宇宙的诞生和演化

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宇宙的诞生和演化 1.1  以思辨为基础的猜测
像古代印度人、中国人一样,古代苏美尔人、巴比伦人和埃及人都对
他们认为的人类和宇宙的最终本质是什么的问题作了详细说明。在哥伦布
到达美洲之前的玛雅、印加和阿兹台克文明中,以及在非洲的部族文化中
都发展起了神秘宇宙学。他们用神秘的创造来解释现实世界是来自于能够
支配超自然力量的超自然实体的原因。有时这些实体被看作是相互冲突
的,而现实世界的本质则代表在冲突中一方的获胜。在绝大多数宇宙学中,
尤其在东方宇宙学中,现实世界的进化过程包括许多阶段,这些阶段一个
接着一个,依次更替。
中国古代哲人老子把“道”当作产生并决定世界万物的最高实在,他说“道生一,一生二,二生三,三生万物,万物负阴而抱阳,冲气以为和。” 老子认为有了道就有了世界的原始统一体,由这原始的统一体中分化出“阴阳二气”,阴阳二气冲涌激荡又产生“和气”,于是万物渐次产生。此外,中国古代的神秘哲学著作《周易大传》中还提出了“太极”的思想。太极就是天地未分的原始整体,就是天地万物的最初根源。《周易大传·系辞上》论述了宇宙万物的生成演化过程:“易有太极,是生两仪,两仪生四象,四象生八卦。”其中两仪指天地;四象指春、夏、秋、冬;八卦指天、地、风、火、雷、水、山、泽。而八卦的相互作用就演化出了万事万物。
公元前 6 世纪,爱奥尼亚的自然哲学家们抛弃了直到那时为止一直统治着各种文明的神话宇宙观,并试图用理性来理解经验世界。最初的尝试把重点放在宇宙的起源上,他们提出的根本问题是,我们所看到的多样性和有序性如何可能产生于非多样性和无序。古希腊的思想家们说过,宇宙是从“混沌” (指缺少有序)状态向“和谐” (指井然有序)状态发展的。他们具有这样一种信念:在我们所看到和听到的情景和声音的多样性背后存在着一个更深层次的、一贯的和单一的实在。
人们的早期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。微观宇宙反映宏观宇宙;宏观宇宙在微观宇宙中显示出来。爱奥尼亚的哲学家们也知道“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。他们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。
随着古希腊文明黄金时代的没落,希腊哲学家们的注意力从宇宙学的推测转向人类事务。希腊思想上的这种伟大转变是苏格拉底提倡的,在他

 
 

