宇宙观念的发展

　　广义相对论的初期检验成果虽然与理论预言相符，但是有关的改正值却小得几乎可以忽略不计，难免使人觉得它是一朵好看但不结多少“硕果”的花。这是因为在我们所处的太阳系范围内，时空结构是很接近平坦的。广义相对论只有在两个极端领域才大有用场，一个是在超高密度物质（如中子星或黑洞等）附近，时空的弯曲非常显著；另一个是宇宙学所涉及的领域。虽然宇宙的平均密度很低，局部时空弯曲很小，但因宇宙整体所涉及的尺度极大，各个局部的微小均匀弯曲在大范围的积累效果则是不可忽略的。因此，研究高能天体物理学和宇宙学必须以广大相对论作为重要的理论基础。

　　1917年爱因斯坦首次根据广义相对论对宇宙学作了一项开创性工作。他在宇宙的物质密度从大范围看是均匀各向同性的假设基础上，惊奇地发现满足引力场方程的宇宙竟然不是静止的，它会随时膨胀或收缩，这一结果不仅与传统的宇宙观念不符，而且在当时也没有任何观测事实的支持，他只好设法加以避免。于是爱因斯坦在他的方程中引入了代表斥力作用的宇宙常数项，以便与物质的引力相抗衡，从而得到了一个新的静态宇宙模型。这个宇宙模型既不是有限有边体系，也不是无限无边体系，而是一个有限无边体系。就是说充满着物质及其“广延”的整个空间是有限的，在这个空间以外再没有别的任何空间。爱因斯坦的这个有限无边静态宇宙模型，相对于无限的绝对空间观念虽是一大进步，但仍然缺乏观测事实的根据。

　　1922年，原苏联数学家弗里德曼根据广义相对论得到了没有宇宙常数项的场方程的一种解。这种解允许宇宙物质既是均匀各向同性分布的，又是随时变化的，从理论上预言了动态宇宙的存在。这种动态宇宙的见解，主要阐述的是宇宙随时间的膨胀。膨胀的宇宙模型随着美国天文学家哈勃（Edwin Hub-ble）在1929年前后的观测发现首次得到了有力的支持。哈勃不仅发现在银河系以外还存在众多的河外星系，而且发现各个星系都在有规律地相互退行：星系之间的距离愈远，它们的退行速度就愈大。这正是宇宙膨胀的重要观测证据。后来爱因斯坦也认识到，在引力场方程中引入那个额外的斥力项是他“一生中的最大失策”。

　　如果承认我们现在观测到的宇宙正在膨胀，则可进一步推知将来的宇宙会比现在的大而过去的宇宙则比现在的小。当沿着回顾过去历史的方向继续前进，则我们就会发现宇宙应当有一个体积更小、密度更大和温度更高的状态，即宇宙应当起源于一次“大爆炸”。1932年，比利时物理学家勒梅特（GeorgesLemaitre）提出，现在观测到的宇宙起始于“原始原子”（Primeval atom）膨胀的观点，就是这种大爆炸理论的先声。而在1948年至1956年期间，出生于原苏联的美国物理学家盖莫夫（George Gamow） 和他的两个研究生阿尔弗（Ralph Alpher）、贝特等人的一系列工作，则进一步奠定了热大爆炸宇宙模型的基础。他们深入考察了膨胀宇宙中不断变化的物理条件，指出在宇宙早期既热且密的状态下，应有可能通过热核反应实现化学元素的合成；而相当于原始火球的辐射温度必然随着宇宙的膨胀逐渐冷却，至今应在5K左右。

　　随着越来越多的观测事实的支持，特别是1965年美国贝尔实验室的两位工程师彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）发现宇宙微波背景辐射的证实，大爆炸宇宙模型日益得到学术界的基本肯定，并作为“标准宇宙模型”不断地有所完善和发展。其中关于宇宙的起源和演化各个阶段的具体细节，还有不少观测研究工作有待完成。一般说来，完整的宇宙演化模型，也应能回答最小的基本粒子起源和最复杂的生命起源等重大科学问题。这也表明宇宙学研究的前景仍然是任重而道远的。

　　综观几千年的文明史，随着观测和实验的进步，人类对宇宙的认识也日益发展，其中有两次观念上的飞跃。第一次是从托勒密地心说到哥白尼日心说的飞跃，使地球从高居于宇宙中心的地位下降到围绕太阳运行的普通行星的地位，对于那个时代的社会进步起到了重要的推动作用。第二次是从牛顿力学到爱因斯坦相对论的飞跃，则使时间空间与物质运动相分离的绝对观念转变成为时间空间与物质运动相统一的相对观念，即没有物质运动的绝对时间（古往今来）和绝对空间（上下四方）是不存在的，宇宙就是一切物质运动的总体。物质运动既是时间空间产生的根源，又可作为时间空间的量度：根据狭义相对论，运动的时间节律要变慢（动钟变慢），运动的空间尺度要缩短（动尺缩短）；而根据广义相对论，在由物质运动所决定的引力场内，时间空间则要发生弯曲。第一次飞跃实际上是解决宇宙结构运动方面谁是中心天体的问题，即关于惯性参考系的选择问题。选择以太阳为中心的宇宙体系，对于正确掌握太阳系天体的运动学规律是至关重要的。在此基础上才有可能进一步追究天体运动的原因，掌握包括万有引力定律在内的动力学规律。而第二次飞跃则直接关系到宇宙演化的问题。广义相对论的引力场方程已给出了动态宇宙的理论图像，包括宇宙的膨胀乃至大爆炸等，而从观测上和实验上不断地证实和发展这种宇宙图像，则是20世纪初以来日益完成的最重大的科学任务之一。这对于以现代科学宇宙观取代经典机械论宇宙观也是很有意义的。