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1881年,美国实验物理学家A.麦克尔逊以高度的准确性测量了光沿着不同方向传播的速度数值.为了探测预想中的微小差别,A.麦克尔逊使用了非常精确的实验设备,他的实验精确性很高,他测量出来的速度差别比预想中的差别要小得多.A.麦克尔逊的实验,以后在不同的条件下又作过多次.他的实验得到了出乎预料的结果.在一个运动着的参照系里,光的传播情形同我们在前面推想的恰恰相反.A.麦克尔逊发现,在地球上,光向任何方向传播,其速度都时相同的、不变的.在这一意义上,光的传播使我们联想到子弹的飞行.前面我们曾经设想,在一列运动中的火车上,子弹运动同火车的运动无关.同车厢相对而言,子弹向任何方向运动,其前进速度是相同的.于是,A.麦克尔逊的实验证明：同我们的推想恰恰相反,光的传播同运动的相对性原理并不矛盾,而是完全符合运动的相对性原理.这也就是说,我们在前面“运动的相对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的.相对论的研究对象是超越我们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙,这是我们难以理解相对论的主要原因.自相对论诞生之日起,它所带来的时空观革命就极大地拓展了人类对宇宙的理解.从相对论中,人们发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象.几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论那几行简单的公式中.狭义相对论证明高速旅行会使时间变慢,假定将来的某个时候,人们已解决了所有的技术难题,能够制造一艘以亚光速飞行的宇宙飞船,一定意义上的时间旅行就变成可能了.如果飞船以亚光速从地球出发向遥远的星系飞去,来回的旅程仅仅几年（按飞船上的时间）,但在此期间地球上却已过去了几千年,一切都发生了天翻地覆的变化.如果人类文明依然还存在的话,那又会是一个什么新的模样呢?广义相对论表明,时空可以不是平坦的,而是弯曲的.我们可以在地球与宇宙遥远的地方这两点之间凿出一个虫洞,然后用某种“奇异物质”把洞口撑开,使之成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道,让我们在瞬间到达遥远的彼岸.然后当我们返回时,虫洞的奇异性质让我们年轻了很多.广义相对论判定足够的质量能改变和扭曲时空,数学家法兰克•提普勒据此设想了把时空卷起来的时间旅行方法.他认为,如果太空中的一个巨大物体以一半光速旋转,时空便会扭曲折回.因此,只要将来有人制造一个巨大的圆筒,它的长约为直径的10倍,然后使圆筒以15万公里/秒的速度旋转,便会使圆筒中央附近产生一个扭曲折回的时空.要将这圆筒当时间机器使用,宇宙飞船一定要开到圆筒的中心沿圆筒内壁盘旋飞行：逆圆筒旋转的方向航行是驶入过去,顺圆筒旋转的方向航行是驶入未来,每盘旋一周都使宇宙飞船更深入过去或未来一些.时间旅行者到达了目的时间,便将飞船驶离圆筒.有一件必须明了的事是,正像所有理论上的时间机器一样,就是驶向过去无论怎样也不能到达比制成圆筒更早的时间.时间旅行是一个极具幻想色彩、也极具魅力的话题,长期以来,科学家们提出的方案一个又一个,时间旅行可能遇到的问题也被热烈讨论着.总有一天,相对论迷人的光芒会照耀着我们开始真正的时间旅行.原子裂变1905年11月,爱因斯坦同样在德国《物理学纪事》杂志上发表了关于狭义相对论的第二篇文章：《物体的惯性同它所包含的能量有关吗?》,这是一篇短文,在这篇论文中,他提出一个物体的质量并不是恒定不变的,而是随着运动速度的增加而增加.这就是运动中物体的“质增效应”.现在我们想象我们在推一辆小板车,板车很轻,上面什么东西也没有.假设这是一辆在真空中的“理想”板车,没有任何摩擦力、也没有任何阻力,因此,只要我们持续地推它,它的速度就越来越快,但随着时间的推移,它的质量也越来越大,起初像车上堆满了钢铁,然后好像是装着一座喜马拉雅山、再然后好像是装着一个地球、一个太阳系、一个银河系……当小板车接近光速时,好像整个宇宙都装在它上面——它的质量达到无穷大.这时,你无论施加多大力,无论推多长时间,它都不可能运动得再快一些.由此可见,光子既然以光速传播,它的静止质量就必须等于零,否则它的运动质量就会无穷大.当物体运动接近光速时,我们不断地对物体施加外力,供给能量,可物体速度的增加越来越困难,我们施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了质量.这就是说,物体质量的增加与动能增加有着密切联系,或者说物体的质量与能量之间有着密切联系.爱因斯坦在说明这种联系的过程中,提出了著名的质能关系式：E=mc2.能量等于质量乘以光速的平方,即使是在不甚关心其实用价值的纯理论型的物理学家看来也是惊心动魄的,而在绝大多数人眼里,能量等于质量乘以光速的平方,即能量是质量的9万亿倍,是多么诱人的前景呀!指甲盖般大小的物质的质量如果完全消失,其释放的能量是用以万吨煤炭来计算的.遗憾的是,没人能随便减少质量,譬如一块石头,我们尽可以用锤子砸成小块,然后碾成碎末,可是当你仔细地收集这些碎末后就会发现它的质量并未变化.但是,十几年后的1939年,约里奥•居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应,使人类找到了释放巨大原子能的方法.铀235的核收到中子轰击就会发生裂变,分裂成两个中等质量的新原子核,放出1～3个中子,并释放出巨大能量,这些中子又能引发其它铀核再分裂,如此反复,形成连锁反应,不断释放巨大能量.这就是链式反应.宇宙大爆炸令我们这些当代人感到惊诧的是,迟至1917年,那些人类最具智慧的大脑仍然以为我们的银河系就是整个宇宙,而这个银河系大小的宇宙永远都是稳定不变的,既不会变大也不会变小,这就是流传了千百年的稳恒态宇宙观.1917年,爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型,但他发现,在这样一个只有引力作用的模型中,宇宙不是膨胀就是收缩.为了使这个宇宙模型保持静止,爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念——宇宙常数,它表示的是一种斥力,同引力相反,它随着天体之间距离的增大而增强.这是一个假想的、用以抵消引力作用的力.然而,爱因斯坦很快发现自己错了.因为科学家们很快发现,宇宙实际上是膨胀的!最早观察到这一点的是20世纪的天文学之父哈勃.哈勃1889年出生于美国的密苏里州,毕业于芝加哥大学天文系.1929年,哈勃发现所有星系都在远离我们而去,这表明宇宙正在不断膨胀.这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀,因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大.宇宙的膨胀意味着,在早先,星体相互之间更加靠近,并且在更遥远过去的某一刻,它们似乎在同一个很小的范围内.宇宙膨胀的消息传到著名物理学家伽莫夫那里去的时候,立即引起了这位学者的兴趣.乔治•伽莫夫出生于俄国,自小对诗歌、几何学和物理学都深感兴趣,在大学时期成为物理学家弗里德曼的得意门生.弗里德曼曾在爱因斯坦之后提出了重要的宇宙膨胀模型,伽莫夫也成为宇宙膨胀理论的热心支持人之一.1945年,人类史上第一颗原子弹爆炸成功,看着蘑菇云升起的照片,伽莫夫突发灵感：把原子弹规模“放大”到无穷大,不就成了宇宙爆炸吗?他把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来,逐渐形成了自己的一套大爆炸宇宙理论体系.1948年,伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文,系统地提出了宇宙起源和演化的理论.与我们惯常的想法不同,这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是空间本身在扩展,星系物质随着空间的扩展而分开.根据大爆炸宇宙论,极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着.伽莫夫还作出了一个非凡的预言：我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,不过温度已降到6K左右.正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气.1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭齐亚斯和威尔逊,因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射,经过测量和计算,得出这个残余辐射的温度是2.7K（比伽莫夫预言的温度要低）,一般称为3K宇宙微波背景辐射.这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论.广义相对论的智慧之处就在于,它从诞生起就能描述整个完整的宇宙,即使那些未知的领域也被全部囊括进去.让它对付像太阳系这样小小的、很普通的时空领域可真是大材小用了.宇宙常数死而复生——暗能量在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦就急急忙忙把他方程中的宇宙常数项去掉了,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”.随后,宇宙常数被抛进历史的垃圾堆.然而造化弄人,几十年后,宇宙常数又像鬼魂般的复活了.这次宇宙常数的复活要归因于暗能量的发现.1998年,天文学家们发现,宇宙不只是在膨胀,而且在以前所未有的加速度向外扩张,所有遥远的星系远离我们的速度越来越快.那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来,这是一种具有排斥力的能量,科学家们把它称为“暗能量”.近年来,科学家们通过各种的观测和计算证实,暗能量不仅存在,而且在宇宙中占主导地位,它的总量约达到宇宙总量的73%,而宇宙中的暗物质约占23%、普通物质仅约占4%.我们一直以为满天繁星就已经够多了,宇宙中还有什么能比得上它们呢?而现在,我们才发现这满天繁星却是“弱势群体”,剩下的绝大部分都是我们知之甚少或干脆一无所知的,这怎么不让人感到惊心动魄呢!事实上,早在1930年,就有天体物理学家指出,爱因斯坦那加入了宇宙常数的宇宙学方程并不能导出完全静态的宇宙：因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡,一个小小的扰动就能导致宇宙失控的膨胀和收缩.而暗能量的发现告诉我们,爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控.在经历了一系列曲折后,宇宙常数正在时间中复活.宇宙常数今日以暗能量的面目出现在世人面前,它所产生的汹涌澎湃的排斥力已令整个宇宙为之变色!暗能量和引力之间的角力战自宇宙诞生起就没有停止过,在这场漫长的战斗中,最举足轻重的就是彼此的密度.物质的密度随着宇宙膨胀导致的空间增大而递减；但暗能量的密度在宇宙膨胀时,变化得非常缓慢,或者根本保持不变.在很久以前,物质的密度是较大的,因此那时的宇宙是处于减速膨胀的阶段；现今的暗能量密度已经大于物质的密度,排斥力已经从引力手中彻底夺得了控制权,以前所未有的速度推动宇宙膨胀.根据一些科学家的预测,再过200多亿年,宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗.暗能量的发现,也充分地体现了人类认知过程又走进了一个“悖论怪圈”：即宇宙中所占比例最多的,反而是最迟也是最难为我们所知晓的.一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多,另一方面我们所要面对的未知也越来越多.而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相.暗能量是怎么来的?它将如何发展?这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一.黑洞大发现广义相对论表明,引力场可以造成空间弯曲,强大的引力场可以造成强烈的空间弯曲,那么无限强大的引力场会产生什么情况呢?1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国物理学家卡尔•史瓦西就用这个理论描绘了一个假设的完全球状星体附近的空间和时间是如何弯曲的.他证明,假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里,比如一个天体的质量与太阳相同,而半径只有3公里时,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后产生灾难性的坍塌,使那里的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃逸!由于没有了光信号的联系,这个时空就与外面的时空分割成两个性质不同的区域,那个分割球面就是视界.这就是我们今天耳熟能详的黑洞,但在那个年代,几乎没有人相信有这么奇怪的天体存在,甚至包括爱因斯坦本人和爱丁顿这样的相对论大师也明确表示反对这种怪物,爱因斯坦还说他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大.就连黑洞这个名称也是一直到1967年才由美国物理学家惠勒命名.历史当然不会因此而停止前进,时间进入20世纪30年代,美国天文学家钱德拉塞卡提出了著名的“钱德拉塞卡极限”,即：一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的1.44倍以上时,将不可能变成白矮星,而会继续坍塌收缩,变成体积比白矮星更小、密度比白矮星更大的星体,即中子星.1939年,美国物理学家奥本海默进一步证明,一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的3倍以上时,其自身引力的作用将能使光线都不能逃出这个星体的范围.随着经验的积累,关于黑洞的理论变得成熟起来,人们从彻底拒绝这个怪物到渐渐相信它,到20世纪60年代,人们已普遍接受黑洞的概念,黑洞的奥秘被逐渐研究出来.严格而言,黑洞并不是通常意义下的“星”,而只是空间的一个区域.这是与我们日常宇宙空间互不连通的区域,黑洞视界将这两个区域隔绝开,在视界以外,可以由光信号在任意距离上相互联系,这就是我们所居住的正常宇宙；而在视界以内,光线并不能自由地从一个地方传播到另一个地方,而是都朝向中心集聚,事件之间的联系受到严格限制,这就是黑洞.在黑洞的内部,物体向黑洞坠落的过程中,潮汐力越来越大,在中心区域,引力和起潮力都是无限大.因此,在黑洞中心,除了质量、电荷和角动量以外,物质其他特性全部丧失,原子、分子等等都将不复存在!在这种情形下,无法谈论黑洞的哪一部分物质,黑洞是一个统一体!在黑洞中心,全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点,任何强大的力量都不可能把它们分开,这就是所谓的“奇点”状态.广义相对论无法对此进行考察,而必须代之以新的正确理论——量子理论.讽刺的是,广义相对论给我们导出了一个黑洞,却在黑洞的奇点之处失效,量子理论取而代之,而量子理论和相对论却根本互不相容!宇宙观念的发展 宇宙结构观念的发展 远古时代,人们对宇宙结构的认识处于十分幼稚的状态,他们通常按照自己的生活环境对宇宙的构造作了幼稚的推测.在中国西周时期,生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为,天穹像一口锅,倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说,认为大地的形状也是拱形的.公元前7世纪 ,巴比伦人认为,天和地都是拱形的,大地被海洋所环绕,而其中央则是高山.古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子,大地的中央则是尼罗河.古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上,而象则站在巨大的龟背上,公元前7世纪末,古希腊的泰勒斯认为,大地是浮在水面上的巨大圆盘,上面笼罩着拱形的天穹. 最早认识到大地是球形的是古希腊人.公元前6世纪,毕达哥拉斯从美学观念出发,认为一切立体图形中最美的是球形,主张天体和我们所居住的大地都是球形的.这一观念为后来许多古希腊学者所继承,但直到1519～1522年,葡萄牙的F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后 ,地球是球形的观念才最终证实. 公元2世纪,C.托勒密提出了一个完整的地心说.这一学说认为地球在宇宙的中央安然不动,月亮、太阳和诸行星以及最外层的恒星天都在以不同速度绕着地球旋转.为了说明行星视运动的不均匀性,他还认为行星在本轮上绕其中心转动,而本轮中心则沿均轮绕地球转动.地心说曾在欧洲流传了1000多年.1543年,N.哥白尼提出科学的日心说,认为太阳位于宇宙中心,而地球则是一颗沿圆轨道绕太阳公转的普通行星.1609年,J.开普勒揭示了地球和诸行星都在椭圆轨道上绕太阳公转,发展了哥尼的日心说,同年,伽利略•伽利雷则率先用望远镜观测天空,用大量观测事实证实了日心说的正确性.1687年,I.牛顿提出了万有引力定律,深刻揭示了行星绕太阳运动的力学原因,使日心说有了牢固的力学基础.在这以后,人们逐渐建立起了科学的太阳系概念. 在哥白尼的宇宙图像中,恒星只是位于最外层恒星天上的光点.1584年,乔尔丹诺•布鲁诺大胆取消了这层恒星天,认为恒星都是遥远的太阳.18世纪上半叶,由于E.哈雷对恒星自行的发展和J.布拉得雷对恒星遥远距离的科学估计,布鲁诺的推测得到了越来越多人的赞同.18世纪中叶,T.赖特、I.康德和J.H.朗伯推测说,布满全天的恒星和银河构成了一个巨大的天体系统.弗里德里希•威廉•赫歇尔首创用取样统计的方法,用望远镜数出了天空中大量选定区域的星数以及亮星与暗星的比例,1785年首先获得了一幅扁而平、轮廓参差、太阳居中的银河系结构图,从而奠定了银河系概念的基础.在此后一个半世纪中,H.沙普利发现了太阳不在银河系中心、J.H.奥尔特发现了银河系的自转和旋臂,以及许多人对银河系直径、厚度的测定,科学的银河系概念才最终确立. 18世纪中叶,康德等人还提出,在整个宇宙中,存在着无数像我们的天体系统(指银河系)那样的天体系统.而当时看去呈云雾状的“星云”很可能正是这样的天体系统.此后经历了长达170年的曲折的探索历程,直到1924年,才由E.P.哈勃用造父视差法测仙女座大星云等的距离确认了河外星系的存在. 近半个世纪,人们通过对河外星系的研究,不仅已发现了星系团、超星系团等更高层次的天体系统,而且已使我们的视野扩展到远达200亿光年的宇宙深处. 宇宙演化观念的发展 在中国,早在西汉时期,《淮南子•俶真训》指出：“有始者,有未始有有始者,有未始有夫未始有有始者”,认为世界有它的开辟之时,有它的开辟以前的时期,也有它的开辟以前的以前的时期.《淮南子•天文训》中还具体勾画了世界从无形的物质状态到浑沌状态再到天地万物生成演变的过程.在古希腊,也存在着类似的见解.例如留基伯就提出,由于原子在空虚的空间中作旋涡运动,结果轻的物质逃逸到外部的虚空,而其余的物质则构成了球形的天体,从而形成了我们的世界. 太阳系概念确立以后,人们开始从科学的角度来探讨太阳系的起源.1644年,R.笛卡尔提出了太阳系起源的旋涡说；1745年,G.L.L.布丰提出了一个因大彗星与太阳掠碰导致形成行星系统的太阳系起源说；1755年和1796年,康德和拉普拉斯则各自提出了太阳系起源的星云说.现代探讨太阳系起源z的新星云说正是在康德-拉普拉斯星云说的基础上发展起来. 1911年,E.赫茨普龙建立了第一幅银河星团的颜色星等图；1913年,伯特兰•阿瑟•威廉•罗素则绘出了恒星的光谱-光度图,即赫罗图.罗素在获得此图后便提出了一个恒星从红巨星开始,先收缩进入主序,后沿主序下滑,最终成为红矮星的恒星演化学说.1924年 ,亚瑟•斯坦利•爱丁顿提出了恒星的质光关系；1937～1939年,C.F.魏茨泽克和贝特揭示了恒星的能源来自于氢聚变为氦的原子核反应.这两个发现导致了罗素理论被否定,并导致了科学的恒星演化理论的诞生.对于星系起源的研究,起步较迟,目前普遍认为,它是我们的宇宙开始形成的后期由原星系演化而来的. 1917年,A.阿尔伯特•爱因斯坦运用他刚创立的广义相对论建立了一个“静态、有限、无界”的宇宙模型,奠定了现代宇宙学的基础.1922年,G.D.弗里德曼发现,根据阿尔伯特•爱因斯坦的场方程,宇宙不一定是静态的,它可以是膨胀的,也可以是振荡的.前者对应于开放的宇宙,后者对应于闭合的宇宙.1927年,G.勒梅特也提出了一个膨胀宇宙模型.1929年 哈勃发现了星系红移与它的距离成正比,建立了著名的哈勃定律.这一发现是对膨胀宇宙模型的有力支持.20世纪中叶,G.伽莫夫等人提出了热大爆炸宇宙模型,他们还预言,根据这一模型,应能观测到宇宙空间目前残存着温度很低的背景辐射.1965年微波背景辐射的发现证实了伽莫夫等人的预言.从此,许多人把大爆炸宇宙模型看成标准宇宙模型.1980年,美国的古斯在热大爆炸宇宙模型的 基础上又进一步提出了暴涨宇宙模型.这一模型可以解释目前已知的大多数重要观测事实. 宇宙图景 当代天文学的研究成果表明,宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断运动发展的天体系统. 现代天文学已经揭示了天体的起源和演化的历程.当代关于太阳系起源学说认为,太阳系很可能是50亿年前银河系中的一团尘埃气体云(原始太阳星云)由于引力收缩而逐渐形成的（见太阳系起源）.恒星是由星云产生的,它的一生经历了引力收缩阶段、主序阶段、红巨星阶段、晚期阶段和临终阶段.星系的起源和宇宙起源密切相关,流行的看法是：在宇宙发生热大爆炸后40万年,温度降到4000K,宇宙从辐射为主时期转化为物质为主时期,这时或由于密度涨落形成的引力不稳定性,或由于宇宙湍流的作用而逐步形成原星系,然后再演化为星系团和星系.热大爆炸宇宙模型描绘了我们的宇宙的起源和演化史：我们的宇宙起源于200亿年前的一次大爆炸,当时温度极高、密度极大.随着宇宙的膨胀,它经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程,直至10～20亿年前,才进入大规模形成星系的阶段,此后逐渐形成了我们当今看到的宇宙.1980年提出的暴涨宇宙模型则是热大爆炸宇宙模型的补充.它认为在宇宙极早期,在我们的宇宙诞生后约10-36秒的时候,它曾经历了一个暴涨阶段. 宇宙的创生 有些宇宙学家认为,暴涨模型最彻底的改革也许是观测宇宙中所有的物质和能量从无中产生的观点,这种观点之所以在以前不能为人们接受,是因为存在着许多守恒定律,特别是重子数守恒和能量守恒.但随着大统一理论的发展,重子数有可能是不守恒的,而宇宙中的引力能可粗略地说是负的,并精确地抵消非引力能,总能量为零.因此就不存在已知的守恒律阻止观测宇宙从无中演化出来的问题.这种“无中生有”的观点在哲学上包括两个方面：①本体论方面.如果认为“无”是绝对的虚无,则是错误的.这不仅违反了人类已知的科学实践,而且也违反了暴涨模型本身.按照该模型,我们所研究的观测宇宙仅仅是整个暴涨区域的很小的一部分,在观测宇宙之外并不是绝对的“无”.现在观测宇宙的物质是从假真空状态释放出来的能量转化而来的,这种真空能恰恰是一种特殊的物质和能量形式,并不是创生于绝对的“无”.如果进一步说这种真空能起源于“无”,因而整个观测宇宙归根到底起源于“无”,那么这个“无”也只能是一种未知的物质和能量形式.②认识论和方法论方面.暴涨模型所涉及的宇宙概念是自然科学的宇宙概念.这个宇宙不论多么巨大,作为一个有限的物质体系 ,也有其产生、发展和灭亡的历史.暴涨模型把传统的大爆炸宇宙学与大统一理论结合起来,认为观测宇宙中的物质与能量形式不是永恒的,应研究它们的起源.它把“无”作为一种未知的物质和能量形式,把“无”和“有”作为一对逻辑范畴,探讨我们的宇宙如何从“无”——未知的物质和能量形式,转化为“有”——已知的物质和能量形式,这在认识论和方法论上有一定意义. 时空起源 有些人认为,时间和空间不是永恒的,而是从没有时间和没有空间的状态产生的.根据现有的物理理论,在小于10-43秒和10-33厘米的范围内,就没有一个“钟”和一把“尺子”能加以测量,因此时间和空间概念失效了,是一个没有时间和空间的物理世界.这种观点提出已知的时空形式有其适用的界限是完全正确的.正像历史上的牛顿时空观发展到相对论时空观那样,今天随着科学实践的发展也必然要求建立新的时空观.由于在大爆炸后10-43秒以内,广义相对论失效,必须考虑引力的量子效应,因此有些人试图通过时空的量子化的途径来探讨已知的时空形式的起源.这些工作都是有益的,但我们决不能因为人类时空观念的发展或者在现有的科学技术水平上无法度量新的时空形式,而否定作为物质存在形式的时间、空间的客观存在. 人和宇宙 从本世纪60年代开始,由于人择原理的提出和讨论,出现了人类存在和宇宙产生的关系问题.人择原理认为 ,可能存在许多具有不同物理参数和初始条件的宇宙,但只有物理参数和初始条件取特定值的宇宙才能演化出人类,因此我们只能看到一种允许人类存在的宇宙.人择原理用人类的存在去约束过去可能有的初始条件和物理定律,减少它们的任意性,使一些宇宙学现象得到解释,这在科学方法论上有一定的意义.但有人提出,宇宙的产生依赖于作为观测者的人类的存在.这种观点值得商榷.现在根据暴涨模型,那些被传统大爆炸模型作为初始条件的状态,有可能从极早期宇宙的演化中产生出来,而且宇宙的演化几乎变得与初始条件的一些细节无关.这样就使上述那种利用初始条件的困难来否定宇宙客观实在性的观点失去了基础.但有些人认为,由于暴涨引起的巨大距离尺度,使得从整体上去观测宇宙的结构成为不可能.这种担心有其理由,但如果暴涨模型正确的话,随着科学实践的发展,一定有可能突破人类认识上的困难.
