宇宙认识史

人类对宇宙的认识可以追溯到远古时代。在中国有夸父追日的传说，在传说中，天地开始是一片混沌，后来夸父累死之后，才混沌初开。在西方，有上帝造人的传说，在上帝造人的七日之后，天地初开。一直到现在，人类对宇宙的探索还在进行当中。

世界各地都有关于宇宙诞生、存在、衍化的神话故事。人类和宇宙的最终本质是什么，古印度人、中国人、苏美尔人、巴比伦人和埃及人分别对此作了详细阐述。世界上的各个民族发展起了神秘宇宙学，用神秘的创造来解释这一原因：现实世界是来自于能够支配超自然力量的超自然实体。

后来，早期的哲学家试图回答这一问题。这些早期的尝试，集中在根据一种被简单地称之为“一”的基本统一体来理解感觉经验的多样化世界。这个“一”既可以表现为一粒沙子，也可以表现为整个宇宙。同样，许多哲学家们也知道“多”。他们看到世界上形形色色的东西——植物、动物和人，还有岩石、海洋和浮云，认为这种明显的多样性产生于一种基本的原始物质：统一性存在于多样性之中。一如中国道家老子的宇宙观：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”

早期的知识权被宗教所垄断。随着文艺复兴和宗教改革运动的兴起，宗教的控制力削弱了，教堂大墙外的独立探索活动逐渐成为主流。后来，这场文化突变逐渐形成近代科学的世界图景。伽利略、布鲁诺（Bruno）、哥白尼、开普勒（Kepler）和牛顿就是其中的先锋人物。

伽利略等人倡导这一看法：借助仪器观察和数学描述，把宇宙看作一架不受人控制的巨大机械装置。伽利略发现了惯性定律，使用新发明的望远镜来观察天体，哥白尼的以太阳为中心的宇宙学说得到了证实。后来，以哥白尼的理论为基础，早期的科学家提出了关于天体起源和演化的诸多假说。笛卡儿（Descartes）用运动和物质解释了天体的形成。

尽管布鲁诺和伽利略本人都受到了迫害，但近代科学还是起飞了。它继续前行，借助观察和实验来探索实在的本质。在牛顿的伟大综合下，伽利略和布鲁诺等人所倡导的科学世界观达到了顶峰。许多前所未有的“科学的”宇宙学说在牛顿的“科学范式”的引导下，陆续诞生了。

1755年，康德（Kant）在《宇宙发展史概论》（Allgemeine Naturgeschichte und Theorie des Himmels）中，第一次提出了关于太阳系起源的星云假说。该假说完全建立在牛顿力学的基础之上。康德认为，太阳系的所有天体起源于一团原始星云。该星云由大大小小的微粒构成，通过引力和斥力的相互作用逐渐形成了太阳系的天体。1796年，拉普拉斯也独立地提出了与康德类似的太阳系起源假说。与之不同的是，他还运用角动量守恒定律和严格的数学推理论证了整个演化过程。如此一来，太阳系起源的星云假说就逐渐流行起来。当然，其他星系的起源也可以以此类推。

科学宇宙学的下一个主要进展应归功于爱因斯坦。在广义相对论发表后的第二年，他以之为基础提出了稳态宇宙模型。在该数学宇宙学中，物质被看作似乎弥漫于整个时空。由于物质是遵守万有引力定律的，因而该宇宙中的物质便趋向于汇集为一个质量中心。由于实际情况并非如此，所以爱因斯坦引入了一个斥力项，即所谓的宇宙学常数（Cosmological Constant），这一斥力将精确地同引力相平衡，这就保持了宇宙永远处于稳态。

随着各种新理论的提出，宇宙学得以进一步发展。1948年，年轻的英国天体物理学家邦迪（H.Bondi）、戈尔德（T.Gold）和弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）提出了稳恒态宇宙学。

他们的观点是：在相对论中时空是统一的。既然宇宙学原理认为所有的空间位置都是等价的，那么所有的时刻也应该是等价的。这就是说，天体（物质）的大尺度分布不但在空间上是均匀的和各向同性的，并且在时间上也应该是不变的。那么，在任何时代、任何位置上，观察者看到的宇宙图像在大尺度上都是一样的。这一原理称为“完全宇宙学原理”。

