概述
空間 時間本質宇宙是如何起源的？空間和時間的本質是什麼？這是從2000多年前的古代哲學家到現代天文學家一直都在苦苦思索的問題。直至20世紀，有兩種“宇宙模型”比較有影響，一是穩态理論，一是大爆炸理論。大爆炸宇宙論
宇宙的起源圖冊(9張)目前學術界影響較大的“大爆炸宇宙論”是1927年由比利時數學家勒梅特提出的，他認為最初宇宙的物質集中在一個超原子的“宇宙蛋”裡，在一次無與倫比的大爆炸中分裂成無數碎片，形成了今天的宇宙。1948年，俄裔美籍物理學家伽莫夫等人，又詳細勾畫出宇宙由一個緻密熾熱的奇點于150億年前一次大爆炸後，經一系列元素演化到最後形成星球、星系的整個膨脹演化過程的圖像。但是該理論存在許多使人迷惑之處。宏觀宇宙是相對無限延伸的。“大爆炸宇宙論”關于宇宙當初僅僅是一個點，而它周圍卻是一片空白，即人類至今還不能确定範圍也無法計算質量的宇宙壓縮在一個極小空間内的假設，隻是一種臆測。況且從能量與質量的正比關系考慮，一個小點無緣無故地突然爆炸成浩瀚宇宙的能量從何而來呢？哈勃定律1929年，美國天文學家哈勃提出了星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，他通過對星系光譜的研究，發現星系的運動有如下特點：所有星系都在遠離我們而去（星系都在互相遠離的宇宙膨脹說）；星系離我們越遠，它的退行速度越快；星系之間的距離在不斷擴大。哈勃定律隻是說明了距離地球越遠的星系運動速度越快--星系紅移量與星系距離呈正比關系。但他沒能發現很重要的另一點--星系紅移量與星系質量也呈正比關系。宇宙中星系間距離非常非常遙遠，光線傳播因空間物質的吸收、阻擋會逐漸減弱，那些運動速度越快的星系就是質量越大的星系。質量大，能量輻射就強，因此我們觀察到的紅移量極大的星系，當然是質量極大的星系。這就是被稱作“類星體”的遙遠星系因質量巨大而紅移量巨大的原因。另外那些質量小、能量輻射弱的星系（除極少數距銀河系很近的星系，如大、小麥哲倫星系外）則很難觀察到，于是我們現在看到的星系大多呈紅移。而銀河系内的恒星由于距地球近，大小恒星都能看到，所以恒星的紅移紫移數量大緻相等。
産生原因
紅移多紫移少的原因導緻星系紅移多紫移少的另一原因是：宇宙中的物質結構都是在一定範圍内圍繞一個中心按圓形軌迹運動的，不是像大爆炸宇宙論描述的從一個中心向四周作放射狀的直線運動。因此，從地球看到的紫移星系範圍很窄，數量極少，隻能是與銀河系同一方向運動的，前方比銀河系小的星系；後方比銀河系大的星系。隻有将來研制出更高分辨程度的天文觀測儀器才能看到更多的紫移星系。宇宙中的物質分布出現不平衡時，局部物質結構會不斷發生膨脹和收縮變化，但宇宙整體結構相對平衡的狀态不會改變。僅憑從地球角度觀測到的部分（不是全部）可見星系與地球之間距離的遠近變化，不能說明宇宙整體是在膨脹或收縮。就像地球上的海洋受引力作用不斷此漲彼消的潮汐現象并不說明海水總量是在增加或減少一樣。1994年美國卡内基研究所的弗裡德曼等人，用估計宇宙膨脹速率的辦法計算宇宙年齡時，得出一個80～120億年的年齡計算值。然而根據對恒星光譜的分析，宇宙中最古老的恒星年齡為140～160億年。恒星的年齡倒比宇宙的年齡大。1964年美國工程師彭齊亞斯和威爾遜探測到的微波背景輻射，是因為布滿宇宙空間的各種物質相互之間能量傳遞産生的效果。宇宙中的物質輻射是時刻存在的，3K或5K的溫度值也隻是人類根據自己判斷設計的一種衡量标準。這種能量輻射現象隻能說明宇宙中的物質由于引力作用，在大尺度空間整體分布的相對均勻性和星際空間裡确實存在大量我們目前還觀測不到的“暗物質”。