主講人簡介

趙復垣：中科院國家天文臺副研究員。

內(nèi)容簡介

天文學是最古老的自然科學學科之一。人類正確認識宇宙以及地球在宇宙中的地位經(jīng)歷了漫長的過程，這一過程與歷史上許多著名學者的辛勤勞動——細致的觀測和深入的理論研究——是密切不可分的。早在公元前4世紀，古希臘哲學家亞里士多德就已提出了“地心說”，即認為地球位于宇宙的中心。同時早在兩千多年前，古希臘天文學家阿里斯塔克就已提出了樸素的“日心說”。1584年，意大利人布魯諾明確提出宇宙是無限的，恒星都是遙遠的太陽，太陽只是無數(shù)個恒星中的普通一員。1750年，英國天文學家賴特指出，銀河和所有觀測到的恒星構成一個巨大的扁平狀天體系統(tǒng)，由于太陽連同地球位于這一系統(tǒng)的內(nèi)部，從不同方向觀測才看到了銀河和離散分布的點點繁星。1785年，英籍德國天文學家威廉。赫歇耳建立了第一個銀河系模型。1917年，美國天文學家沙普利通過對銀河系內(nèi)天體分布的分析，確認太陽并不位于銀河系的中心，而是處于相對說來比較靠近銀河系邊緣的地方，從而糾正了赫歇耳銀河系模型的錯誤。

這樣，太陽的地位也發(fā)生了變化，從居于銀河系中心的特殊恒星，降為銀河系中一顆毫無特殊地位可言的普通恒星，地球在宇宙中的地位也就更無特殊性可言了。地球不是上帝刻意安排的，人類自然也不是上帝創(chuàng)造的。

但是宇宙的未來將走向哪里呢？愛因斯坦在上個世紀初的時候，先后發(fā)表了狹義相對論和廣義相對論。廣義相對論說的是在一個大質(zhì)量物體的周圍，它的時間和空間都要發(fā)生彎曲。

在上個世紀初的時候，有一支日食觀測隊就在非洲去觀測了一次日全食。他們就真的拍下了當時在日全食發(fā)生的時候，太陽附近恒星的位置，就拍下來這個照片。后來拿回來進行了仔細地計算以后就發(fā)現(xiàn)，這個恒星的位置真的是發(fā)生了變化，而且發(fā)生變化量跟廣義相對論預言的那個變化量是非常一致的，完全在誤差范圍里面。那么這樣就通過這次日全食的觀測，廣義相對論第一次得到了驗證。我們看到，假如太陽的質(zhì)量不是現(xiàn)在這樣大，如果它的質(zhì)量大到了一定的程度，那么這個光就會折回來，這樣大質(zhì)量物體就變成了黑洞。

于是有了宇宙膨脹學說，根據(jù)最新的研究結果表明，宇宙現(xiàn)在正在膨脹中，而且不僅是膨脹，而且膨脹還在加速，可是最終會不會有一天膨脹加速它減慢下來，由于萬有引力的存在，宇宙又會不會向一個中心去坍塌呢？

人類演出了光輝燦爛的文明史，并最終正確地認識了宇宙的概貌。但是人類關于宇宙未來的探索還將繼續(xù)。

全文

我們這一講的題目是《從天圓地方看宇宙》。我們知道，我們?nèi)祟愂怯兄腔鄣母叩壬?。既然我們有智慧，我們要?jīng)常思考一些問題。其中一個非常重要的問題就是我們所處的這個宇宙，它到底是什么樣子的？它是從何而來的？它將來又會怎么樣？這是我們?nèi)祟惤?jīng)常要思考的一個問題。比如說在我們中國，在遠古的時候就有“盤古開天地”的說法。那么在西方，當然大家知道，就有“上帝創(chuàng)造世界”的說法。這些實際上都是我們?nèi)祟愱P于我們這個宇宙的一些看法，說到底也就是一個宇宙觀的問題。