随着19世纪快要过去，科学家们可以满意地回想，他们已经解开物理学的大部分谜团。我们略举数例：电学、磁学、气体学、光学、声学、动力学及统计力学，都已经在他们的面前俯首称臣。他们已经发现了X射线、阴极射线、电子和放射现象，发明了计量单位欧姆、瓦特、开尔文、焦耳、安培和小小的尔格。
凡是能被振荡的，能被加速的，能被干扰的，能被蒸馏的，能被化合的，能被称质量的，或能被变成气体的，他们都做到了；在此过程中，他们提出了一大堆普遍定律。这些定律非常重要，非常神气，直到今天我们还往往以大写来书写：“光的电磁场理论”、“里氏互比定律”、“查理气体定律”、“体积结合定律”、“第零定律”、“原子价概念”、“质量作用定律”等等，多得数也数不清。整个世界丁丁当当、喀嚓喀嚓地回响着他们发明创造出来的机器和仪器的声音。许多聪明人认为，科学家们已经没有多少事可干了。
1875年，德国基尔有一位名叫马克斯·普朗克的年轻人犹豫不决，不知道这辈子究竟是该从事数学还是该从事物理学。人们由衷地劝他不要选择物理学，因为物理学的重大问题都已得到解决。他们斩钉截铁地告诉他，下个世纪将是个巩固和提高的世纪，不是个革命的世纪。普朗克不听，他钻研理论物理学，潜心投入了热力学的核心问题——熵的研究工作。在一个雄心勃勃的年轻人看来，研究这个问题似乎很有前途。1891年，他做出了成果，却吃惊地发现，关于熵的这项重要工作实际上已经有人做过。他是耶鲁大学一位离群索居的学者，名叫J.威拉德·吉布斯。
吉布斯是个很杰出的人物，但大多数人也许没有听说过。他行为检束，很少抛头露面。除了去欧洲搞了三年研究以外，他的一辈子差不多都是在一个三个街区的范围之内度过的：一边是他的家，一边是耶鲁大学在康涅狄格州纽黑文的校园。在耶鲁大学的最初十年里，他连工资都懒得去领。（他有另外的收入。）从1871年起，他成为该大学的一名教授，直到1903年去世。在此期间，每学期选他的课的学生平均只有一名。他写的东西晦涩难懂，经常使用自己发明的符号，许多人觉得简直是天书。但是，在那些神秘的公式深处，隐藏着最英明、最深刻的见解。
1875—1878年期间，吉布斯写出了一系列论文，编成了《论多相物质的平衡》的集子。该书出色地阐述了近乎一切热力学原理——用威廉.H.库珀的话来说，包括“气体、混合物、平面、固体、相移……化学反应、电化电池、沉淀以及渗透”。归根结底，吉布斯想要表明，热力学不仅适用于蒸汽机这样的庞大而又嘈杂的范围里的热量和能量，而且在化学反应的原子层面上也同样存在，而且影响很大。吉布斯的《平衡》一直被称为“热力学原理”，但出于无法猜测的原因，吉布斯情愿将这些具有划时代意义的见解发表在《康涅狄格州艺术与科学院学报》上，那是一份即使在康涅狄格州也毫无名气的杂志。这就是为什么普朗克直到很晚的时候才听说他的名字的原因。
普朗克没有泄气——哎呀，也许稍稍有点胆怯，开始把注意力转向别的问题。这方面的事，我们等一会儿再说，先稍稍地（而又恰当地）换个方向，前往俄亥俄州的克利夫兰，去一家当时被称为凯斯实用科学学校的机构。19世纪80年代，那里有一位刚到中年的物理学家，名叫阿尔伯特·迈克尔逊。他在他的朋友化学家爱德华·莫雷的协助之下，进行了一系列试验。那些试验得出了很有意思而又令人吃惊的结果，将对以后的许多事情产生重大的影响。
迈克尔逊和莫雷所做的——实际上是在无意之中所做的——破坏了长期以来人们对一种所谓光以太的东西的信念。那是一种稳定、看不见、没有重量、没有摩擦力、不幸又完全是想像出来的媒质。据认为，这种媒质充满宇宙。以太是笛卡儿假设的，牛顿加以接受，之后差不多人人都对它怀有崇敬之情，在19世纪物理学中占有绝对的中心地位，用来解释为什么光能够在空荡荡的太空里传播。它在19世纪初尤其必不可少，因为光和电磁在这时候被看成是波，也就是说某种振动。振动必须在什么东西里面才能发生，因此，就需要一种以太，并长期认为存在一种以太。直到1909年，伟大的英国物理学家J.J.汤姆森仍坚持说：“以太不是哪位爱好思索的哲学家的凭空想像，它对我们来说就像我们呼吸的空气那样不可缺少。”——他说这番话4年多以后，就无可争议地确定以太并不存在。总而言之，人们确实离不开以太。
如果你需要说明19世纪的美国是个机会之乡的理念，那么你很难再找到像阿尔伯特·迈克尔逊这样好的例子。他1852年生于德国和波兰边境地区的一个贫苦的犹太商人家庭，小时候随家人来到美国，在加利福尼亚州一个淘金热地区的矿工村里长大。他的父亲在那里做干货生意。家里太穷，他上不起大学，便来到首都华盛顿，在白宫的正门口游来晃去，希望能在尤利塞斯.S.格兰特每天出来散步时碰上这位总统。（那显然是个比较朴实的年代。）在这样散步的过程中，迈克尔逊深深博得了总统的欢心，格兰特竟然答应免费送他去美国海军学院学习。就是在那里，迈克尔逊攻读了物理学。
10年以后，迈克尔逊已经是克利夫兰凯斯学校的一名教授，开始有兴趣测量一种名叫以太漂移的东西——运动物体穿越空间所产生的一种顶头风。牛顿物理学的预言之一是，在观察者看来，光在穿越以太过程中的速度是不一样的，取决于观察者是朝着还是逆着光源的方向移动。但谁也想不出对此进行测量的方法。迈克尔逊突然想到，地球有半年时间是朝着太阳的方向运动，有半年时间是逆着太阳的方向运动的。他认为，只要在相对的季节里进行仔细测量，把两者之间光的运动速度进行比较，就能找到答案。
迈克尔逊说服电话的发明者、刚刚发了财的亚历山大·格雷厄姆·贝尔提供资金，制造了一台迈克尔逊自己设计的巧妙而灵敏的仪器，名叫干涉仪，用来非常精确地测定光的速度。接着，在和蔼而又神秘的莫雷的协助下，迈克尔逊进行了几年的精心测量。这是一件非常细致而又很花力气的活儿，迈克尔逊的精神一下子完全垮了，工作不得不中断了一段时间。但是，到1887年，他们有了结果。而且，这个结果完全出乎这两位科学家的意料。
加州理工大学天体物理学家基普.S.索恩写道：“结果证明，光的速度在各个方向、各个季节都是一样的。”这是200年来——实际上恰好是200年——出现的第一个迹象，说明牛顿定律也许不是在任何时候、任何地方都适用的。用威廉.H.克罗珀的话来说，迈克尔逊一莫雷结果成为“很可能是物理学史上最负面的结果”。为此，迈克尔逊获得了诺贝尔物理学奖——从而成为获此殊荣的第一位美国人——但要过20年之后。与此同时，迈克尔逊一莫雷实验像一股霉味那样令人不快地浮动在科学家的脑海深处。
令人注目的是，尽管他有了这项发现，当20世纪来到的时候，迈克尔逊觉得自己和别人一样，认为科学工作快要走到尽头——用一位作者在《自然》杂志上的话来说：“只要添上几个角楼和尖顶，在房顶上刻几处浮雕就够了。”
当然，实际上，世界即将进入一个科学的世纪。到时候，谁都会懂得一点，谁都不会什么都懂。科学家快要发现自己在粒子和反粒子的汪洋大海里漂浮，东西瞬间存在，瞬间消失，使毫微秒时间也显得十分缓慢，平平常常，一切都是那么古怪。科学正从宏观物理学向微观物理学转变。前者，物体看得见，摸得着，量得出；后者，事情倏忽发生，快得不可思议，完全超出了想像的范围。我们快要进入量子时代，而推动其大门的第一人就是那位迄今为止一直很倒霉的马克斯·普朗克。
1900年，普朗克42岁，已是柏林大学的理论物理学家。他揭示了一种新的“量子理论”，该理论认为，能量不是一种流水般连续的，而是一包包地传送的东西，他称其为量子。这确实是一种新奇的概念，而且是一种很好的概念。从短期来说，它能为迈克尔逊一莫雷实验之谜提供一种解释，因为它表明光原来不一定是一种波动。从长远来说，它将为整个现代物理学奠定基础。无论如何，它是第一个迹象，表明世界快要发生变化。
但是，划时代意义的事件——一个新时代的黎明——要到1905年才发生。当时，德国的物理学杂志《物理学年鉴》发表了一系列论文，作者是一位年轻的瑞士职员。他没有大学职位，没有自己的实验室，通常跑的也只是伯尔尼国家专利局的小小图书馆。他是专利局的三级技术审查员。（他不久前申请提升为二级审查员，但遭到了拒绝。）
他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦。在那个重要的一年，他向《物理学年鉴》递交了五篇论文，用C.P.斯诺的话来说，其中三篇“称得上是物理学史上最伟大的作品”——一篇使用普朗克刚刚提出的量子理论审视光电效应，一篇论述悬浮小粒子的状况（即现在所谓的布朗运动），一篇概述了狭义相对论。
第一篇解释了光的性质（还促使许多事情成为可能，其中包括电视），为作者赢得了一个诺贝尔奖。
第二篇提供了证据，证明原子确实存在——令人吃惊的是，这个事实过去一直存在一些争议。
第三篇完全改变了世界。
爱因斯坦1879年生于德国南部的乌尔姆，但在慕尼黑长大。他的早年生活几乎难以说明他将来会成为大人物。大家都知道，他到三岁才学会说话。19世纪90年代，他父亲的电器生意破产，举家迁往米兰，但这时候已经十来岁的阿尔伯特去了瑞士继续他的学业——虽然他一开始就没有通过大学入学考试。1896年，他放弃了德国籍，以免被征入伍，进入了苏黎世联邦工业大学，攻读旨在培养中学教师的四年制课程。他是一名聪明而又不突出的学生。
1900年，他从学校毕业，没过几个月就开始把论文投给《物理学年鉴》。他的第一篇论文论述（在那么多可写的东西中偏偏论述）吸管里流体的物理学，与普朗克的量子理论发表在同一期上。从1902年到1904年，他写出了一系列关于统计力学的论文，结果发现，多产的J.威拉德·吉布斯1901年在康涅狄格州已经悄悄地发表了同样的作品：《统计力学的基本原理》。
阿尔伯特曾爱上一位同学，一位名叫米勒娃·玛丽奇的匈牙利姑娘。1901年，他们没有结婚就生了个孩子，一个女儿。他们很谨慎，把孩子给了人家。爱因斯坦从没有见过自己的孩子。两年以后，他和玛丽奇结了婚。在此期间，爱因斯坦接受了瑞士专利局的一个职位，在那里待了随后的7年。他很喜欢这份工作：它很有挑战性，能使他的脑子忙个不停，但又不至于转移他对物理学的注意力。就是在这种背景下，他于1905年创立了狭义相对论。
《论动体的电动力学》，无论是在表达方式还是在内容上，都是发表过的最优秀的科学论文之一。它没有脚注，也没有引语，几乎不用数学，没有提及影响过该论文或在该论文之前的任何作品，只是对一个人的帮助致以谢意。他是专利局的一名同事，名叫米歇尔·贝索。C.P.斯诺写道，爱因斯坦好像“全凭思索，独自一人，没有听取别人的意见就得出了结论。在很大程度上，情况就是这样”。
他著名的等式E=mc2在这篇论文中没有出现，但出现在几个月以后的一篇短小的补充里。你可以回忆一下学校里学过的东西，等式中的E代表能量，m代表质量，c2代表光速的平方。
用最简单的话来说，这个等式的意思是：质量和能量是等价的。它们是同一东西的两种形式：能量是获释的质量；质量是等待获释的能量。由于c2（光速的平方）是个大得不得了的数字，这个等式意味着，每个物体里都包含着极其大量——真正极其大量——的能量。
你或许觉得自己不大健壮，但是，如果你是个普通个子的成人，你那不起眼的躯体里包含着不少于7×1018焦耳的潜能——爆炸的威力足足抵得上30颗氢弹，要是你知道怎么释放它，而且确实愿意这么做的话。每种物体内部都蕴藏着这样的能量。我们只是不大善于把它释放出来而已。连一颗铀弹——我们迄今为止制造出的能量最大的家伙——释放出的能量还不足它可以释放出的能量的1%，要是我们更聪明点的话。
其中，爱因斯坦的理论解释了放射作用是怎么发生的：一块铀怎么源源不断地释放出强辐射能量，而又不像冰块那样融化。（只要把质量极其有效地转变为能量，这是办得到的：E=mc2。）该理论解释了恒星为什么可以燃烧几十亿年而又不把燃料用尽。（同上。）爱因斯坦用一个简单的公式，一下子使地质学家和天文学家的视界开阔了几十亿年。该理论尤其表明，光速是不变的，最快的，什么速度也超不过它。因此，这使我们一下子弄清了宇宙性质的核心。而且，该理论还解决了光以太的问题，说明它并不存在。爱因斯坦的宇宙不需要以太。
物理学家一般不大重视瑞士专利局职员发表的东西，因此尽管提供的信息又多又有用，爱因斯坦的论文并没有引起多少注意。由于刚刚解开宇宙中几个最难解开的谜团，爱因斯坦申请大学讲师的职位，但是遭到拒绝，接着又申请中学教师的职位，再次遭到拒绝。于是，他重新干起三级审查员的活儿——不过，他当然没有停止思索。他离大功告成还远着呢。
有一次，诗人保罗·瓦莱里问爱因斯坦，他是不是随身带着个笔记本记录自己的思想，爱因斯坦稍稍而又着实吃惊地看了他一眼。“哦，那是没有必要的，”他回答说，“我极少带个笔记本。”我无须指出，要是他真的带个本子的话，倒是很有好处的。爱因斯坦的下一个点子，是一切点子中最伟大的点子——布尔斯、莫茨和韦弗在他们很有创见的原子科学史中说，这确实是最最伟大的点子。“作为一个脑子的独创，”他们写道，“这无疑是人类最高的智力成就。”这个评价当然很高。
1907年，反正有时候书上是这么写的，有个工人从房顶上掉了下来，爱因斯坦就开始考虑引力的问题。天哪，像许多动人的故事一样，这个故事的真实性似乎存在问题。据爱因斯坦自己说，他想到引力问题的时候，当时只是坐在椅子上。
实际上，爱因斯坦想到的更像是开始为引力问题找个答案。他从一开头就清楚地认识到，狭义相对论里缺少一样东西，那就是引力。狭义相对论之所以“狭义”，是因为它研究的完全是在无障碍的状态下运动的东西。但是，要是一个运动中的东西——尤其是光——遇到了比如引力这样的障碍会怎么样？在此后10年的大部分时间里，他一直在思索这个问题，最后于1917年初发表了题为《关于广义相对论的宇宙学思考》的论文。当然，1905年的狭义相对论是一项深刻而又重要的成就。但是，正如C.P.斯诺有一次指出的，要是爱因斯坦没有想到，别人也会想到，很可能在5年之内。这是一件在等着要发生的事。但是，那个广义相对论完全是另一回事。“没有它，”斯诺在1979年写道，“我们今天有可能还在等待那个理论。”
爱因斯坦常手拿烟斗，和蔼可亲，不爱露面，一头乱发，真是个非凡人物。这样的人物不可能永远默默无闻。1919年，战争结束了，世界突然发现了他。几乎同时，他的相对论以普通人无法搞懂出了名。《纽约时报》决定写一篇报道——由于永远令人想不通的原因——派了该报一个名叫亨利·克劳奇的高尔夫运动记者去负责这次采访，结果正如戴维·博丹尼斯在他出色的《E=mc2》一书中指出的，根本不解决问题。
这次采访令克劳奇力不从心，他差不多把什么都搞错了。他的报道里有许多令人难忘的错误，其中之一，他断言，爱因斯坦找了个胆子很大的出版商，敢于出版一本全世界只有12个人看得懂的书。当然，根本不存在这样的书，根本不存在这样的出版商，也根本不存在这么狭小的学术界，但这种看法已深入了人心。过不多久，在人们的想像中，搞得懂相对论的人数又少了许多——应当指出，科学界对这种神话没有去加以澄清。
有一位记者问英国天文学家阿瑟·爱丁顿，他是不是真的就是世界上仅有的三个能理解爱因斯坦的相对论的人之一。爱丁顿认真地想了片刻，然后回答说：“我正在想谁是第三个人呢。”实际上，相对论的问题并不在于它涉及许多微分方程、洛伦兹变换和其他复杂的数学（虽然它确实涉及——有的方面连爱因斯坦也需要别人帮忙），而是在于它不是凭直觉所能完全搞懂的。
实质上，相对论的内容是：空间和时间不是绝对的，而是既相对于观察者，又相对于被观察者；一个人移动得越快，这种效果就越明显。我们永远也无法将自己加速到光的速度；相对于旁观者而言，我们越是努力（因此我们走得越快），我们的模样就越会失真。
几乎同时，从事科学普及的人想要设法使广大群众弄懂这些概念。数学家和哲学家罗素写的《相对论ABC》就是一次比较成功的尝试——至少在商业上可以这么说。罗素在这本书里使用了至今已经多次使用过的比喻。他让读者想像一列90米长的火车在以光速的60%行驶。对于立在站台上望着它驶过的人来说，那列火车看上去会只有70余米长，车上的一切都会同样缩小。要是我们听得见车上的人在说话，他们的声音听上去会含糊不清，十分缓慢，犹如唱片放得太慢，他们的行动看上去也会变得很笨拙。连车上的钟也会似乎只在以平常速度的五分之四走动。
然而——问题就在这里——车上的人并不觉得自己变了形。在他们看来，车上的一切似乎都很正常。倒是立在站台上的我们古怪地变小了，动作变慢了。你看，这一切都和你与移动物体的相对位置有关系。
实际上，你每次移动都会产生这样的效果。乘飞机越过美国，你会用大约一百亿亿分之一秒踏出飞机，比在你后面离开飞机的人要年轻一些。即使从屋子的这头走到那头的时候，你自己所经历的时间和空间也会稍有改变。据计算，一个以每小时160公里的速度抛出去的棒球，在抵达本垒板的过程中会获得0.000000000002克物质。因此，相对论的作用是具体的，可以测定的。问题在于，这种变化太小，我们毫无察觉。但是，对于宇宙中别的东西来说——光、引力、宇宙本身——这些就都是举足轻重的大事了。
因此，如果说相对论的概念好像有点儿怪，那只是因为我们在正常的生活中没有经历这类相互作用。不过，又不得不求助于博尼丹斯，我们大家都经常遇到其他种类的相对论——比如声音。要是你在公园里，有人在演奏难听的音乐，你知道，要是你走得远一点，音乐好像就会轻一点。当然，那并不是因为音乐真的轻了点，而只是因为你对于音乐的位置发生了变化。对于体积很小的或行动缓慢的，因此无法有同样经历的东西来说——比如蜗牛——也许难以置信，一个喇叭似乎同时能对两个听众放出两种音量的音乐。
在“广义相对论”的众多概念中，最具挑战性的，最直觉不到的，在于时间是空间的组成部分这个概念。我们本能地把时间看做是永恒的，绝对的，不可改变的，相信什么也干扰不了它的坚定步伐。事实上，爱因斯坦认为，时间是可以更改的，不断变化的。时间甚至还有形状。一份时间与三份空间结合在一起——用斯蒂芬·霍金的话来说是“无法解脱地交织在一起”——不可思议地形成一份“时空”。
通常，时空是这样解释的：请你想像一样平坦而又柔韧的东西——比如一块地毯或一块伸直的橡皮垫子——上面放个又重又圆的物体，比如铁球。铁球的重量使得下面的底垫稍稍伸展和下陷。这大致类似于太阳这样的庞然大物（铁球）对于时空（底垫）的作用：铁球使底垫伸展、弯曲、翘起。现在，要是你让一个较小的球从底垫上滚过去，它试图做直线运动，就像牛顿运动定律要求的那样。然而，当它接近大球以及底垫下陷部分的时候，它就滚向低处，不可避免地被大球吸了过去。这就是引力——时空弯曲的一种产物。
凡有质量的物体在宇宙的底垫上都能造成一个小小的凹坑。因此，正如丹尼斯·奥弗比说的，宇宙是个“最终的下陷底垫”。从这个观点来看，引力与其说是一种东西，不如说是一种结果——用物理学家米奇奥·卡库的话来说：“不是一种‘力’，而是时空弯曲的一件副产品。”卡库接着又说：“在某种意义上，引力并不存在；使行星和恒星运动的是空间和时间的变形。”
当然，以下陷的底垫来作比喻，只能帮助我们理解到这种程度，因为没有包含时间的作用。话虽这么说，其实我们的大脑也只能想像到这个地步。若要想像空间和时间以3：1的比例像线织成一块格子地垫那样织成一份时空，这几乎是不可能的。无论如何，我想我们会一致认为，对于一位凝视着瑞士首都专利局窗外的年轻人来说，这确实是个了不起的见解。
爱因斯坦的广义相对论提出了许多见解。其中，他认为，宇宙心总是或者膨胀或者收缩的。但是，爱因斯坦不是一位宇宙学家，他接受了流行的看法，即宇宙是固定的，永恒的。多少出于本能，他在自己的等式里加进了他所谓的宇宙常数。他把它作为一种数学暂停键，武断地以此来抵消引力的作用。科学史书总是原谅爱因斯坦的这个失误，但这其实是科学上一件很可怕的事。他把它称之为“我一生中所犯的最大错误”。
说来也巧，大约就在爱因斯坦为自己的理论添上一个常数的时候，在亚利桑那州的洛厄尔天文台，有一位天文学家在记录远方恒星的光谱图上的读数，发现恒星好像在离我们远去。该天文学家有个来自星系的动听名字：维斯托·斯莱弗（他其实是印第安纳州人）。原来，宇宙不是静止的。斯莱弗发现，这些恒星明确显示出一种多普勒频移的迹象——跟赛车场上飞驰而过的汽车发出的那种连贯而又特有的“嚓——嗖”的声音属于同一机制。这种现象也适用于光；就不停远去的星系而言，它被称之为红移（因为离我们远去的光是向光谱的红端移动的，而朝我们射来的光是向蓝端移动的）。
