大爆炸宇宙论产生与发展的历史考察与哲学分析

钱时惕（物理通报编辑部，河北保定 071002）

摘要：大爆炸宇宙论的创建是20世纪科学发展的重大事件，对宇宙学的现代化作出了重大贡献。本文，从科学文化的整体观对大爆炸宇宙论的产生与发展进行了历史考察，同时，对大爆炸宇宙论所包含的科学意义、哲学意义及有关爭论进行了分析。

关键词：广义相对论   宇宙模型 大爆炸宇宙论 历史考察 哲学分析 宇宙学

作者简介：钱时惕，河北大学教授，物理通报学术顾问，研究方向为科学史与科学哲学

一、大爆炸宇宙论的基本内容

所谓大爆炸宇宙论主要指的是20世纪40年代到50年代由美国物理学家伽莫夫等最早提出的有关宇宙起源及演化的假说。按现代的通俗说法，其基本内容为1：大约130多亿年前，宇宙从一个高温的“原始火球”开始，发生热爆炸。最早，温度在100亿度以上，物质密度也极大，整个宇宙处于平衡状态，宇宙中只有中子、质子、电子、光子等。隨后，温度下降、体积向外膨胀、物质密度急剧下降，当温度降到约10亿度，中子开始发生衰变、或与质子合成重氢、氦等元素，这一时期化学元素开始形成。溫度进一步下降到100万度后，早期形成化学元素的过程结束，此时，宇宙的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当溫度下降到几千度时，辐射减退，宇宙中主要是气态物质，它们在引力作用下逐渐形成星云、星系、恒星等各类天体，直到目前状态。

从以上大爆炸宇宙论的基本内容我们看到, 大爆炸宇宙论的核心观点只不过是把演化的思想引入到对宇宙的认识与研究。但要做到这一奌必须要有相应历史文化背景的支恃。

二、大爆炸宇宙论产生的历史文化背景

中世纪的欧洲，基督教神学自然观在思想界占据统治地位。按“圣经”中“创世纪”的说法，宇宙中的日月星辰，万事万物都是上帝创造的，而一旦创造完成后就不再变化了。

   近现代科学主要是在基督教文化背景上诞生、形成的。而基督教的“神创论”在社会生活中长期占据统治地位，对科学、哲学的发展一直有着重大的影响。“神创论”不破除，进化发展的思想观念就不可能进入科学领域。

由于工场手工业的兴起、工农业技术的进步、商业的繁荣、地理大发现、宗教改革、文艺复兴运动等多种原因的作用，从14～­­15世纪开始，自然科学摆脱神权统治，走上了独立发展道路2。在这种历史文化背景下，演化思想突破“神创论”进入了自然科学3。

   1755年，康德(Kant)发表了《宇宙发展史概论》一书，提出了太阳系起源学说，第一次把进化或发展的概念引入自然科学。从而，使自然科学有可能在自然事物的来源问题上与“上帝创造”的教义相抗衡。正如康德所指出的：“大自然是自身发展起来的，没有神来统治它的必要。”4

在地学领域最早引入进化或发展思想的是苏格兰地质学家赫顿(Hutton)。1788年，赫顿《地球理论》一书出版，在书中，赫顿用自然的作用解释地壳之变迁并认为地球已有数百万年的历史。继承并发展赫顿思想的是英国地学质家赖尔(Lyell)。1830年，赖尔在《地质学原理》一书中，用丰富的材料论证了地球地层渐变的理论，把发展变化的思想带进了地质学。

影响更为巨大而深刻的是达尔文生物进化论的产生（1859年），达尔文的《物种起源》、《人类的由来和性选择》反基督教的意义更为基本而深刻，因为它直接冲击与批判着基督教的核心思想：上帝创世纪说，把发展进化的观点引入生命科学。经过艰苦激烈的斗争，终于取得多数科学家的认同。

三.大爆炸宇宙论产生的科学基础

3.1牛顿宇宙图景及其困难

1687年，牛顿的《自然哲学的数学原理》一书出版，标志着经典力学基础的建立。按牛顿的绝对时空观及力学运动定律，宇宙空间可被理解为无限大的与物质及其运动无关的容器，在任何一个方向都可以无限伸展下去；在这个无限大的容器中，布满了无限多的天体，这些天体在万有引力作用下按牛顿定律运动。这就是牛顿的宇宙图景。然而，这种宇宙图景在解释经验事实上遇到了困难：光度佯谬与引力佯谬5。

