吳玉梅

摘要 穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型曾經(jīng)是大爆炸宇宙模型（也即現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)宇宙模型）最有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。論文首先考察了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型的歷史背景，包括廣義相對(duì)論宇宙學(xué)的建立和哈勃經(jīng)驗(yàn)定律的發(fā)現(xiàn)，進(jìn)而探討了該模型賴(lài)以建立的基本假設(shè)，所謂“完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理”和物質(zhì)的連續(xù)創(chuàng)生理論，以及基于這兩條假設(shè)給出的數(shù)學(xué)表達(dá)。論文指出，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型盡管已經(jīng)退出了主流科學(xué)家的視野，但無(wú)論是對(duì)于宇宙學(xué)學(xué)科范式的建立，還是對(duì)于劍橋宇宙學(xué)研究傳統(tǒng)的塑造，都具有重要的歷史意義。

關(guān)鍵 詞廣義相對(duì)論宇宙學(xué) 完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理 物質(zhì)連續(xù)創(chuàng)生理論 穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型 大爆炸宇宙模型

1948年，邦迪和戈德在英國(guó)《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》（MNRAS）上發(fā)表了“膨脹宇宙的穩(wěn)恒態(tài)理論”，正式提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。同期刊物上，霍伊爾發(fā)表了“膨脹宇宙的一個(gè)新模型”，在上述定性模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入一個(gè)對(duì)稱(chēng)張量場(chǎng)，為該模型提供了定量的數(shù)學(xué)表達(dá)。從1948年到1965年前后，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型是熱大爆炸宇宙模型（即宇宙學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型）最有力的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

1965年宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)，無(wú)疑是現(xiàn)代宇宙學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要分水嶺。自此之后，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型逐步退出了主流科學(xué)家的視野。但在此之前，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型較之大爆炸宇宙模型處于更活躍的地位。科學(xué)史是一部理性的探險(xiǎn)史，也不妨說(shuō)成是一部錯(cuò)誤堆積而成的歷史。穩(wěn)恒態(tài)模型盡管如今被看成是一個(gè)被“證偽”的——或至少是未被“證實(shí)”的——理論，但我們不能由此抹殺其歷史價(jià)值。本文的目標(biāo)，旨在考察該模型提出的歷史背景、基本假設(shè)，以及它與大爆炸宇宙模型之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，從而對(duì)它的歷史地位作出盡可能中允的評(píng)價(jià)。

一 動(dòng)機(jī)與背景

現(xiàn)代宇宙學(xué)的開(kāi)端，始于1917年愛(ài)因斯坦將他的廣義相對(duì)論應(yīng)用于對(duì)宇宙的思

在假定宇宙中物質(zhì)分布是均勻的、并且各向同性的基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦得出了第一個(gè)廣義相對(duì)論宇宙學(xué)模型，這是一個(gè)有限無(wú)邊（三維空間是封閉球面）的靜態(tài)宇宙模型。2個(gè)月之后，荷蘭天文學(xué)家德西特（W.de Sitter，1872-1934）指出，在p=0（真空）的情況下，帶宇宙學(xué)項(xiàng)的場(chǎng)方程仍然有解，這個(gè)解現(xiàn)今被稱(chēng)為德西特宇宙。

在1917年，靜態(tài)宇宙的設(shè)想被認(rèn)為是相當(dāng)自然的，因?yàn)楫?dāng)時(shí)還不知道有任何大尺度的星系運(yùn)動(dòng)。1922年，俄國(guó)數(shù)學(xué)家弗里德曼（A. Friedmann，1888 -1925）在假定物質(zhì)分布仍然是均勻的和各向同性的基礎(chǔ)上證明，無(wú)宇宙學(xué)常數(shù)的場(chǎng)方程存在非靜態(tài)解，對(duì)應(yīng)于一個(gè)膨脹的宇宙。愛(ài)因斯坦起先認(rèn)為這一結(jié)果是錯(cuò)誤的，并在私下表達(dá)了自己的否定觀點(diǎn)，使得弗里德曼的工作未能在西方主流的科學(xué)期刊上發(fā)表，因此西方的大部分科學(xué)家并不知道這一項(xiàng)工作。1923年，外爾（H.K.H.Weyl，1885 - 1955）和愛(ài)丁頓（A.S.Eddington，1882 - 1944）發(fā)現(xiàn)，檢驗(yàn)粒子在德西特宇宙中彼此后退，這表明帶宇宙學(xué)常數(shù)的場(chǎng)方程也允許非靜態(tài)解。1925至1927年間，比利時(shí)數(shù)學(xué)家勒梅特（G.Lemaitre，1894 - 1966）重新獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了弗里德曼之前的研究成果。所以弗里德曼模型又被成為弗里德曼一勒梅特宇宙模型。

