「宇宙的起源是一場大爆炸，它炸開了空間，也創(chuàng)造了時間；星系、星球、地球、空氣、水和生命就在這個時空里漸漸形成。」這是連愛因斯坦都相信的理論。但這個學說在最近一、兩個星期內(nèi)開始受到嚴厲的挑戰(zhàn)和質(zhì)疑。如果大爆炸理論是正確的，那么這個空間里所有的物質(zhì)應該生于大爆炸之后，這是個因果關(guān)系。雖然愛因斯坦的相對論原則上不需有絕對的時間和空間，但是如果宇宙有一個起源，它就有一個絕對時間的原點，破壞了時間的相對性，所以這個因果律便是一個絕對的定律。最近美國的哈伯太空望遠鏡觀測到一些現(xiàn)象，顯示這個絕對的因果律出了問題。也就是說宇宙可能沒有起源，就像相對性的空間一樣，時間也是沒有原點，時間也不是絕對的。

　　哈伯太空望遠鏡的觀測顯示，如果宇宙真是由大爆炸所造成的，那么爆炸距現(xiàn)在的時間是小于很多老星球的年齡。最老星球的年齡可達一百六十億年，但觀測顯示爆炸的時間頂多是一百二十億年前而已。這個發(fā)現(xiàn)上星期在英國的``自然’’雜志發(fā)表，引起天文物理界莫大的震撼。

　　從二十世紀初以降，包括愛因斯坦在內(nèi)的大部分天文物理學家都相信，宇宙是由大爆炸所產(chǎn)生；由于質(zhì)能互換原理，爆炸的能量最后轉(zhuǎn)為物質(zhì)。這個學說建立于三個重要的基石上。第一個，由數(shù)學上證明廣義相對論只容許唯一的解，這個數(shù)學解就是在時間的原點，整個宇宙的大小是一個點，大爆炸炸開了一個三度空間。由于空間以一定的速率不斷的膨脹，因此整個空間瞬間的大小也給了時間一個指標和定義。這就像武俠小說中``半柱香的時刻’’，以一柱香的長短來測量時間是一樣的。第二個基石是，美國天文學家哈伯在愛因斯坦發(fā)明了相對論的二十年后，發(fā)現(xiàn)了宇宙是在膨脹，并且越遠的星系膨脹的速度越快。這個發(fā)現(xiàn)大致吻合相對論的數(shù)學解。第三個基石最具關(guān)鍵性，在七十年代，美國的天文學家發(fā)現(xiàn)了宇宙的背景輻射。由于宇宙的膨脹，大爆炸時的熱能目前應已降到絕對溫度數(shù)度左右，符合觀測結(jié)果2.7度。從此，天文物理學家發(fā)展了一套標準模型，來解釋這個膨脹的空間里一切物質(zhì)的起源。但是宇宙到底確實膨脹多快，哈伯并無法確定。這個缺憾預留了一些空間讓以后的天文物理學家去發(fā)展另一套不同于愛因斯坦相對論的學說。但是這些學說都是非主流。美國的哈伯太空望遠鏡的主要任務也就是要彌補當年哈伯觀測的缺憾，要決定目前宇宙在單位距離內(nèi)膨脹的速度。星球在膨脹空間里的分布就像一些點分布在正在膨脹的氣球表面一樣。點與點之間的距離會因膨脹而變大，分離的速度不但和氣球膨脹的速度成正比，也和點與點之間的距離成正比。距離越大的兩點，它們之間分離的速度越大。所以若不知任意兩點之間的距離，只光知道兩點分離的速度是無法知道整個氣球膨脹的速度。同樣的，若欲決定宇宙膨脹的速度，我們不但要知道星球之間分離的速度，也要同時知道星球之間的距離。天文學家可用所謂的都卜勒效應來測量任一星球遠離地球的速度。但是，星球與地球之間的距離便不容易決定。因此哈伯常數(shù)（單位距離內(nèi)的膨脹速率）相當難決定出來。

　　上個星期發(fā)表在``自然’’雜志上的發(fā)現(xiàn)為在室女星系團內(nèi)的上千顆造父變星。變星是光度有周期性變化的星，愈大的變星周期愈慢，可是愈大的星愈亮。所以變星的周期和絕對亮度有一定的關(guān)系，而造父變星的周期和絕對亮度之間的關(guān)系可以很準確的決定出來。但是，星球距地球越遠看起來越暗，因此觀測到的亮度并不是星球本身的絕對亮度。若是有辦法知道星球的絕對亮度，再加上觀測到的量測亮度，星球的距離便可知道。在天文上，遠距離是無法直接測量的，造父變星提供了一個絕佳的機會來測量距離。天文學家可以量遙遠變星的周期，大致上是幾十天之譜，從而決定變星本身的絕對亮度，再和觀測到的亮度相比，變星和地球的距離即可決定。