斯莱弗第一个注意到光的这种作用，意识到这对将来理解宇宙的运动十分重要。不幸的是，谁也没有太多注意他。你会记得，珀西瓦尔·洛厄尔在这里潜心研究过火星上的运河，因此洛厄尔天文台是个比较独特的地方。到了20世纪的前10年，它在任何意义上都成了研究天文的前哨阵地。斯莱弗不知道爱因斯坦的相对论，世界也同样不知道斯莱弗，因此，他的发现没有影响。
荣誉反而属于一个非常自负的大人物，他的名字叫埃德温·哈勃。哈勃1889年生于欧扎克高原边缘的一个密苏里州小镇，比爱因斯坦小10岁；他在那里及芝加哥郊区伊利诺伊的惠顿长大。他的父亲是一名成功的保险公司经理，因此家里的生活总是很优裕。埃德温还天生有个好的身体。他是个有实力、有天赋的运动员，魅力十足，时髦潇洒，相貌堂堂——用威廉·H.克罗珀的话来说，“英俊到了不适当的程度”；用另一位崇拜者的话来说，“美得像美神阿多尼斯”。用他自己的话来说，他生活中还经常干一些见义勇为的事——抢救落水的人；领着吓坏了的人穿越法国战场，把他们带到安全的地方；在表演赛中几下子就把世界冠军级的拳击手打倒在地，弄得他们不胜难堪。这一切都好得简直令人难以置信，但都是真的。尽管才华出众，但哈勃也是个顽固不化的说谎大王。
这就很不寻常了，因为哈勃的生活中从小就充满真正的奇特之处，有时候简直令人难以置信地出类拔萃。仅在1906年的一次中学田径运动会上，他就赢得了撑杆跳高、铅球、铁饼、链球、立定跳高、助跑跳高的冠军，还是接力赛跑获胜队的成员——那就是说，他在一次运动会上获得了7个第一名，还有，他在跳远比赛中获得了第三名。同年，他创造了伊利诺伊州跳高记录。
作为一名学者，他也是出色得不得了，不费吹灰之力就考上芝加哥大学，攻读物理学和天文学（说来也巧，系主任就是阿尔伯特·迈克尔逊）。他在那里被选为牛津大学的首批罗兹奖学金获得者之一。3年的英国生活显然冲昏了他的头脑。1913年他返回惠顿的时候，披着长披风，衔着烟斗，说起话来怪腔怪调，滔滔不绝——不大像英国人，而又有点像英国人——这种模样他竟保留终生。他后来声称，他在20世纪20年代的大部分时间里一直在肯塔基州当律师，但实际上他在印第安纳州新奥尔巴尼当中学教师和篮球教练，后来才获得博士学位，并在陆军待了很短时间。（他是在签订停战协定前一个星期抵达法国的，几乎肯定没有听到过愤怒的枪炮声。）
1919年，他已经30岁。他迁到加利福尼亚州，在洛杉矶附近的威尔逊山天文台找了个职位。非常出人意料的是，他很快成为20世纪最杰出的天文学家。
让我们稍停片刻，先来考虑一下当时人们对宇宙的了解是如何少得可怜，这是值得的。今天的天文学家认为，在可见的宇宙里也许有1400亿个星系。这是个巨大的数字，比你听了这话认为的还要巨大得多。假如把一个星系比做一粒冻豆子，这些豆子就可以塞满一个大礼堂一比如，老波士顿花园或皇家艾伯特大厅。（有一位名叫布鲁斯·格雷戈里的天体物理学家还真的计算过。）1919年，当哈勃第
我说些不同看法。
简单说说我的看法。
一个物体在运动时会发出很多种信号，比如声音信号，气味信号，光信号，其中光信号可以是本身发出的，也可以是反射的，这些信号都表示物体运动的位置。要了解物体的运动情况，只有一个信号是不行的，也可以说只有一个位置是不行的，只有知道下一个位置，才能知道这个物体运动的方向与距离。所以就算只使用光信号，也需要知道物体运动时发出的第二个信号。爱因斯坦只提到物体发出的第一个光信号是一个球面波，也只针对这个球面波进行讨论，只能是光信号的运动情况，不是物体本身的运动情况。
因此我认为他是在创建相对论是搞错了研究对象。
在附件中有个图示，其实研究一个物体的直线运动，只需要开头与终点两个信号就行了。
1900年8月爱因斯坦毕业于苏黎世联邦工业大学；12月完成论文《由毛细管现象得到的推论》，次年发表在莱比锡《物理学杂志》上并入瑞士籍。 1901年3月21日，取得瑞士国籍。在这一年5－7月完成电势差的热力学理论的论文。 1904年9月，由专利局的试用人员转为正式三级技术员。 1905年3月，发展量子论，提出光量子假说，解决了光电效应问题。4月向苏黎世大学提出论文《分子大小的新测定法》，取得博士学位。5月完成论文《论动体的电动力学》，独立而完整地提出狭义相对性原理，开创物理学的新纪元。 1906年4月，晋升为专利局二级技术员。11月完成固体比热的论文，这是关于固体的量子论的第一篇论文。 1908年10月兼任伯尔尼大学编外讲师。1910年10月，完成关于临界乳光的论文1915年11月，提出广义相对论引力方程的完整形式，并且成功地解释了水星近日点运动。 爱因斯坦1916年3月，完成总结性论文《广义相对论的基础》。5月提出宇宙空间有限无界的假说。8月完成《关于辐射的量子理论》，总结量子论的发展，提出受激辐射理论。
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含某些有用的数据和信息,主编拒绝这类文章是由于数据或分析有严重缺陷.对这类文章作者 不妨先放一放,等到找到更广泛的证据支持或有了更明晰的的结论,再将经过修改的"新"文章寄 给同一杂志.主编通常是会考虑重新受理这类文章的.这两年,至少有两位审稿人曾经抱怨, 个别国内学者在论文被一家杂志拒绝后,又原封不动地将稿件寄给另外一家杂志,而他们再次被 邀请做审稿.他们对此非常反感.论文理所当然地被拒绝.在谈到这个问题时,《宇宙物理 学》(The Astrophysical Journal)的科学主编Thomas提出,"在一篇论文被一家杂志拒绝后不经修 改又寄给另一个杂志,这是一个很糟的错误.通常,审稿人做了很认真的工作指出论文的问 题,并建议了修改.如果作者忽视这些忠告,这是对时间和努力的真正浪费.同时,寄一篇坏 的文章,对于作者的科学声望是一种严重的损害. 被退稿了怎么办 实际上,影响因子不同 的学术刊物,接受论文的标准和要求差别很大.如果被拒绝的论文不是由于文稿中的错误,而 是重要性或创新性不够,作者在仔细考虑了审稿人的意见,认真修改文稿后,是可以寄给影响 因子较低的学术刊物的.值得注意的是,审稿人由于知识的限制和某种成见,甚至学术观点的不 同,判断错误并建议退稿是会发生的.如何处理情况,有两个例子供参考. 最近一位年轻学者 的论文被一杂志拒绝.经过反复的讨论检验,我们判断审稿人是错误的.为了论文及时发表, 我们建议这位作者礼貌和认真地回信给主编,指出审稿人的错误,并要求主编将他的意见转给 审稿人,然后撤回论文,再将论文做必要改进,寄给另一影响因子更高的杂志.论文立即被接 收,并得到很好的评价.在这一例子中,论文并没有经过重要修改就改寄其它杂志.但是作者 却负责地请主编把对审稿人的意见转寄给审稿人.在这种情况下,作者改寄其它杂志是不应受 到限制和责难的.但前提是对论文结果的反复检验,对论文的正确性有了确切的把握. 我们接 触过的一位学者的一篇论文在一重要杂志经过两年半才得以发表,主要的原因是第一位审稿人 对我国向量磁场测量的可靠性提出质疑,不同意发表这篇论文.通过向权威的同事请教和反复 的思考,我们确认对所进行的研究,所采用的测量,是充分准确和可靠的.作者花了近两年的 时间与审稿人讨论,不但论文得以发表,还与审稿者和主编建立了良好的关系,这篇论文发表 后得到了良好的国际引述. 保证论文英语表述正确妥当 英语不是我们的母语.英语写作是英语学习中最困难的部分.我国SCI论文和引述偏少,除了基 础研究水平的限制,语言的障碍不容忽视.每一位基础研究工作者必须把提高英语写作能力作 为一个艰巨的任务.这里有三个成功的经验供参考.中国科技大学的胡友秋教授总是把审稿人 的英文修改和自己的原稿中被修改的部分单独抄在本子上,一一对照.细心琢磨并背下来,一 点一滴地提高自己英语写作水平.他寄往国际核心刊物的论文常被审稿人称为well-written. 美 国国家太阳天文台有一个内部的审稿制度,其目的主要是保证论文的正确性,同时对研究也有 相互影响和砥砺的好处.不经过内部审稿的论文不能寄给杂志. 资深太阳物理学家Sara Martin 建议找--些可作为范例的论文精读,学习怎样组织和写出好英语,她特别提到已故著名天体物理 学家Zwaan的论文,可作为范文来效仿.论文初稿完成之后,一定要做拼写检查,不出现简单的 拼写出错.如果对自己的英文写作无把握,请一位英文好的同事和国外同行把把英文关必要 的.为从根本上提高我国学者英语水平,我们建议对研究生必须开设英语写作课程.在写英语 上,我们实在需要打个翻身仗. 二,英文科技论文的写作要点 总体原则(3C):Correct (正确),Clear (清楚);Concise (简洁). 1 论文题名 1.1 基本要求 (1) 准确 (Accuracy).题名要准确地反映论文的内容.作为论文的"标签",题名既不能过于 空泛和一般化,也不宜过于烦琐,使人得不出鲜明的印象.如果题名中无吸引读者的信息,或 写得不堪理解.为确保题名的含义准确,应尽量避免使用非定量的,含义不明的词,如 "rapid","new"等;并力求用词具有专指性,如"a vanadium-iron alloy"明显优于"a magnetic alloy". (2) 简洁 (Brevity).题名需用词简短,明了,以最少的文字概括尽可能多的内容.题名最好 不超过10 ~ 12个单词,或100个英文字符(含空格和标点),如若能用一行文字表达,就尽量 不要用2 行(超过2行有可能会削弱读者的印象).在内容层次很多的情况下,如果难以简短 化,最好采用主,副题名相结合的方法,如:Importance of replication in microarray gene expression studies: statistical methods and evidence from repetitive CDNA hybridizations (Proc Natl Acad Sci USA, 2000, 97(18): 9834 ~ 9839),其中的副题名起补充,阐明作用,可 起到很好的效果. (3) 清楚(Clarity).题名要清晰地反映文章的具体内容和特色, 明确表明研究工作的独到之 处,力求简洁有效,重点突出.为表达直接,清楚,以便引起读者的注意,应尽可能地将表达 核心内容的主题词放在题名开头.如The effectiveness of vaccination against in healthy, working adults (N Engl J Med,1995,333: 889-893)中,如果作者用关键词vaccination作为题 名的开头,读者可能会误认为这是一篇方法性文章:How to vaccinate this population 相反, 用effectiveness作为题名中第一个主题词,就直接指明了研究问题:Is vaccination in this population effective 题名中应慎重使用缩略语.尤其对于可有多个解释的缩略语,应严加限 制,必要时应在括号中注明全称.对那些全称较长,缩写后已得到科技界公认的,才可使用. 为方便二次检索,题名中应避免使用化学式,上下角标,特殊符号(数字符号,希腊字母 等),公式,不常用的专业术语和非英语词汇(包括拉丁语)等. 1.2 题名的句法结构 题名通常由名词性短语构成,如果出现动词,多为分词或动名词形式.由于陈述句易使题 名具有判断式的语意,同时一般也显得不简洁,因此,大部分编辑和学者都认为题名不应由陈 述句构成.由于题名比句子简短,并且无需主,谓,宾,因此词序就也变得尤为重要.特别是 如果词语间的修饰关系使用不当,就会影响读者正确理解题名的真实含意.例如:Isolation of antigens from monkeys using complement-fixation techniques. 可使人误解为"猴子使用了补体 结合技术".应改为:Using complement-fixation techniques in isolation of antigens from monkeys.即"用补体结合技术从猴体分离抗体". 2 摘要 2.1 基本要求 (1) 确保简洁而充分地表述论文的IMRD,适当强调研究中创新,重要之处(但不要使用评价 性语言);尽量包括论文中的主要论点和重要细节(重要的论证或数据). (2) 使用短而简单的句子,表达要准确,简洁,清楚;注意表述的逻辑性,尽量使用指示性 的词语来表达论文的不同部分(层次),如使用"We found that..."表示结果;使用"We suggest that..."表示讨论结果的含义等. (3) 应尽量避免引用文献,图表,用词应为潜在的读者所熟悉.若无法回避使用引文,应在 引文出现的位置将引文的书目信息标注在方括号内;如确有需要(如避免多次重复较长的术 语)使用非同行熟知的缩写,应在缩写符号第一次出现时给出其全称. (4) 为方便检索系统转录,应尽量避免使用化学结构式,数学表达式,角标和希腊文等特殊 符号. 2.2 摘要写作的时态 摘要写作时所采用的时态应因情况而定,应力求表达自然,妥当.写作中可大致遵循以下 原则: (1) 介绍背景资料时,如果句子的内容不受时间影响的普遍事实,应使用现在式;如果句子 的内容为对某种研究趋势的概述,则使用现在完成式. (2) 在叙述研究目的或主要研究活动时,如果采用"论文导向",多使用现在式(如:This paper presents...); 如果采用"研究导向",则使用过去式(如:This study investigated...). (3) 概述实验程序,方法和主要结果时,通常用现在式.如:We describe a new molecular approach to analyzing ... (4) 叙述结论或建议时,可使用现在式,臆测动词或may, should, could等助动词.We suggest that climate instability in the early part of the last interglacial may have... 2.3 摘要写作的人称和语态 由于主动语态的表达更为准确,且更易阅读,因而目前大多数 期刊都提倡使用主动态,国际知名科技期刊 "Nature","Cell"等尤其如此,其中第一人称和主动 语态的使用十分普遍. 3 引言 3.1 基本要求 (1) 尽量准确,清楚且简洁地指出所探讨问题的本质和范围,对研究背景的阐述做到繁简适 度. (2) 在背景介绍和问题的提出中,应引用"最相关"的文献以指引读者.要优先选择引用的文 献包括相关研究中的经典,重要和最具说服力的文献,力戒刻意回避引用最重要的相关文献 (甚至是对作者研究具某种"启示"性意义的文献),或者不恰当地大量引用作者本人的文献. (3) 采取适当的方式强调作者在本次研究中最重要的发现或贡献,让读者顺着逻辑的演进阅 读论文. (4) 解释或定义专门术语或缩写词,以帮助编辑,审稿人和读者阅读稿件. (5) 适当地使用"I","We"或"Our",以明确地指示作者本人的工作,如:最好使用"We conducted this study to determine whether...",而不使用"This study was conducted to determine whether...". 叙述前人工作的欠缺以强调自己研究的创新时,应慎重且留有余地. 可采用类似如下的表达:To the author's knowledge...;There is little information available in literature about...;Until recently, there is some lack of knowledge about...等等. 3.2 写作要点与时态运用 (1) 叙述有关现象或普遍事实时,句子的主要动词多使用现在时.如:"little is known about X"或"little literature is available on X". (2) 描述特定研究领域中最近的某种趋势,或者强调表示某些"最近"发生的事件对现在的影 响时,常采用现在完成时.如:"few studies have been done on X"或"little attention has been devoted to X" (3) 在阐述作者本人研究目的的句子中应有类似This paper, The experiment reported here 等词,以表示所涉及的内容是作者的工作,而不是指其他学者过去的研究.例如:"In summary, previous methods are all extremely inefficient. Hence a new approach is developed to process the data more efficiently."就容易使读者产生误解,其中的第二句应修改为:"In this paper, a new approach will be developed to process the data more efficiently." 或者,"This paper will present (presents) a new approach that process the data more efficiently." 4. 材料和方法 4.1 写作要点 (1) 对材料的描述应清楚,准确.材料描述中应该清楚地指出研究的对象(样品或产品,动物,植物,病人)的数量,来源和准备方法.对于实验材料的名称,应采用国际同行所熟悉的 通用名,尽量避免使用只有作者所在国家的人所熟悉专门名称. (2) 对方法的描述要详略得当,重点突出. 应遵循的原则是给出足够的细节信息以便让同行 能够重复实验,避免混入有关结果或发现方面的内容.如果方法新颖,且不曾发表过,应提供 所有必需的细节;如果所采用的方法已经公开报道过,引用相关的文献即可(如果报道该方法 期刊的影响力很有限,可稍加详细地描述). (3) 力求语法正确,描述准确.由于材料和方法部分通常需要描述很多的内容,因此通常需 要采用很简洁的语言,故使用精确的英语描述材料和方法是十分重要的.需要注意的方面通常 有: (a)不要遗漏动作的执行者如:"To determine its respiratory quotient, the organism was..."显然,the organism不能来determine 又如:"Having completed the study, the bacteria were of no further interest."显然,the bacteria不会来completed the study. (b)在简洁表达的同时要注意内容方面的逻辑性如:"Blood samples were taken from 48 informed and consenting patients...the subjects ranged in age from 6 months to 22 years",其中的语法没有错误,但6 months的婴儿能表达informed consent (c)如果有多种可供选择的方法能采用,在引用文献时提及一下具体的方法如:"cells were broken by as previously described[9]"不够清楚,应改为:"cells were broken by ultrasonic treatment as previously described[9]". 4.2 时态与语态的运用 (1) 若描述的内容为不受时间影响的事实:一般现在时.