《老子》第 42 章。 的范围广泛的讨论中,人类活动的道德性支配着早期自然哲学的思想。但是苏格拉底的杰出学生柏拉图认为,世界的本原有时叫形式,有时叫理念,每一个客体都有它本身的形式或理念。事实上,宇宙的基本构件被认为不是固体,而是几何形式。因此,柏拉图在最后的分析中把经验世界的多样性归结于观念上的不变的形式。
亚里士多德学派的自然主义从柏拉图传统的唯心主义框架中摆脱了出来。按照亚里士多德的观点,整个世界由相互作用的四种基本自然元素所构成,它们是土、水、气和火。每一种元素都具有它的自然位置:土在中心,水在土的上层,而火和气则处于最高层。这种排列使宇宙中的“巨大存在链”井然有序,从无生命的物体到植物和动物,再到人类。无机物通过变态成为有机物,自然界从最不完善的阶段渐近地、持续不断地走向最完善的和最理智的阶段。
古罗马人保留并详尽阐述了古希腊哲学,但基本上没有给它添加任何新的东西。后来,从君士坦丁改信基督教的时候起,东拜占庭帝国对整体的探索就转向了宗教探索。知识基于信仰而不是基于理性;基于接受到的宗教教义而不是基于自由探索。随着帝国的灭亡,中世纪的欧洲坚定地把信仰置于推理和经验之上。13 世纪,托马斯·阿奎那使基督教的教义同亚里士多德的自然哲学协调起来,他的《神学大全》是他那个时代的智慧的结晶。从此以后,在中世纪欧洲,甚至最有才智的人也可以满足于获得对人类可知世界的令人满意的看法。依然存在的大量神秘事物都可以归结为上帝意志的不可思议的杰作。 1.2  以科学为基础的解释
随着文艺复兴和宗教改革运动的兴起,基督教教义的控制力削弱了,独立的探索也已在寺院大墙外开始。关于人本主义的争论已经兴起,中世纪的综合终于四分五裂,新思想在其中得以蓬勃发展的文化空间也已建立起来。这些新思想包括重新建立原始形式的基督教的尝试和按传统模式复兴市民人本主义的运动。但是,也有一些人向教会对知识的垄断提出挑战并坚持独立的、以经验为依据的探索活动。伽利略、布鲁诺、哥白尼、开普勒和牛顿是这场文化突变的先锋人物。后来,这场文化突变逐渐形成近代科学的世界图景。
伽利略也许比其他任何人更能被看作是这种新世界观的倡导者。这种新世界观借助仪器观察和数学描述,把宇宙看作是一架不受人控制的巨大机械装置。正如伽利略在信中所说的,他“焦虑地生活”在“我们哲学的巨大的不和谐的风琴”发出的嘈杂的音调之中,而他的目的就是要发现和理解自然界的新规则。正是由于伽利略发现了惯性定律和使用新发明的望远镜来观察天体,因而哥白尼的以太阳为中心的宇宙学说得到了证实。后来,在哥白尼日心说的基础上诞生了关于天体起源和演化的诸多假说。
大约在 1633 年,笛卡儿完成了一部名为《论宇宙》的著作。在这部著作中,他不仅主张哥白尼的日心说,而且也提出了天体演化的思想。可是就在这一年,伽利略由于主张和宣传哥白尼的日心说而被定罪。笛卡儿听到这一消息,为了避免和伽利略的同样遭遇,他放弃了出版《宇宙论》的打算。他曾说过:“给我运动和广延,我就能构造出世界。”他正是用运动和物质解释了天体的形成。他认为,太初时同一的原始物质弥漫于整个空间,并且处于旋转运动中,因而整个宇宙形成一个巨大的旋涡。原始物质在旋涡中因摩擦而成为尘埃状的东西,这就是第一物质。它们是火元素,太阳和其他恒星都由它们来构成。另外一些原始物质则摩擦成球状的东西,这就是第二物质。它们是气或以太元素,弥漫于星球空间。还有些只是磨去棱角的大块物质,即第三物质,它们就是构成地球、行星和恒星的土元素。
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。它不受教会权威的约束,继续进行研究,借助观察和实验来探索实在的本质。由伽利略和布鲁诺这些先锋人物倡导的科学世界观在牛顿的伟大综合中达到了顶峰。在牛顿的“科学范式”的引导下,陆续诞生了许多前所未有的“科学的”宇宙学说。
牛顿本人认为,宇宙在空间上是无限的,在无限的空间中分布着许多物质。这些物质在万有引力的作用下趋向于结合成团块,结果无限的宇宙空间中就充满着这些巨大的物质团块。我们之所以只能看到有限的星群, 是因为我们的望远镜的限制。
近代科学史上,如果说笛卡儿的天体演化学说仍然还包括哲学思辨的内容,那么康德的天体演化学说则完全建立在牛顿力学的基础之上。1755年,康德在《宇宙发展史概论》(原书名叫《关于诸天体的一般发展史和一般理论》,或《根据牛顿原理试论宇宙的结构和机械的起源》)中第一次提出了关于太阳系起源的星云假说。康德认为,太阳系的所有天体,是从一团由大大小小的微粒所构成的原始星云通过引力和斥力的相互作用逐渐形成的。大微粒吸引小微粒,凝聚成较大的团块。团块在运动中经常发生碰撞,有的破碎了,有的则形成更大的团块。在这种不断的凝聚过程中,总有一个地方的引力比其他地方大,成为星云物质的引力中心。它对周围物质的吸引力越来越大,生长也越来越快,首先形成了太阳。太阳外面的微粒在太阳吸引力的作用下向中心下落,由于斥力的作用,使得向引力中心下落的微粒从直线运动向侧面偏转,使垂直的下落运动变成围绕引力中心的圆周运动。处于圆周运动中的微粒,由于分布不均匀,在万有引力作用下,又逐渐形成几个引力中心,这些引力中心最后凝聚成朝同一方向转动的行星。卫星的形成过程与行星类似。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,而且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。这样一来,太阳系起源的星云假说就逐渐流行起来。至于其他星系的起源。当然也可以以此类推。
科学的宇宙学的下一个主要进展应归功于爱因斯坦。他在广义相对论发表后的第二年,以广义相对论为基础提出了它的宇宙模型。爱因斯坦反对以牛顿绝对时空观为基础的无限宇宙的模型。他把时空联系起来,并认为这一连续统 (continuum)的非欧四维弯曲空间尽管无界,但是有限的。时空自身又弯曲回来,因此一个太空旅行者只要走得足够远,走的时间足够长,他最终就将仍回到他原来的出发点,尽管在他自己看来他走的是直线。
在爱因斯坦的数学宇宙学中,物质被看作是好像弥漫在整个时空中。因为物质是遵守万有引力定律的,因此在这个宇宙中物质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,这一斥力将精确地同引力相平衡。他说,这就保持了宇宙永远处于稳态。
然而爱因斯坦的稳态宇宙模型不得不被抛弃,因为 1917 年荷兰天文学家德西特发现了爱因斯坦相对论方程的另一个解。德西特的解显示,当物质进入时空连续统时,它就获得了一个远离观察者的速度,这一速度随着距离而增大。与此相对应,当距观察者的距离增大时,时间变慢,在极限时,时间停止。
不久以后,英国天文学家爱丁顿爵士认识到,在爱因斯坦的宇宙里物质的任何膨胀和收缩都将导致物质在被引入的方向上的连续运动。结果, 爱因斯坦的宇宙看上去仅仅提供了一个暂态相,并将导致 (如果物质的运动是在膨胀的方向上)德西特宇宙。这个非稳态宇宙模型是由俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼在 1922 年发现的。他的解修正了爱因斯坦的宇宙学常数,并引入了一个可以是正数、负数和零的常数项。根据所选择的值,宇宙看上去可以是膨胀的,收缩的或稳态的。

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