　　室女星系團距地球相當遠，大約為幾千萬光年之遙，因此膨脹的速度可以相當快，可以利用都卜勒效應準確的測量出來。要是它的距離亦可準確的測量出來，哈伯常數(shù)便可準確地決定，大爆炸距現(xiàn)在的時間的上限便也能決定。上星期發(fā)表的造父變星讓天文學家準確地決定哈伯常數(shù)。宇宙在單位距離內(nèi)膨脹的速率為每一百萬光年27公里。它也代表大爆炸至早發(fā)生在一百二十億年前。但是，天文學家又知道，銀河系中的一些古老的星球年齡為一百六十億年。這代表星球需要生于大爆炸之前。這個結(jié)果不符合因果律，因此大爆炸標準模型受到質(zhì)疑。這個發(fā)現(xiàn)也讓非主流學說有一個發(fā)展的空間。

　　其實，在邏輯的結(jié)構(gòu)上，非主流派中的主流理論是可以和愛因斯坦的相對論相比美。如上所述，相對論的宇宙觀是空間是相對的，沒有原點，但時間是絕對的，有一個原點。相對論的宇宙觀并且認為，宇宙的總能量守恒，沒有憑白無故冒出多余的能量，也不能損耗總能量。但是另一個學說卻認為時間和空間是相對的，兩者都沒有原點，所以宇宙是在一個時空的平穩(wěn)狀態(tài)中存在。在這種理論架構(gòu)下，時間和空間有完整的對稱性。為了要解釋宇宙膨脹，這個學說必須放棄能量守恒的想法。它認為能量是可以無中生有，并且越來越多，物質(zhì)也可以無中生有，愈來愈多。這就好像宇宙中蘊藏著無數(shù)的涌泉，隨時隨地冒出物質(zhì)來。這些涌出的物質(zhì)必須往外流，因此宇宙膨脹。因為物質(zhì)隨時涌出，所以不需要一個時間的絕對原點；物質(zhì)隨地涌出，所以空間也沒有絕對原點。這個學說不需要大爆炸便可以解釋宇宙的膨脹，并且也可以解決宇宙年齡的問題。可是，這個學說必須面對一個挑戰(zhàn)，那就是如何解釋宇宙背景輻射的溫度。在1970年代，這個大爆炸理論的第三個基石是此學說的致命傷。在不久的將來，此學說會不會因上星期的發(fā)現(xiàn)而敗部復活？我們可以拭目以待。

　　相對論宇宙模型或上述非主流的平穩(wěn)態(tài)宇宙模型，對有創(chuàng)意的天文物理學家而言，絕非是個二選一的答案。其實，一般相對論的教科書上都不會提到廣義相對論本身是有些缺陷的。從時空的完美對稱性來看，它有上述需要時間原點的問題。除了時間、空間的問題之外，從物理學的相對性原則而言，它也有另一個問題，所謂的慣性座標問題。十九世紀末，一位澳洲科學家馬克提出一個宇宙學的問題。我們舉目觀星，如果連續(xù)看一、兩個鐘頭，就會發(fā)現(xiàn)群星繞著北極星轉(zhuǎn)。馬克問道：「到底這是因為地球自轉(zhuǎn)造成的，還是群星真的繞著地球旋轉(zhuǎn)？」這個問題乍看之下相當不智，因為這像是十六世紀哥白尼時代的問題：「到底是地球繞著太陽轉(zhuǎn)，或是太陽繞著地球轉(zhuǎn)？」標準答案當然是地球自轉(zhuǎn)所造成的。但是馬克又道：「如果一切物理現(xiàn)象都是相對的，地球自轉(zhuǎn)和群星繞地球轉(zhuǎn)就必須是一體的兩面。」舉例來講，要是你繞著原地自己旋轉(zhuǎn)，你會感覺頭暈，但是如果你站著不動，而周遭所有的物體都繞著你轉(zhuǎn)的話，你也將會感到頭暈。馬克認為一個理想的宇宙模型應該能具有這個特性，一切都是相對的，轉(zhuǎn)動也是相對的。這便是所謂的馬克原則。愛因斯坦自己也承認，他是受到馬克原則的啟發(fā)才發(fā)明廣義相對論。但是，不幸的是相對論無法做到馬克原則的要求。相對論的宇宙必須很清楚地標示到底宇宙本身轉(zhuǎn)不轉(zhuǎn)。現(xiàn)存的標準宇宙模型是采取宇宙不轉(zhuǎn)。所以我們對群星繞天的標準解釋才會是地球自轉(zhuǎn)。附帶說明一點，至今還沒有任何一個宇宙模型可以完全符合馬克原則，上述的平穩(wěn)態(tài)宇宙模型也不例外。