至此，宇宙不再是靜態(tài)的，至少在理論上是如此。至1929年，哈勃（E.Hubble，1889 - 1953）發(fā)表其天文觀測(cè)結(jié)果：星系在互相遠(yuǎn)離，且彼此之間的退離速度與星系間的距離是成線(xiàn)性關(guān)系的。哈勃的發(fā)現(xiàn)很快得到了其他科學(xué)家的確認(rèn)，因此星系在互相遠(yuǎn)離、宇宙在膨脹的結(jié)論也被當(dāng)作一個(gè)事實(shí)接受下來(lái)，并使得弗里德曼一勒梅特的宇宙模型得到了廣泛的承認(rèn)。1931年，愛(ài)因斯坦也正式承認(rèn)了弗萊德曼的工作，并稱(chēng)這一結(jié)果“不受實(shí)驗(yàn)事實(shí)（和哈勃實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)）的影響”。

作為一個(gè)“不受實(shí)驗(yàn)事實(shí)影響”的結(jié)果，弗里德曼的膨脹宇宙模型并不能告訴我們宇宙中的物質(zhì)密度（以及溫度）是否隨時(shí)間演化。1931年勒梅特在英國(guó)《皇家天文學(xué)月刊》上提出了一個(gè)演化的宇宙模型，并在隨后兩年中對(duì)之進(jìn)行了完善。1930年，德西特了解到勒梅特1927年的研究工作，并且把文章推薦給他的老友愛(ài)丁頓。愛(ài)丁頓在了解到勒梅特研究之后，對(duì)勒梅特的研究工作進(jìn)行了部分修正。這項(xiàng)修正名義上是為了解決當(dāng)時(shí)由于哈勃常數(shù)過(guò)大所導(dǎo)致的宇宙年齡同當(dāng)時(shí)的觀察數(shù)據(jù)相沖突的問(wèn)題，但實(shí)際上卻是為了避免勒梅特模型中宇宙開(kāi)端的存在。對(duì)此，丹麥?zhǔn)穼W(xué)家克勞（H.Kragh，）評(píng)論道：“愛(ài)丁頓從未同意過(guò)勒梅特關(guān)于有一個(gè)開(kāi)始于一次爆炸的有限年齡的宇宙的想法?！?/p>

1930至1940年代，天文學(xué)家圍繞宇宙到底是演化的還是穩(wěn)態(tài)的爭(zhēng)論進(jìn)入了白熱化程度，但這些爭(zhēng)論只是停留在思辨的層面，理論研究工作并沒(méi)有出現(xiàn)很大的進(jìn)展。1948年，美籍俄裔原子核物理學(xué)家伽莫夫（G.Gamow，1904 - 1968）和他的學(xué)生阿爾法（R.A.Alpher，1921 - 2007）、赫爾曼（R. Herman，1914-1997）提出了熱大爆炸宇宙模型p1，此模型后來(lái)成為宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。同一年，英國(guó)劍橋大學(xué)的天文學(xué)家霍伊爾（F. Hoyle，1915-2001）通過(guò)數(shù)學(xué)的推導(dǎo)提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，他的同事兼好友邦迪（H. Bondi， 1919-2005）、戈德（T.Gold，1920-2004）從哲學(xué)的角度考慮也提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型。需要指出的是，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型的提出，針對(duì)的并不是熱大爆炸宇宙模型存在的問(wèn)題（包括奇點(diǎn)問(wèn)題），而是弗里德曼一勒梅特宇宙模型中存在的宇宙開(kāi)端問(wèn)題。