大爆炸宇宙論中的氦豐度問題至于大爆炸宇宙論中的氦豐度問題，氦元素原本就是宇宙中存在的僅次于氫元素的數量極豐富的原子結構，它在空間的百分比含量和其它元素的百分比含量同樣都屬于物質結構分布規律中很平常的物理現象。在宇宙大尺度範圍中，不僅氦元素的豐度相似，其餘的氫、氧……元素的豐度也都是相似的。而且，各種元素是随不同的溫度、環境而不斷互相變換的，并不是始終保持一副面孔，所以微波背景輻射和氦豐度與宇宙的起源之間看不出有任何必然的聯系。大爆炸宇宙論面臨的難題還有如果宇宙無限膨脹下去，最後的結局如何呢？德國物理學家克勞修斯指出，能量從非均勻分布到均勻分布的那種變化過程，适用于宇宙間的一切能量形式和一切事件，在任何給定物體中有一個基于其總能量與溫度之比的物理量，他把這個物理量取名為“熵”，孤立系統中的“熵”永遠趨于增大。但在宇宙中總會有高“熵”和低“熵”的區域，不可能出現絕對均勻的狀态。所以，那種認為由于“熵”水平的不斷升高而達到最大值時，宇宙就會進入一片死寂的永恒狀态，最終“熱寂”而亡的結局，是把我們現在可觀測到的一部分宇宙範圍當作整個宇宙的誤識。星系形态根據天文觀測資料和物理理論描述宇宙的具體形态，星系的形态特征對研究宇宙結構至關重要，從星系的運動規律可以推斷整個宇宙的結構形态。而星系共有的圓形旋渦結構就是整個宇宙的縮影，那些橢圓、棒旋等不同的星系形态隻是因為星系年齡和觀測角度不同而産生的視覺效果。奇妙的螺旋形奇妙的螺旋形是自然界中最普遍、最基本的物質運動形式。這種螺旋現象對于認識宇宙形态有着重要的啟迪作用，大至旋渦星系，小至DNA分子，都是在這種螺旋線中産生。大自然并不認可筆直的形式，自然界所有物質的基本結構都是曲線運動方式的圓環形狀。從原子、分子到星球、星系直到星系團、超星系團無一例外，毋庸置疑，浩瀚的宇宙就是一個大旋渦。因此，确立一個“螺旋運動形态宇宙模型”，比那種作為所有物質總和的“宇宙”卻脫離曲線運動模式而獨辟蹊徑，以直線運動方式從一個中心向四面八方無限伸展的“大爆炸宇宙模型”，更能體現真實的宇宙結構形大爆炸是循環的有科學家聲稱:宇宙現在的膨脹達到極點時将又發生一場大爆炸。如同黑洞的形成過程一樣，宇宙将變成一個高密度、小體積的球體。縮小到一定程度後，将再次發生大爆炸。根據能量守恒定律，宇宙的能量并沒有消亡。但是，卻沒有人能解釋，大爆炸每次循環時間、空間、分子結構等等，都是像上次一樣（幾百幾千億年以後，又有太陽系，又有地球，又有中國，又有你），還是重新排列（光憑空可以彎曲）宇宙起源宇宙起源的問題有點像這個古老的問題：是先有雞呢，還是先有蛋。換句話說，就是何物創生宇宙，又是何物創生該物呢？也許宇宙，或者創生它的東西已經存在了無限久的時間，并不需要被創生。直到不久之前，科學家們還一直試圖回避這樣的問題，覺得它們與其說是屬于科學，不如說是屬于形而上學或宗教的問題，然而，人們在過去幾年發現，科學定律甚至在宇宙的開端也是成立的。在那種情形下，宇宙可以是自足的，并由科學定律所完全确定。關于宇宙是否并如何啟始的争論貫穿了整個記載的曆史。基本上存在兩個思想學派。許多早期的傳統，以及猶太教、基督教和伊斯蘭教認為宇宙是相當近的過去創生的。(十七世紀時邬謝爾主教算出宇宙誕生的日期是公元前4004年，這個數目是由把在舊約聖經中人物的年齡加起來而得到的。)承認人類在文化和技術上的明顯進化，是近代出現的支持上述思想的一個事實。我們記得那種業績的首創者或者這種技術的發展者。可以如此這般地進行論證，即我們不可能存在了那許久；因為否則的話，我們應比目前更加先進才對。事實上，聖經的創世日期和上次冰河期結束相差不多，而這似乎正是現代人類首次出現的時候。另一方面，還有諸如希臘哲學家亞裡士多德的一些人，他們不喜歡宇宙有個開端的思想。他們覺得這意味着神意的幹涉。他們甯願相信宇宙已經存在了并将繼續存在無限久。某種不朽的東西比某種必須被創生的東西更加完美。他們對上述有關人類進步的诘難的回答是：周期性洪水或者其他自然災難重複地使人類回到起始狀态。