如: A twin-lens reflex camera is actually a combination of two separate camera boxes. (2) 若描述的内容为特定,过去的行为或事件,则采用过去式.如:The work was carried out on the Imperial College gas atomizer, which has been described in detail elsewhere[4,5]. (3) 方法章节的焦点在于描述实验中所进行的每个步骤以及所采用的材料,由于所涉及的行 为与材料是讨论的焦点,而且读者已知道进行这些行为和采用这些材料的人就是作者自己,因 而一般都习惯采用被动语态.例如:优:The samples were immersed in an ultrasonic bath for 3 minutes in acetone followed by 10minutes in distilled water. 劣:We immersed the samples in an ultrasonic bath for 3 minutes in acetone followed by 10 minutes in distilled water. (4) 如果涉及表达作者的观点或看法,则应采用主动语态,如下:For the second trial, the apparatus was covered by a sheet of plastic. We believed this modification would reduce the amount of scattering. 优:For the second trial, the apparatus was covered by a sheet of plastic to reduce the amount of scattering. 劣:For the second trial, the apparatus was covered by a sheet of plastic. It was believed that this modification would reduce the amount of scattering. 5 研究结果 5.1 写作要点 (1) 可根据需要建议建议作者是否合并"结果"(Result)与"讨论"(Discussion). (2) 对实验或观察结果的表达要高度概括和提炼,不能简单地将实验记录数据或观察事实堆 积到论文中,尤其是要突出有科学意义和具代表性的数据,而不是没完没了地重复一般性数 据. (3) 数据表达可采用文字与图表相结合的形式.如果只有一个或很少的测定结果,在正文中 用文字描述即可;如果数据较多,可采用图表形式来完整,详细的表述,文字部分则用来指出 图表中资料的重要特性或趋势.切忌在文字中简单地重复图表中的数据,而忽略叙述其趋势, 意义以及相关推论. (4) 适当解释原始数据,以帮助读者的理解.如果论文中还包括独立的"讨论"章节,应将对 于研究结果的详细讨论留到该部分,但"结果"中应该提及必要的解释,以便让读者能清楚地了 解作者此次研究结果意义或重要性. (5) 文字表达应准确,简洁,清楚.避免使用冗长的词汇或句子来介绍或解释图表.为简 洁,清楚起见,不要把图表的序号作为段落的主题句,应在句子中指出图表所揭示的结论,并 把图表的序号放入括号中.例如"Figure 1 shows the relationship between A and B"不如"A was Significantly higher than B at all time points hecked (Figure 1)".又如,"It is clearly shown in Table 1 that nocillin inhibited the growth of N. gonorrhoeae."不发"Nocillin inhibited the growth of N. gonorrhoeae (Table 1)." 5.2 时态的运用 (1) 即指出结果在哪些图表中列出,常用一般现在时.如:Figure 2 shows the variation in the temperature of the samples over time. (2) 叙述或总结研究结果的内容为关于过去的事实,所以通常采用过去时.如:After flights of less than two hours, 11% of the army pilots and 33% of the civilian pilots reported back pain. (3) 对研究结果进行说明或由其得出一般性推论时,多用现在时.如:The higher incidence of back pain in civilian pilots may be due to their greater accumulated flying time. (4) 不同结果之间或实验数据与理论模型之间进行比较时,多采一般现在时(这种比较关系 多为不受时间影响的逻辑上的事实).如:These results agree well with the findings of Smith, et al. 6 讨论 6.1 基本内 "讨论"的重点在于对研究结果的解释和推断,并说明作者的结果是否支持或反对 某种观点,是否提出了新的问题或观点等.因此撰写讨论时要避免含蓄,尽量做到直接,明确,以便审稿人和读者了解论文为什么值得引起重视.讨论的内容主要有: (1) 回顾研究的主要目的或假设,并探讨所得到的结果是否符合原来的期望 如果没有的 话,为什么 (2) 概述最重要的结果,并指出其是否能支持先前的假设以及是否与其他学者的结果相互一 致;如果不是的话,为什么 (3) 对结果提出说明,解释或猜测;根据这些结果,能得出何种结论或推论 (4) 指出研究的限制以及这些限制对研究结果的影响;并建议进一步的研究题目或方向; (5) 指出结果的理论意义(支持或反驳相关领域中现有的理论,对现有理论的修正)和实际 应用. 6.2 写作要点 (1) 对结果的解释要重点突出,简洁,清楚.为有效地回答研究问题,可适当简要地回顾研 究目的并概括主要结果,但不能简单地罗列结果,因为这种结果的概括是为讨论服务的. (2) 推论要符合逻辑,避免实验数据不足以支持的观点和结论.根据结果进行推理时要适 度,论证时一定要注意结论和推论的逻辑性.在探讨实验结果或观察事实的相互关系和科学意 义时,无需得出试图去解释一切的巨大结论.如果把数据外推到一个更大的,不恰当的结论, 不仅无益于提高作者的科学贡献,甚至现有数据所支持的结论也受到怀疑. (3) 观点或结论的表述要清楚,明确.尽可能清楚地指出作者的观点或结论,并解释其支持 还是反对早先的工作.结束讨论时,避免使用诸如"Future studies are needed."之类苍白无力 的句子. (4) 对结果科学意义和实际应用效果的表达要实事求是,适当留有余地.避免使用"For the first time"等类似的优先权声明.在讨论中应选择适当的词汇来区分推测与事实.例如,可选用 "prove","demonstrate"等表示作者坚信观点的真实性;选用"show","indicate","found"等表 示作者对问题的答案有某些不确定性;选用"imply","suggest"等表示推测;或者选用情态动词 "can","will", "should","probably","may","could","possibly"等来表示论点的确定性程 度. 6.3 时态的运用 (1) 回顾研究目的时,通常使用过去时.如:In this study, the effects of two different learning methods were investigated. (2) 如果作者认为所概述结果的有效性只是针对本次特定的研究,需用过去时;相反,如果 具有普遍的意义,则用现在时.如: In the first series of trials, the experimental values were all lower than the theoretical predictions. The experimental and theoretical values for the yields agree well. (3) 阐述由结果得出的推论时,通常使用现在时.使用现在时的理由作者得出的是具普遍有 效的结论或推论(而不只是在讨论自己的研究结果),并且结果与结论或推论之间的逻辑关系 为不受时间影响的事实.如:The data reported here suggest (These findings support the hypothesis, Our data provide evidence) that the reaction rate may be determined by the amount of oxygen available. 7 结论 通常情况下,有关结论的内容都包括在"结果与讨论"或"讨论"中,但有时也可将"结论"单独列为 一节.在"结论"中作者应清楚,简洁地叙述自己研究的主要认识或论点,其中包括最重要的结 果,结果的重要蕴含,对结果的说明或认识等.应注意的是,撰写结论时不应涉及前文不曾指 出的新事实,也不能在结论中重复论文中其他章节中的句子,或者叙述其他不重要或与自己研 究没有密切联系的内容,以故意把结论拉长. 三,英文科研文章常见语言技巧 如何指出当前研究的不足以及有目的地引导出自己的研究的重要性 通常在叙述了前人成果之后,用However来引导不足,比如: However, little information.. little attention... little work... little data little research or few studies few investigations... few researchers... few attempts... or no none of these studies has (have) been less done on ... focused on attempted to conducted investigated studied (with respect to) Previous research (studies, records) has (have) failed to consider ignored misinterpreted neglected to overestimated, underestimated misleaded thus, these previus results are inconclisive, misleading, unsatisfactory, questionable, controversial.. Uncertainties (discrepancies) still exist ... 这种引导一般提出一种新方法,或者一种新方向.如果研究的方法以及方向和前人一样, 可以通过下面的方式强调自己工作的作用: However, data is still scarce rare less accurate there is still dearth of We need to aim to have to provide more documents data records studies increase the dataset Further studies are still necessary... essential... 为了强调自己研究的重要性,一般还要在However之前介绍自己研究问题的反方面,另一 方面等等,比如: 1)时间问题 如果你研究的问题时间上比较新,你就可以大量提及对时间较老的问题的研究及重要性, 然后说(However),对时间尺度比较新的问题研究不足 2)物性及研究手段问题 如果你要应用一种新手段或者研究方向,你可以提出当前比较流行的方法以及物质性质, 然后说对你所研究的方向和方法,研究甚少. 3)研究区域问题 首先总结相邻区域或者其它区域的研究,然后强调这一区域研究不足. 4)不确定性 虽然前人对这一问题研究很多,但是目前有两种或者更多种的观点,这种uncertanties, ambiguities,值得进一步澄清. 5)提出自己的假设来验证. 如果自己的研究完全是新的,没有前人的工作进行对比,在这种情况下,你可以自信地 说,根据提出的过程,存在这种可能的结果,本文就是要证实这种结果. We aim to test the feasibility (reliability) of the ... It is hoped that the qutestion will be resolved (fall away) with our proposed method (approach). 提出自己的观点 We aim to This paper reports on provides results extends the method.. focus on The purpose of this paper is to Furthermore, Moreover, In addition,, we will also discuss... 圈定自己的研究范围 前言的另外一个作用就是告诉读者包括(reviewer)你的文章主要研究内容.如果处理不好, reviewer会提出严厉的建议,比如你没有考虑某种可能性,某种研究手段等等.为了减少这种 争论,在前言的结尾你就要明确提出本文研究的范围: 1)时间尺度问题 如果你的问题涉及比较长的时序,你可以明确地提出本文只关心这一时间范围的问题. We preliminarily focus on the older (younger)... 或者有两种时间尺度的问题 (long-term and short term),你可以说两者都重要,但是本文 只涉及其中一种. 2) 研究区域的问题 和时间问题一样,明确提出你只关心这一地区 最后的圆场 在前言的最后,还可以总结性地提出,这一研究对其它研究的帮助.或者说, further studies on ... will be summarized in our nextstudy (or elsewhere) 总之,其目的就是让读者把思路集中到你要讨论的问题上来.减少争论(arguments).关于词 汇以及常用结构,要经常总结,多读多模仿才能融会贯通. 怎样提出观点 在提出自己的观点时,采取什么样的策略很重要.不合适的句子通常会遭到reviewer的置 疑. a)如果观点不是这篇文章最新提出的,通常要用We confirm that... b)对于自己很自信的观点,可用We believe that... c)在更通常的情况下,由数据推断出一定的结论,用Results indicate, infer, suggest, imply that... d) 在及其特别的情况才可以用We put forward (discover, observe..) .. "for the first time". 来强调自己的创新. e) 如果自己对所提出的观点不完全肯定,可用 We tentatively put forward (interrprete this to..) / The results may be due to (caused by) attributed to rsulted from./. This is probably a consequence of It seems that .. can account for (interpret) this../ It is pisible that it stem from... 连接词与逻辑 写英文论文最常见的一个毛病就是文章的逻辑不清楚.解决的方法有: 1)句子上下要有连贯 不能让句子之间独立,常见的连接词语有, However, also, in addition, consequently, afterwards, moreover, Furthermore, further, although, unlike, in contrast, Similarly, Unfortunately, alternatively, parallel results, In order to, despite, For example, Compared with other results, thus, therefore... 用好这些连接词,能够使观点表达得有层次,更加明确. 比如,如果叙述有时间顺序的事件或者文献, 最早的文献可用AA advocated it for the first time. 接下来,可用Then BB further demonstrated that.. 再接下来,可用Afterwards, CC.. 如果还有,可用More recent studies by DD.. 如果叙述两种观点,要把它们截然分开 AA pput forward that... In contrast, BB believe or Unlike AA, BB suggest or On the contrary (表明前面的观点错误,如果只是表明两种对立的观点,用in contrast), BB.. 如果两种观点相近,可用 AA suggest Similarily, alternatively, BB.. or
发表SCI论文一般：1你做了一定的科研，弄出了点创新的东西 2自己写作能力和语言表达能力比较强 3所投期刊合适。其中写作能力这个非常重要，如果第一次投稿，建议可以发EI试试，如果学校认可的话，可以发EI会议论文，你百度下：EI学术会议中心，有很多相关学习教程。SCI录用难度很大，而且大部分审稿很长时间，如果想锻炼自己的写作能力，可以百度下：普刊学术中心，很多写作技巧类教材可以多学习下
想法多如牛毛。你需要提出一个完整的理论。
你需要做一个完整的数学处理：把想法写成方程，并证明它是自一致的。
然后，演示它如何准确地预测一些已知的事实。这些可以是理论结果。
然后，你证明它是如何准确地预测一些已知是正确的事情，但目前还没有解释。这些必须是实际的观察结果。
或者，你可以证明它是如何预测目前没有其他理论预测的东西，并提出一个实验来区别于所有竞争的理论，包括目前已被接受的理论。
你不把它寄给一个“组织”，你把它写成一篇合适的科学论文，然后寄给一个科学出版物。他们会通过审查，试图找出其中的漏洞，这个过程被称为“同行审查”。他们会把它送回来给你改正。
在它被接受出版之前，你可以把它放到ArXiv网站上。在那里，整个科学界都将看到它，并试图在其中挖掘漏洞。
实际上，您不需要一次性完成所有这些；你可以先从数学处理开始，然后再做其他的事情。然后，你可以很好地利用科学的迭代过程，如上所述，以确保你不会做所有的后续工作，只是在第一步中发现漏洞，所以你必须重新开始。
这里的典型代表是相对论。当它的第一部分在1905年首次出版时，人们认为它很有趣。这就是上面的“自洽方程”。
然后，他们坐起来注意到第二部分，因为它预测的关于水星轨道的结果与牛顿万有引力理论不同——爱因斯坦的预测与观测结果一致，而牛顿的预测与观测结果不一致。(这是“正确但没有解释”的事情)。
爱因斯坦还预测，来自遥远恒星的光在经过太阳时将发生弯曲，这是其他理论都无法预测的。当这一点被日食观测证实后，爱因斯坦立即成为了他今天的物理学偶像。