二 假設(shè)與模型

1.完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理

在邦迪和戈德的文章中，完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理幾乎是作為一個(gè)先驗(yàn)原理而提出來(lái)的。在他們看來(lái)，要對(duì)宇宙進(jìn)行研究，就必須假定某些先驗(yàn)條件。這一要求，在當(dāng)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)觀察條件下，具有一定的合理性。事實(shí)上，愛(ài)因斯坦當(dāng)初引入宇宙學(xué)原理，也差不多是一種先驗(yàn)假設(shè)。宇宙中物質(zhì)分布在大尺度上（星系尺度上）是均勻的和各向同性的，直到1960年代之后才獲得經(jīng)驗(yàn)材料的支持。

盡管如此，邦迪和戈德仍然需要為完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理做出適當(dāng)?shù)霓q護(hù)。他們辯護(hù)的基礎(chǔ)，就是物理定律的普適性。我們的物理定律都是在地面上、并且是在有限的時(shí)間內(nèi)獲得的。如果這些定律不是普適的，那么我們對(duì)物理定律的選擇將會(huì)變得無(wú)所適從，對(duì)宇宙的研究也無(wú)從談起。物理定律之所以是普適的，正是因?yàn)橛型隄M(mǎn)宇宙學(xué)原理作為保證。按他們的說(shuō)法：“如果地面上的物理定律能夠毫不含糊地（在宇宙中）應(yīng)用，那么必須是在一個(gè)在時(shí)間上穩(wěn)恒的、在空間上均勻的宇宙（stationary homogeneous universe）中。因此，宇宙學(xué)如果存在一個(gè)嚴(yán)格的邏輯基礎(chǔ)，宇宙就必須是穩(wěn)恒且均勻。”

宇宙學(xué)原理假定了“隨著觀察范圍的擴(kuò)大，從天文學(xué)觀察里得到的大尺度上數(shù)值（如空間的平均密度，星系的平均大小，冷凝物質(zhì)與非冷凝物質(zhì)的比率等）是獨(dú)立于觀察者而趨向于均勻的。當(dāng)然，這種均勻是在同等的時(shí)刻?！睈?ài)因斯坦最初引入宇宙學(xué)原理，主要是為了實(shí)現(xiàn)慣性的相對(duì)性起源。馬赫關(guān)于慣性的相對(duì)性起源的模糊思想（通常稱(chēng)之為馬赫原理），在愛(ài)因斯坦這里獲得了一種明確地表達(dá)：由物質(zhì)的分布和運(yùn)動(dòng)完全決定。邦迪和戈德在一定程度上也受到馬赫思想的影響。他們認(rèn)為，局部時(shí)空中所確立的物理定律離不開(kāi)整個(gè)宇宙的存在。

任何局域系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)本質(zhì)上都受到遠(yuǎn)處物體的影響，因此，我們不能考慮有這樣的實(shí)驗(yàn)室存在，即它能完全屏蔽從而排除所有外界條件的影響。出于同樣的理由，我們也無(wú)法假設(shè)存在獨(dú)立于宇宙存在的物理學(xué)定律和宇宙學(xué)常數(shù)。

但邦迪和戈德認(rèn)為，宇宙中物質(zhì)的分布僅僅在同一時(shí)間上是大尺度趨向均勻的還不夠，這表示我們無(wú)法確定t時(shí)刻的經(jīng)驗(yàn)和理論是否適用于下一時(shí)刻。因此，宇宙學(xué)原理必須進(jìn)一步擴(kuò)充為完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理。在他們的文章中，對(duì)該原理的討論占去了五分之二的篇幅。他們說(shuō)：“我們并沒(méi)有聲稱(chēng)這個(gè)原理必然是正確的，而是說(shuō)如果這個(gè)原理是不成立，那么我們對(duì)于物理定律的有效性的選擇將會(huì)變得非常寬泛從而不再是科學(xué)的。”在正文的第二部分，邦迪和戈德討論了完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理的若干“應(yīng)用”，比如對(duì)宇宙“穩(wěn)恒性”的理解、對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)的解釋?zhuān)约皩?duì)宇宙熱力學(xué)狀態(tài)的解釋等。邦迪、戈德認(rèn)為，完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理加上宇宙顯然處于非熱力學(xué)平衡態(tài)的事實(shí)就可以推導(dǎo)出宇宙在膨脹的事實(shí)。