發展曆程
宇宙在根本上随時間不變兩種學派都認為，宇宙在根本上随時間不變。它要麼以現在形式創生，要麼以今天的樣子維持了無限久。這是一種自然的信念，由于人類生命——整個有記載的曆史是如此之短暫，宇宙在此期間從未顯着地改變過。在一個穩定不變的宇宙的框架中，它是否已經存在了無限久或者是在有限久的過去誕生的問題，實在是一種形而上學或宗教的問題：任何一種理論都對此作解釋。1781年哲學家伊曼努爾·康德寫了一部裡程碑式的，也是非常模糊的着作《純粹理性批判》。他在這部着作中得出結論，存在同樣有效的論證分别用以支持宇宙有一個開端或者宇宙沒有開端的信仰。正如他的書名所提示的，他是簡單地基于推理得出結論，換句話說，就是根本不管宇宙的觀測。畢竟也是，在一個不變的宇宙中，有什麼可供觀測的呢？是随時間而變化的然而在十九世紀，證據開始逐漸積累起來，它表明地球戲及宇宙拭其他部分事實上是随時間而變化的。地學家們意識到岩石以及其中的化石的形成需要花費幾億甚至幾十億年的時間。這比創生論者計算的地球年齡長得太多了。由德國物理學家路德維希·破爾茲曼提出的所謂熱力學第二定律還提供了進一步的證據，宇宙中的無序度的總量(它是由稱為熵的量所測量的)總是随時間而增加，正如有關人類進步的論證，它暗示隻能運行了有限的時間，否則的話，它現在應已退化到一種完全無序的狀态，在這種狀态下萬物都牌相同的溫度下。萬有引力穩恒宇宙思想所遭遇到的另外困難是，根據牛頓的引力定律，宇宙中的每一顆恒星必須相互吸引。如果是這樣的話，它們怎麼能維持相互間恒定距離，并且靜止地停在那裡呢？牛頓曉得這個問題。在一封緻當時一位主要哲學家裡查德·本特裡的信中，他同意這樣的觀點，即有限的一群恒星不可能靜止不動，它們全部會落某個中心點。然而，他論斷道，一個無限的恒星集合不會落到一起，由于不存在任何可供它們落去的中心點。這種論證是人們在談論無限系統時會遭遇到的陷阱的一個例子。用不同的方法将從宇宙的其餘的無限數目的恒星作用到每顆恒星的力加起來，會對恒星是否維持恒常距離給出不同的答案。我們現在知道，其正确的步驟是考慮恒星的有限區域，然後加上在該區域之外大緻均勻分布的更多恒星。恒星的有限區域會落到一起，而按照牛頓定律，在該區域外加上更多的恒星不能阻止其坍縮。這樣，一個恒星的無限集合不能處于靜止不動的狀态。如果它們在某一時刻不在作相對運動，它們之間的吸引力會引起它們開始朝相互方向落去。另一種情形是，它們可能正在相互離開，而引力使這種退行速度降低一種現在受到普遍懷疑的宇宙學理論。該理論認為在存在的星系之間的膨脹空間中新物質會産生出來。若幹世紀以來，很多科學家認為宇宙除去一些細微部分外，基本沒有什麼變化。宇宙不需要一個開端或結束。即使是在發現宇宙正在膨脹之後，這種想法也沒有被放棄。托馬斯.戈爾德(Thomas Gold)，赫爾曼.邦迪(Herman Bondi)及弗雷德.霍伊爾(Fred Hoyle)于40年代後期提出，物質正以恰當的速度不斷創生着，這一創生速度剛好與因膨脹而使物質變稀的效果相平衡，從而使宇宙中的物質密度維持不變。這種狀态從無限久遠的過去一直存在至今，并将永遠地繼續下去。宇宙在任何時候，平均來說始終保持相同的狀态。穩态理論所要求的創生速率很小，每100億年中，在一立方米的體積内，大約創生1個原子。穩态理論的優點之一是它的明确性。它非常肯定地預言宇宙應該是什麼樣子的 。也正因如此 ，它很容易遭受觀測事實的質疑或反駁。當宇宙背景輻射被發現後，這一理論基本上已被否定。
