現(xiàn)代天文學、宇宙學中的哲學問題

1、現(xiàn)代天文學、宇宙學中的哲學問題現(xiàn)代天文學、宇宙學中的哲學問題2010-06-25 09：46現(xiàn)代天文學、宇宙學中的哲學問題現(xiàn)代天文學和宇宙學提出了許多的哲學問題，其中主要的有三點。一、關于宇宙的概念斯大林式的宇宙觀認為，宇宙既是物質世界，宇宙中充滿了物質，宇宙在時間上和空間上都是無限的，時間上沒有一個開端，沒有一個結束，空間上宇宙是無邊無際的。但是現(xiàn)代宇宙學，即宇宙大爆炸學說對物質世界的種種看法與斯大林式的宇宙觀是截然不同的。宇宙大爆炸(Big Bang)是一種學說，是根據(jù)天文觀測研究后得到的一種設想。大約在150億年前，宇宙所有的物質都高度密集在一點，有著極高的溫度，因而發(fā)生了巨大的爆炸。大

2、爆炸以后，物質開始向外大膨脹，就形成了今天我們看到的宇宙。這就告訴我們，宇宙在時間上是有一個開端的，在空間上是有限的。通過廣義相對論將宇宙的膨脹進行時間反演，則可得出宇宙在過去有限的時間之前曾經(jīng)處于一個密度和溫度都無限高的狀態(tài)，稱之為奇點。宇宙極早期這一高溫高密的相態(tài)被稱作大爆炸，這被看作是我們宇宙的誕生時期。通過觀測Ia型超新星來測量宇宙的膨脹，對宇宙微波背景輻射溫度漲落的測量，以及對星系之間相關函數(shù)的測量，科學家計算出宇宙的年齡大約為137.31.2億年。這三個獨立測算所得到的結果相符，從而為具體描述宇宙所包含物質比例的CDM模型提供了有力證據(jù)。關于大爆炸模型中極早期宇宙的相態(tài)問題，至今人

3、們仍充滿了猜測。在大多數(shù)常見的模型中，宇宙誕生初期是由均勻且各向同性的高密高溫高壓物質構成的，并在極早期發(fā)生了非?？焖俚呐蛎浐屠鋮s。大約在膨脹進行到10-37秒時，產生了一種相變使宇宙發(fā)生暴漲，在此期間宇宙的膨脹是呈指數(shù)增長的。當暴漲結束后，構成宇宙的物質包括夸克-膠子等離子體，以及其他所有基本粒子。此時的宇宙仍然非常熾熱，以至于粒子都在做著相對論性的高速隨機運動，而粒子-反粒子對在此期間也通過碰撞不斷地創(chuàng)生和湮滅，從而宇宙中粒子和反粒子的數(shù)量是相等的(宇宙中的總重子數(shù)為零)。直到其后的某個時刻，一種未知的違反重子數(shù)守恒的反應過程出現(xiàn)，它使夸克和輕子的數(shù)量略微超過了反夸克和反輕子的數(shù)量-超出范

4、圍大約在三千萬分之一的量級上，這一過程被稱作重子數(shù)產生。這一機制導致了當今宇宙中物質相對于反物質的主導地位。隨著宇宙的膨脹和溫度進一步的降低，粒子所具有的能量也普遍逐漸下降。當能量降低到1太電子伏特(1012eV)時產生了對稱破缺，這一相變使基本粒子和基本相互作用形成了當今我們看到的樣子。宇宙誕生的10-11秒之后，大爆炸模型中猜測的成分就進一步減少了，因為此時的粒子能量已經(jīng)降低到了高能物理實驗所能企及的范圍。10-6秒之后，夸克和膠子結合形成了諸如質子和中子的重子族，由于夸克的數(shù)量要略高于反夸克，重子的數(shù)量也要略高于反重子。此時宇宙的溫度已經(jīng)降低到不足以產生新的質子-反質子對(類似地，也不能

5、產生新的中子-反中子對)，從而即刻導致了粒子和反粒子之間的質量湮滅，這使得原有的質子和中子僅有十億分之一的數(shù)量保留下來，而對應的所有反粒子則全部湮滅。大約在1秒之后，電子和正電子之間也發(fā)生了類似的過程。經(jīng)過這一系列的湮滅，剩余的質子、中子和電子的速度降低到相對論性以下，而此時的宇宙能量密度的主要貢獻來自湮滅產生的大量光子(少部分來自中微子)。在大爆炸發(fā)生的幾分鐘后，宇宙的溫度降低到大約十億開爾文的量級，密度降低到大約空氣密度的水平。少數(shù)質子和所有中子結合，組成氘和氦的原子核，這個過程叫做太初核合成。而大多數(shù)質子沒有與中子結合，形成了氫的原子核。隨著宇宙的冷卻，宇宙能量密度的主要來自靜止質量產生