霍伊爾對(duì)于完滿(mǎn)宇宙學(xué)的態(tài)度是完全肯定的。與邦迪和戈德不同，他將之稱(chēng)為廣義宇宙學(xué)原理，而將之前的宇宙學(xué)原理稱(chēng)為狹義宇宙學(xué)原理?！鞍凑摘M義宇宙學(xué)原理，固定在某個(gè)特定粒子上的觀察者所觀察到的物質(zhì)和動(dòng)量的分布與固定在相關(guān)其他粒子上的觀察者所觀察的分布相同，假定這兩者的比較的是同一時(shí)刻。這一假定削弱了觀察者的等價(jià)性。當(dāng)宇宙學(xué)原理在廣義意義上使用時(shí)，這一假定條件被消除了，兩個(gè)在不同時(shí)刻進(jìn)行觀察的觀察者就可以相互比較?！?/p>

2.物質(zhì)的連續(xù)創(chuàng)生

物質(zhì)的連續(xù)創(chuàng)生意味著宇宙即使在膨脹也能維持它的基本性質(zhì)如宇宙的平均密度保持不變。在穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型提出之前，哈勃發(fā)現(xiàn)中包含的宇宙在膨脹的事實(shí)基本上已經(jīng)得到了科學(xué)共同體的認(rèn)可。物質(zhì)的連續(xù)創(chuàng)生①便是假定宇宙滿(mǎn)足完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理的前提下提出來(lái)的一個(gè)解決方案。

霍伊爾在他1948年提出穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型的文章開(kāi)頭就對(duì)物質(zhì)的創(chuàng)生做了一個(gè)很簡(jiǎn)短的介紹。他提及物質(zhì)創(chuàng)生這個(gè)想法在之前就已經(jīng)有金斯（J.H.Jeans，1977-1946）提出過(guò)，不過(guò)這種應(yīng)用局限在星云（星系）中。后來(lái)狄拉克認(rèn)為這種物質(zhì)創(chuàng)生的想法可能與宇宙學(xué)中更廣泛的問(wèn)題相關(guān)。而把物質(zhì)的創(chuàng)生與膨脹的宇宙聯(lián)系起來(lái)則是戈德提出來(lái)的，戈德認(rèn)為通過(guò)物質(zhì)創(chuàng)生可以得到一個(gè)膨脹的、并且物質(zhì)密度保持不變的宇宙。

邦迪和戈德在其提出穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型的文章中，對(duì)于物質(zhì)創(chuàng)生做了一定的說(shuō)明。他們討論了物質(zhì)創(chuàng)生在什么地方，且是什么樣的物質(zhì)種類(lèi)等問(wèn)題。他們認(rèn)為物質(zhì)在星際空間中產(chǎn)生的幾率遠(yuǎn)大于在恒星內(nèi)部產(chǎn)生的幾率；物質(zhì)創(chuàng)生率更有可能在各處都是均等的。他們認(rèn)為，這些創(chuàng)生的物質(zhì)最可能的是氫原子，其推測(cè)的依據(jù)涉及當(dāng)時(shí)的核物理學(xué)知識(shí)。“元素的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的恒星過(guò)程，相較于氫原子，在星際空間存在的其他（較重的）元素可能更多來(lái)源于恒星物質(zhì)的爆發(fā)和噴散”，因此對(duì)于一種更多創(chuàng)生于星級(jí)空間而非恒星內(nèi)部的粒子來(lái)說(shuō)，氫原子更合適。另外物質(zhì)創(chuàng)生的速率，他們得出的數(shù)值為。這是一個(gè)非常小的數(shù)字，現(xiàn)今的技術(shù)手段遠(yuǎn)遠(yuǎn)觀察不到。

3.數(shù)學(xué)模型

霍伊爾盡管解釋了張量場(chǎng)的數(shù)學(xué)意義，卻沒(méi)能指出它的物理意義。因此他所給出的修正的場(chǎng)方程，只是為了得出穩(wěn)恒態(tài)解而給出的一個(gè)純數(shù)學(xué)模型。只是到后來(lái)，當(dāng)穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型面對(duì)來(lái)自觀察數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)時(shí)，霍伊爾才開(kāi)始探討它的物理意義，以期能修正這個(gè)模型來(lái)與大爆炸模型競(jìng)爭(zhēng)。

