学面 湖南科学技术出版社 【美】爱德华，哈里森善李红杰娄田李泳译199 THE SCIENCE OF THE UNIVERSE COSMOLOGY
前 言 这是《宇宙学》的第二版，修订和增补了1981年出版的第一版。第一版 以后发生了很多事情，有过许多进步，宇宙学的研究领域比从前更广阔了。 同第一版一样，我们的处理方式是初等的，而内容是广泛的，目的是展 现一张宏大的蓝图，吸引那些喜欢思考的人，而不需要他们拥有高深的自然 科学知识。宇宙学是多面的，有科学的一面，也有非科学的一面。我们强调 的基本观点是把宇宙学当作一门科学，当然也没有忘记它历史的、哲学的和 神学的那些方面。我们躲开了数学，它只出现在几个地方，而且都在一章的 最后。处理方式也很灵活，既满足喜欢数学的人的需要，也迎合不喜欢它们 的人的兴趣。 每一章的最后都有两个小节，题为“回顾”和“思考”。“回顾”一节提 出供思考和讨论的题目；“思考”一节提出的疑难和问题，喜欢挑战的读者也 许会用心去解决。字宙学驱使我们问艰涩的问题，读更多的书，想更深的事 情。它不是那种能简单地拿是和否来应付的学科。在多数情况下将出现相互 矛盾的思想，需要我们考察它、衡量它、拒绝它、接受它，或者根据个人的 喜好和信仰修正它。字宙学挑战人类思想，塑造我们对我们生存的世界的认 识，在我们的头脑里刻下终生的印记。 许多关于宇宙学和广义相对论的课本对大学生和非专家来说似乎都太专 业了。现在也有好多非专门的书，又常常显得太简单，没有足够的深度和广 度，不能作为一门学习的课程。每一章的最后向读者推荐了进一步的读物， 以帮助他们学习和了解对本章所讨论的问题的其他（有时更深也更细)的处 理方式。还有一个参考文献的清单，里面的东西读起来很容易，一般没有太 多的专业困难；其中极少数更专业的著作是因为它们的历史意义才包括进 来的。 本书的第一版是从阿默斯特学院五学院天文系、汉普郡学院、霍里奥克 学院、史密斯学院和马塞诸塞大学的讲课笔记衍生出来的。那时候，评分方 法是根据学生每周的短文，题目由他们自己选（跟讲课内容密切相关的)。显 前言 1
然，我们要一个内容广泛的课本来吸引不同背景和兴趣的学生的注意，为他 们提供课堂讨论和论文准备所需要的材料。第一版出版以后，评分方式变了， 改为四次阶段性的场外测验和一次期末考试。考试的许多问题都不需要什么 数学技巧。两种评分方法各有短长，应该还有更好的办法！ 许多人为本书提出了意见和建议，我要感谢他们。 他们是：Thomas Arny(University of Massachusetts,Amherst),Gregory Ben- ford (University of California,Irvine),Robert Brandenberger (Brown University), Mario Bunge (McGill University),Thomas Dennis Mount Holyoke College), James Ellern (University of Southern California,Los Angeles),George Ellis (Uni- versity of Capetown),Stephen Gottesman (University of Florida,Gainsville), George Greenstein (Amherst College),Gary Hinshaw (NASA/Goddard Space Flight Center),Paul Hodge University of Washington),Duane Howells (Hughs Research Laboratories),John Huchra (Harvard-Smithsonian Center for Astrophys- ics),John Lathrop,Charles Leffert,William McCrea (University of Sussex), A.J.Meadows (Loughborough University of Technology),Heinz Pagels(University of California,Santa Cruz),Joel Primack (University of California,Santa Cruz), Martin