如何发表和撰写SCI论文 对从事基础研究的科学工作者，能否在SCI收录的杂志发表论文，是能否进入学术前 沿，在国际公认的同一个平台上参与学术竞争，做出原创性贡献的一个基本标志。 那么怎样的论文才是合格的？本文提出一些建议供大家参考。 在国际核心刊物发表学术论文是基础研究工作者的贡任，大者作为国家，小者作为 一个研究群体或个人，在高影响因子的SC]刊物上发表论文的多寡，显然是基础研究 水平的一个较为客观的标志。罗伯特?戴在其名著《如何撰写和发表科学论文》的序 言中指出，“对一个科学家的评价，从研究生开始，就主要不是看他在实验室操作 的机敏，不是看他对或宽或窄的研究领域固有的知识，更不是看他的智能和魅力， 而是看他的著述。他们因此而出名，(或依然默默无闻)。”他曾领导美国微生物学 会出版工作19年并作为《细菌学》杂志的主编。他的深刻的见地 值得从事基础研究的同事们思考。 原创性和显著性是论文的生命 正如蕹新吃士等在“再论科学道德问题”中指出，在国际核心刊物发表的论文，原 则上都应当是“在国际上首次”描述的新的观测和实验事实，首次提出的概念和模 型，首次建立的方程，也包括对已有的重大观测（实验）事实的新的概括和新的规 律的提炼。与原创性相联系，任何期刊都不希望发表已经见于其它杂志，或由其它 语言发表、或以稍有不同的形式发表的论文。太阳物理学权威刊物《太空物理学》 (Solar，physics〉主编Harvey曾专门谈到，曾有少数作者在主要结果用中文发表后 又寄给《太空物理学》。他强调，过去这是可以容忍的，但现在已 不允许。一个公认的原则是，作者不能把已在经过审稿的杂志发表的主要结果再以 不同的形式投寄给其它杂志再发表。 发表在国际核心刊物的论文，不仅应该是原创性的，其结果还必须是显著的，井对 学科发展有所推，动。用Harvey的话来说，“至少有一、两个其他研究者会读这篇 文章，并利用这些结果发表，他们自己的工作。”对成果显著性的检验是论文被引 用的多寡。作者应当关心自己论文被引用的情况，注意国际学术界对自己工作的评 价，包括得到肯定和批评的方面，特别是注意同行们对自己发表结果的不同的理解 。这是提高自己研究水平的重要途径。 充分评价已有的工作，体现作者的学术水平 是否客观而充分地评价了以往的工作，常常是审稿人和读者衡量作者学术水准和学 术风范的重要方面。我们一部分作者往往愿意引述国外知名学者的工作，有点“言 必称希腊”的味道，但对国内同行发表的工作重视不够。有时明明是中国学者首先 做的工作，都没有得到自己的国内同行的充分评价。较多地并且适当地援引国内同 行工作，是应当提倡的。但是，我们也不要学习少数日本作者，他们绝少引用日本 学者之外的文章。部分同行在论文中引述相当数量公式，但却不列出公式的出处， 让读者分不清是作者发展的，还是引自他人以往的工作。原则上，除了教科书上公 认的方程和表达式外，对于用于特定目的、特定条，件和问题的推演，只要不是作 者自己的工作，都要列出出处和适用的条件；即便是作者自己以往的工作，也要列 出相应的文献，让读者在必要时参考作者在充分评价以往工作的基础上，应当清晰 地指出自己在当前工作中的 独创性的贡献。这是作者对科学负责的表现，是一篇好的学术论文开宗明义必须写 清楚的内容。 要特别重视论文的题目、摘要、图表和结论 每一位作者都有阅读大量论文的经验。读者阅读论文的习惯一般是首先浏览目录， 只有对题目有，兴趣才愿意翻到有关论文；对一篇题目有兴趣的论文，读者又首先 读论文摘要；如果对摘要还有兴趣，接着会去看论文的图表，因为图表往往最清楚 地反映了论文的结果。看过图表之 后，如读者还有兴趣，会接着读论文的结论。通常只有少数读者会读论文的全文。 作者应当清晰地知道，论文的题目将被数以千计的读者读到。对题目的每一个字都 要审慎地选择，用最少的词语最确切反映论文的`内容。 正确对待审稿意见和退稿 国际核心刊物的审稿人大多是各个领域的权威学者。杂志的出版社会经常征询编委 的意见，选择最佳的审稿队伍。审稿是无报酬的。审稿人的工作态度大多极其认真 。对审稿意见要十分尊重，对每一条批评和建议，都要认真分析，并据此修改论文 。对自己认为是不正确的意见，要极其慎重，和认真地回答，有理有据地与审稿人 探讨。如何对待被杂志拒绝的论文，常常是作者犯难的问题。这里必须分析被拒绝 的理由。第一类拒绝是一种“完全的拒绝”，主编通常会表达个意见，对这类文章 永远不愿再看到，再寄送这类文章是没有意义的。有一类是文章包含某些有用的数 据和信息，主编拒绝这类文章是由于数据或分析有严重缺陷。对这类文章作者不妨 先放一放，等到找到更广泛的证据支持或有了更明晰的的结论，再将经过修改的“ 新”文章寄给同一杂志。主编通常是会考虑重新受理这类文章的。这两年，至少有 两位审稿人向笔者抱怨，个别中国同事在论文被一家杂志拒绝后，又原封不动地将 稿件寄给另外一家杂志，而他们再次被邀请做审稿。他们对此非常反感。论文理所 当然地被拒绝。在谈到这个问题时，《宇宙物理学》(The，Astrophysical，Journ al)的科学主编Thomas提出：“在一篇论文被一家杂志拒绝后 不经修改又寄给另一个杂志，这是一个很糟的错误。通常，审稿人做了很认真的工 作指出论文的问题，并建议了修改。如果作者忽视这些忠告，这是对时间和努力的 真正浪费。同时，寄一篇坏的文章，对于作者的科学声望是一种严重的损害。”实 际上，影响因子不同的学术刊物，接受论文的标准和要求差别很大。如果被拒绝的 论文不是由于文稿中的错误，而是重要性或创新性不够，作者在仔细考虑了审稿人 的意见，认真修改文稿后，是可以寄给影响因子较低的学术刊物的。值得注意的是 ，审稿人由于知识的限制和某种成见，甚至学术观点的不同，判断错误并建议退稿 是会发生的。如何处理情况，有两个例子供参考。最近一位年青人的论文被一杂志 拒绝。经过反复的讨论检验，我们判断审稿人是错误的。为了论文及时发表，我们 建议这位作者礼貌和认真地回信给主编 ，指出审稿人的错误，并要求主编将他的意见转给审稿人，然后撤回论文，再将论 文做必要改进，寄给另一影响因子更高的杂志。论文立即被接收，并得到很好的评 价。在这一例子中，论文并没有经过重要修改就改寄其他杂志。但是作者却负责地 请主编把对审稿人的意见转寄给审稿人。在这种情况下，作者改寄其他杂志是不应 受到限制和责难的。但前提是对论文结果的反复检验，对论文的正确性有了确切的 把握。笔者组内一篇论文在一重要杂志经过两年半才得以发表，主要的原因是第一 位审稿人对我国向量磁场测量的可靠性提出质疑，不同意发表这篇论文。通过向权 威的同事请教和反复的思考，我们确认对所进行的研究，所采用的测量，是充分准 确和可靠的。作者花了近两年的时间与审稿人讨论，不但论文得以发表，还与审稿 者和主编建立了良好的关系，这篇论文发表后得到了良好的国际引述。 花大力气提高英语写作水平 英语不是我们的母语，英语写作是英语学习中最困难的部分。我国SCI论文和引述偏 少，除了基础研究水平的限制，语言的障碍不容忽视。每一位基础研究工作者必须 把提高英语写作能力作为一个艰巨的任务。这里有三个成功的经验供参考。中国科 技大学的胡友秋教授总是把审稿人的英文修改和自己的原稿中被修改的部分单独抄 在本子上一一对照。细心琢磨并背下来，一点一滴地提高自己英语写作水平。他寄 往国际核心刊物的论文常被审稿人称为well-written。美国国家太阳天文台有一个 内部的审稿制度，其目的主要是保证论文的正确性，同时对研究也有 相互影响和砥砺的好处。不经过内部审稿的论文不能寄给杂志。资深太阳物理学家 Sara，Martin建议找一些可作为范例的论文精读，学习怎样组织和写出好英语。她 特别提到已故著名天体物理学家Zwaan的论文，可作为范文来效仿。论文初稿完成之 后，一定要做拼写检查，不出现简单的拼写出错。如果对自己的英文写作无把握， 请一位英文好的同事和国外同行把把英文关是必要的。为从根本上提高我国学者英 语水平，我们建议对研究生必须开设英语写作课程。在写英语上，我们实在需要打 个翻身仗。
综述宇宙学(或宇宙论) 译自英文之Cosmology，这个词源自于希腊文的κοσμολογ?α(cosmologia, κ?σμο? (cosmos) order + λογια (logia) discourse)。宇宙学是对宇宙整体的研究，并且延伸探讨至人类在宇宙中的地位。虽然宇宙学这个词是最近才有的，人们对宇宙的研究已经有很长的一段历史，牵涉到科学、哲学、esotericism以及宗教．宇宙学同样也可以诠释人生，只有当你建立起清晰的宇宙概念，才能理解世界的根本秩序，如果对天文学一无所知的话，就不能算受过完整的教育．在最近，物理学与天文物理学在目前所谓的物理宇宙学(藉由科学观察与实验 宇宙学来了解宇宙)的发展上扮演了核心的角色。这个学科专注在宇宙最为巨观且最早期的面向，一般被理解为由大爆炸起头，大爆炸指的是空间的膨胀，而宇宙被认为约於137亿年前由此膨胀产生。从宇宙剧烈的发生直至它的结束，科学家认为宇宙的整个历史是一个有秩序的、且在物理定律支配之下的进程。天体物理学天体物理学是应用物理学的技术、方法和理论，研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的天文学分支学科。利用理论物理方法研究天体的物理性质和过程的一门学科。1859年﹐基尔霍夫根据热力学规律解释太阳光谱的夫琅和费线﹐断言在太阳上存在著某些和地球上一样的化学元素﹐这表明﹐可以利用理论物理的普遍规律从天文实测结果中分析出天体的内在性质﹐是为理论天体物理学的开端。理论天体物理学的发展紧密地依赖于理论物理学的进步﹐几乎理论物理学每一项重要突破﹐都会大大推动理论天体物理学的前进。二十世纪二十年代初量子理论的建立﹐使深入分析恒星的光谱成为可能﹐并由此建立了恒星大气的系统理论。三十年代原子核物理学的发展﹐使恒星能源的疑问获得满意的解决﹐从而使恒星内部结构理论迅速发展﹔并且依据赫罗图的实测结果﹐确立了恒星演化的科学理论。1917年爱因斯坦用广义相对论分析宇宙的结构﹐创立了相对论宇宙学。1929年哈勃发现了河外星系的谱线红移与距离间的关系﹐以后人们利用广义相对论的引力理论来分析有关河外天体的观测资料﹐探索大尺度上的物质结构和运动﹐这就形成了现代宇宙学。从公元前129年古希腊天文学家喜帕恰斯目测恒星光度起，中间经过1609年伽利略使用光学望远镜观测天体，绘制月面图，1655～1656年惠更斯发现土星光环和猎户座星云，后来还有哈雷发现恒星自行，到十八世纪老赫歇耳开创恒星天文学，这是天体物理学的孕育时期。十九世纪中叶，三种物理方法——分光学、光度学和照相术广泛应用于天体的观测研究以后，对天体的结构、化学组成、物理状态的研究形成了完整的科学体系，天体物理学开始成为天文学的一个独立的分支学科。天体物理学的发展，促使天文观测和研究不断出现新成果和新发现。1859年，基尔霍夫对太阳光谱的吸收线(即夫琅和费谱线)作出科学解释。他认为吸收线是光球所发出的连续光谱被太阳大气吸收而成的，这一发现推动了天文学家用分光镜研究恒星；1864年，哈根斯用高色散度的摄谱仪观测恒星，证认出某些元素的谱线，以后根据多普勒效应又测定了一些恒星的视向速度；1885年，皮克林首先使用物端棱镜拍摄光谱，进行光谱分类。通过对行星状星云和弥漫星云的研究，在仙女座星云中发现新星。这些发现使天体物理学不断向广度和深度发展。人类对宇宙的认识不断扩大，不仅使人们愈来愈深入地了解宇宙的结构和演化规律，同时也促使物理学在揭示微观世界的奥秘方面取得进展。氮元素就是首先在太阳上发现的，过了二十五年后才在地球上找到。热核聚变概念是在研究恒星能源时提出的。由于地面条件的限制，某些物理规律的验证只有通过宇宙这个“实验室”才能进行。六十年代天文学的四大发现——类星体、脉冲星、星际分子、微波背景辐射，促进了高能天体物理学、宇宙化学、天体生物学和天体演化学的发展，也向物理学、化学、生物学提出了新的课题。高能天体物理学 光子-结构模型图天体物理学的一个分支学科。主要任务是研究天体上发生的各种高能现象和高能 宇宙学过程。它涉及的面很广，既包括有高能粒子（或高能光子）参与的各种天文现象和物理过程，也包括有大量能量的产生和释放的天文现象和物理过程。最早，高能天体物理学主要限于宇宙线的探测和研究，真正作为一门学科是20世纪60年代后才建立起来的。60年代以后，各种新的探测手段应用到天文研究中，一大批新天体、新天象的发现，使高能天体物理学得到了迅速发展。高能天体物理学的研究对象包括类星体和活动星系核、脉冲星、超新星爆发、黑洞理论、X射线源、γ射线源、宇宙线、各种中微子过程和高能粒子过程等等。 中微子-结构模型图编辑本段研究领域综述以下所列的是宇宙学研究的一些最活跃的领域，大致按时间顺序排列。这个单子不包括大爆炸宇宙学。它可以参见宇宙时间表。极早期宇宙虽然大爆炸理论看起来可以解释从10~33秒钟开始的早期热宇宙，它却面 宇宙学临着许多困难。其中之一是现今的粒子物理理论不能为宇宙的平坦性、均匀型和各向齐性（参阅宇宙学原理）提供一个令人满意的答案。另外，大统一模型预言了宇宙中有磁单极，它们也没有被观察到。宇宙暴涨解决了这些问题。它的物理模型虽然很简单，但是却没有被粒子物理所证实，其主要困难在于如何调和它和量子场论的矛盾。一些宇宙学家认为弦理论和膜宇宙学能为解决宇宙学原理提供另一方案。 弦理论-结构模型图宇宙学的另一主要问题是解释为什么粒子要多于反粒子。X射线观测表明宇宙并不是由物质和反物质的区域组成的。它的主要组成是物质。这个问题称为重子不对称性，解释这种现象的理论被称为重子产生。重子产生理论是由萨哈罗夫于1967年提出的，它的必要条件中包括物质和反物质间的电荷——宇称对称性的破缺。粒子加速器只观测到很小的电荷——宇称对称破坏，不能解释宇宙的重子不对称性。宇宙学家和粒子物理学家希望能发现电荷——宇称破坏的其它来源。重子产生和宇宙暴涨都与粒子物理有密切的联系。这些问题的解决答案可能会产生于高能理论和实验而不是于天文观察中。大爆炸核合成过程 质子-结构模型图大爆炸核合成是关于元素在早期宇宙形成的理论。当宇宙演化到大约三分钟时，它已经足够冷却，这时核聚变及核合成过程就终止了。因为大爆炸核合成过程持续的时间极为短暂，从氢离子（质子）出发，它的主要合成成品是轻元素如氘、氦-4和锂。其它元素则极为微量。（重元素主要是由星体如超新星中的核反应而形成的。）虽然在1948年伽莫夫、阿尔菲和赫尔曼就已经提出了这个理论的基本观点，由于在此理论中轻元素的丰度与早期宇宙的物理性质关系密切，它至今仍然是检验大爆炸时期物理理论的极灵敏的探针。比如，它可以用来检验等效原理、暗物质和中微子物理。宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射是指退偶过程（即大爆炸所产生的辐射停止与带电离子的汤普生散射及原子第一次形成这一过程）所残余的辐射。这种辐射是由彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现的。它具有几乎完美的2.7K黑体辐射谱，只在十万分之一内偏离各向同性。宇宙学家们可以用描写早期宇宙细微起伏演化的宇宙学微扰理论来精确地计算辐射的角度功率谱。最近的卫星（COBE和WMAP）和地面及气球（DASI，CBI和Boomerang）实验也测量了此功率谱。这些工作的目的是为了更精确地测量Λ-冷暗物质模型的参数，同时也为了检验大爆炸模型和新物理模型的预言。例如，最近WMAP的测量就为中微子的质量提供了限制。更新的实验的目的则是测量微波背景谱的极化。它将为微扰理论提供更多的证据，也将为宇宙暴涨和所谓的次级非各向同性（如由背景辐射和星系和星系团相互作用引起的散亚耶夫-泽尔多维奇效应和萨克斯-沃尔夫效应）提供信息。大尺度结构的形成和演化理解最早和最大结构（如类星体，星系，星系团和超团）的形成和演 宇宙学化是宇宙学的核心课题之一。宇宙学家们研究的是一种由下至上有层次的结构形成模型。在此模型中，小物体先形成，而大的物体如超团还在形成过程中。研究宇宙中结构最直截了当的方法是普查可见的星系，从而构造一个星系的立体图像并测量物质功率谱。这就是斯隆数码天空普查和2dF星系红移普查的研究方案。理解结构形成的一个重要工具是模拟。宇宙学家们用它来研究宇宙中物质的引力堆积和线状结构，超团和空穴的形成。因为宇宙中冷暗物质要比可见的重子物质多许多，所以大多数模拟只计入它们。这种处理对理解最大尺度的宇宙是足够了。更先进的模拟已经开始计入重子的效应，它们也开始研究星系的形成。宇宙学家们检查这些模拟是否与星系普查的结果一致。如果不一致，则研究偏差的原因。宇宙学家还用其它互补的方法来测量宇宙遥远处的物质分布和重离子化过程。这些方法包括：*莱曼阿尔法谱线森林。通过测量气体对遥远类星体所发射光的吸收来测量早期宇宙中中性氢原子的分布。*中性氢原子的21厘米吸收线也提供了灵敏的测试。*由于暗物质的引力透镜效应而引起的对遥远物象的扭曲，即所谓的弱透镜效应。这些方法都将帮助宇宙学家解决第一颗类星体如何形成这一问题。暗物质大爆炸核形成、宇宙微波背景辐射和结构形成的研究证据表明了宇宙质量的25%是由非重子的暗物质组成的，而可见的重子物质只占宇宙质量的4%。作为星系周围晕环中的一种冷的、非辐射性的尘埃，暗物质的引力效应已经被了解得很透彻了，但是它的粒子物理性质还是个谜，人们从没有在实验室中观察到它们。暗物质的可能候选包括稳定的超对称粒子、弱作用重粒子(WIMP)、轴子和重的紧致空穴物体，它甚至还可能是在极小加速度下引力的修正（修正的牛顿动力学，或MOND)或瞙宇宙学的一种效应。星系中心的物理（如活跃星系核，超重黑洞）可能会给暗物质的性质提供线索。暗能量如果宇宙是平坦的，那么必须有一种东西组成71%的宇宙密度（扣除25%的暗物质和4%的重子物质）。它被称为暗能量。这种东西不能干涉大爆炸核合成和宇宙微波背景辐射，所以它不能象重子和暗物质那样在星系周围晕环中结团。因为宇宙是平坦的，所以我们知道它的总质量。通过观测我们也知道宇宙中结团物质的质量比总质量远远要小，这就为暗物质的存在提供了很强的证据。1999年发现的宇宙加速膨胀（类似宇宙早期的暴涨）为暗物质提供了更强的证据。除了暗物质的密度和结团性质外，我们对它一无所知。量子场论预言了一 宇宙学种类似暗物质但比它大120个数量级的宇宙常数。温伯格和一些弦理论家由此提出人类学原理。他们认为宇宙常数如此小的原因是因为人类不能在其他大宇宙常数的世界中生存。许多人觉得这种解释很牵强。暗能量其他可能的解释包括精粹物质（quintessence）和在大尺度下引力的修正。这些模型的核心是暗物质的状态方程，不同的理论有不同的状态方程。暗物质的本质是宇宙学中最具挑战性的问题之一。如果我们对暗物质有更好的理解，我们可能会解开宇宙最终结局这一谜题。在现在这个宇宙时期，由暗物质引起的宇宙加速膨胀阻碍了比超团更大结构的形成。我们还不清楚这种加速膨胀会不会永久持续下去。或许它会加快，甚至它也可能会变成减速膨胀。平行宇宙平行宇宙（Multiverse、Parallel universes），或者叫多重宇宙论，指的是一种在物理学里尚未被证实的理论，根据这种理论，在我们的宇宙之外，很可能还存在着其他的宇宙，而这些宇宙是宇宙的可能状态的一种反应，这些宇宙可能其基本物理常数和我们所认知的宇宙相同，也可能不同。婴儿宇宙宇宙不是无限的，而是有一个时间上的起点，在那个起点时间发生宇宙大爆炸，形成了现在的宇宙，迄今约137亿年，彷如人类发育的婴儿时期，故此得名婴儿宇宙。借助美国宇航局的微波背景辐射探测器，一个国际天文学家小组新获得了“婴儿期”宇宙迄今最精细的照片，为宇宙大爆炸理论提供了新的依据，根据这张照片，科学家“精确地测量出了宇宙的实际年龄大约是137亿年”。其它研究方向原初黑洞。宇宙射线谱中的格莱森-查策平-库兹明截断。对此截断的违反是否隐示了在极高能下狭义相对论的失效。等效原理。爱因斯坦引力理论是否正确，物理原理的普适性。