關(guān)于穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型是否需要一個(gè)帶有廣義相對(duì)論特征的數(shù)學(xué)模型方面，邦迪、戈德與霍伊爾之間是存在分歧的。邦迪和戈德的理論帶有較強(qiáng)的哲學(xué)思辨色彩，而霍伊爾的工作更接近數(shù)學(xué)物理傳統(tǒng)。邦迪和戈德的文章一開(kāi)始是打算發(fā)表在哲學(xué)期刊上的。碰巧的是，哈勃在這一期間發(fā)表了的一組觀測(cè)數(shù)據(jù)，正好可以支持他們文章中的某些結(jié)論。所以他們就借用了這組數(shù)據(jù)，這樣他們的文章才能投到《皇家天文學(xué)會(huì)月刊》上。在后來(lái)紀(jì)念戈德的會(huì)議上，邦迪對(duì)于這種風(fēng)格上的差異做出了精要的說(shuō)明：

有兩三個(gè)因素，對(duì)于[穩(wěn)恒態(tài)]模型的發(fā)展具有重要的意義。一個(gè)是我和戈德在見(jiàn)解上跟霍伊爾相比更偏向哲學(xué)，馬赫原理給了我們非常深刻的印象。那個(gè)時(shí)候，霍伊爾對(duì)它不感興趣。另一個(gè)是比起數(shù)學(xué)描述來(lái)說(shuō)，我們都對(duì)客觀的現(xiàn)象更感興趣，因?yàn)閺奈锢淼慕嵌戎v，數(shù)學(xué)描述對(duì)于什么是真實(shí)的之類(lèi)的問(wèn)題不能增加任何東西。這是一種真正的不同，且隨著時(shí)間的流逝變得更加強(qiáng)烈。我想我們一直認(rèn)為穩(wěn)恒態(tài)模型的長(zhǎng)處是它作為一個(gè)理論是如此嚴(yán)格，因此也非常容易被證偽。我們經(jīng)常表達(dá)這個(gè)觀點(diǎn)，然而霍伊爾從未認(rèn)為這個(gè)理論近乎如此嚴(yán)格。

三 挑戰(zhàn)與競(jìng)爭(zhēng)

穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型提出以后，面臨著來(lái)自同時(shí)期的另一個(gè)很有影響的模型——熱大爆炸宇宙模型的挑戰(zhàn)。熱大爆炸宇宙模型是美國(guó)俄裔科學(xué)家伽莫夫首先提出來(lái)的。1946年9月13日，伽莫夫在《物理評(píng)論》上發(fā)表了《膨脹的宇宙與元素的起源》一文，這篇文章是伽莫夫?qū)τ钪嬲w的物質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究的開(kāi)始。他在此文里提出了宇宙中各元素的相對(duì)豐度取決于膨脹宇宙的早期物理?xiàng)l件，而且這個(gè)早期條件所存在的時(shí)間局限于普朗克數(shù)量級(jí)上。這也是首次有人把核物理同廣義相對(duì)論宇宙學(xué)結(jié)合起來(lái)。伽莫夫在他后來(lái)的采訪(fǎng)錄里提到，這是他對(duì)于宇宙學(xué)最大的創(chuàng)新性工作。

而在同一采訪(fǎng)錄里，他承認(rèn)他是在接受了宇宙是演化的基礎(chǔ)上來(lái)思考可能的宇宙狀態(tài)的。伽莫夫認(rèn)為自己關(guān)于宇宙演化的思想承自他人，這里的他人正是曾經(jīng)做過(guò)他老師的弗里德曼。

1948年，霍伊爾和邦迪、戈德在發(fā)表他們的文章時(shí)并沒(méi)有提及已存在的伽莫夫等人的宇宙模型。三人所考慮解決的宇宙學(xué)問(wèn)題也是伽莫夫之前的演化宇宙模型中存在的問(wèn)題，當(dāng)然，這些問(wèn)題在伽莫夫的研究中并不是重點(diǎn)。這也是科學(xué)研究中常見(jiàn)的現(xiàn)象，即使研究的是同一個(gè)主題，因?yàn)椴煌谋尘爸R(shí)和研究目的，對(duì)于研究者來(lái)說(shuō)，主題所存在的問(wèn)題也是不同的。

