自古以来,人们就不断地对宇宙进行种种猜测.古代的人们曾经认为
星星是镶嵌在一个透明球面上的.中国最古老的宇宙结构学说盖天说
的基本观点是天圆地方.托勒政的地心宇宙体系和
哥白尼的日心
地动 宇宙体系中都包括恒星天球的内容.中世纪的思想家尼古拉认为宇宙
是无限的.
牛顿把空间和时间的无限性作为他的理论的基本原理.他
还推断:星星的数目必定是无限的,而且相当均匀地分布在空间.观
测上,英国著名的天文学家威廉·赫歇耳和约翰·赫歇耳父子宣布至
少某些可观测星云是与
银河系具有相同尺度和结构的由分立的恒星组
成的系统.这些星系居于整个宇宙之中.19世纪天文学家普遍认为可
观测宇宙必须是静态、无限的和均匀的.而对静态、无限、均匀的宇
宙的一个著名反对意见即夜黑问题,也称奥伯斯佯谬.这个样谬是说,
若恒星发出的光不变且都相同,而空间又是
欧几里得的(平直的),
则在此种宇宙中整个天空的亮度看起来是均匀的,且与太阳一般亮.
因为无论从哪一个方向观看天空,视线都会碰到一个星星.这一点可
以用一个简单的几何论证说明:现考虑进入人眼的一束细长的锥形光
线.虽然恒星表面的视亮度与距离平方成反比,但锥体的截面积(或
恒星的数目)随距离平方而增加,则集中在锥体内的光与它从什么地
方发出没有关系,因而整个天空就要亮得像太阳一样,实际上夜空却
是黑的.如何才能消除观测与理论之间的矛盾呢?
奥伯斯的推导基于以下的宇宙学观点:
1.宇宙物质是
均匀分布的.
2.宇宙是静态的.
3.宇宙是无限的.
4.宇宙存在的时间已经无限长.为了避免夜晚的天空像太阳那
么亮的结论,我们必须重新考察上述观点.一个平均密度随观测距离
的增大而减小,并以零为极限的等级式宇宙模型可以消除佯谬,但要
付出失去均匀性的代价.但迄今为止的观测结果是:宇宙物质在大尺
度空间内的分布是均匀和各向同性的.这个观点称为宇宙学原理,是
现代宇宙学理论所必须依据的公理.上述第一点符合宇宙学原理,应
予保留.这样等级式宇宙模型应该放弃.由于奥伯斯假定恒星发光不
变,这一点今天看来最成问题.如果假定恒星并不是永远那么亮,而
是在有限的过去才开始发光,由于远处恒星的光线尚未到达我们这儿,
这也可以避免整个天空像太阳那么亮的结论.这使我们面临着是什么
首次使恒星发光的问题.如此看来一个具有有限过去的宇宙可避免奥
伯斯样谬.此时宇宙在时间上有个开端.另外一个有足够大膨胀速率
的宇宙也能避免奥伯斯佯谬,即使它具有无限的过去.因为根据量子
理论的观点,光子的能量
正比于其频率.远距离高速追行光源的光线
将产生非常大的
红移,因而其能量将相应减小,使其总和保持有限,
甚至可忽略不计.由于观测上尚无放弃宇宙学原理的理由,第一条观
点应该接受,而第二、第四条应该重新考虑.
20世纪初,
爱因斯坦创立了
广义相对论,这就为研究宇宙的整体
结构提供了理论基础.宇宙的整体性质由引力场方程决定.荷兰物理
学家德西特首先获得了引力场方程的一个宇宙解,但它是动态的而不
可能是静态的:宇宙要么是膨胀的,要么是收缩的.观测上,哈勃发
现河外星系的视向退行速度与距离成正比,即距离越远,视向速度越
大.这说明宇宙空间中任意两个星系间的距离都在增大,宇宙在膨胀.
如果一个膨胀的宇宙沿时间反溯回去将会达到一个原始的超密态,也
就是宇宙于过去某一时刻创生于一次原初物质的大爆炸过程.这就是
大爆炸宇宙学的宇宙模型.为了理论预言和实验观测相一致,宇宙在
极早期曾经历一个暴胀阶段.显然一个具有有限过去而正在膨胀的大
爆炸宇宙模型能避免奥伯斯佯谬.还有一个具有无限过去的稳恒态宇
宙模型,它虽能消除佯谬,但却要破坏
能量守恒且不能解释宇宙微波
背景辐射等,已经不再为人们所接受.
综上所述,现在观测到的宇宙在膨胀,这是科学界公认的.经历
一个暴胀阶段的大爆炸宇宙学模型是一个成功的模型,其理论预言与
实验观测十分吻合.显然这是一个动态的宇宙学模型,且宇宙在时间
上可能有一个开端.这样看来,对于一个均匀、静态、无限的经典宇
宙学模型,其第二、第四条观点不成立.如果放弃这两条,也就自然
不会得出夜晚的天空像太阳那么亮的荒谬结论.