在我們中國的古代漢語里邊，最早出現(xiàn)宇宙的這個說法的，應該是在兩千多年前的戰(zhàn)國時代，當時有一位大學者，他的名字叫尸佼，他生活在大約公元前400年到公元前300年之間。他就說“上下四方曰宇，往古來今曰宙”。這里邊尸佼就非常明確地提出了空間和時間的概念。我們知道，這是在兩千多年以前，我們古代的學者就已經(jīng)有了非常明確的空間和時間的概念。

那么到了公元100年左右的東漢時代，當時偉大的科學家張衡又進一步把宇和宙這兩個字聯(lián)到一起，最早提出了宇宙這個說法。張衡說“過此而往者，未知或知也。未知或知者，宇宙之謂也?！蹦敲从钪孢@個詞，最早就出現(xiàn)在張衡的書里面，“宇之表無極，宙之端無窮”。大家看他最后這兩句話，就非常明確地提出了空間和時間是無限的觀念。這個在我們東漢時代就有了。那么宇宙在時間和空間上是無限的，這是一個非常有名的哲學命題。我們都讀過非常有名的歷史小說《三國演義》，其中有一回，有一個非常有名的故事，就是“劉玄德三顧茅廬”，這個書里寫到，當劉備去造訪諸葛亮的時候，遇到了一個農(nóng)夫，這個農(nóng)夫就在唱一首歌，其中有兩句歌詞就說到，“蒼天如圓蓋，大地似棋局”，那么這個說法就是非常典型的代表了我們古代的人對宇宙的一種看法。就是天就像一個圓蓋，大地就像一個圍棋的棋盤。那么這里邊隱含了一種思想，就是地是平的，實際上是一種天圓地方，或者是說天圓地平的思想。

這幅圖就是一個人們想像中的古代人們對天和地的看法，也就是對宇宙的看法。當然現(xiàn)在我們知道了，這種看法實際上是不完全正確的。那么為什么會造成古代人類有這樣的看法呢？我們知道，其中最主要的原因就是古代的生產(chǎn)力非常落后，也就是技術非常落后。古代人類活動的范圍非常狹小，比如說我們現(xiàn)在，如果你坐上噴氣式飛機，十幾個小時就能到歐洲，二十幾個小時就到了美洲。在古代，人們一般來說活動范圍應該說是幾百公里，最多也就是一、兩千公里，這個范圍是非常狹小的。所以說就造成了人們認為這個地是平的，就不像現(xiàn)在我們大家已經(jīng)知道，大地是球形的，我們地球是球形的，所以說（這）完全是古代人類直覺所導致的概念，這是我們中國的情況。

那么在西方跟張衡生活在差不多的時代，在西方有一位非常有名的天文學家叫托勒密，他當時就在埃及的亞歷山大進行天文觀測。當時由于沒有望遠鏡，就是在托勒密時代望遠鏡還沒有發(fā)明，當時主要是用肉眼來進行一些天文的觀測。當時人們就已經(jīng)觀察到太陽、月亮還有其他一些行星，比如說一些非常亮的行星，像水星、金星、火星、還有木星，這幾個大的行星，每天都在東升西落，當然包括太陽和月亮了，于是就形成了這樣一種概念，就是這些天體都在圍繞著地球旋轉。那么這樣當然也是一種非常直覺的觀察所造成的概念。于是托勒密就提出了“地心說”，認為地球是處在宇宙的中心，其他的天體都在圍繞地球旋轉，最外層就是恒星天，所謂恒星天，就是恒星的位置是不動的，這就是“地心說”的概念。