霍伊爾是面對(duì)這場(chǎng)挑戰(zhàn)的主要發(fā)言人，當(dāng)然也是主要的反駁者。1949年，他在BBC的一個(gè)關(guān)于宇宙學(xué)的公共講座的廣播節(jié)目里面提及伽莫夫等人的模型，并且戲稱(chēng)它是“大爆炸”（big bang）——這也是大爆炸一詞的由來(lái)。當(dāng)然，因他本身是核物理領(lǐng)域的科學(xué)家，他能意識(shí)到大爆炸理論中元素核合成理論的不完整性或者說(shuō)與當(dāng)時(shí)觀察數(shù)據(jù)的矛盾，比如當(dāng)時(shí)得到的元素相對(duì)豐度曲線(xiàn)與伽莫夫等人提出的宇宙初始階段產(chǎn)生了所有元素的理論的矛盾。1957年，霍伊爾在這個(gè)領(lǐng)域做出了重大發(fā)現(xiàn)：重元素是在恒星內(nèi)部生成的，而非依賴(lài)于早期的宇宙條件。霍伊爾的這個(gè)理論，即當(dāng)今原子核物理學(xué)里的B2HF理論。B2HF理論提出了與恒星演化各階段相應(yīng)的八種合成過(guò)程，指出了恒星在赫羅圖上的演化方向，提供了計(jì)算恒星內(nèi)部結(jié)構(gòu)的客觀基礎(chǔ)，并闡明了超新星爆發(fā)和大質(zhì)量恒星演化的關(guān)系。八種合成過(guò)程主要包括：氫燃燒，氦燃燒，碳、氧、氖燃燒，硅燃燒（e過(guò)程），中子、質(zhì)子俘獲（s、r和p過(guò)程），以及散裂反應(yīng)（x）過(guò)程等。B2HF理論顯然反駁了伽莫夫他們關(guān)于宇宙中所有元素都是在大爆炸之后通過(guò)原初核合成形成的觀點(diǎn)。事實(shí)上，伽莫夫他們自己就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)模型在解釋元素相對(duì)豐度曲線(xiàn)時(shí)，當(dāng)原子序數(shù)到5時(shí)本身就出現(xiàn)了問(wèn)題。

除了上述從理論的角度對(duì)大爆炸模型提出批評(píng)外，霍伊爾還從經(jīng)驗(yàn)的角度給出了他不能接受熱大爆炸的理由。1950年，霍伊爾指出，我們迄今在宇宙中未觀察到任何大爆炸的遺跡?！斑@個(gè)大爆炸的想法對(duì)于我來(lái)說(shuō)，甚至在表明它將導(dǎo)致嚴(yán)重的困難的詳細(xì)驗(yàn)證之前，也是不滿(mǎn)意的。當(dāng)我們觀察我們的銀河系時(shí)這里沒(méi)有留下任何最小的印記表明這樣的爆炸曾經(jīng)發(fā)生?！笔聦?shí)上，1965年宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)正是“這樣的爆炸”留下的印記，不過(guò)這是后話(huà)。

霍伊爾不接受大爆炸宇宙模型最根本的原因，無(wú)疑仍然是該模型所隱含的初始奇點(diǎn)問(wèn)題。作為一個(gè)演化宇宙模型，熱大爆炸宇宙模型無(wú)疑是弗里德曼的膨脹宇宙模型與原子核物理學(xué)知識(shí)以及熱力學(xué)理論相結(jié)合的產(chǎn)物。而霍伊爾本人的穩(wěn)恒態(tài)模型，針對(duì)的正是弗里德曼模型中宇宙有一個(gè)開(kāi)端的思想。1972年，霍伊爾還在自己的著作中寫(xiě)道：

“過(guò)去的宇宙學(xué)，尤其是‘弗里德曼宇宙學(xué)，是令人失望的，至少對(duì)于我來(lái)說(shuō)如此。它們沒(méi)有提供關(guān)于宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)與日常經(jīng)驗(yàn)世界的聯(lián)系。事實(shí)上，它們甚至沒(méi)有提供關(guān)于天文學(xué)家的通常世界與恒星、星系之間的關(guān)系。就好像宇宙學(xué)形成了一個(gè)與其他一切事情相隔離的論題?！?/p>