天体物理学是应用物理学的技术、方法和理论，研究天体的形态、结构、化学组成、物理状态和演化规律的天文学分支学科。
天体物理学专业培养符合国家建设需要，为祖国和人民服务的，具有良好道德品质和科学素质的，具有集体主义精神，实事求是，追求真理，献身科学教育事业的，具有宽厚和扎实基础知识和良好实验科研能力的天体专门人才和高等院校师资。
获得本专业硕士学位的研究生应掌握天体物理学科坚实、宽厚的基础知识 ，较全面和深入的专业知识，熟悉本专业研究方向的发展前沿和热点。硕士论文选题时，应对国内外研究现状进行较全面的调研和分析，在此基础上，完成具有创造性的研究成果。熟练掌握一门外语，包括专业阅读和写作，以及能用外语进行简单的学术交流。
补充资料：
1、天体物理学具体专攻包括。
行星天文学：以行星为研究目标，除了物理学外也要涉及大气科学、地质学和生物学的知识。
恒星天文学：研究恒星、星云和黑洞。
太阳天文学：专门深入研究太阳。
星系天文学：研究星系。
宇宙学：研究大尺度上的宇宙，及大爆炸之后的宇宙演化史。
天体测量学：研究天体运行的精确计算，预测日食或流星雨等现象，是天文学最古老的分支。
2、天体物理学专业的研究方向。
本专业分六个方向。方向一：引力效应，研究的内容为经典引力效应和量子引力效应；方向二：黑洞，研究的内容为黑洞可观测效应，黑洞演化和黑洞热力学；方向三：宇宙学。研究的内容为暴涨宇宙学和量子宇宙学；方向四：相对天体物理，研究的内容为致密天体引力性质；方向五：星系形成和演化，研究的内容为星系的形成，星系的演化；方向六：致密天体，研究的内容为白矮星和中子星。
刊号：CN31－1385/N 出版：上海科学技术出版社《科学》编辑部 地址：上海钦州南路71号 邮编：200235 《空间科学学报》空间科学是当代高科技发展的前沿领域之一，《空间科学学报》是我国空间研究界有影响综合性刊物。所刊载的内容由以空间本身为研究对象的研究成果和与空间环境有关的基础研究，应用研究及技术研究成果构成，报道的主要学科分支包括空间天文学、空间物理学、空间化学与地质学、空间生命科学、微动科学、空间材料科学和空间地球科学等。主要栏目有：理论研究、探测与实验、综述、研究简报，学报动态等等。 期刊分类： 双月刊 创刊年份： 1981 国内刊号： CN 11-1783/V 国际刊号： ISSN 0254-6124 邮发代号： 2-562 定价： 20元/期 主管单位： 中国科学院 主办单位： 中国科学院空间科学与应用研究中心 中国空间科学学会 编辑单位： 《空间科学学报》编辑部 天体物理学报（英文版）Chinese Journal of Astronomy and Astrophysics简 介： 创刊时为中文期刊，2001年改为英文刊。主要刊登天文学和天体物理学领域的原创性研究论文。主要栏目和报道范围：“研究快报”用来报道天文观测的新结果及新理论；“特约综述”聘请国际知名天文学家就某些热点问题进行专题评述。 期刊分类： 双月刊 创刊年份： 1981 国内刊号： CN 11-4631/P 国际刊号： ISSN 1009-9271 邮发代号： 2-187 定价： 20元/期 主管单位： 中国科学院 主办单位： 中国科学院北京天文台 编辑单位： CJAA编辑部
康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基写的。1903年，俄罗斯的康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基发表了《利用喷气工具研究宇宙空间》的论文，深入论证了喷气工具用于星际航行的可行性。
在齐奥尔科夫斯基一生中，他最感兴趣、花费精力最多、取得成就最大的领域是航天。在很小的时候，有关星际航行的问题已经开始强烈地吸引着他。他在1911年回忆说："在过去很长时间里，我也和其他人一样，认为火箭不过是一种少有用途的玩具。
我已很难准确回忆起我是怎样开始计算有关火箭的问题。对我来说，第一颗太空飞行思想的种子是由儒勒·凡尔纳的幻想小说播下的，它们在我的头脑里形成了确定的方向。我开始把它作为一种严肃的活动。"
相关内容解释：
苏联火箭之父弗里德利希·赞德对齐奥尔科夫斯基的著作推崇倍致，1924年在苏联成立了第一个宇航学会，8月23日选举齐奥尔科夫斯基为军事航空学院的第一位教授。苏联于1930年造出OR-1液体燃料推进的火箭，1933年造出OR-2型。
1929年，齐奥尔科夫斯基在他的著作《宇宙航行》中提出多级火箭的设想。火箭推进计算的基本公式是以他名字命名的。他还相信哲学家尼古拉·费奥多罗夫提出的向外星殖民的想法，认为这能使人类永久存在下去。
2016年9月26号，甘肃的张昭发表了“宇宙的本质”论文，一个崭新的宇宙观横空出世，论文从宇宙物质的基本构成点出发揭开了宇宙的神秘面纱，论文一出，就被网络大量转载，随后，张昭又发表了3篇续篇“光在宇宙空间的行为”，“宇宙空间的几何原理”，“宇宙加速膨胀问题的现象分析”，4篇论文和为《新宇宙论》。宇宙的本质万有引力公式F=GM1M2/R2的推论张昭 著内容声明：可免费网上传播、转载，免费使用版权出版，让爱好科学的人们广泛讨论研究，但严禁窃用内容和恶意诋毁。做为一个物理学的爱好者，我喜欢对物理进行研究。上学时，对牛顿、爱因斯坦等科学家们很崇拜，到社会后，常喜欢看关于物理学方面的知识，后来我发现，物理学中伟大的发现都是依靠思维产生后被验证的；物理学定律一部分是依靠感觉和现象推理获得，这并不能反应物质的本质特性。万有引力定律，它展示给人们的是物体与物体之间现象的公式，并没有告诉人们定律的本质（为什么产生的），后来，我通过多年的思考，产生我自己的一些看法，可是一个只有中学水平的农民，怎么能用否定的观点，做出对伟大科学家们的不敬？自己都觉得可笑。可当我换了角度，我自己才发现，这是我怀着万分的崇拜，是对他们的肯定，是他们的思维之路引导我们前行，于是我索性将自己的观点定性为荒谬谈，介绍我的思考方法，而不是阐述观点必须正确，对于我的观点，大家可做茶余饭后的乐趣（以下内容只代表个人观点）。一、思维形成我上中学物理课，当学到牛顿的万有引力公式F=GM1M2/R2，就对这公式很费解，为什么物体间的万有引力是与距离的平方成反比？如果引力是直线的，只有两种可能，与两物体间的距离无关，与两物体距离只是反比，怎么能是距离的平方成反比，力的构成原理是什么？当时我问老师、和同学讨论，他们说我钻牛角，“卫星都上天了，问的问题怪的”，我也就不好再说什么了，但这个问题一直纠缠我，高中时，我一直考虑，R2是面积、力和距离的面积成反比，这个公式中一定隐含着极大的秘密，有闲暇时，我常考虑这个问题，后来我想，应该先找这个面，R2是正方形？看来不合适，圆面积S=πR2，π是个常数，将圆的面积带入公式，我们可以把G/π看成是公式中用G代替了，在公式上是成立的，发现这个现象，我就明白，万有引力实际跟圆面积有关，我的推理是从寻找M1和M2物理中间圆开始的。通过不断的思考，我终于明白了圆面积在公式中的含意，那就是我们把M1和M2看成是两个点，让两点向四周发射同心圆球辐射，这个圆就是M1和M2距离中线交合处的辐射圆和对面辐射线成切线的圆面积，这一发现，引发了我极大的兴趣，也使我耗费了很多时间认真的思考圆面积在引力中的含意。当我们用画图的方法观察引力的形成形式时，我们就会发现，物体M1和M2两点距离无论怎样变化，产生引力交合面夹角总是90°，而且曲度非常大，从图中（后附）可以看出，说是M1和M2互相吸引，还不如说是交合面（圆面）向两边发出了同样的拉力，因为引力不可能在如此大的弧度上发生作用，这就让我越感困惑，力到底是怎样传达的？力走这样的曲线？从力学原理分析显然不是，通过思考，我认识到：首先必须放弃“引力场”这一概念，如果说物体是释放“引粒子”才产生了力，那所有的物体必须永不停的向四周释放，而且“引粒子”有走大弧线的物性，这显然和物质的本性矛盾，看来“引粒子”说也必须放弃。没有“引力场”，也没有“引粒子”，那力是怎样传递的？只有一种可能，那就是M1和M2同时在外面施加了牵引力，在交合面上互相感受到力的大小，这才是引力的现象原因。物体对外有牵引力，与对方的存在没有关系，牵引力是时时刻刻存在的。当我推理到这一步，我就更困惑了：物体的牵引力是怎样产生的？我的推理出现了无解后果。真感谢爱因斯坦的相对论原理，当我的推理找不出不合理时，我考虑：后边的问题要变换解度，无解是过于从习惯性现象出发，这让我肯定“以太”的存在，我的推理又能向前推了，但当我完全明白“以太”的定义后（科学上的定义），我的推理根本不成立，首先，物质吸收“以太”才能产生牵引力，可吸收的原因是什么？吸收后怎样储存？为什么“以太”永远吸收不完？看来，“以太”是不可能存在的。我意识到，必须打破常规思维，要产生牵引力，必须符合以下条件：①空间必须有物质存在；②空间的物质对物理（所有）是必要的；③空间的东西必须有另一种方法不断得到补充；④空间的东西能产生力的效果。我的推理到这一步，显得更加艰难，这让我苦思多年，提出无数的设想，都无法自圆其说。我开始在其它物理现象中找答案，并对我前边的推理深信不疑。在思考中，一个现象也让我困惑？恒星发光亿万年了，宇宙为什么还是黑的，一根火柴都会让大广场有光，光是永恒的吗？光上哪去了？后来我把思考放在光的问题上，经过长期思考，我确定，光是衰变的，光能衰变成其它物质，这种物质和万有引力联系起来，我有了新认识，宇宙中充满光，物质波、粒子流衰变的物质，这种物质造成了空间密度，物体能吸收这种物质，如果某空间同时有两个物体，两个物体吸收这种物质后，两物体中间的密度会比外侧低，这就会使两物体开始靠近，形成有引力的现象，这条思路在我的思考中越来越清晰起来，这完整的质量、能量守恒链条：物体释放物质波、光，释放的物质波、光、粒子在空间衰变，变成我们看不见的物质，又被物体吸收，看不见的物质形成一定的密度，大质量物体吸收看不见的物质，使周围密度降低，在两个物体中间，形成比两物体外围密度低的空间，就出现了引力的效果，被吸收的物质，又会以物质波形式被释放。我终于推理出了万有引力之谜，而不是凭空臆造。我内心无比激动，我的初步宇宙观形成了：1、宇宙空间充满着我们看不见的物质，它是物质波、光、高速粒子衰变的产物。2、空间物质有密度，密度的变化，发生了万有引力现象。3、空间物质被物体吸收，转换成新的物质，波、光、高速粒子，它们在不断的互换中，实现了质量能量的守恒。4、物质和物质之间，不能非接触产生作用力，宇宙中没有“场”存在。我用自己对宇宙的认识法则，解释自然界的物理现象，大部分都能被圆满解释，可当解释电磁现象时，因我的推理否定了“场”的存在，却无法去解释。在天体的一些现象解释中，又存在很大的局限性。物质的特性应当有普遍适用性，能使其表现的现象得到满足，只能有局限性特性，说明我们没有找到物质的本质，我深切认识到，我的思想应象相对论一样，从狭义向广义推广，在这样的思维构想下，我有了自己全新的宇宙观点。二、物质的本质要讨论物质的本质，首先要分析构成物质的必要条件。现在，我们倾向接受这样的观点：物质是由质量构成，能量是物质的变换形态，质量和能量是物质的基本内含，所以物质的本质是：质量和能量的关系我认为，这是狭义的解释，质量和能量只是物质的两个方面，我们抛开物质的基本构成，就物质的形态有：质量、能量、时间、空间四种必须的条件，空间是三维的，所以我们要从形态描述物质的本质，那就是：质量、能量、时间、空间（三维）四个方面，拥有六个维度的客体。物质有六个维度，维度是不能分割和缺失的，我们要表述物质的本质，用形态就是：质量、能量、时间和三维空间的关系物质的构成，四种基本要素是不可缺失的。质量：质量有三种状态，第一种是可见的状态，我们所见的一切固体的、液体的；第二种是隐形状态，象电磁波、光、微观粒子；第三种是无形状态，这是我们说的宇宙空间。说宇宙真空是物质，有质量，有能量，多数人不能接受，人们的观点是真空是无、无、无，怎么能说是物质，还有质量和能量？这是人们对真空到底是由什么构成的有不同看法，我的观点：宇宙空间（真空）是由物质的基本单元构成的。物质的基本单元，我先用一个好理解的名称“能量分子”给代名。宇宙是由能量分子构成的，它是质量、能量、空间的基本单元。以能量分子为单元，才有了质量、能量、空间，并赋予了时间，没有能量分子，什么也没有，我们不能说空间充满能量分子（早先我也这样认为），而是能量分子在单元体状下，构成了空间，使能量分子的质量、能量、时间才有物质概念和空间的存在，能量分子的单元体状态，也是科学苦苦寻找的暗能量、暗物质。广袤的宇宙空间，就是能量分子单元体的集合体，我们看不见的一切物质，是能量分子的压缩粘合体，所以，空间是有质量、有能量的。人类对能量和时间的阐述很多，能量的本质，我个人观点，就是能量分子被压缩，能量分子自身扩张过程中的现象，压缩能量分子，需要外围的动能作用，吸收能量，当自身被释放扩张时，又对外有动能作用，释放能量。空间：我的空间定义，是宇宙的全部，而不是人们理解的宇宙空间。宇宙的全部，是能量分子在不同密度下构成的，我们看得见的是高密度空间，看不见的是低密度空间，最小的能量分子单元，宇宙中发生的一切变化，就是空间密度的变化现象和能量分子形态变化现象。描述空间的参数要用范围，既说空间的大小，而描述空间的性质，则是能量分子的密度和状态，这是由质量、能量、时间参数决定的。宇宙空间：能量分子为游离态单元体，密度低，质量小，能量小，时间长，空间大。物质波、光、粒子：能量分子的压缩粘和体，中密度，中质量，中能量，中时间（能量分子增加了动量或温度）可见物质：能量分子高压缩聚合体，高密度，高质量，高能量，时间短，空间小。空间（游离态能量分子）获得能量，被压缩成粘和体转换成物质波、光、粒子，这时，质量增加、能量增加、时间缩短。空间密度增大，空间减小。物质波、光、粒子增加能量，时间缩短，空间密度进一步增大，空间变小，这就是可见物体。反过来，可见物体释放物质波、光、粒子，质量减少、能量减少，时间变长，空间变大，密度变小，释放能量；物质波、光、粒子衰变，进一步释放能量，质量减少、能量减少、空间增大、密度减少。在相互的变化中，质量和能量（时间、空间、六维总量）永远是守恒的。（，，，，，，，百度看全文)宇宙的本质 续篇1 张昭 光在宇宙空间的行为1， 相对论在讨论物质的物理性时有两个基本设定；光速不变（真空中),惯性质量和引力质量相等。两项基本公设，让人们讨论运动物体的物理项的量值时，方便用数学公式来表达。通过数学公式人们也直观的看到，运动物体的物理项是协变的。我们用伽利略坐标系和洛伦茨变换就清楚，物体的运动速度增加，质量会增加，同时，物体长度缩短，时间变慢，也就是空间变小，时间变短，这种现象是相对于参考系的物理性，我们用运动物体做参考系，运动物体没有变化（静止状态） 变化的是原参考系。光在太空中旅行，人们是用发光源为参考系的，用基本设定方便了人类对宇宙的探索，可是，人类观测宇宙是扑捉宇宙中的光，逆向探索的，我们换用光本身做参考系，将空间定为公设项（距离长度），我们将推导出，光在宇宙空间的行为是不断变化的2， 一束光A从M1点发出，到M2点，不考虑其它因素，M1对A有回拉的《引力的作用》，光束A出发后先是减速的，飞过M1的控制区到M2控制区后，M2有会使光束A加速，我们从M2点观察，光束A从M1到M2一直有加速度，加速度是变化的，这告诉我们光在太空中是不断变化的，只是光速相对于人类现在的科技水平是巨大的，这种变化目前无法精确测定，相对论将光速公设为恒定，用空间和时间的协变来讨论物质的物理性，这符合人类现在的研究形式是以光视界为手段。换个角度说，我们独立研究光，将空间或时间定为公设项，光在太空中的速度，动能是不断变化，而且光在运动方向上前行，同时趋向节能的路径运动(大质量天体使光偏折），而节能的路径使光在衰变的同时，又获得能量的补充。也正是光的这一特性，使光的衰变不很直观，能在宇宙中长时间旅行3，这样，我们对黑洞的理解有了新的观点，黑洞真实的空间比现在认为的大许多，这是因为光线在黑洞边缘有偏折，黑洞不是《引力巨大》把光吸住，而是光在黑洞中运动，加速度是负数，在未能到达正加速补充能量时，能量的消耗使光衰变成能量分子游离态。我们就此得出，光在太空中的行为是不断变化的，光在太空运动的物理性的量纲，于学界的公设有关，就像我们要求物体的质量大小，先设定标准码一样以上观点，请参考 宇宙的本质（1）副本 我9月26号发表的论文张昭2016年12月30号发表祝网友们2017年心想事成宇宙的本质 续篇2 张昭宇宙空间的几何原理： 我们对事物范围的解释，因为有了几何学，能够用数学抽象的，精确的描述，这在人类的交流中，比直观更方便而精准。几何学从远古的平面，直线，方圆，长，短，宽窄，厚，薄等概念，经过历代数学家如泰勒，毕达哥拉斯，依卜加，柏拉图，欧几里得，黎曼等等的发展，几何学成为一门比较严密的理论学科。 笛卡尔的解析几何，蒙日的画法几何，彭塞列的摄影几何，到后来微分几何，曲面几何，黎曼几何，拓扑学几何，分析几何等，几何学的发展，极大开拓了人们的认识能力，现在，主流的科学界认为宇宙空间的结构是黎曼空间，黎曼几何是对宇宙空间最真实的表达，爱因斯坦的相对论就是以黎曼几何作为数学工具的。相对论有两项基本公设：光速不变原理，惯性质量和引力质量相等，现在在科学界赞同这观点，这为人类研究宇宙空间建立了良好的桥梁，但是，后边的论述，我们会知道，这有不尽人意。我在“宇宙的本质”论中，把空间和时间并列为宇宙事物的维度，空间和时间是宇宙事物的基本纲量，宇宙事物是四项（质量，能量，空间，时间）六维（质量，能量，时间，三维空间）变换，转换，运动的大循环体。宇宙的构成具有单一性———能量分子单元。如何定义宇宙事物的维度？我们把宇宙事物构成的基本纲量项叫维度，能量分子赋予了质量，能量，空间，时间，宇宙中的一切一切，又是能量分子构成的，空间不是简单的事物存在场所，时间也不是简单的过程，空间和时间是事物的构成纲量。宇宙空间的几何结构，黎曼几何的表达，必须满足光速不变原理，相对论创立初期，学术界也清楚这点。但对为什么大质量天体能使时空弯曲，光速不变原理和惯性质量与引力质量相等被人为定为公设，而不是宇宙的基本纲性，无论怎样解答都不能满足读者。依托我的“宇宙的本质",我们的认识会有极大改变，当然，我们不是要否定相对论，狭义相对论发展了牛顿运动定律，牛顿的运动定律是宇宙事物低速运动的高度近似，狭义相对论是宇宙事物的运动定律，这就同几何学发展一样，是人类认识的进步。黎曼空间的几何原理，是在相对论公设下，宇宙空间的表达形式（高度近似）。我们放弃公设项，再将天体对时空的弯曲项被重视，那空间的几何原理，就必须突破现在的框架，时空连续区的表达对小质量天体在高度近似下是有效的。我们要做到精确描述，需要时空连续区和天体的质量，能量项共同来表达。原来的坐标参数X,Y,Z,T,时空连续区的表达，当扩展用X,Y,Z,T,M(质量），E(能量)六维坐标参数来表达。宇宙空间是六维转换，变换，运动，循环的，这样我们能更好的理解宇宙空间的真实结构，宇宙自身是弯曲的，宇宙在收缩，大质量天体在压缩空间。宇宙在膨胀，大质量天体释放在宇宙空间的粒子衰变后，产生的能量分子单元体扩展空间，原有的能量分子单元体也有能量在扩展。正如相对论描述的那样，空间的几何性质不是独立自主的，他们是由物质决定的，欧几里得几何，非欧几何，黎曼几何都不能严格有效的描述，但我们的宇宙，物质的分布对周围空间的影响是有限的，小天体更是极其微小的，就我们现在的科技能力，用光速不变原理，探索宇宙太空是有效的，但对超巨天体，就如同物体的低速运动和高速运动一样，性质将极大的改变，区域内质量和能量对空间有了决定性，几何性质就必须引入质量，能量项，简洁的陈述就是空间的几何性质是六维的，变换的，运动的，循环的。请广大读者参考我2016年9月26号发表的论文---宇宙的本质 ， 请广大读者提出宝贵的意见 宇宙的本质 续篇3 张昭宇宙加速膨胀问题的现象分析我们在中学物理课上就知道光的折射原理，爱因斯坦的相对论告诉我们，光在宇宙空间能被大质量天体弯曲，也就是有折射。