解析宇宙學導論
第一章 引 言
首先回顧一下中國探索宇宙的歷史背景。 在探索宇宙的歷程中，中國經(jīng)歷了蓋天說、渾天說、宣夜說三個階段。 蓋天說（周初時期），中國古代最早的一種宇宙結(jié)構(gòu)學說。該學說認為，天是圓形的，像一把張開的大傘覆蓋在地上，地是方形的，像一個棋盤，日月星辰則像爬蟲一樣過往天空，因此，該學說又被稱之為“天圓地方說”。遺憾的是，蓋天說沒有留下太多成果（大都失傳），也沒有顯著的代表人物，只是《周髀算經(jīng)》中有較多記載。 渾天說（戰(zhàn)國時期），中國古代的一種宇宙結(jié)構(gòu)學說。該學說認為，天不是一個半球形，而是一整個圓球，地球在其中，就如雞蛋黃在雞蛋內(nèi)部一樣。渾天說的思想源于屈原，代表人物有張衡，主要成果有渾天儀。 渾天說提出后，并未能立即取代蓋天說，而是兩家各執(zhí)一端，爭論不休。但是，在宇宙結(jié)構(gòu)的認識上，渾天說顯然要比蓋天說進步得多，能更好地解釋許多天象，并且出現(xiàn)了當時最先進的觀天儀——渾儀。有了渾儀，渾天家們就可以借助于它幫助理解精確的觀測事實，從而來論證渾天說。在中國古代，依據(jù)這些觀測事實制定了歷法，并達到相當?shù)木?，這是蓋天說所無法比擬的。另一方面就是渾象，利用它可以形象地演示天體的運行，使人們不得不折服于渾天說的卓越思想，因此，渾天說逐漸取得了優(yōu)勢地位。到了唐代，天文學家一行等人通過天地測試徹底否定了蓋天說，使渾天說在中國古代天文領(lǐng)域稱雄了上千年。 宣夜說（戰(zhàn)國時期），中國古代的一種宇宙結(jié)構(gòu)學說。該學說認為，天了無質(zhì)，它否認了有形質(zhì)的天，包孕著無限宇宙的思想。它不僅認為宇宙在空間上是無邊無際的，而且還進一步提出宇宙在時間上也是無始無終的、無限的思想。從科學規(guī)律上來講，宣夜說仍比蓋天說和渾天說都進步的多。它在人類認知史上寫下了光輝的一頁。遺憾的是，宣夜說的卓越思想，在中國古代沒有受到重視，幾至失傳。也許，杞人憂天這個成語故事能說明宣夜說不能盛行的原因吧。 其次回顧一下人類探索宇宙的歷史背景。 在認識宇宙的歷史長河中，人類經(jīng)歷了地心說、日心說、大爆炸三個階段。 地心說，或稱天動說，是古人認為地球是宇宙的中心，而其他的星球都環(huán)繞著她而運行的一種學說。 地心說是古希臘著名天文學家托勒密于公元140年正式提出的，它的要點是：地球位于宇宙的中央靜止不動，行星、月亮、太陽和恒星等每天都繞地球自東向西轉(zhuǎn)一周。 托勒密的地心說不是一個定性的和描述性的認知體系，而是一個定量的和可以預報行星未來位置的認知體系，這在1800多年前的人們只能憑肉眼觀測宇宙的當時可說是最先進最科學的宇宙認知體系，以至于雖然在科學上是錯位的，但在天文界也統(tǒng)治了約1500年。 日心說，或稱地動說，是波蘭天文學家哥白尼在16世紀30年代后期建立的宇宙認知體系，它的基本思想剛好與地心說相反，認為太陽是宇宙的中心，而包括地球在內(nèi)的行星等天體都是環(huán)繞太陽運行。 哥白尼的日心說是一個定量的宇宙認知體系，其出自于哥白尼之手的科學巨著《天體運行論》描繪出一幅宇宙總體結(jié)構(gòu)示意圖，即中心為靜止不動的太陽，最外層天球上的天體為恒星，恒星之意就是安然不動的天體，而天球與太陽之間的天體就是行星。雖然把太陽看做宇宙的中心也是不對的，而且基于該模型對行星運動的預測也不太準，但在地心說根深蒂固的那個年代，哥白尼的日心說無疑是對傳統(tǒng)的錯誤觀念的一場偉大革命。哥白尼的日心說導致了人類認知宇宙的一次巨大飛躍。哥白尼的日心說的宇宙認知體系奠定了近代天文學的基石，使天文學首先跨入了近代科學的大門。哥白尼不愧堪稱為近代天文學的奠基人。 大爆炸宇宙學說是宇宙起源假說之一：起初，宇宙很小，幾乎只有不足原子核大小的一個點，人們稱之為“奇點”，但其中包含極大的熱能量，直到最后奇點中容納不下這樣的熱量，發(fā)生了大爆炸，通過大爆炸的能量形成了一些基本粒子，這些粒子在能量的作用下，逐漸形成了宇宙中的各種物質(zhì)、能源、空間及時間，也就是說，宇宙的一切來源于宇宙“奇點”的一場大爆炸災難。至此，大爆炸宇宙模型成為最有說服力的宇宙圖景理論。然而，至今宇宙大爆炸理論仍然缺乏大量實驗的支持，而且人們根本就不知曉宇宙開始爆炸和爆炸前的圖景。 宇宙大爆炸理論吻合了許多宇宙觀測現(xiàn)象，它的代表人物主要是哈勃、勒梅特、伽莫夫、愛因斯坦、霍金等等。 