所谓光度佯谬(1826年，由Olbers提出)指的是，按照牛顿的宇宙图景可以假设：(1)空间是无限的，在这无限的空间中，充满了无限多的星体；(2)每颗星星虽然有生有灭，但从整体来看，宇宙的物质密度ρ保持常数；(3)从统计观点来看，可以假定星体的发光强度L基本不变，光的传播定律(照度E∝                             )在大宇宙中处处相同；(4)时间是无限的，从整体上说，星体可无限期存在。根据上述假设可推出如下结论：

整个宇宙天空，黑夜将象白天一样光亮，这显然是荒谬的。

所谓引力佯谬(1894年，由Seeliger首先提出)指的是，如果假设万有引力定律在宇宙中的各个地方都起作用，并且物质的平均密度处处都不等于零，那么，对整个物质世界来说，计算出的引力势在空间每一点上都会是无限大的。在这种场合下，任何一个物体都应该受到无限大的力的作用，在这些力的作用下，物体应该获得无限大的加速度。这显然也是荒谬的。

3.2爱因斯坦的宇宙模型

牛顿宇宙图景的困难引起了人们的思攷，为此曾提出过不同的假设，企图在绝对时空观的前提下，来避免佯谬的出现，例如，提出过等级式宇宙模型6（1908年， Charlier）等。对于牛顿宇宙图景的困难，爱因斯坦作了深入的分析后认为，只有突破绝对时空观，才可能找到岀路。因此，爱因斯坦在建立了（1915年）广义相对论以后，从一个全新的角度（时空的几何属性与物质分布相关）讨论了这个问题。1917年，爱因斯坦发表了《根据广义相对论对宇宙学所作的考查》7一文，建立了一个引力场方程作为新的宇宙模型

Rμν-(1/2)gμνR+λgμν=-κTμν

其中，Rμν和R分别为曲率張量和曲率标量，它们表示宇宙的时空特性； Tμν是物质張量，表示宇宙的物质质量及其分布； gμν是时空基本度规，κ是比例系数。从这个方程可见，只有当物质張量Tμν为零时，即无物质的宇宙时空才是平直的；对于有物质的宇宙，时空都会发生弯曲。

根据宇宙中的物质分布决定时空弯曲程度的观点，爱因斯坦

设想，宇宙就其空间广延性来说是一个自身闭合的有限连续区，由于弯曲而形成为一个类球体，各种天体均匀地分布在类球体之中。

由于上述场方程只含吸引效应，不含排斥效应。其中的物质只吸引不排斥，不可能成为稳定的、不随时间变化的宇宙。于是，爱因斯坦在场方程之中加入一个排斥作用的项。修改为

Rμν-(1/2)gμνR+λgμν=-κTμν

新加入的λ称为宇宙学常数 ，λgμν则称为宇宙项。这样一来爱因斯坦构成的新模型就是一个有限无边的静态宇宙模型。

3.3宇宙膨胀的发现

3.3.1宇宙膨胀可能性的理论分析

1922年，俄国数学家弗里德曼（Friedmann,）对不含宇宙项的爱因斯坦宇宙方程进行了理论研究，得出宇宙的时空结构有三种可能性8：其一，黎曼几何型，这是一种封闭的宇宙，它将周期地膨胀与收缩；其二，罗巴契夫其斯基几何型，这是一种开放的宇宙，它将一直膨胀下去；其三，欧几里得几何型，以近于零的速度一直膨胀。因此看来，宇宙不可能是静态的，如果受到扰动，不是膨胀，就是收缩。

1927年比利时的天文学家勒梅特（Lemaitre）对爱因斯坦场方程（含宇宙项）进行研究，也得到膨胀解9，因此，提出了大尺度宇宙空间随时间而膨胀的观点。因为当时的研究主要局限于宇宙方程求解问题的讨论，並未与天文观察资料发生联系，因而，这些研究并未引起反响，更没有得到重视。

3.3.2宇宙膨胀的实验发现

1929年美国天文学家哈勃(Hubble)发表了一篇重要的论文10，公布了多年研究的重要成果：通过对長期观测的天文资料的分析，发现了河外星系的谱线紅移现象。按物理学的多普勒效应，当发光体与观察者背向运动（即远离）时，观察者接收到的发光体发射的电磁波波長比发光体相对观察者静止时发射的波長要長（称为谱线红移）。因此，河外星系的谱线紅移，说明河外星系在远离我们而去，其远离的速度通常称为退行速度。