我们还清楚，折射光会产生象凸透镜的放大效应。现在，让我们讨论光线的偏折，在我们观测宇宙空间时产生的影响。光线在宇宙空间运动中，大质量天体使其偏折说明天体对光线产生作用力，依据牛顿力学，有作用力就有加速度，，光线在大天体控制区域中，当靠近天体引力中心方向运动会加速，远离方向运动会减速，这一现象，我在“光在宇宙空间的行为”中以阐明。我们观测宇宙空间，观测点在地球，如果在时间的变化中，地球自身和周围空间环境是恒定的不变状态，我们观测光年单位制的遥远空间，假设宇宙是区域运动的，大范围是不膨胀也不收缩的常态，我们会得出宇宙是常态的观测结论。可我们的观测结果是遥远的星系在相互远离，并且是加速的，因此我们得出，宇宙在加速膨胀？这个结论也许是正确的，但是也会有其他原因产生的假象，我们来罗列这几种原因。我的“宇宙的本质”论，人们可以直观知道，空间密度降低，光的折射角会增大，光的红移会扩大，在小区域中，现象是极微弱的，·但再微弱的变化在观测点位置产生，就会有放大镜凸透镜的效果，在亿万光年的尺度上被显现为宏观。我们观测宇宙空间，是把地球环境设定为“恒定”状态进行的，如果是我们观测的位置环境发生了极微小的变化，宇宙中天体运动的测量数据就会产生假象。我们继续假设宇宙是常态，即不膨胀也不收缩，如果地球所在区域的空间密度以极微小的量在递减，那宇宙远处的光线进入我们的观测网的折射角会增大，放大镜效应，使距离延伸亿光年的大尺度中被显现，星系间的距离随时间的变化在增大，地球区域的空间密度递减，光线的红移也增大，是观测数据让我们推测星系都在加速远离，宇宙在膨胀，我们否定了原来的假设，忽略观测点环境的变化。如果我们观测宇宙的地球环境变化，是产生宇宙加速膨胀现象的根源，那怎样解释？几种可能原因；1，我在“宇宙的本质”中以阐明，大质量的天体能使其周围的空间形成向核心递减的空间密度降低层，空间的密度是不均匀的，太阳系带着地球在银河系运动中，受周围天体的影响，会出现有时期向银河系中心方向递进，有时期会远离，当我们观测宇宙时段是太阳系在向银河系中心方向递进，那太阳系的空间密度会随时间极微递减，我们观测宇宙的观测点在空间密度递减的环境中，随时间的变化，观测到的光线折射角增大，光线的红移增加。2，太阳系在微妙变化。太阳对周围空间的作用力在递增，太阳作用力的递增，使进入太阳系的光线偏折角增大，光线红移增加，使我们的观测数据产生变化。3，地球的自身环境变化。我们从地球上观测遥远的宇宙天体，地球环境极微小的变化，在亿万光年的远方是会被放大的，地球的物质温度年升高百分之一度，根据质能关系，我们接收的光线在地球控制区域也会有万分之比例偏折，在天文距离外，会出现不可忽略的位移数据，当我们忽略地球的变化时，宇宙必然的现象是加速膨胀。以上三种实例，都产生了宇宙膨胀的假象。我们的宇宙是无穷的，运动的，在有限的不同区间有膨胀，也有收缩，整体的宇宙在怎样运动，我们无法用现有的观测数据简单陈述，需要科学的进步和科技的发展。张昭 2017年3月看帖的网友们鸡年大吉大利
1903年，星际航行理论奠基人齐奥尔科夫斯基发表了《利用喷气工具研究宇宙空间》
一位著名的科学家(据说是贝特郎·罗素)曾经作过一次关于天文学方面的讲演。他描述了地球如何绕着太阳运动，以及太阳又是如何绕着我们称之为星系的巨大的恒星群的中心转动。演讲结束之时，一位坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道：“你说的这些都是废话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上的一块平板。”这位科学家很有教养地微笑着答道：“那么这只乌龟是站在什么上面的呢?”“你很聪明，年轻人，的确很聪明，”老妇人说，“不过，这是一只驮着一只一直驮下去的乌龟群啊!”大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们自以为知道得更多一些呢?我们对宇宙了解了多少?而我们又是怎样才知道的呢?宇宙从何而来，又将向何处去?宇宙有开端吗?如果有的话，在这开端之前发生了什么?时间的本质是什么?它会有一个终结吗?在物理学上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技术得以实现，从而对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有所启发。也许有一天这些答案会像我们认为地球绕着太阳运动那样显而易见——当然也可能像乌龟塔那般荒唐可笑。不管怎样，唯有让时间来判断了。早在公元前340年， 希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中，就已经能够对于地球是一个圆球而不是一块平板这一论点提出两个很好的论据。第一，他认为月食是由于地球运行到太阳与月亮之间而造成的。地球在月亮上的影子总是圆的，这只有在地球本身为球形的前提下才成立。如果地球是一块平坦的圆盘，除非月食总是发生在太阳正好位于这个圆盘中心之下的时候，否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。第二，希腊人从旅行中知道，在越往南的地区看星空，北极星则显得越靠近地平线。(因为北极星位于北极的正上方，所以它出现在处于北极的观察者的头顶上，而对于赤道上的观察者，北极星显得刚好在地平线上。)根据北极星在埃及和在希腊呈现出来的位置的差别， 亚里士多德甚至估计地球大圆长度为4000000斯特迪亚。 现在不能准确地知道，一个斯特迪亚的长度究竟是多少，但也许是200码左右，这样就使得亚里士多德的估计为现在所接受数值的两倍。希腊人甚至为地球是球形提供了第三个论据，否则何以从地平线外驶来的船总是先露出船帆，然后才是船身?亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围绕着它转动。他相信这些，是由于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且圆周运动最为完美。在公元后两世纪，这个思想被托勒密精制成一个完整的宇宙学模型。地球处于正中心，包围着它的是八个天球，这八个天球分别负载着月亮、太阳、恒星和五个当时已知的行星： 水星、金星、火星、木星和土星(图1.1)。这些行星被认为是沿着附在相应天球上的更小的圆周运动，以说明它们在天空中被观察到的相当复杂的轨迹。最外层的天球被镶上固定的恒星，它们总是停在不变的相对位置，但是总体绕着天空旋转。最后一层天球之外为何物一直不清楚，但有一点是肯定的，它不是人类所能观测到的宇宙的部分。图1.1 从最里面往最外面顺序为月亮球、 水星球、金星球、太阳球、火星球、木星球、土星球和固定恒星球。最中心为地球。托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了相当精密的系统。但为了正确地预言这些位置，托勒密必须假定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍，这意味着月亮有时看起来要比其他时候大一倍。托勒密承认这个瑕疵，尽管如此，他的模型虽然不是普遍地、却是广泛地被接受。它被基督教接纳为与《圣经》相一致的宇宙图象。这是因为它具有巨大的优点，即在固定恒星天球之外为天堂和地狱留下了很多地方。然而，1514年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一个更简单的模型。(起初，可能由于害怕教会对异端的迫害，哥白尼只能将他的模型匿名地流传。)他的观念是，太阳是静止地位于中心，而地球和其他行星绕着太阳作圆周运动。将近一个世纪以后，他的观念才被认真地接受。后来，两位天文学家——德国的约翰斯·开普勒和意大利的伽利雷·伽利略开始公开支持哥白尼的理论，尽管它所预言的轨道还不能完全与观测相符合。直到1609年，亚里士多德——托勒密的理论才宣告死亡。那一年，伽利略用刚发明的望远镜来观测夜空。当他观测木星时，发现有几个小卫星或月亮绕着它转动。这表明不象亚里士多德和托勒密所设想的，并不是所有的东西都必须直接围绕着地球转。(当然，仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中心，而木星的卫星沿着一种极其复杂的轨道绕地球运动，表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理论是简单得多了。)同时，开普勒修正了哥白尼理论，认为行星不是沿圆周而是沿椭圆(椭圆是被拉长的圆)运动，从而使预言最终和观察相互一致了。就开普勒而言，椭圆轨道仅仅是想当然的，并且是相当讨厌的假设，因为椭圆明显地不如圆那么完美。虽然他几乎是偶然地发现椭圆轨道能很好地和观测相符合，但却不能把它和他的行星绕太阳运动是由于磁力引起的另一思想相互调和起来。对这一切提供解释是晚得多的事，那是由于1687年伊萨克·牛顿爵士出版了他的《数学的自然哲学原理》，这部也许是有史以来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中，牛顿不但提出物体如何在空间和时间中运动的理论，并且发展了为分析这些运动所需的复杂的数学。此外，牛顿提出了万有引力定律，根据这定律，宇宙中的任一物体都被另外物体所吸引，物体质量越大，相互距离越近，则相互之间的吸引力越大。这也就是使物体落到地面上的力。(由于一个苹果落到牛顿的头上而使他得到灵感的故事，几乎肯定是不足凭信的。所有牛顿自己说过的只是，当他陷入沉思之时，一颗苹果的落下使他得到了万有引力的思想。)牛顿继而指出，根据他的定律，引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转。哥白尼的模型摆脱了托勒密的天球，以及与其相关的宇宙存在着自然边界的观念。“固定恒星”除了由于地球绕着自身的轴自转引起的穿越天空的转动外，不改变它们的位置，很自然会使人设想到固定恒星是和我们的太阳类似的物体，只是比太阳离开我们远得多了。按照他的引力理论，牛顿意识到恒星应该相互吸引，看来它们不能保持基本上不动。那么它们会一起落到某处去吗?在1691年写给当时另一位最重要的思想家里查德·本特里的一封信中，他论证道，如果只有有限颗恒星分布在一个有限的空间区域里，这确实是会发生的。但是另一方面，他推断如果存在无限多颗恒星，多少均匀地分布于无限的空间，这种情形就不会发生，因为这时不存在任何一个它们落去的中心点。当人们议论到无穷时，这种论证是你会遭遇到的一种陷阱。在一个无限的宇宙，每一点都可以认为是中心，因为在它的每一边都有无限颗恒星。正确的方法是很久以后才被意识到的，即是先考虑有限的情形，这时所有恒星都相互落到一起，然后在这个区域以外，大体均匀地加上更多的恒星，看情况会如何改变。按照牛顿定律，这额外的恒星平均地讲对原先的那些根本没有什么影响，所以这些恒星还是同样快地落到一起。我们愿意加上多少恒星就可以加上多少，但是它们仍然总是坍缩在一起。现在我们知道，由于引力总是吸引的，不可能存在一个无限的静态的宇宙模型。在20世纪之前从未有人暗示过，宇宙是在膨胀或是在收缩，这有趣地反映了当时的思维风气。一般认为，宇宙或是以一种不变的状态已存在了无限长的时间，或以多多少少正如我们今天所看的样子被创生于有限久的过去。其部分的原因可能是，人们倾向于相信永恒的真理，也由于虽然人会生老病死，但宇宙必须是不朽的、不变的这种观念才能给人以安慰。甚至那些意识到牛顿的引力理论导致宇宙不可能静止的人，也没有想到提出宇宙可能是在膨胀。相反的，他们试图修正理论，使引力在非常大距离时成为斥力。这不会对行星运动的预言有重大的影响，然而却允许无限颗恒星的分布保持平衡——邻近恒星之间的吸引力被远隔恒星之间的斥力所平衡。然而，现在我们知道，这样的平衡是不稳定的：如果某一区域内的恒星稍微互相靠近一些，引力就增强，并超过斥力的作用，这样这些恒星就会继续落到一起。反之，如果某一区域内的恒星稍微互相远离一些，斥力就起主导作用，并驱使它们离得更开。另一个反对无限静止宇宙的异见通常是归功于德国哲学家亨利希·奥勃斯，1823年他发表了这个理论。事实上，牛顿的同时代的一些人已经提出过这个问题。甚至奥勃斯的文章也不是貌似有理地反驳这模型的第一篇。不管怎么说，这是第一篇被广泛注意的文章。这无限静止模型的困难，在于几乎每一道视线必须终结于某一恒星的表面。这样，人们可以预料，整个天空甚至在夜晚都会像太阳那么明亮。奥勃斯反驳说，远处恒星的光线由于被它所穿过的物质吸收所减弱。然而如果真是如此，这相干的物质将会最终被加热到发出和恒星一样强的光为止。唯一的能避免整个天空像太阳那么亮的结论的方法是，假定恒星并不是永远那么亮，而是在有限久的过去才开始发光。这种情况下，吸光物质还没加热，或者远处恒星的光线尚未到达我们这儿。这使我们面临着是什么首次使恒星发光的问题。当然，宇宙开端的问题在这之前很久就被讨论过。根据一些早先的宇宙论和犹太人/基督教/穆斯林传统，宇宙开端于有限的、并且不是非常远的过去的某一时刻。对这样一个开端，有一种议论是感到必须有“第一原因”来解释宇宙的存在。(在宇宙中，你总可以将一个事件解释为由于另一个更早的事件所引起的，但是宇宙本身的存在只有当存在某个开端时才能被解释。)另一种论证是圣·奥古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出的。他指出，文明在进步，我们将记住创造这些业绩和发展技术的人们。这样人，也许宇宙，不可能已经存在了太长的时间。圣·奥古斯丁根据《创世纪》一书，接受公元前5000年作为宇宙的被创生的时间。(有趣的是， 这和上一次的冰河时间的结束，大约公元前10000年相距不远。考古学家告诉我们，文明实际上是从那时开始的。)另一方面，亚里士多德和大多数其他希腊哲学家不喜欢创生的思想，因为它带有太多的神学干涉的味道。所以他们相信，人类及其周围的世界已经并且将继续永远存在。古代的人们已经考虑到上述的文明进步的论点，用周期性洪水或其他灾难的重复出现，使人类回到文明的开初，来回答上面的话难。1781年，哲学家伊曼努尔·康德发表了里程碑般的(也是非常模糊的)著作——《纯粹理性批判》，在这本书中，他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、空间上是否有极限的问题。他称这些问题为纯粹理性的二律背反(也就是矛盾)。因为他感到存在同样令人信服的论据，来证明宇宙有开端的正命题，以及宇宙已经存在无限久的反命题。他对正命题的论证是：如果宇宙没有一个开端，则任何事件之前必有无限的时间。他认为这是荒谬的。他对反命题的论证是：如果宇宙有一开端，在它之前必有无限的时间，为何宇宙必须在某一特定的时刻开始呢?事实上，他对正命题和反命题用了同样的论证。它们都是基于他的隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间均可无限地倒溯回去。我们将会看到，在宇宙开端之前时间概念是没有意义的。这一点是圣·奥古斯丁首先指出的。当他被问及：上帝在创造宇宙之前做什么?奥古斯丁没有这样地回答：他正为问这类问题的人准备地狱。而是说：时间是上帝所创造的宇宙的一个性质，在宇宙开端之前不存在。当大部分人相信一个本质上静止不变的宇宙时，关于它有无开端的问题，实在是一个形而上学或神学的问题。按照宇宙存在无限久的理论，或者按照宇宙在某一个有限时刻，以给人的印象似乎是已经存在了无限久的样子启动的理论，我们可以同样很好地解释所观察到的事实。但在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的观测，即是不管你往那个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方，所以那时候宇宙的密度无限大。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧密。在这种条件下，所有科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻之前有过些事件，它们将不可能影响现在所发生的一切。所以我们可以不理它们，因为它们并没有可观测的后果。由于更早的时间根本没有定义，所以在这个意义上人们可以说，时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是，这个时间的开端是和早先考虑的非常不同。在一个不变的宇宙中，时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予;宇宙的开端并没有物理的必要性。人们可以想像上帝在过去的任何时刻创造宇宙。另一方面，如果宇宙在膨胀，何以宇宙有一个开端似乎就有了物理的原因。人们仍然可以想像，上帝是在大爆炸的瞬间创造宇宙，或者甚至在更晚的时刻，以便它看起来就像发生过大爆炸似的方式创造，但是设想在大爆炸之前创造宇宙是没有意义的。大爆炸模型并没有排斥造物主，只不过对他何时从事这工作加上时间限制而已!为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在开端或终结的问题，你必须清楚什么是科学理论。我将采用头脑简单的观点，即理论只不过是宇宙或它的受限制的一部分的模型，一些联结这模型和我们所观察的量的规则。它只存在于我们的头脑中，(不管在任何意义上)不再具有任何其他的实在性。如果它满足以下两个要求，就算是好的理论：它必须在只包含一些任意元素的一个模型的基础上，准确地描述大批的观测，并对未来观测的结果作出确定的预言。例如，亚里士多德关于任何东西是由四元素，土、空气、火和水组成的理论是足够简单的了，但它没有做出任何确定的预言。另一方面，牛顿的引力理论是基于甚至更为简单的模型，在此模型中两物体之间的相互吸引力和它们称之为质量的量成正比，并和它们之间的距离的平方成反比。然而，它以很高的精确性预言了太阳、月亮和行星的运动。在它只是假设的意义上来讲，任何物理理论总是临时性的：你永远不可能将它证明。不管多少回实验的结果和某一理论相一致，你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实，即可证伪之。正如科学哲学家卡尔·波帕所强调的，一个好的理论的特征是，它能给出许多原则上可以被观测所否定或证伪的预言。每回观察到与这预言相符的新的实验，则这理论就幸存，并且增加了我们对它的可信度;然而若有一个新的观测与之不符，则我们只得抛弃或修正这理论。至少被认为这迟早总会发生的，问题在于人们有无才干去实现这样的观测。实际上经常发生的是，所设计的新理论确实是原先理论的推广。例如，对水星的非常精确的观测揭露了它的运动和牛顿理论预言之间的很小差异。爱因斯坦的广义相对论所预言的运动和牛顿理论略有不同。爱因斯坦的预言和观测相符，而牛顿的预言与观测不相符，这一事实是这个新理论的一个关键证据。然而我们在大部分实际情况下仍用牛顿理论，因为在我们通常处理的情形下，两者差别非常小。(牛顿理论的另一个巨大的优点在于，它比爱因斯坦理论容易处理得多!)科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。然而，大部分科学家遵循的方法是将这问题分成两部分。首先，是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律;(如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的，则这些定律即能告诉我们以后的任一时刻宇宙是什么样子的。)第二，关于宇宙初始状态的问题。