“地心說”這種學說在西方一直持續(xù)了一千多年，一直到15、16世紀的時候，事情才開始發(fā)生變化。當時波蘭的天文學家哥白尼，他根據(jù)一些天文觀測的結果，就發(fā)現(xiàn)“地心說”有很多缺陷。他認為如果把太陽放在宇宙的中心，那么這個情況，就要比“地心說”更能夠解釋這個觀測事實。于是哥白尼就在他臨去世以前，出版了他著名的《天體運行論》。這幅圖就是哥白尼在《天體運行論》里邊所提出的“日心說”代表的一幅圖。我想提醒大家注意一個事實，就是在哥白尼的書出版了以后很長時間，并沒有引起公眾的重視。就是大家都沒有重視他的學說，“地心說”還是處在一種主導的地位，而且“地心說”還被教會引進了它的教義。教會就認為，上帝是在地球上，也就是在宇宙的中心創(chuàng)造了這個世界，所以說“地心說”實際上是和教會的教義聯(lián)系在一起的。一直到17世紀的時候，望遠鏡發(fā)明了。這時候意大利科學家伽利略，就親手制作了幾架小的望遠鏡，他馬上用幾架小的望遠鏡觀測天體，然后他就完成了非常重要的發(fā)現(xiàn)。伽利略用望遠鏡觀測天體的時候，首先他就觀測了木星，他就發(fā)現(xiàn)木星周圍有幾顆非常亮的亮點，而且他發(fā)現(xiàn)這個亮點的位置還在不斷地移動。于是他馬上意識到，這幾亮點是木星的衛(wèi)星。然后伽利略還發(fā)現(xiàn)了金星，在望遠鏡里不是一個完整的圓面，而是一個像我們的月亮一樣，會出現(xiàn)圓缺的現(xiàn)象。那么這說明什么呢？說明第一，金星它自身并不發(fā)光；第二，說明金星在圍繞著太陽旋轉。伽利略在發(fā)現(xiàn)了這兩個重要的觀測事實以后，馬上就得到一個結論，就認為“日心說”，哥白尼的學說是正確的。這樣對于教會來說，它們感到受到了非常重大的威脅。因為伽利略他用觀測事實來說明“日心說”是正確的，否定“地心說”，這樣也就等于否定了教會的教義。于是教會就認為再也不能漠視哥白尼和伽利略他們的學說了，于是就有了教會對伽利略的審判。這個審判一直到上個世紀，教會正式為伽利略進行了平反。那么這個錯誤的判決維持了好幾百年，這件事在科學史上是一件非常應該引起大家思考的事情，為什么呢？就是任何一種學說，如果沒有觀測事實，或者試驗證據(jù)的支持，它就不能被人們所接受。正是因為伽利略用望遠鏡發(fā)現(xiàn)了木星的衛(wèi)星，發(fā)現(xiàn)了金星的圓缺現(xiàn)象，所以他用最有利的證據(jù)推翻了“地心說”，那么教會才感到，它們的教義被否定了，所以來審判伽利略。所以任何一種科學的理論，一定要有一種觀測或者試驗的證據(jù)來支持它，這種觀測或者試驗的證據(jù)是最有力的。

在“日心說”確立了它科學史上的地位以后，在英國牛頓提出了萬有引力的學說。他認為任何兩個大質(zhì)量的物體之間，或者說任何兩個質(zhì)量不為零的物體之間都存在著萬有引力。對于天體來說，它們的質(zhì)量是非常大的。所以它們之間的萬有引力也是非常明顯的。所以牛頓就認為任何兩個天體之間，存在著萬有引力。那么這將直接造成質(zhì)量比較小的天體圍繞質(zhì)量大的天體旋轉。那么他用這個理論來解釋所有的這些天體，它們的運行情況，他發(fā)現(xiàn)天體的運行用萬有引力來解釋，可以解釋得非常好，那些軌道甚至可以直接用數(shù)學公式來計算出來。于是在萬有引力這個理論的基礎上，牛頓就提出了他的穩(wěn)恒態(tài)宇宙的概念。他就認為日、月、天體都是在不斷地運動之中，維系它們運動規(guī)律的就是萬有引力的定律?；谶@種認識，牛頓就認為宇宙是沒有邊界的，宇宙是無限的，這樣就回到了時間和空間無限這樣一種觀念。時間是永遠在均勻地流失，空間自然地向四面八方伸展，時間和空間的存在是和物質(zhì)沒有關系的。宇宙自古以來就處在一種整體不變的這樣一種狀態(tài)，這樣無限和永恒的宇宙這樣一種觀念就建立起來了，這就是所謂穩(wěn)恒態(tài)宇宙。在很長一段時間里，牛頓的穩(wěn)恒態(tài)宇宙就處在新的主導地位?？墒欠€(wěn)恒態(tài)宇宙的命運還不如“地心說”的命運，穩(wěn)恒態(tài)宇宙也就存在了幾百年，然后就被新的理論所替代了。