6、的引力的貢獻，并超過原先光子以輻射形式的能量密度。在大約37.9萬年之后，電子和原子核結合成為原子(主要是氫原子)，而物質通過脫耦發(fā)出輻射并在宇宙空間中相對自由的傳播，這個輻射的殘跡就形成了今天的宇宙微波背景輻射。雖然宇宙在大尺度上物質幾乎均一分布，但仍存在某些密度稍大的區(qū)域，因而在此后相當長的一段時間內這些區(qū)域內的物質通過引力作用吸引附近的物質，從而變得密度更大，并形成了氣體云、恒星、星系等其他在今天的天文學上可觀測的結構。這一過程的具體細節(jié)取決于宇宙中物質的形式和數(shù)量，其中形式可能有三種：冷暗物質、熱暗物質和重子物質。來自WMAP的目前最佳觀測結果表明，宇宙中占主導地位的物質形式是冷暗物質

7、，而其他兩種物質形式在宇宙中所占比例不超過18%。另一方面，對Ia型超新星和宇宙微波背景輻射的獨立觀測表明，當今的宇宙被一種被稱作暗能量的未知能量形式主導著，暗能量被認為滲透到空間中的每一個角落。觀測顯示，當今宇宙的總能量密度中有72%的部分是以暗能量這一形式存在的。根據(jù)推測，在宇宙非常年輕時暗能量就已經(jīng)存在，但此時的宇宙尺度很小而物質間彼此距離很近，因而在那時引力的效果顯著從而減緩了宇宙的膨脹。但經(jīng)過了幾十上百億年的膨脹，不斷增長的暗能量開始讓宇宙膨脹緩慢加速。表述暗能量的最簡潔方法是在愛因斯坦引力場方程中添加所謂宇宙常數(shù)項，但這仍然無法回答暗能量的構成、形成機制等問題，以及與此伴隨的一些更

8、基礎問題：例如關于它狀態(tài)方程的細節(jié)，以及它與粒子物理學中標準模型的內在聯(lián)系，這些未解決的問題仍然有待理論和實驗觀測的進一步研究。所有在暴漲時期以后的宇宙演化，都可以用宇宙學中的CDM模型來非常精確地描述，這一模型來自廣義相對論和量子力學各自獨立的框架。如前所述，目前還沒有廣泛支持的模型能夠描述大爆炸后大約10-15秒之內的宇宙，一般認為需要一個統(tǒng)合廣義相對論和量子力學的量子引力理論來突破這一難題。如何才能理解這一極早期宇宙的物理圖景是當今物理學的最大未解決問題之一。二、關于人在宇宙中的地位以及地外文明的問題人類在宇宙中的地位問題，自古以來一直爭論不休。首先遇到的問題是，人類是否是宇宙的中心?基

9、督教神學認為，上帝創(chuàng)造了地球，安排在宇宙的中心給人類居住，又創(chuàng)造了日月星辰圍繞地球旋轉。但是，到了16世紀哥白尼提出了日心說，推翻了托勒密的地心說，地球圍繞著太陽旋轉，太陽系屬于銀河系的一部分，銀河系又是宇宙中的一小部分，所以人類并不是處于宇宙的中心位置。但是，現(xiàn)代宇宙學的宇宙大爆炸學說認為，一切星球都遠離太陽系而去，離我們越遠的星球，它的運動速度越快。結果只能得出人類成為宇宙的中心的結論。其次，遇到的問題是：除了地球之外，宇宙中有沒有類似于人類的超級智能生命?傳統(tǒng)的馬克思主義哲學認為，人類是生物發(fā)展進化的最后最高階段，所以，在地球之外不可能有什么智能生物。但是，現(xiàn)代宇宙學認為，在地球之外，在

10、浩瀚的宇宙中，存在著類似于人類的智能生命，甚至存在著比人類更加聰明的智能生命。理由有二：一、人類非特殊論。宇宙在大尺度上是各向同性的。在物質分布上是均勻的，對稱的。地球并不是宇宙的中心，也不是獨一無二的星球。像地球這樣的有生命的和有人類的星球，在宇宙中應當是很多的。有人甚至計算出，在銀河系中可能有3億9千萬顆行星存在著智能生物。二、人類非只一次出現(xiàn)在宇宙之中。物質不滅定律和能量守恒及其轉化定律是宇宙中最普遍的規(guī)律。物質和能量守恒不僅表現(xiàn)在量上，而且應當表現(xiàn)在質上。正如恩格斯所說：自然界以鐵的必然性將它的最美麗的花朵-思維著的精神毀滅，又會以鐵的必然性在某個地方，某個時候，將它再創(chuàng)造出來。根據(jù)這個原理，宇宙中曾經(jīng)存在過無數(shù)次的智能生物，那些智能生物比人類進化得早，所以智能也應當超過人類。三、神創(chuàng)論的復興宇宙大爆炸學說指出，宇宙有一個開端，當時的宇宙濃縮在一個沒有空間的奇點是。由于不知道的原因，宇宙爆炸了，逐步產生了現(xiàn)在的宇宙。宇宙大爆炸學說為宗教的上帝創(chuàng)世說提供了科學依據(jù)。于是基督教出來說話了：物質的宇宙是通過上帝的造化，在一次余震的創(chuàng)造