Rees (Cambridge University),Joe Rosen (University of Central Arkansas), Rick Shafer (NASA/Goddard Space Flight Center),Stephen Schneider(University of Massachusetts,Amherst),Joseph Snider (Oberlin College),Joseph Tenn (Sonoma State University),Virginia Trimble (University of Califomia,Irvine),Da- vid Van Blerkom (University of Massachusetts,Amherst),Gerard de Vaucouleurs University of Texas,Austin),and Robert Wilson Smithsonian Astrophysical Ob- servatory). E·哈里森 新墨西哥，梅西拉 198年5月 2 宇宙学
目 录 前言 .... 1 导引 1 第一篇 1 什么是宇宙学 13 2早期的科学宇宙论 30 3笛卡儿和牛顿的世界体系 54 4牛顿和爱因斯坦之间的宇宙学 76 5恒星 100 6 星系 131 7位置和宇宙中心 156 8 包容和宇宙边界 171 9 空间和时间 198 第二篇 、 10 弯曲空间 223 11狭义相对论 243 12 广义相对论 260 13黑洞… 291 14 宇宙的膨胀 321 15红移 363 16牛顿宇宙学 391 目录1
17宇宙盒子 411 18 多样的宇宙 430 19 观测宇宙学 473 第三篇 20 早期宇宙 505 21 宇宙的视界 a.... 534 22 暴胀 561 23 字宙数 582 24 夜黑 604 25 宇宙的创生 。。 632 26 宇宙里的生命 657 附录 基本量 679 索引 681 译后记 702 2宇宙学
导 引 我怀着同样的热情追求知识。我曾发愿去了解人的心，我曾发愿去认识星星为 什么发光，我也曾努力去领会毕达哥拉斯的让数字主宰万物流转的力量。我做到了， 但是不多，只有一点儿。 罗素(1872~170)《自传序》 序曲 宇宙学是关于宇宙的科学，令我们很多人着迷。从某种意义说，它讲的 是宇宙的大尺度结构：银河系外的星云世界、远离我们而去的视界、时间和 空间的动力学曲率。从另一种意义说，它要把所有知识整合为一幅统一的世 界图景。多数科学把事物分解为越来越小的成分，目的是更精细地洞察世界。 而宇宙学却把小碎片组合为“大框架”。还有一种看法，宇宙学是人类追求认 识世界的历史，从人类黎明就已经开始了。如果忽视业已构成人类历史的众 多过去的世界图景，我们不可能从最广泛的意义来研究宇宙学。我们追溯科 学方法的兴起，探寻它如何增进了我们对自然世界的认识。这些就是本书的 主要目的：基本了解现代的自然世界。 不管是否愿意，宇宙学驱使者我们审视我们最深层（有时也珍贵）的信 仰。它唤起我们注意引领我们生活、决定我们社会命运的残存的古老的思想 模式。一个人，漂洋过海来到新大陆，参加革命，走向战场，寻求政治力量， 时运时背，结婚成家，建功立业，都受着宇宙学信仰的影响。 通过浏览本书的内容，我们引导读者走进作为现代科学的宇宙学。下面 逐章概括所有的主题。 第1章什么是宇宙学 宇宙学历史表明，在每一个时代，所有杜会的人都相信他们终于发现了 宇宙的真面目，但他们每次都不过是给未知的宇宙设计了一张面具。在本书 里，我们会区分“宇宙模型”和宇宙本身，说不上什么真正的、最后的宇宙 知识。哪儿有理性个体的社会，哪儿就有宇宙模型；哪儿有宇宙模型，哪儿 就有理性个体的社会。那些人为自己的知识而自豪，为知识的真实而自信， 他们惋惜先人的无知，也同情先人没能预见后代会为他们的无知而惋惜