哈勃通过对大量天文数据分析还发现，河外星系的退行速度与它们（河外星系与观察者）之间的距离有一个近似的线性关系

 V≈HD

其中V为退行速度，D为相对距离，H为哈勃常数，近似的线性关系V≈HD现在称为哈勃定律。

河外星系的谱线紅移，河外星系在远离我们而去，最合理的解释就是宇宙正在膨胀之中。也就是说，河外星系的谱线紅移的实验发现是对宇宙膨胀最有力的证明。

3.4微观物理的研究成果

19世纪末20世纪初，x射线、电子、放射性的发现,突破了原子終极论，人类的认识进入了微观领域，在原子物理、核物理及粒子物理等方面取得了一系烈的成果。

3.4.1量子力学的建立

经过能量子概念（普朗克，1900年）、光量子假说（爱因斯坦，1905年）、微粒二象性(德布罗意,1923年)的提出，原子結构的经典量子论（玻尔，1911年）的过渡，再经过矩阵力学（海森堡，1925年）、波动力学（薛定谔，1926年）、波函数的统计解释（玻恩，1926年）的出现，到20世纪30年代，建立起了有关微观粒子运动规律的量子力学，为微观世界的深入研究奠定了坚实的理论基础。

3.4.2核反应及其能量转化的认识与利用

核反应指的是核与核以及有关粒子之间的相互转化，是核领域最基本、最普遍的现象。1919年，卢瑟福（Rutherford）用α粒子轰击氮原子放岀氢核而发现质子，首次实现了人工核反应，标志人类首次揭开了核世界的大门，开创了人类研究核反应的先河。1932年，查德威克（Chadwick）在用α粒子轰击鈹的系列核反应中发现了中子。1934年，約里奥 ﹣居里（Joliot﹣Curie）夫妇利用人工核反应获得新的人工放射性物质。1939年，哈恩（Hahn）等用中子轰击铀核时发现铀核裂变。在核反应研究中，科学家发现在某些核反应（例如重核裂变）中，反应前后有较大质量亏损，按相对论的质能关系，它们将对应巨大能量的吸收或发出，这为核能利用开避了新的途径。正是在这种认识的基础上，1942年费米（Fermi）等建成原子反应堆，1945年原子弹试制成功。

3.4.3新粒子的不断发现

继电子（汤姆逊，1897年）、质子（卢瑟福,1919年）、中子（查德威克,1932年）的发现后，1932年安德森（Anderson）在研究宇宙射线在磁场中运动轨跡偏转时发现了狄拉克曾预言存在的正电子；1936年安德森与尼德迈耶 (Heddemeyer)在宇宙射线中发现μ介子；1942年艾伦(Allen)用实验证实了泡利(Pauli)通过对β衰变的分析曾预言存在的中微子；1947年鮑威耳(Powell)等在宇宙射线中发现π介子。新粒子的不断发现与研究开拓并丰富了对微观世界的认识。

四、大爆炸宇宙论的提出

4.1勒梅特的宇宙“原始原子”假说11

1927年,勒梅特曾经支持宇宙可能是膨胀的观点，由于河外星系谱线红移的发现，更坚定了勒梅特对宇宙膨胀论的思想。1933年，勒梅特进一步指出，宇宙的膨胀应该有一个起点：“原始原子”。这个“原始原子”含有我们今天所见宇宙中的全部物质，因爆炸而创造了膨胀的宇宙。1946年勒梅特发表了《原始原子假说》一文，对自己的思想作了介绍。勒梅特的专业特长是天文与数学，对微观物理学不熟悉，因此，对宇宙爆炸后会发生那些物理过程未作探讨，这个任务后来由伽莫夫及其合作者来完成。