　　雖然最近的發(fā)現(xiàn)開始讓天文物理學家對現(xiàn)存的標準理論提出質(zhì)疑，但我們還需要一連串進一步的觀測證據(jù)才能宣判標準模型的對否，國際的天文學界在未來的幾年必然有一番激烈的競爭，看那個國家或那一個研究群搶先掌握這個問題的答案。同時，在宇宙學的理論模型方面，亦會有百家爭鳴的機會。臺灣的天文物理學界在這個熱烈的氣氛中可做什么貢獻呢？我們沒有太空望遠鏡，沒有研究用的中大型望遠鏡，但是我們有世界研究級的玉山天空。可以做的可能是帶著一群一流的腦袋上玉山，看著萬星鉆動的夜空去想像，去思索如何建立一個更完美的宇宙學理論模型。

　　西班牙人發(fā)現(xiàn)太空物體

　　一個名叫胡安·桑切斯的西班牙老嫗日前宣布，她在外出散步的時候被一塊冰球砸中。據(jù)說，這塊冰正是近一階段來當?shù)乜茖W家一直尋找的天外來物的一部分。桑切斯講述到，她外出的當天天氣晴朗，但一塊神秘的冰卻突然落到她的肩膀上并險些將其砸傷。

　　科學家把碎冰帶到實驗室分析后發(fā)現(xiàn)，其中的一些元素是地球上沒有的，這些冰因此有可能是落到地球上的彗星解體后的一部分。生活時報(2000/1/27，10：2)

　　夜黑是因為宇宙在膨脹

　　“夜晚的天空為什么是黑的？”同學們一定會說，因為夜空沒有太陽照耀。但是，無限的宇宙，充滿了無限個恒星構(gòu)成的星系，雖說夜晚沒有太陽照耀，可是那滿天的星星，都是會發(fā)光發(fā)熱的“太陽”呀。一顆恒星的光芒的確很微弱，但是，無數(shù)顆恒星的光芒合起來應該是無限的亮，夜空也應該處處是一片光明，可事實上為什么卻是黑的呢？

　　這是１８２６年德國業(yè)余天文學家奧爾伯斯醫(yī)生提出來的一個問題。自然科學史上稱之為“奧爾伯斯佯謬”。

　　在奧爾伯斯之前，大科學家牛頓把物質(zhì)、時間、空間分隔開來，把宇宙說成像一個存放物質(zhì)的容器，在這個無限大的容器中，到處布滿了天體，運動的永遠運動、靜止的永遠是靜止。這樣，夜黑便遇到了難題。到了２０世紀，隨著愛因斯坦相對論和哈勃定律的問世，人們終于發(fā)現(xiàn)牛頓的學說是錯誤的。時間和空間是緊密相連、彼此互相影響、不可分離的，它們存在的形式受物質(zhì)和物質(zhì)的運動決定，宇宙在不斷地膨脹著。由此，夜黑就不難解釋了。

　　美國天文學家哈勃等人的觀測發(fā)現(xiàn)，幾乎所有的河外星系都在遠離我們而去，即宇宙像正在充氣的氣球似的膨脹著，越來越大；距離我們越遠的星系，遠離我們而去的速度（即退行速度）越快。星系退行使星系輻射到我們這里的光減弱；距離我們很遠很遠的河外星系，可能會以光速退行，以致發(fā)出的光傳不到我們這里來。因此，雖然宇宙是無限的，但光可以照到我們這里的天體數(shù)量是有限的。只要那些有限的天體射到地球上的光比太陽少，地球上的日夜就取決于太陽。要是宇宙沒有膨脹，也就沒有夜黑問題。由此可見，夜黑是宇宙膨脹的結(jié)果。

　　宇宙為什么會膨脹呢？大爆炸宇宙學認為，“我們的宇宙”起源于一個溫度極高、體積極小的原始火球，在距今大約２００億年前，不知什么緣故，這個火球發(fā)生了大爆炸，在大爆炸中誕生了“我們的宇宙”。隨著空間膨脹，溫度降低，物質(zhì)的密度也逐漸減小，原先的質(zhì)子、中子等等結(jié)合成氘、氦、鋰等元素；后來又逐漸形成星系、星系團等天體。

　　宇宙早期時，星系碰撞、合并曾經(jīng)是很普遍的現(xiàn)象，那時宇宙剛剛開始膨脹，還比較小、比較擁擠，星系多如雨滴，大量小星系下雨般落到其他星系中，漸漸形成像我們銀河系這樣的星系。宇宙好像一個在不斷充氣的帶花點的氣球，上面的各點彼此分離。經(jīng)過２００億年的“分離”才變成今天這個模樣。根據(jù)天文學家的推測，我們的宇宙將來有一天會停止膨脹，然后轉(zhuǎn)為收縮，直至收縮到大爆炸前的原始火球狀態(tài)；接下來會出現(xiàn)新的大爆炸，急劇暴脹和膨脹。這種循環(huán)可能會不斷地重復進行，宇宙處于這種來回振蕩式的變化之中。

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