天文學家在研究銀河系結構的時候發(fā)現(xiàn)，我們的太陽并不處在銀河系的中心，而是處在銀河系的邊緣上。太陽距離銀河系中心大約是三萬光年，也就說我們地球所在的太陽系距離銀河系的中心是三萬光年。望遠鏡發(fā)明了以后，人們在觀測天體的時候就發(fā)現(xiàn)了，天上這些能夠看到的天體并不只是一些恒星，還有一些看起來是有擴展，有一個平面結構的對象。我們知道，恒星多數(shù)看起來它是沒有結構的，就是一個點光源。即使是在一些大的望遠鏡里邊，我們看到的絕大多數(shù)恒星也是一些點光源，只不過在大望遠鏡里頭它的亮度會增加。那么還有一些天體就不是這樣，它是一些帶擴展的，就是帶有某種形狀的光源。其中一個最亮的、最有名的就是在北天就可以看到的仙女座大星系。當初在歷史上它曾經(jīng)被叫“仙女座星云”，它在歷史上有過另外一個名稱。在上個世紀初的時候，在美國曾經(jīng)因為這個“仙女座星云”到底是銀河系內(nèi)的天體，還是銀河系之外的天體，發(fā)生過一場非常有名的爭論。當時有兩個非常資深的天文學家在進行這一場爭論。其中一位認為“仙女座星云”是銀河系之外的天體，另一位認為“仙女座星云”是銀河系內(nèi)部的天體。主張“仙女座星云”是銀河系之外天體這位科學家名叫柯惕斯，他就是來自美國的里克天文臺。當時他為什么主張“仙女座星云”是銀河系之外的天體呢？他研究“仙女座星云”爆發(fā)的超新星。他假定所有的超新星在爆發(fā)時，它的亮度都是差不多，就是都差不多一樣亮。那么他就觀測到這個行星的亮度以后，他發(fā)現(xiàn)在“仙女座星云”里邊，爆發(fā)的超新星的亮度非常地暗。如果假定所有的超新星爆發(fā)的亮度都差不多的話，而在“仙女座星云”里邊這個超新星的亮度非常地暗，這說明了什么呢？根據(jù)光源反平方定律，就說明它與我們之間的距離是非常遙遠的。那么他根據(jù)反平方定律還大致算出了“仙女座星云”的距離大概是五十萬光年左右，當時他是得到了這樣一個結論。那么當時（我們）也知道了，我們銀河系的直徑大概是16萬光年。那么很清楚，就是“仙女座星云”它不是我們銀河系內(nèi)部的天體。但是另一位天文學家也舉出了另外一些證據(jù)，他認為是正確的證據(jù)，認為“仙女座星云”是銀河系內(nèi)部的天體。在當時由于雙方的證據(jù)都不夠強有力，當時這場爭論就不了了之了，這是在上個世紀初進行的一場爭論。