在1950-1960年代，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型除了受到競(jìng)爭(zhēng)理論對(duì)手的挑戰(zhàn)外，還面臨著來(lái)自更多經(jīng)驗(yàn)證據(jù)的挑戰(zhàn)。1955年以后，射電天文學(xué)快速發(fā)展，越來(lái)越多的天文觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，真實(shí)的宇宙與穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型所預(yù)言的宇宙是不相符的。比如，1963年發(fā)現(xiàn)的類(lèi)星體這種遙遠(yuǎn)星體的性質(zhì)似乎就與之前所觀察到的星體不同，而這種不同可能說(shuō)明來(lái)自宇宙過(guò)去的發(fā)光體有著與現(xiàn)在的星體不同的性質(zhì)，這與完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理這一假設(shè)是相沖突的。還有，1964年，天文學(xué)家在研究銀河系中氦元素的豐度時(shí)發(fā)現(xiàn)，氦元素有可能來(lái)源于宇宙大爆炸之后不久的那個(gè)時(shí)刻。這意味著，宇宙中發(fā)生了兩次核合成——原初核合成和恒星內(nèi)部的第二次核合成，宇宙中的輕元素（特別是氦元素）是原初核合成的產(chǎn)物。這是支持熱大爆炸宇宙模型最有力的證據(jù)之一。

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，霍伊爾等人在這期間對(duì)穩(wěn)恒態(tài)模型做出了若干修正，包括賦予原來(lái)的C-場(chǎng)理論以比較清楚的物理含義，以及將穩(wěn)恒態(tài)模型擴(kuò)展為熱穩(wěn)恒態(tài)模型。如今看來(lái)，這些修正都不是十分成功。1965年發(fā)現(xiàn)的宇宙微波背景輻射，表明宇宙的確留下了可供觀察的熱遺跡。熱大爆炸模型的這一預(yù)言在一開(kāi)始并未得到科學(xué)家的重視，彭奇亞斯和威爾遜無(wú)意中做出的發(fā)現(xiàn)，發(fā)揮了近乎判決性實(shí)驗(yàn)的效果。自此之后，大爆炸宇宙模型遂成為宇宙學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型。

四 穩(wěn)恒態(tài)模型的歷史意義

盡管穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型最終退出了主流科學(xué)家研究的視野，然而在1940年代末至1960年代中期這一宇宙學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，真正激起人們對(duì)于宇宙學(xué)問(wèn)題興趣的是穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，而不是熱大爆炸宇宙模型。

筆者對(duì)《<自然>百年科學(xué)經(jīng)典》這套叢書(shū)所收錄的1931至1965年間發(fā)表的物理學(xué)和天文學(xué)論文數(shù)量做了一個(gè)簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)，大體可以看出這些年天文學(xué)的發(fā)展情況。1931 - 1933年，物理學(xué)論文共38篇，其中有19篇是有關(guān)原子或原子核或粒子相關(guān)方面的文章，特別是中子和正電子的發(fā)現(xiàn)；天文學(xué)論文共12篇，其中11篇論及恒星的構(gòu)造，這與物理學(xué)中粒子和核物理研究的興起密切相關(guān)。1934-1945年，物理學(xué)類(lèi)的文章是69篇，其中主要是關(guān)于核物理的發(fā)展以及核衰變的研究；天文學(xué)方面的文章10篇，主要探討星系的形成、恒星的演化以及太陽(yáng)系起源等，金斯、霍伊爾以及伽莫夫的文章出現(xiàn)在其中。1946-1965年，物理學(xué)方面的文章18篇，天文學(xué)方面的文章17篇，主要涉及新的天文工具和新的星體的發(fā)現(xiàn)，還有宇宙學(xué)方面的進(jìn)展。通過(guò)物理學(xué)和天文學(xué)文章的數(shù)量比，我們可以明顯地看出，天文學(xué)的研究在1945至1965年間進(jìn)入到一個(gè)非常活躍的階段，并且宇宙學(xué)也已經(jīng)在主流的科學(xué)期刊中占有了一定的發(fā)表率。