宇宙学研究宇宙模型，研究它]的起源和演化。在大约千万年前的魔幻 年代，世界被解释为周围的精神活动。在几万年前（一直延续到最近的时代) 2 的神话时代，世界代表着自然精神和遥远神柢的意志的反复无常的行为。在 科学时代，我们丢弃了许多人类遗产，构造了一系列机械的世界图景。历史 的宇宙图景（苏美尔人的、埃及人的、犹太人的、波斯教的、儒家的、道家 的、者那教的、佛教的、亚里士多德的、柏拉图的、斯多葛的、伊壁鸠鲁的、 新柏拉图的、中世纪的…）关注那些对人类生活有意义的题目，已经不能 自然地满足现代的物理宇宙图景。这值得我们深思。本章最后一节考虑宇宙 学与社会有什么联系，如何影响我们的日常思想和行为。 第2章早期的科学字宙论 这一章简单回顾早期的科学宇宙学，评述了巴比伦、毕达哥拉斯和柏拉 图的体系。特别强调了三个重要的希腊化时期的世界体系：亚里士多德学派、 伊壁鸠鲁学派和斯多葛学派。亚里士多德宇宙大小有限，由行星天球组成， 以外面的恒星天球为边界。伊壁鸠鲁宇宙无限延伸，由无边的原子世界组成： 斯多葛宇宙也是有限的，由行星和恒星的世界组成，外面包围着无限虚空。 这些世界体系形成了后来宇宙学的历史。 中世纪的宇宙图景以亚里士多德为基础，在中世纪的鼎盛时期达到了顶 峰。因为巴黎教皇在1277年宣判亚里士多德宇宙为异端邪说，中世纪宇宙演 化为斯多葛的体系，它能满足无处不在的全能上帝。哥白尼革命颠覆了以地 球为中心的天文学，宣扬以太阳为中心的天文学，而它也很快被笛卡儿和牛 顿的世界体系所取代了。 第3章笛卡儿和牛顿的世界体系 17世纪，革命的笛卡儿和牛顿体系将自然世界数学化、机械化了。笛卡 儿拿中世纪的数学和动力学构筑了一个机械的没有原子的伊壁鸠鲁式的物质 和运动的世界，严格地在自然法则下运行。它引起的反响一科学的、哲学 的和神学的一直到今天仍然强烈。身体与心智（或与灵魂)的映照问题在 今天比过去更加深刻和尖锐。 牛顿强烈反对笛卡儿的唯物论，他起初相信无限神秘空间包围的有限的 斯多葛体系。笛卡儿否定的东西，如原子的存在、虚空、超距作用力等，牛 顿都坚信不移。牛顿的运动定律和万有引力理论改变了天文学。原子论失去 了它的美学联想，开始成为物质的特性。牛顿声称，即使没有物质的地方， 空间也仍然以精神的形式存在。相互作用的物体凭借长距离的引力在虚空里 穿行。万有引力的结果后来促使牛顿改变了思想，转而相信无限的伊壁鸠鲁 2字宙学
式的宇宙体系，它均匀分布着无限多的恒星。 第4章牛顿和爱因斯坦之间的宇宙学 但即使肉眼也能看见恒星并不是均匀分布在天空的。18世纪的莱特 ('Thomas Wright)提出银河是一个巨大的恒星集合，而且在银河之外还可能存 在其他的星系。康德发展了这个思想，构想出一个多层次的宇宙。著名天文 学家赫歇尔（William Herschel)仰观太空，细察银河，提出天空中众多模糊 3 的亮点（星云）并不都是辨别不清的星团，还有-一些遥远的与我们银河一样 的星系。康德提出了星云假说，即太阳和行星是由旋转收缩的星际气体云团 形成的。拉普拉斯后来更详细考察了这个思想。于是产生一个关于星云的疑 问：星云是多个宇宙岛中的遥远星河，抑或是孤岛宇宙中正在形成的太阳系？ 赫歇尔后来转变了思想，相信孤岛宇宙。19世纪，随着哈金斯（William Hug- gis)等天文学家的星光光谱分析和照相技术的进步，出现了“新天文学”， 即后来的天体物理学。人们终于看到，恒星是由和地球一样的化学元素组成 的。天文学家还认识到，许多星云仅由气体组成（支持康德~拉普拉斯星云 说，而反对莱特一康德的星系假说)。通过光谱线的菲索-多普勒位移，天文 学家成功测量了恒星的径向速度。19世纪的维多利亚宇宙图景是孤岛宇宙。 太阳系占据银河的中心，而银河存在于一个无限的神秘空间。达尔文的自然 选择学说加剧了宇宙年龄问题，将基本的宇宙学问题带进了千家万户。古老 的斯多葛与伊壁鸠鲁体系之间的矛盾，在20世纪初达到了白热化，而最后是 多岛宇宙胜利了。我们现在知道某些模糊的光点是不可辨识的星团，而有些 是祸旋的气体云，还有些是遥远的星系。 第5、6章恒星与里系 这两章讨论恒星和星系，是以宇宙学方式处理的。熟悉基础天文学的读 者可以跳过它们，接着读下面两章，讨论两个重要的主题：位置和包容。 第7章位置与宇宙中心 一般说来，位置（第七章)涉及宇宙中心，而包容（第八章)涉及宇宙 边缘。位置与包容原理看起来很简单，却是我们摆脱陷阱的指南，那些陷阱 曾诱惑过去的宇宙学家，并仍然在诱惑今天的学生。 本章讨论地心说和日心说宇宙图景的兴衰以及无心宇宙观的崛起。我们 生活在一个各向同性的宇宙中，空间的所有方向都是相似的。定域原理说的 是，“我们也许并不处于宇宙中心。”各向同性的观测事实和定域原理引出一 个结论：宇宙可能是均的。 导引 3