可是也就在差不多同時，一位年輕的天文學家在威爾遜天文臺進行了天文觀測，他的觀測使這場爭論最后有了一個非常明確地結果。這個人就是在上個世紀里邊為天文學做出重大貢獻的哈勃。哈勃就研究了在“仙女座星云”里邊發(fā)現(xiàn)了一些“造父變星”，那么“造父變星”是一類非常特別的變星。我們知道，天上的行星有一些它的亮度是在不斷地發(fā)生變化。有一些這些變化是有規(guī)律的、有周期性的。那么“造父變星”就是這一類有規(guī)律的周期性變星。哈勃在觀測了“仙女座星云”里的“造父變星”以后，他就發(fā)現(xiàn)在“仙女座星云”里的“造父變星”，它的光變周期是非常長的，但是它的亮度又非常低。這樣哈勃就意識到，它本來應該很亮，它為什么亮度又非常低呢？那么只能用光源亮度的反平方定律來解釋。那么在這個工作的基礎上，哈勃就進一步的通過計算，就確定了“仙女座星云”的距離。他當時計算的結果大概是七十萬光年的樣子。我們剛才說到銀河系的直徑大約是16萬光年，所以“仙女座星云”它就不可能是銀河系內(nèi)部的天體。這樣剛才我們說到上個世紀初的那一場非常著名的爭論，就有了一個結果。

在確認了“仙女座星云”的距離以后，人們開始就考慮這個“仙女座星云”它到底是一個什么樣的天體？后來就發(fā)現(xiàn)這個“仙女座星云”它實際上是和我們自身所在的銀河系是差不多一樣的非常巨大的恒星系統(tǒng)。這幅圖就是銀河系的一幅圖。我們現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的“仙女座星云”也差不多是同樣巨大的恒星系統(tǒng)?，F(xiàn)在我們知道，“仙女座星云”其中大概有兩千億到三千億顆恒星，比我們所在的銀河系還要大一些。我們所在的銀河系大概是一千億到兩千億顆恒星，這樣就使我們?nèi)祟愓J識到的宇宙在認識上有一個非常重大的飛躍。因為在哈勃工作以前，我們認為銀河系就是整個宇宙。那么在哈勃發(fā)現(xiàn)了“仙女座星云”不是銀河系內(nèi)的天體，而且后來又進一步發(fā)現(xiàn)，其中大概有兩千億到三千億顆恒星，這樣我們?nèi)祟愃J識到的宇宙，就一下子擴大了很多倍。在“仙女座星云”被確認為是河外星系之后，當然從那以后，我們就管它叫“仙女座星系”。人類又陸續(xù)地發(fā)現(xiàn)了許許多多的和它一樣的銀河系之外的星系。到現(xiàn)在為止，這樣所謂的河外星系大概已經(jīng)估計，應該有幾百億個像我們太陽系所在的銀河系這樣巨大的恒星系統(tǒng)，我們想我們的宇宙有多大。那么現(xiàn)在觀測到的最遠的河外星系，它到我們之間的距離大概超過了一百億光年，也就是說我們所在的宇宙，它的大小最少就是不小于一百億光年。比較準確的說法是一百四十億光年。到現(xiàn)在為止，我們還沒有看到任何宇宙有有邊界的跡象。我們知道，我們的望遠鏡越造越大，我們觀測技術越來越發(fā)展，那么我們看到的宇宙也就越來越遠，我們能看到的距離也就越來越遠。但是到現(xiàn)在為止，并沒有發(fā)現(xiàn)任何宇宙有邊界的跡象，我們能不能說宇宙是無限的呢？我想在科學上，我們還不能這么說。因為在科學上，一切應該是以觀測或者試驗的證據(jù)為基礎，也就是說你在望遠鏡里看到了，你才能說，我在什么地方看到了一個東西，如果望遠鏡里還沒有看到，那么科學家只能老老實實地承認，那個地方我還沒有觀測到任何東西，我還沒有觀測到那么遠的地方。所以說宇宙在時間上和空間上是無限的。這個說法更多的是一個哲學上的命題，而不是一個科學上的命題。在科學上就是我們（通過）望遠鏡觀測到了，比如說我觀測到了一百四十億光年以外的河外星系，那么科學家就應該說在一百四十億光年這么大的范圍里頭，我還沒有看到宇宙有任何有邊界的跡象，這句話應該是符合科學的。

