限。假如有谁提出宇宙的时间和空间是有限的，那么很难想象，在宇宙诞生之前自然界是一个什么样子？宇宙边界之外又存在着什么？

1917年，爱因斯坦发表了《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》一文，文中他提出了现代宇宙学的第一个宇宙模型，即有限无边的静态宇宙模型。在这个模型中，爱因斯坦预先做了一个“近似性假设”，认为从大尺度来考察，宇宙间的物质是均匀分布且是各向同性的。这一假设后来成为许多现代宇宙模型的前提，并被称为“宇宙学原理”。这一原理可进一步表述为：宇宙中没有任何一点具有优越性，所有的位置都是平权的。

静态宇宙模型认为，宇宙一直保持静止不变。爱因斯坦通过求解广义相对论的引力场方程，提出了“静态、有限、无界”的宇宙学观点。所谓“静态”是指从大尺度来考察，宇宙空间中的物质基本上是静止不动的；而“有限”、“无界”则是指我们的宇宙空间是三维的黎曼空间，它的大小有限，光线在黎曼空间内的传播是弯曲的，始终不会有它的终点，即这个空间没有边界。爱因斯坦还假设，宇宙间有一股“斥力”，因与万有引力作用相抵消，因此使宇宙保持不变。

同年，荷兰天文学家德西特也提出一个静态宇宙模型，他认为宇宙空间不随时间而变化，但宇宙物质却存在着运动，物质的平均密度趋于零。

1922年，前苏联数学家弗里德曼发表了著名论文《论空间的曲率》，重新求解了爱因斯坦的引力场方程，建立了弗里德曼宇宙模型。他指出，这一方程是多解的，即存在着爱因斯坦模型、德西特模型那样的静态解，也存在着两类膨胀解和一类振荡解。此后，人们对弗里德曼宇宙模型做了进一步研究发现，宇宙究竟是单调膨胀还是振荡，关键取决于宇宙内物质平均密度ρ与临界密度ρc的比值。目前已从理论上推算出临界密度ρc=4.7×10-30克/厘米3，但是迄今仍未能确定比值ρ/ρc 。

1927年，比利时天文学家勒迈特通过求解引力场方程，也建立了一个膨胀的宇宙模型，他把当时已观测到的河外星云光谱普遍性红移现象，解释为宇宙膨胀的结果。

1929年，美国天文学家哈勃发表文章指出，河外星云的谱线红移与它的距离成正比。也就是说，越远的星系正以越快的速度远离我们而去。距离与退行速度成正比，这就是著名的哈勃定律。哈勃定律的发现，使弗里德曼、勒迈特等人膨胀的宇宙模型在二十世纪三十年代盛极一时。

1948年，英国天文学家霍伊尔、邦迪和戈尔共同提出了稳恒态宇宙模型。稳恒态宇宙模型以完全宇宙学原理（空间、时间都高度均匀）为前提，认为宇宙状态应该是始终保持不变的。但由于宇宙的膨胀，星系间平均距离不断增大，势必导致物质分布密度变小，这就要求在引力场方程中引进物质的创生项，以保持密度的连续稳恒状态。

稳恒态宇宙模型拒绝宇宙有一个开端，实际上是静态宇宙模型考虑膨胀因素的修正版。它没有起源困难，但怎样使这种宇宙物质源源不断地产生出来，则令人费解，这一过程违反了质能守恒定律。另外，它难以解释微波背景辐射，目前星系分布情况和射电源计数情况与该理论所预言的也不相符。九十年代初，尽管准稳恒态宇宙模型对这一理论进行了修补，但是，在此模型中，近似无限长的宇宙年龄，仍没有使奥伯斯夜晚的天空亮起来，实在令人感到奇怪。

1948年，天文学伽莫夫把宇宙膨胀和物质演化联系起来，提出了一种全新的宇宙学理论，这就是现代天文学中最有影响的大爆炸宇宙学说。

大爆炸宇宙学说认为，宇宙起始于一个极端高温、高密度的“原始火球”。在距今150亿年前的某一时刻，这个火球发生了大爆炸，宇宙开始急剧膨胀。宇宙在膨胀过程中，辐射温度和物质密度迅速下降。当温度降到100亿度时，宇宙中的中子、质子、电子等基本粒子相互结合形成各种元素。当温度降到100万度以后，化学元素的形成过程宣告结束，此时宇宙中的物质都以等离子体的状态存在。当温度降到4000度时，等离子体复合为气体。由于宇宙不断膨胀，温度继续降低，气体凝聚形成星系、星系团和各种星体，最后演化成今天的宇宙。

大爆炸宇宙模型能用现代物理学中的基本原理，比较自然地解释许多天文现象，理论预言与观察结果也符合得较好。

目前，宇宙在大尺度上的观测特征主要有：

通过计数（计算不同星等的星系数目）方法得到的结果表明，星系在空间的分布大致均匀、各向同性。

观测到河外星系都有“红移”现象，如果用多普勒效应解释这一现象，则意味着河外星系都在远离我们银河系，一个最可接受的假设就是宇宙正在膨胀。

射电天文学对包括类星射电源的河外射电源的计数结果表明，宇宙的物质密度（或光度）在不同时刻并不相同，这意味着宇宙是一个演化着的动态宇宙。

一个重要的观测事实是微波背景辐射的发现。1965年，贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊测到来自宇宙空间背景的微波辐射，它最主要的特征是具有黑体辐射谱和高度的各向同性。微波辐射被认为是宇宙早期演化遗留下来的痕迹。