4.2伽莫夫及其合作者有关大爆炸宇宙论的研究

伽莫夫(Gamow)早期从事核物理学研究，隨后涉及天体物理学，再转而进行宇宙学的研究。在20世纪40～50年代，伽莫夫与合作者组成松散团队，经常研究讨论宇宙的膨胀与演化问题12,用了10多年的时间，完成了大爆炸宇宙论的建构。1946年，伽莫夫发表了 “膨胀宇宙与元素起源”一文，初步说明了关于大爆炸宇宙论的有关观点：在宇宙早期的迅速膨胀过程中，高密度的中子迅速复合成各种核素，而在以后较冷状态又通过β衰变转化成不同的原子核。1948年，伽莫夫及其合作者发表了具有非常重要意义的论文“化学元素的起源”13， 在这篇论文中，按照伽莫夫的思想, 将不同核素的中子俘获截面的数值点拟合成一条光滑曲线 , 通过它来推测决定其形成的宇宙早期状态的特点 ,他们给出了核素的俘获时间约为 20s, 其密度约 2 .5 ×103kg/m。这篇论文以阿尔菲、贝特、伽莫夫三个人的名义发表，后被称为α-β-γ 理论（贝特根本没有参与这篇论文的研究,是伽莫夫擅自将他的名字加进去的,纯粹为了凑成α-β-γ 这个名称.伽莫夫一直都是个很爱搞笑的人）。α-β-γ 理论表明,通过大爆炸模型可以很好地解释当前宇宙中氢、氦元素的丰度。1948年，伽莫夫的合作者阿尔菲与赫尔曼在投給“自然”杂志的一篇文章中，按α-β-γ理论，立足于当时所知的最隹参数值，以简洁的方式推算出14现今宇宙辐射背景温度为5K。1956 年, 伽莫夫发表“ 膨胀宇宙的物理学”一文，系统、清晰地阐述了宇宙从原始高密状态膨胀、演化的过程与状况。从以上简述我们看到，伽莫夫有关大爆炸宇宙论研究的思路及脉络如下：在演化思想突破“神创论”进入了自然科学的历史文化背景下，把宇宙膨胀思想观点与20世纪上半期有关核物理、粒子物理知识结合起来，说明宇宙在爆炸膨胀过程中的各种天文物理现象。

五、  大爆炸宇宙论成为主流观点

大爆炸宇宙论提出后很長时间並未引起重视，这种情况直到宇宙微波背景辐射发现后才得到改变。

1964年，美国贝尔实验室的工程师彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）架设了一台喇叭形状的天线，用以接收卫星的信号。为了检测这台天线的噪音性能，他们将天线对准天空方向进行测量，发现在波长为183.75px的地方一直有一个各向同性的讯号存在。起初他们怀疑这个信号可能来源于天线系统本身。

1965年初，他们对天线进行了彻底检查，清理了各种可能的原因，然而噪声依然存在。由于这个信号既没有周日的变化，也没有季节的变化，可以判定与地球的转动无关。于是，他们在《天体物理学》杂志上以《在4080兆赫上额外天线温度的测量》为题发表论文,正式宣布了这个发现15。同时,狄克（Dicke）、皮伯斯（Peebles）等在同一杂志上以《宇宙黑体辐射》为标题发表论文16，对这个发现给出了解释——这是一种宇宙微波背景辐射，其对应2.725K的黑体辐射。而按大爆炸宇宙论推算出的宇宙辐射背景温度为5K，相差很小。

除了前述的河外星系谱线红移(3.3.2)和上述宇宙微波背景辐射之外, 还有两个观测事实有利于大爆炸宇宙论, 一个是各种天体的年龄测定均在50～110 亿年；另一个是宇宙不同类型天体的氦丰度都約为 24％。从此,科学界普遍接受了伽莫夫的宇宙模型并成为主流观点。

六、  大爆炸宇宙论创建的科学与哲学意义

1968年伽莫夫不幸逝世，伽莫夫及其合作者有关大爆炸宇宙论的研究告一段落。从现在来看，伽莫夫等有关宇宙的研究只是初步的，某些具体问题与数据还有错误或偏差；但从科学发展与人类认识的进步来说，其意义是巨大的。

6.1把物理学和宇宙学两大领域结合起来，开辟了现代宇宙学研究的新方向

長久以来，人类对宇宙的认识主要依靠天文观察与哲学思辩。牛顿用绝对时空观与经典力学研究天文问题，統一了天上运动与地上运动，但引进了“苐一推动力”。用绝对时空观与经典力学处理宇宙问题时，则遇到光度佯谬与引力佯谬。爱因斯坦在广义相对论的基础上建立了一个静态宇宙模型，后发展为膨胀宇宙模型，把宇宙学的研究推进到一个新阶段。伽莫夫及其合作者主要贡献在于：把膨胀宇宙思想与20世纪上半叶新取得的核物理、粒子物理知识结合起来，分析与研究宇宙膨脹过程的物理过程与现象，从而开辟了现代宇宙学研究的新方向，努力实现微观、宏观、宇观的统一。