那么河外星系的確認應該是人類在認識宇宙的過程中非常重大的進展，可以說是劃時代的。我們現(xiàn)在對宇宙的了解就比以前，就是說我們認識到的宇宙比以前是大得多了。有很多天文學家在河外星系被確認前后這一段時間，就開始研究它們的光譜。我們知道，就是從一個天體來的光我們接收到了以后，通過一些分光元件，比如大家可能知道，一些棱鏡或者光柵，就能把它分解成一道一道的光譜，這些光譜里實際上攜帶了很多非常重要的信息。我們了解地球以外的天體，更多的是通過分析它們的光譜才得到。那么這幅圖就展示了幾個河外星系的光譜，這里邊就是我們獲得的一個非常重要的信息是什么呢？就是關于河外星系光譜的紅移的問題，在這幅圖里集中的顯示了非常重要的發(fā)現(xiàn)。最上面那個是一個河外星系，它看起來比較大，比較亮，它離我們的距離比較近。那么最下邊那個看起來很小、很暗，距離我們非常遠的一個河外星系。那么右邊這幾幅圖就是它們的光譜。大家注意，它們的光譜里邊有兩條黑色的線，就是所謂吸收線，大家看起來那兒像是一個缺口。大家注意這兩條吸收線的位置，就是距離我們比較近的河外星系，在它的光譜里邊，這兩條吸收線比較靠左邊，那么在距離我們最遠的河外星系，它的光譜里邊這兩條吸收線就移到了最右邊，最右邊實際是光譜的紅端，就是說距離我們越遠的星系，它的譜線就越向紅端移動。就是說如果一個光源在遠離我們運動的話，那么它所發(fā)出來光的光譜，其中的譜線就要向紅端移動。而且運動速度越快，向紅端移動的范圍就越大，這就是所謂譜線的紅移。

那么這個事實是非常重要的，對于我們現(xiàn)在對宇宙的認識是非常重要的，這說明了什么呢？就是幾乎所有的河外星系它們的光譜譜線都發(fā)生了紅移。那么越遠的星系，它的紅移量就越大，這說明了兩個問題，第一，所有的河外星系都在遠離我們運動；第二，距離我們越遠的河外星系，它遠離我們運動的速度就越快，或者說是退行的速度越快。還是哈勃，哈勃繼續(xù)研究了這個非常重要的事實，當然還有一些許許多多其他的天文學家，也進行了類似的工作。后來哈勃他們就發(fā)現(xiàn)了這條非常重要的規(guī)律。那么哈勃還建立起一個公式，所謂哈勃定律。它就是說越遠的河外星系，它的紅移量就越大，就說明了它相對于我們退行的速度就越快。

大家注意，這是一個觀測事實，是一個試驗事實，不是哪個理論學家提出來的。而且誰去觀測，都能觀測到這個河外星系譜線的紅移，那么這一點肯定會導致一個新的科學的誕生，它導致了什么新的科學理論呢？所謂宇宙膨脹這樣一個學說，就是我們的宇宙現(xiàn)在正處在一個不停地膨脹之中。因為星系是宇宙中物質(zhì)的一種主要的表現(xiàn)形態(tài)，它有宇宙島之稱。那么所有的星系都在遠離我們運動，這樣就直接導致了宇宙膨脹說的建立。這幅圖就展示了在哈勃太空望遠鏡下我們所發(fā)現(xiàn)的眾多的河外星系。大家看，其中一些橢圓的物體都是河外星系，在這樣一個非常小的天區(qū)里邊就有如此之多的河外星系。