对宇宙星际化学元素进行的测量表明，宇宙中最丰富的元素是氢（约70%），其次是氦（25%），其他元素很少。

观测获得的宇宙物质密度，只相当于根据动力学定律得出的质量密度的1/10，这就是所谓的“暗物质”或“下落不明的质量”问题。

对各种天体年龄的观测结论是，恒星、星系的年龄上限是1010年（百亿年），这与哈勃常数的倒数1/H约1010年相吻合，也就是宇宙年龄的数量级。

任何宇宙模型必须对上述这些观测结果做出有效的解释，至少不能与之相矛盾。大爆炸宇宙模型在一定程度上解释了上述现象，所做出的预言先后获得了观测验证，因此它被认为是二十世纪最成功的一个理论模型。

三、大爆炸宇宙学说所面临的困难

尽管大爆炸宇宙学说在理论和观测事实两方面，取得了相当程度的成功，但不可否认的是，这一宇宙演化理论也同样面临着许多疑难问题，在理论上还存在着一些难点，对一些重要的天文现象无法做出圆满的解释。

第一个问题是“奇点”疑难：原始的宇宙大火球是一个密度无限大、温度无限高的“奇点”，宇宙中所有的物质和能量都集中于这一点。就现有的物理学理论，无法给出这一“奇点”任何物理状态上的描述。

第二个问题是“视界”疑难：天文观测表明，分布在宇宙中的微波背景辐射是高度各向同性的，强度的起伏不到万分之一，因此，可以推测，各处的微波背景辐射是有联系的。然而，大爆炸宇宙学说却不允许有这种联系，它无法给出宇宙的这种均匀性。

我们今天观测到的宇宙是由很多区域构成的，但这些区域在宇宙演化的早期并没有来得及建立任何因果联系，就已经相互分离，视界距离小于宇宙膨胀的尺度。那么，它们为什么在后来的大尺度上，却表现出如此惊人的均匀性呢？

第三个问题是“平坦性”疑难：只有假设宇宙之初几乎是平坦的，今天观测到的宇宙才会如此平坦，也就是非常接近于临界状态。但根据广义相对论，最初的宇宙空间是极度弯曲的。那么，它又是如何被迅速“熨平”到临界状态的呢？

第四个问题是“宇宙大尺度结构”疑难：进入八十年代，天文学家们发现，星系在宇宙中的分布具有聚集成巨大的纤维状和薄片状结构的倾向，在星系聚集区纤维状结构之间，是数亿光年无星系的“巨洞”，这就是宇宙的大尺度结构。宇宙大尺度结构显然是在星系的聚集过程中形成的，而大爆炸宇宙学说则认为宇宙中的物质处在分离运动状态，理论与现实之间存在着矛盾。

第五个问题是宇宙红移的“超光速”疑难：在宇宙早期，人们无法推测宇宙大爆炸的那一刻物质的分离速度，但我们今天却能观测到宇宙的这种膨胀效应，这就是类星体的红移。按多普勒效应计算，只要天体的红移值Z=1.25，就预示着这一天体以光速退行。根据狭义相对论的观点，物体的运动速度以光速为极限，就是说，宇宙中不应该有红移值超过1.25的天体。然而，在实际天文观测中，天文学家已发现了上千个红移值大于1.25的类星体，上百个红移值大于3.0的类星体，据说在接近可观测的宇宙边缘，已发现了红移值接近5.0的类星体。显然，无限膨胀的宇宙已超出了光速极限的束缚，理论对此无法做出解释，况且我们又是如何看到退行速度大于光速的天体呢？

第六个问题是“哈勃常数“疑难：因为哈勃常数的倒数就是宇宙的年龄值，所以这是一个关于宇宙年龄的问题。天文学家已经测定，宇宙中最古老的球状星团的年龄是160亿年，这应该是宇宙年龄的下限。然而，自哈勃定律问世以来，所测得的哈勃常数却始终是一个不确定量，一直在50 — 100间大幅度变化。若取H。=75，则宇宙年龄为150亿年，比球状星团的年龄还要小，显然是不合理的。因而以哈勃定律为计算依据的大爆炸宇宙学说，至今仍没能给出宇宙的准确年龄。

针对大爆炸宇宙学说所面临的种种疑难，物理学家们并没有放弃这一学说，而是从不同角度对它进行了补充和完善。二十世纪八十年代，麻省理工学院的粒子物理学家古斯等人将大统一理论中的真空对称自发破缺机制引进了宇宙学，提出了“暴胀宇宙”的概念。

暴胀模型部分地解决了大爆炸宇宙模型所面临的困难：

由于暴胀，宇宙所有性质几乎都在这个极短的瞬间散布到足够大的空间中，两个在暴胀前非常靠近的点，暴胀后虽然相距遥远，但仍在视界之内，也就保持了因果关系。或者说，今天的宇宙是从一个比标准模型所描述的原始状态小得多的区域产生出来的，它的所有部分在当时都有因果联系，从而解决了视界问题。

由于急剧而充分的暴胀，极早期宇宙小得光的穿越足以保证了初始区域内的平滑，任何不规则性都会被这种空间的迅速扩展随即“熨平”，同样，在不同方向上膨胀速度的任何变化也立刻被暴胀“淹没”了。如果引力作用是排斥的（假真空产生的负效应），而膨胀是加速的，这个对决将促使宇宙膨胀越来越接近于某种临界密度，被扩展得足够平坦。平坦性问题也迎刃而解了。

尽管如此，面对宇宙在大尺度结构上物质的成团分布状况，与极其均匀的微波背景辐射共存的奇怪现象，以及宇宙红移等疑难，物理学家们仍然陷在困惑之中。