還有一件事可以證明宇宙學(xué)在此期間進(jìn)入到一個(gè)活躍的階段。1958年第11屆索爾維會(huì)議的主題是宇宙的結(jié)構(gòu)和演化，這是索爾維會(huì)議第一次整個(gè)以天體物理學(xué)為主題，而且標(biāo)題與宇宙學(xué)的理論密切相關(guān)。1964年的索爾維會(huì)議仍然是以天體物理學(xué)為主題，只不過(guò)這一次的主題更加專(zhuān)一，主要討論星系的結(jié)構(gòu)與演化。這兩次的天體物理學(xué)會(huì)議，霍伊爾都參加了；邦迪、戈德和勒梅特參加了第一次會(huì)議。

按照庫(kù)恩的范式理論，1940-1960年代的宇宙學(xué)屬于從前范式科學(xué)向常規(guī)科學(xué)轉(zhuǎn)變的階段。在此期間，穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型和大爆炸宇宙模型處于相互競(jìng)爭(zhēng)的狀態(tài)，這種相互競(jìng)爭(zhēng)不僅最終確立了宇宙學(xué)的研究范式，同時(shí)也促進(jìn)了宇宙學(xué)家這一新的科學(xué)共同體的產(chǎn)生。盡管在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型沒(méi)有獲得范式的地位，但它對(duì)劍橋宇宙學(xué)研究傳統(tǒng)的塑造，產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。

劍橋的宇宙學(xué)研究傳統(tǒng)是以愛(ài)丁頓、霍伊爾和霍金為代表的三代科學(xué)家共同塑造的，上頁(yè)圖1就是這三代科學(xué)家之間的關(guān)系圖譜。

在這張學(xué)術(shù)譜系圖中，狄拉克和愛(ài)丁頓是同一時(shí)期劍橋數(shù)學(xué)和理論物理研究所的同事。20世紀(jì)30年代初提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型創(chuàng)立者之一霍伊爾是狄拉克的博士生，同時(shí)也上過(guò)愛(ài)丁頓的課程?；粢翣?、邦迪和戈德是在戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)候認(rèn)識(shí)的朋友，在戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束之后，三人回到劍橋，私下有著很密集的交往。膨脹宇宙模型的建立者勒梅特曾于1927年在劍橋跟隨愛(ài)丁頓學(xué)習(xí)。在第三代科學(xué)家中，納里卡（J.V Narlikar）是霍伊爾的學(xué)生，他和霍伊爾在1990年代提出了準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)宇宙模型?；艚鹪谶x擇博士生導(dǎo)師一度想成為霍伊爾的學(xué)生，并因此放棄了去牛津的計(jì)劃，轉(zhuǎn)而來(lái)劍橋從事廣義相對(duì)論和宇宙學(xué)的研究。

這張學(xué)術(shù)譜系圖還忽略了在上世紀(jì)二、三十年代同劍橋有著特殊關(guān)系的兩位科學(xué)家。第一位是提出牛頓學(xué)說(shuō)膨脹宇宙模型的米爾恩（E.A.Milne），他也曾經(jīng)是劍橋的講師。米爾恩另一個(gè)貢獻(xiàn)是他提出了類(lèi)似邦迪和戈德所提出的完滿(mǎn)宇宙學(xué)原理，不過(guò)米爾恩的相關(guān)工作不是在劍橋時(shí)期開(kāi)始的。另外一位則是霍伊爾提到過(guò)的天文學(xué)家金斯，他雖然沒(méi)有直接研究宇宙學(xué)，但是他的許多科普作品引起了人們對(duì)天文學(xué)和宇宙學(xué)方面的興趣，其中就包括戈德。金斯還提出了物質(zhì)連續(xù)創(chuàng)生的設(shè)想，霍伊爾也注意到了。

從這張學(xué)術(shù)譜系圖我們不難看出，劍橋的宇宙學(xué)研究緊緊圍繞著宇宙開(kāi)端問(wèn)題。在第一代科學(xué)家中，愛(ài)丁頓首先表達(dá)了對(duì)宇宙有限年齡這一思想的排斥態(tài)度。在第二代科學(xué)家中，霍伊爾等人提出了穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型，以避開(kāi)宇宙有一個(gè)開(kāi)端的設(shè)想。在第三代科學(xué)家中，霍金證明了廣義相對(duì)論方程存在奇點(diǎn)解，包括膨脹宇宙的初始奇點(diǎn)。由此可以看出，霍伊爾及其穩(wěn)恒態(tài)宇宙模型在塑造劍橋的宇宙學(xué)研究傳統(tǒng)方面起著承上啟下的作用。