愛因斯坦在上個世紀初的時候，先后發(fā)表了狹義相對論和廣義相對論。大家知道，狹義相對論，它的特點是把時間、空間和物體的質(zhì)量和這個物體的運動聯(lián)系起來。在愛因斯坦之前，時間和空間，質(zhì)量這三個重要的物理量和物體的運動狀態(tài)是無關的，那么在狹義相對論里邊這幾個因素，這幾個重要的物理參量就聯(lián)系到一起了，尤其是當物體的運動接近光速的時候。那么時間、空間和質(zhì)量的變化就變得絕對不可以忽略，這是狹義相對論的情況。后來愛因斯坦又發(fā)表了廣義相對論。那么廣義相對論說是的什么呢？是說在一個大質(zhì)量物體的周圍，它的時間和空間都要發(fā)生彎曲，這個時間和空間發(fā)生彎曲，這件事兒怎么理解呢？我舉一個例子，就是說在一個時間和空間發(fā)生明顯彎曲了的這樣一個空間里，連光線都要發(fā)生彎曲。我們知道，這光線在我們的經(jīng)驗里，永遠是沿著直線傳播的。大家可能都玩過那個激光手電，打一束激光出去，它的光傳播軌跡絕對的是一條直線，這是我們的生活經(jīng)驗告訴我們。那么廣義相對論就是說，在一個彎曲的時空里面，這個光線也要發(fā)生彎曲。大家想，如果在一個時空里面，連光線都發(fā)生彎曲了，那么在這個時空里面就沒有什么東西是直的了，這是一個光線的例子。愛因斯坦這個廣義相對論發(fā)表以后呢，這個理論就聽起來就很玄，當時據(jù)說在世界上沒有幾個人能讀得懂這個廣義相對論，就是幾乎沒有人能接受這種理論。后來愛因斯坦就提出了一種辦法，就是提出了一種有可能檢驗廣義相對論是否正確的一個辦法，這是一個什么辦法呢？就是在日全食的時候有可能做的一個試驗。那么在日全食的時候，天空黑暗下來以后，我們就有可能觀察到太陽后邊恒星的位置。根據(jù)廣義相對論，太陽是一個大質(zhì)量的天體，那么在它周圍，它的時空應該發(fā)生彎曲。如果這個恒星的光在經(jīng)過太陽附近的時候發(fā)生了彎曲，那么我們看起來，這個恒星的位置就會發(fā)生一點點移動。因為我們的經(jīng)驗總是告訴我們，這光從哪兒來，那么光源就在哪個位置上，這是我們?nèi)祟惖慕?jīng)驗告訴我們。但是如果這個光線發(fā)生彎曲了，我們就有可能對這個光源的位置發(fā)生誤解。這就如同你把一根筷子插到盛著一碗水中，你會覺得筷子是彎了，那么這時候，因為光線在通過空氣和水表面的時候是發(fā)生折射了，這也是一種光的彎曲。那么這樣，我們對物體真實位置的判斷就會發(fā)生一個錯覺。