宇宙的均匀性意味着空间所有位置在共同的瞬间都是相似的，这是宇宙 学原理的精神实质。完全宇宙学原理指出，时空中的所有位置都相似，这不 仪适用于笛卡儿和牛顿的世界体系，也适用于新近的扩张的稳恒态宇宙模型。 第8章包容与宇宙边缘 包容涉及宇宙的边缘和物理宇宙的内容。包容原理说的是，“物理宇宙只 包含物理事物。”在现代物理学中，以时空形式表现的空间和时间是物理真实 4的，因而是物理宇宙的组成部分。但宇宙也包含非物理的事物，包容原理的 这一方面有着社会和生命科学的意义。我们考虑了不同的问题，如宇宙的设 计与精心调节的基本物理学常数，神学和人存原理，自然法则等。 说到包容问题，我们有必要提醒一句。宇宙学在基本意义上是不完备的， 我们不知道将我们宇宙学家自身置于世界体系的什么位置。宇宙是自觉 的一它包容我们这些有意识的人一但宇宙模型不是自觉的，不把我们当 自觉的存在。我们可以将肉体和生物化学的大脑放进宇宙模型，但不能将我 们的思想意识（且不论它到底意味着什么）放进我们意识构造和研究的宇宙 模型。如果真想试试，那我们将陷入无限的循环：宇宙学家研究宇宙模型， 而宇宙模型包括正在研究它的宇宙学家…同样的道理，画家画风景画时， 自己是身处他画的风景之外的。否则，他就要画一幅包括他自己正在画那风 景的风景画…这个问题就是所谓的“包容悖论”：“研究宇宙模型的宇宙学 家在那宇宙的什么地方？”回答这个疑问，需要区分真实的宇宙（我们是它的 部分)与我们为了满足经验而构想的宇宙模型（我们不完全是它的部分）。 第9章空间和时间 我们比通常的基础读物更深人地讨论了牛顿前后的宇宙模型中时间和空 间的本质。部分题目包括，时间箭头、“现在”、时间旅行、芝诺诡辩、巴门 尼德派的存在状态、赫拉克利特派的演化行为、伊斯兰卡兰派的共轭时间。 我们今天对时间的认识，是质朴与精密概念的糅合。狭义相对论的时间 与其他学科的时间有不同的意义，而它们也不同于日程谈话中的时间，而我 们平常说的时间也不同于我们实际感受的时间。每当我们讨论时间本质，都 会遇到很多矛盾和对立。我们想澄清这个迷人课题中的一些问题，但不大可 能成功：我们对时间认识的任何基本改变，都将深刻影响宇宙学。 第10章弯曲空间 19世纪非欧几何的发展给科学和数学的历史带来一个引人入胜的主题。 理解弯曲空间，即使对生活在弯曲空间的人来说，也是不容易的。这一章我 4宇宙学
们主要关注对现代宇宙学有着根本意义的三个均匀的各向同性空间。 第11章狭义相对论 同学们可能会意外发现，狭义相对论很容易理解，真正把握它的基本思 想并不需要数学。决窍在于时空图，在于认识到时空中最短距离不是直线。 在近光速的空间旅行中，可以看到狭义相对论的有趣运用。“双生子佯谬”之 所以令人疑惑，只是因为不理解理论的基本意思。 第12章广义相对论 狭义相对论和弯曲空间引领我们走向广义相对论和爱因斯坦的奋斗。第 一步是等效原理。这是通过假想的在临近（和远离)星体的空间中自由运动 的实验室中的实验建立起来的。第二步是认识这种动力学状态在诸多方面类 似于弯曲空间的几何性质。然后凭着想象和灵感，我们就走近广义相对论和、 爱因斯坦方程。人们做过很多精巧的广义相对论实验，都成功证明了理论在 天文学（不是宇宙学）尺度上是正确的。 我们考虑马赫原理所体现的靴样思想，那是爱因斯坦命名的原理，马赫 思想给他带来了很大的启发。旧的靴袢理论不时复活，主张所有事物互为因 果，一个事物的本性是由整个宇宙决定的。科学迄今尚未发挥这个靴袢理论。 马赫原理（也即一种靴袢理论）声称物体的惯性决定于分布在宇宙间的所有 物质。很多人都不喜欢自在生存的“棵”空间，柏克莱主教和马赫和古人一 样，认为空间不可能真的存在，除非套上合适的物质的外衣。柏克莱的思想 经过马赫的修补，在广义相对论的形成中发挥了一定的历史作用。但爱因斯 坦首先拥护的空间物质化的思想，却因为他后来实现的空间几何化而被抛 弃了。 第13章黑洞 尽管早在18世纪就从牛顿理论预言了黑洞，研究它们的恰当理论却是广 义相对论。黑洞是质量相近的球状物体，具有最高的密度和最强的表面引力。 它们卷曲在自身的弯曲时空里。黑洞处于冻结的永恒的自由坍缩状态。由于 时空的极端扭曲，外面的观察者看到黑洞处于冻结状态，根据经典理论，没 有任何事物（包括光）能从它逃逸出来。我们考虑几个有趣的问题，如旋转 和非旋转黑洞、物质吸积生成的能量、极小黑洞和超大黑洞、黑洞温度、霍 金辐射以及某些守恒律的破坏。 第14章宇由的膨胀 物理宇宙的膨胀堪称人类历史上最伟大的发现之一。我们在膨胀空间的 导引 5