根据该原理，哈勃常数不仅对空间各点是常数，而且不随时间变化。所以宇宙空间的膨胀在时间和空间上都是均匀的。宇宙空间在膨胀，而物质的分布又与时间无关，这样就必须有物质不断产生出来以填补真空，也就是填补宇宙膨胀所产生出来的空间。通过完全宇宙学原理和爱因斯坦场方程，可以求出宇宙的时空结构，可以得到宇宙的三维曲率为零，也就是三维空间是平直的。

稳恒态宇宙学最大的特点是要求物质和能量不守恒。据计算，物质的相对产生率为3倍的哈勃常数，也就是每年在2—3立方公里的体积内，产生相当于一个质子质量的物质来。

稳恒态宇宙学可以避免奇点，但它也有许多原则性困难。比如，它要求物质不灭定律不成立。实际上，稳恒态宇宙学与观测符合的程度并不好，当宇宙背景辐射被发现后，这一理论基本上已被否定。取而代之的便是大爆炸理论。

大爆炸理论是一种被人广泛认可的宇宙演化理论。该理论的主要观点是：宇宙是从温度和密度都极高的状态中由一次大爆炸产生的。从那时起，宇宙迅速膨胀，使密度和温度都从原来极高的状态中降下来。紧接着，如同我们今天所看到的一样，预示质子衰变的一些过程也使物质的数量远超过反物质。在这一阶段，许多基本粒子也可能出现。过了几秒钟，宇宙温度降低到能形成某些原子核。这一理论还预言能形成一定数量的氢、氦和锂的核素，丰度同今天所看到的一致。大约再过100万年后，宇宙进一步冷却，开始形成原子，而充斥整个宇宙的辐射则在整个空间中自由传播。大爆炸理论还预言：现在宇宙中应充满中微子，它们是无质量或无电荷的基本粒子。

宇宙大爆炸理论的产生主要依赖天文学的观测和研究。在20世纪20年代，若干天文学者均观测到，许多河外星系的光谱线与地球上同种元素的谱线相比，都有波长变化，即红移现象。1929年，美国天文学家哈勃总结出星系谱线红移星与星系同地球之间的距离成正比的规律。他在理论中指出：如果认为谱线红移是多普勒效果的结果，则意味着河外星系都在离开我们向远方退行，而且距离越远的星系远离我们的速度越快。这正是一幅宇宙膨胀的图像。对此，人们开始反思，如果把这些向四面八方远离的星系运动倒过来看，它们可能当初是从同一源头发射出去的，是不是在宇宙之初发生过一次难以想象的宇宙大爆炸呢？

1932年，乔冶·勒梅特（Georges Lema tre）首次提出了现代宇宙大爆炸理论：整个宇宙最初聚集在一个原始原子中，后来发生了大爆炸，碎片向四面八方散开，形成了我们的宇宙。

40年代，美籍俄国天体物理学家乔治·伽莫夫（George Gamov）第一次将广义相对论融入到宇宙理论中，提出了热大爆炸宇宙学模型。该理论认为，宇宙在遥远的过去曾处于一种极度高温和极大密度的状态，这种状态被形象地称为原始火球。所谓原始火球也就是一个无限小的点，火球爆炸，宇宙就开始膨胀，物质密度逐渐变稀，温度也逐渐降低，直到今天的状态。这个理论能自然地说明河外天体的谱线红移现象，也能圆满地解释许多天体物理学问题。

60年代，阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias）和威尔逊（Wilson）发现了宇宙背景辐射，后来他们证实，宇宙背景辐射是宇宙大爆炸时留下的遗迹。也就是说，大约在150亿年前，宇宙大爆炸所产生的余波虽然微弱，但确实存在。这一发现对宇宙大爆炸是个有力的支持。

20世纪科学的智慧和毅力在霍金的身上得到了集中的体现。他对于宇宙起源后10—43秒以来的宇宙演化图景作了清晰的阐释。宇宙的起源：最初是比原子还要小的奇点，然后是大爆炸，通过大爆炸的能量形成了一些基本粒子，这些粒子在能量的作用下，逐渐形成了宇宙中的各种物质。至此，大爆炸宇宙模型成为最有说服力的宇宙图景理论。

然而，至今宇宙大爆炸理论仍然缺乏大量实验的支持，而且大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样，或者说发生这次大爆炸的原因是什么？按照大爆炸理论，宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程，从大爆炸到黑洞的周而复始，便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。这只是一个设想，并不是一个完美的理论。