如果恒星的光在經(jīng)過太陽附近真的發(fā)生彎曲了，那么我們就會看到恒星的位置發(fā)生一點點變化。

在上個世紀初的時候，有一支日食觀測隊就在非洲去觀測了一次日全食。他們就真的拍下了當時在日全食發(fā)生的時候，太陽附近恒星的位置，就拍下來這個照片。后來拿回來進行了仔細地計算以后就發(fā)現(xiàn)，這個恒星的位置真的是發(fā)生了變化，而且發(fā)生變化量跟廣義相對論預言的那個變化量是非常一致的，完全在誤差范圍里面。那么這樣就通過這次日全食的觀測，廣義相對論第一次得到了驗證。回到這幅圖，我想大家看到，就是在日全食期間，人們真的觀察到了恒星位置的移動。那么這是一個觀測事實。大家想，假如太陽的質(zhì)量不是現(xiàn)在這樣大，它的質(zhì)量是現(xiàn)在的五倍、十倍，大家想，這個光線彎曲的程度是不是會更甚一些，說白了是更厲害一些，比光線彎曲更厲害一些。那么假定這個質(zhì)量再大一些，變成太陽的一百倍，光線彎曲程度更甚一些呢，這是非常自然的，從邏輯上是非常正常的。那么大家想，總有一天能夠到那樣一種程度，如果這個物體的質(zhì)量大到了一定的程度，那么這個光就會落到上面，發(fā)生了極端的彎曲，就干脆落到大質(zhì)量物體上面了，就出不來了，那么這樣大質(zhì)量物體就變成什么了，就變成黑洞了。所以說黑洞的存在是廣義相對論的一個推論。那么黑洞本身，如果要直接觀測它，那是非常困難的，因為光從它那兒出不來。但是我們可以通過間接的辦法，一些其他的方法來觀察它。比如說天上的x射線源，一個物體在向黑洞里墜落的時候，它是一個加速運動，就是說它是越來越快的，因為根據(jù)牛頓第二定律在一個不變力的作用下，它做的是加速運動。那么在做加速運動的時候，它就能輻射出來，而且是高能輻射，能夠輻射出來。那么這樣通過搜尋天上的x射線源的辦法，就可以尋找天上的黑洞。但是這也是一種間接的辦法。現(xiàn)在我們是說日全食的觀測事實已經(jīng)證明了在大質(zhì)量物體周圍，這個光線的彎曲是真實的，是可以重復的進行觀測的。那么我們就用邏輯推論證明黑洞是可能存在的。

有了宇宙膨脹學說以后呢，那么新的問題就來了。大家想，既然宇宙現(xiàn)在這些河外星系在不停的遠離我們運動，在向四面八方膨脹，假如我們把時間向回推的話，比如說一億年前，那么這些河外星系的距離是不是比現(xiàn)在要小一些呢，距離我們更近一些呢，這在邏輯上是非常正確的。那么如果你繼續(xù)往回推的話，它們的距離本來應該更近一些。那么不斷地往回推，總有可能出現(xiàn)這樣一種情況，就是最早它們都在一個點上。那么這樣的一種理論，是比利時天文學家勒梅特他最早提出來的。他認為最早的時候，存在著一個所謂“原始原子”，那么這個“原始原子”后來就發(fā)生了一次爆炸。那么這“原始原子”物質(zhì)開始向四面八方分散開來。這樣勒梅特他就最早提出了“原始原子”和宇宙爆炸的這樣一種概念。那么愛因斯坦他在提出廣義相對論以后，有一次他親耳聆聽了勒梅特一個科學報告，勒梅特在這個報告里面就把他的“原始原子”這樣一個概念提出來了，愛因斯坦聽完了以后就當即表示，這是我所聽到的最好的一個科學報告。從那以后愛因斯坦就是在一定程度上支持大爆炸這個學說。

大爆炸理論站穩(wěn)了腳跟以后到現(xiàn)在為止，根據(jù)最新的研究結果，我們看到了，第一，就是宇宙現(xiàn)在正在膨脹中，而且不僅是膨脹，而且膨脹還在加速，這是最新的觀測結果。第二個觀測結果，就是關于宇宙中的物質(zhì)。就是為什么科學家對宇宙中的物質(zhì)非常感興趣呢？他實際關心的是宇宙中物質(zhì)的總量。宇宙中物質(zhì)總量到底有多大？我們知道，現(xiàn)在宇宙在膨脹，那么本來應該根據(jù)萬有引力，宇宙中的物質(zhì)應該集中到一點上，由于引力存在嘛，它們距離應該越來越近。正是由于大爆炸以后的慣性，所以向四面八方膨脹的一種力抵消了萬有引力，就是膨脹的力占了優(yōu)勢。所以宇宙才能處在現(xiàn)在的這樣一種膨脹的狀態(tài)當中。那么會不會有一天膨脹加速它減慢下來，由于萬有引力的存在，宇宙又會不會向一個中心去坍塌呢？

最后我想用斯蒂芬?；艚鸬囊痪湓拋斫Y束我們今天這堂課。他說，無論如何，科學的力量在于，凡是未經(jīng)試驗驗證的東西，就不能被認為是真實的存在。好，謝謝大家！