宇宙大爆炸理論是現(xiàn)代宇宙學的一個主要流派，它能較滿意地解釋宇宙學的一些根本問題。宇宙大爆炸理論雖然在20世紀40年代才提出，但20年代以來就有了萌芽。20年代時，若干天文學者均觀測到，許多河外星系的光譜線與地球上同種元素的譜線相比，都有波長變化，即紅移現(xiàn)象。 1929年，美國天文學家哈勃總結(jié)出星系譜線紅移星與星系同地球之間的距離成正比的規(guī)律，這就是著名的哈勃定律。依據(jù)該定律，如果將譜線紅移視為多普勒效果產(chǎn)生的結(jié)果，那就意味著河外星系都在離開我們向遠方退行，而且距離越遠的星系遠離我們的速度越快，這就描繪出一幅宇宙膨脹的情景。 1932年，勒梅特首次提出了現(xiàn)代宇宙大爆炸理論。該理論認為，整個宇宙最初聚集在一個“原始原子”中，后來發(fā)生了大爆炸，碎片向四面八方散開，形成了我們的宇宙。美籍俄國天體物理學家伽莫夫第一次將廣義相對論融入到宇宙理論中，提出了熱大爆炸宇宙學模型。該理論認為，宇宙開始于高溫、高密度的原始物質(zhì)，最初的溫度超過幾十億度，隨著溫度的繼續(xù)下降，宇宙開始膨脹。 20世紀40年代，美國天體物理學家伽莫夫等人正式提出了宇宙大爆炸理論。該理論認為，宇宙在遙遠的過去曾處于一種極度高溫和極大密度的狀態(tài)，這種狀態(tài)被形象地稱為“原始火球”。所謂原始火球也就是一個無限小的點，就是人們常說的“奇點”。現(xiàn)在的宇宙仍會繼續(xù)膨脹，也就是無限大，有可能宇宙爆炸的能量散發(fā)到極限的時候，宇宙又會變成一個原始火焰即無限小的點以后，火球爆炸，宇宙就開始膨脹，物質(zhì)密度逐漸變稀，溫度也逐漸降低，直到今天的狀態(tài)。這個理論能自然地說明河外天體的譜線紅移現(xiàn)象，也能圓滿地解釋許多天體物理學問題。直到50年代，人們才開始廣泛注意這個理論。 20世紀60年代，彭齊亞斯和威爾遜偶然發(fā)現(xiàn)了宇宙大爆炸理論的新的有力證據(jù)，他們發(fā)現(xiàn)了宇宙微波背景輻射，后來他們證實宇宙微波背景輻射是宇宙大爆炸時留下的遺跡，從而為宇宙大爆炸理論提供了重要的依據(jù)。他們也因此獲1978年諾貝爾物理學獎。 然而，自哈勃發(fā)現(xiàn)哈勃定律的1929年的時隔70年后的1998年，超新星宇宙學項目（Supernova Cosmology Project—SCP）和高紅移超新星巡天組（High-z Supernova Search Team—HZSST）的觀測宇宙學家Perlmutter和Riess等宣稱發(fā)現(xiàn)宇宙不是減速膨脹而是加速膨脹，這一宇宙正在加速膨脹觀測現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)在天文學界引起很大震動，說明自哈勃1929年發(fā)現(xiàn)哈勃定律至1998年的70年期間，人們所相信的大爆炸宇宙在引力作用下的減速膨脹存在問題，而如何解決這一問題就成為了擺在人類面前的巨大難題。然而解決這個巨大難題的路只有兩條，其一，繼續(xù)沿著認知了近1個世紀的大爆炸宇宙學說前進，其二，從新審視哈勃定律。 自1998年發(fā)現(xiàn)宇宙正在加速膨脹至今也就是10來年的今天，人們已經(jīng)看到，如果繼續(xù)沿著認知了近1個世紀的大爆炸宇宙學說這第一條路前進，那么勢必要假設(shè)宇宙中存在斥力，而斥力引入的結(jié)果自然就想到是暗能量和暗物質(zhì)在作怪，而暗能量和暗物質(zhì)又是人們即看不見又莫不著的存在，可以說這些暗能量和暗物質(zhì)假設(shè)的存在是人類自己為自己制造的21世紀的兩朵宇宙“烏云”，并且這兩朵“烏云”不但始終解決不了宇宙大爆炸的“奇點”問題，而且還為人類制造了一系列邏輯上、科學上、數(shù)學上、哲學上的混亂。 回頭再望望第二條路，這是中國宇宙學家周堅于2009年嘗試的這第二條探索之路，他從新審視哈勃定律。誰能想到，這一嘗試，竟然在基于宇宙正在加速膨脹的觀測基礎(chǔ)之上發(fā)現(xiàn)的包容哈勃定律的周堅紅移定律，從此，撥亂反正，基于周堅紅移定律的應用創(chuàng)立了用代數(shù)解宇宙的《解析宇宙學》，使人們認識宇宙進入到解代數(shù)方程的時代，這是數(shù)學宇宙的時代，是人類步入真正科學的宇宙認知時代。至此，作為《解析宇宙學》的創(chuàng)始人完全有理由問心無愧而無比自豪地大聲說：我！周堅！中國理論宇宙學家為人類正確認知宇宙做出了應有貢獻！