6.2把演化发展的思想引入宇宙学，为世界统一进化链的揭示作出贡献

前面提到，14～15世纪自然科学摆脱神权统治，走上了独立发展道路。在这种历史文化背景下，18～19世纪，演化思想突破“神创论”先后进入天文学（仅限太阳系）、地质学、生物学等自然科学领域。大爆炸宇宙论在膨胀宇宙思想的基础上，通过物理学与天文观测资料的结合来阐明宇宙的演化过程，包括原始爆炸，粒子的相互转化达到平衡，平衡中止及氦的形成，元素复合，星云、星系等的形成，直到目前状态等阶段。其中，伽莫夫及其合作者有关元素起源的研究更具特色，为化学进化的研究揭开了序幕。因此，大爆炸宇

世界统一进化链图

宙论把演化发展的思想推进到一个新阶段，为揭示世界统一进化链1

作岀了贡献。

6.3大爆炸宇宙论的有关争论

大爆炸理论提出后，曾有些科学家提出质疑与批评。他们指责，主張宇宙在时间上有开端是将宗教概念引入了物理学中，而大爆炸理论的创始人之一勒梅特是一位罗马天主教牧师似乎为这种意见找到佐证。

基督教教会则对宇宙大爆炸理论表示满意，1951年11月22日庇护十二世教皇在教皇科学学会的开幕会上声称大爆炸理论支持《圣经》上的创世说。

在我国，从1973年初至1976年秋，在“四人帮”组织下，“上海理科批判组”等，在全国性的报刊和学术杂志上，至少发表了３０篇批判宇宙大爆炸的文章18，指责宇宙大爆炸论为反动的神学服务。

实际上，宇宙大爆炸论把进化发展的思想引入宇宙学，就成为反 “神创论”的有力武器。因为，按宇宙大爆炸论，只要爆炸形成后, 宇宙的发生、发展便只受科学规律的支配, 而与上帝无关了！所以说，宇宙大爆炸论继经典力学把上帝赶出太阳系之后，进一步把上帝驱出茫茫宇宙时空之外。从这个意义来说，“上帝在信仰它的自然科学家那里得到的待遇，比在任何地方所得到的都更坏”19。当然，由于宇宙大爆炸理论尚不能回答原始爆炸的原因，给神学留了一点活动空间。这是科学发展进一步要研究、解决的问题。

主要参攷文献

1.《中国大百科全书》,天文学卷，北京:中国大百科全书出版社，1980年版，第40頁。

2.钱时惕，《科学与宗教关系及其历史演变》，北京：人民出版社，2002年版，第62～69頁。

3.钱时惕，《科学演化理论的形成与发展》（上、下），《物理通报》，2014（8）113；2014（10）118。

4.康德，《字宙发展史概论》，上海：上海人民出版社，1972年版，第3页。

5.冯麟保，《宇宙学引论》，北京: 科学出版社，1994年版，第35～36頁

6. 同上，第37頁

7.《爱因斯坦文集》，苐二卷，北京: 商务印书馆，1977年，第354頁。

8.冯麟保，《宇宙学引论》，北京: 科学出版社，1994年版，第57～59頁

9.. 同上，第60～63頁

10. Hubble E P. A relation between distance and radial velocity

amongextra-galactic nebulae. Proc Nat Acad Sci ( Wash ) , 1929, 15: 168

11. G.Lemaitre,the Point of View of Quantum Theory. Nature.

1933,127:706

12.阿尔菲， 赫尔曼.大爆炸宇宙学早期工作的反省（上、下），科学，1991（1）6；1991（4）84.原載PhysicsToday,1988,p33

13. R. Alpher， A. Bethe，G. Gamow，The origin of the chemical elements. Phys Rev , 1948,73: 803

14.阿尔菲， 赫尔曼.《大爆炸宇宙学早期工作的反省》（上、下），《科学》，1991（1）6；1991（4）84.原載Physics Today,1988,p33

15.A.A.Penzias andR.W.Wilson,Astrophys J., 142 (1965)419

16.R.H. Dicke et al, Astrophys J., 142 (1965) 414

17.钱时惕，《世界统一性的现代认识》，《哲学研究》, 1985（12）18

18.屈儆诚，许良英．关于我国“文化大革命”时期批判爱因斯坦和相对论运动的初步考查．收入许良英主编，爱因斯坦研究。北京：科学出版社，1989年版，第232頁。

19.恩格斯，自然辩证法，北京: 人民出版社，1994年版，第33頁。