有些人认为科学只应过问第一部分，他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。他们会说，全能的上帝可以随心所欲地启动这个宇宙。也许是这样。但是，倘若那样，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是，看起来他选择宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演化。所以，看来可以同样合理地假定，也存在着制约初始状态的定律。毕全功于一役地设计一种能描述整个宇宙的理论，看来是非常困难的。反之，我们是将这问题分成许多小块，并发明许多部分理论。每一部分理论描述和预言一定有限范围的观测，同时忽略其他量的效应或用简单的一组数来代表之。可能这方法是全错的。如果宇宙中的每一件东西都以非常基本的方式依赖于其他的任何一件东西，很可能不能用隔离法研究问题的部分去逼近其完备的答案。尽管如此，这肯定是我们在过去取得进展所用的方法。牛顿引力理论又是一个经典的例子，它告诉我们两个物体之间的引力只决定于与每个物体相关的一个数——它的质量;而与物体由何物组成无关。这样，人们不需要太阳和行星结构和成份的理论就可以计算它们的轨道。今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构， 也就是从只有几英哩直到大至1亿亿亿(1后面跟24个0)英哩，即可观测到的宇宙范围的尺度的结构。另一方面，量子力学处理极小尺度的现象，例如万亿分之一英寸。然而，可惜的是，这两个理论不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个主要的努力，以及这本书的主题，即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没有这样的理论，要获得这个理论，我们可能还有相当长的路要走，然而我们已经知道了这个理论所应具备的许多性质。在以下几章，人们将会看到，我们已经知道了相当多的量子引力论所应有的预言。现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由确定的定律所制约的，你最终必须将这些部分理论合并成一套能描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而，在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的自相矛盾。在前面概括的关于科学理论的思想中，假定我们是有理性的生物，既可以随意自由地观测宇宙，又可以从观察中得出逻辑推论。在这样的方案里可以合理地假设，我们可以越来越接近找到制约我们宇宙的定律。然而，如果真有一套完整的统一理论，则它也将决定我们的行动。这样，理论本身将决定了我们对之探索的结果!那么为什么它必须确定我们从证据得到正确的结论?它不也同样可以确定我们引出错误的结论吗?或者根本没有结论?对于这个问题，我所能给出的回答是基于达尔文的自然选择原理。这思想是说，在任何自繁殖的群体中，存在有不同个体在遗传物质和发育上的变异。这些差异表明，某些个体比其他个体对周围的世界更能引出正确的结论，并去适应它。这些个体更可能存活、繁殖，因此它们的行为和思维的模式将越来越起主导作用。这一点在过去肯定是真的，即我们称之为智慧和科学发现的东西给我们带来了存活的好处。这种情况是否仍会如此不是很清楚：我们的科学发现也可以将我们的一切都毁灭。即使不是这样，一个完整的统一理论对于我们存活的机会不会有很大影响。然而，假定宇宙已经以规则的方式演化至今，我们可以预期，自然选择赋予我们的推理能力在探索完整统一理论时仍然有效，并因此不会导致我们得到错误的结论。因为除了最极端的情况外，我们已有了对所有一切都足够给出精确的预言的部分理论，看来很难以现实的理由为探索宇宙的终极理论辩护。(值得指出，虽然可用类似的论点来攻击相对论和量子力学，但这些理论已给我们带来了核能和微电子学的革命!)所以，一套完整的统一理论的发现可能对我们种族的存活无助，甚至也不会影响我们的生活方式。然而自从文明开始，人们即不甘心于将事件看作互不相关而不可理解的。他们渴求理解世界的根本秩序。今天我们仍然渴望知道，我们为何在此?我们从何而来?人类求知的最深切的意愿足以为我们所从事的不断的探索提供正当的理由。而我们的目标恰恰正是对于我们生存其中的宇宙作完整的描述。
你是需要找这方面论文还是需要写呢？
大爆炸宇宙学现代宇宙学中最有影响的一种学说。与其它宇宙模型相比，它能说明较多的观测事实。它的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里，宇宙体系并不是静止的，而是在不断地膨胀，使物质密度从密 到稀地演化。这一从冷到热从密到稀的过程如同一次规模很大的爆发。根据 大爆炸宇宙学的观点，大爆炸的整个过程是：在宇宙的早期，温度极高，在 100亿度以上。物质密度也相当大，整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有 中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整 个体系在不断膨胀，结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时，中子 开始失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么与质子结合成重氢、氦等 元素；化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度 后，早期形成化学元素的过程结束。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子 和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时，辐射减退，宇宙间主要是气 态物质，气体逐渐凝聚成气云，在进一步形成各种各样的恒星体系，成为我 们今天看到的宇宙。大爆炸模型能统一说明以下几个观测事实： 1大爆炸理 论主张所有恒星都是在温度下降后产生的，因而任何天体的年龄都应比自温 度至今天这一段时间为短，即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明 了这一点。 2观测到河外天体有系统性的谱线红移，而且红移与距离大体成 正比。如果用多普勒效应来解释，那么红移就是宇宙膨胀的反映。 3在各种 不同天体上，氦丰度相当大，而且大都是30％。用恒星核反应机制不足以 说明为什么又如此多的氦。而根据大爆炸理论，早期温度很高，产生氦的效 率也很高，则可以说明这一事实。 4根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等，可以 具体计算宇宙每一历史时期的温度。大爆炸理论的创始人之一伽莫夫曾预言 今天的宇宙已经很冷，只有绝对温度几度。1965年，果然在微波波段上 探测到具有热辐射谱的微波背景辐射，温度大约为3K。这一结果无论在定 性上或者定量上都与大爆炸理论的预言相符。但是，在星系的起源和各向同 性分布等方面，大爆炸宇宙学还存在一些未解决的困难问题。
一位著名的科学家（据说是贝特郎·罗素）曾经作过一次关于天文学方面的讲演。
他描述了地球如何绕着太阳运动，以及太阳又是如何绕着我们称之为星系的巨大的恒星
群的中心转动。演讲结束之时，一位坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道：“你说的
这些都是废话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上的一块平板。”这位科学家很
有教养地微笑着答道：“那么这只乌龟是站在什么上面的呢？”“你很聪明，年轻人，
的确很聪明，”老妇人说，“不过，这是一只驮着一只一直驮下去的乌龟群啊！”
大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们
自以为知道得更多一些呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是怎样才知道的呢？宇宙
从何而来，又将向何处去？宇宙有开端吗？如果有的话，在这开端之前发生了什么？时
间的本质是什么？它会有一个终结吗？在物理学上的一些最新突破，使一部分奇妙的新
技术得以实现，从而对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有所启发。也许
有一天这些答案会像我们认为地球绕着太阳运动那样显而易见——当然也可能像乌龟塔
那般荒唐可笑。不管怎样，唯有让时间来判断了。
早在公元前340年，希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中，就已经能够对于
地球是一个圆球而不是一块平板这一论点提出两个很好的论据。第一，他认为月食是由
于地球运行到太阳与月亮之间而造成的。地球在月亮上的影子总是圆的，这只有在地球
本身为球形的前提下才成立。如果地球是一块平坦的圆盘，除非月食总是发生在太阳正
好位于这个圆盘中心之下的时候，否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。第二，希腊
人从旅行中知道，在越往南的地区看星空，北极星则显得越靠近地平线。（因为北极星
位于北极的正上方，所以它出现在处于北极的观察者的头顶上，而对于赤道上的观察者，
北极星显得刚好在地平线上。）根据北极星在埃及和在希腊呈现出来的位置的差别，亚
里士多德甚至估计地球大圆长度为 400斯特迪亚。现在不能准确地知道，一个斯特迪
亚的长度究竟是多少，但也许是200码左右，这样就使得亚里士多德的估计为现在所接受
数值的两倍。希腊人甚至为地球是球形提供了第三个论据，否则何以从地平线外驶来的
船总是先露出船帆，然后才是船身？
亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围绕着它
转动。他相信这些，是由于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且圆周运动最为
完美。在公元后两世纪，这个思想被托勒密精制成一个完整的宇宙学模型。地球处于正
中心，包围着它的是八个天球，这八个天球分别负载着月亮、太阳、恒星和五个当时已
知的行星：水星、金星、火星、木星和土星（图1.1）。这些行星被认为是沿着附在相应
天球上的更小的圆周运动，以说明它们在天空中被观察到的相当复杂的轨迹。最外层的
天球被镶上固定的恒星，它们总是停在不变的相对位置，但是总体绕着天空旋转。最后
一层天球之外为何物一直不清楚，但有一点是肯定的，它不是人类所能观测到的宇宙的
部分。
图1.1从最里面往最外面顺序为月亮球、水星球、金星球、太阳球、火星球、木星球、
土星球和固定恒星球。最中心为地球。
托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了相当精密的系统。但为了正确地预言这
些位置，托勒密必须假定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍，这意味着月亮有时
看起来要比其他时候大一倍。托勒密承认这个瑕疵，尽管如此，他的模型虽然不是普遍
地、却是广泛地被接受。它被基督教接纳为与《圣经》相一致的宇宙图象。这是因为它
具有巨大的优点，即在固定恒星天球之外为天堂和地狱留下了很多地方。
然而，1514年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一个更简单的模型。（起初，
可能由于害怕教会对异端的迫害，哥白尼只能将他的模型匿名地流传。）他的观念是，
太阳是静止地位于中心，而地球和其他行星绕着太阳作圆周运动。将近一个世纪以后，
他的观念才被认真地接受。后来，两位天文学家——德国的约翰斯·开普勒和意大利的
伽利雷·伽利略开始公开支持哥白尼的理论，尽管它所预言的轨道还不能完全与观测相
符合。直到1609年，亚里士多德——托勒密的理论才宣告死亡。那一年，伽利略用刚发
明的望远镜来观测夜空。当他观测木星时，发现有几个小卫星或月亮绕着它转动。这表
明不象亚里士多德和托勒密所设想的，并不是所有的东西都必须直接围绕着地球转。
（当然，仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中心，而木星的卫星沿着一种极其复杂
的轨道绕地球运动，表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理论是简单得多了。）
同时，开普勒修正了哥白尼理论，认为行星不是沿圆周而是沿椭圆（椭圆是被拉长的圆）
运动，从而使预言最终和观察相互一致了。
就开普勒而言，椭圆轨道仅仅是想当然的，并且是相当讨厌的假设，因为椭圆明显
地不如圆那么完美。虽然他几乎是偶然地发现椭圆轨道能很好地和观测相符合，但却不
能把它和他的行星绕太阳运动是由于磁力引起的另一思想相互调和起来。对这一切提供
解释是晚得多的事，那是由于1687年伊萨克·牛顿爵士出版了他的《数学的自然哲学原
理》，这部也许是有史以来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中，牛顿不但提
出物体如何在空间和时间中运动的理论，并且发展了为分析这些运动所需的复杂的数学。
此外，牛顿提出了万有引力定律，根据这定律，宇宙中的任一物体都被另外物体所吸引，
物体质量越大，相互距离越近，则相互之间的吸引力越大。这也就是使物体落到地面上
的力。（由于一个苹果落到牛顿的头上而使他得到灵感的故事，几乎肯定是不足凭信的。
所有牛顿自己说过的只是，当他陷入沉思之时，一颗苹果的落下使他得到了万有引力的
思想。）牛顿继而指出，根据他的定律，引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地
球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转。
哥白尼的模型摆脱了托勒密的天球，以及与其相关的宇宙存在着自然边界的观念。
“固定恒星”除了由于地球绕着自身的轴自转引起的穿越天空的转动外，不改变它们的
位置，很自然会使人设想到固定恒星是和我们的太阳类似的物体，只是比太阳离开我们
远得多了。
按照他的引力理论，牛顿意识到恒星应该相互吸引，看来它们不能保持基本上不动。
那么它们会一起落到某处去吗？在1691年写给当时另一位最重要的思想家里查德·本特
里的一封信中，他论证道，如果只有有限颗恒星分布在一个有限的空间区域里，这确实
是会发生的。但是另一方面，他推断如果存在无限多颗恒星，多少均匀地分布于无限的
空间，这种情形就不会发生，因为这时不存在任何一个它们落去的中心点。
当人们议论到无穷时，这种论证是你会遭遇到的一种陷阱。在一个无限的宇宙，每
一点都可以认为是中心，因为在它的每一边都有无限颗恒星。正确的方法是很久以后才
被意识到的，即是先考虑有限的情形，这时所有恒星都相互落到一起，然后在这个区域
以外，大体均匀地加上更多的恒星，看情况会如何改变。按照牛顿定律，这额外的恒星
平均地讲对原先的那些根本没有什么影响，所以这些恒星还是同样快地落到一起。我们
愿意加上多少恒星就可以加上多少，但是它们仍然总是坍缩在一起。现在我们知道，由
于引力总是吸引的，不可能存在一个无限的静态的宇宙模型。
在20世纪之前从未有人暗示过，宇宙是在膨胀或是在收缩，这有趣地反映了当时的
思维风气。一般认为，宇宙或是以一种不变的状态已存在了无限长的时间，或以多多少
少正如我们今天所看的样子被创生于有限久的过去。其部分的原因可能是，人们倾向于
相信永恒的真理，也由于虽然人会生老病死，但宇宙必须是不朽的、不变的这种观念才
能给人以安慰。
甚至那些意识到牛顿的引力理论导致宇宙不可能静止的人，也没有想到提出宇宙可
能是在膨胀。相反的，他们试图修正理论，使引力在非常大距离时成为斥力。这不会对
行星运动的预言有重大的影响，然而却允许无限颗恒星的分布保持平衡——邻近恒星之
间的吸引力被远隔恒星之间的斥力所平衡。然而，现在我们知道，这样的平衡是不稳定
的：如果某一区域内的恒星稍微互相靠近一些，引力就增强，并超过斥力的作用，这样
这些恒星就会继续落到一起。反之，如果某一区域内的恒星稍微互相远离一些，斥力就
起主导作用，并驱使它们离得更开。
另一个反对无限静止宇宙的异见通常是归功于德国哲学家亨利希·奥勃斯，1823年
他发表了这个理论。事实上，牛顿的同时代的一些人已经提出过这个问题。甚至奥勃斯
的文章也不是貌似有理地反驳这模型的第一篇。不管怎么说，这是第一篇被广泛注意的
文章。这无限静止模型的困难，在于几乎每一道视线必须终结于某一恒星的表面。这样，
人们可以预料，整个天空甚至在夜晚都会像太阳那么明亮。奥勃斯反驳说，远处恒星的
光线由于被它所穿过的物质吸收所减弱。然而如果真是如此，这相干的物质将会最终被
加热到发出和恒星一样强的光为止。唯一的能避免整个天空像太阳那么亮的结论的方法
是，假定恒星并不是永远那么亮，而是在有限久的过去才开始发光。这种情况下，吸光
物质还没加热，或者远处恒星的光线尚未到达我们这儿。这使我们面临着是什么首次使
恒星发光的问题。
当然，宇宙开端的问题在这之前很久就被讨论过。根据一些早先的宇宙论和犹太人
／基督教／穆斯林传统，宇宙开端于有限的、并且不是非常远的过去的某一时刻。对这
样一个开端，有一种议论是感到必须有“第一原因”来解释宇宙的存在。（在宇宙中，
你总可以将一个事件解释为由于另一个更早的事件所引起的，但是宇宙本身的存在只有
当存在某个开端时才能被解释。）另一种论证是圣·奥古斯丁在他的《上帝之城》的著
作中提出的。他指出，文明在进步，我们将记住创造这些业绩和发展技术的人们。这样
人，也许宇宙，不可能已经存在了太长的时间。圣·奥古斯丁根据《创世纪》一书，接
受公元前5000年作为宇宙的被创生的时间。（有趣的是，这和上一次的冰河时间的结束，
大约公元前1 年相距不远。考古学家告诉我们，文明实际上是从那时开始的。）
另一方面，亚里士多德和大多数其他希腊哲学家不喜欢创生的思想，因为它带有太
多的神学干涉的味道。所以他们相信，人类及其周围的世界已经并且将继续永远存在。
古代的人们已经考虑到上述的文明进步的论点，用周期性洪水或其他灾难的重复出现，
使人类回到文明的开初，来回答上面的话难。
1781年，哲学家伊曼努尔·康德发表了里程碑般的（也是非常模糊的）著作——
《纯粹理性批判》，在这本书中，他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、空间
上是否有极限的问题。他称这些问题为纯粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因为他感
到存在同样令人信服的论据，来证明宇宙有开端的正命题，以及宇宙已经存在无限久的
反命题。他对正命题的论证是：如果宇宙没有一个开端，则任何事件之前必有无限的时
间。他认为这是荒谬的。他对反命题的论证是：如果宇宙有一开端，在它之前必有无限
的时间，为何宇宙必须在某一特定的时刻开始呢？事实上，他对正命题和反命题用了同
样的论证。它们都是基于他的隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间均可无
限地倒溯回去。我们将会看到，在宇宙开端之前时间概念是没有意义的。这一点是圣·
奥古斯丁首先指出的。当他被问及：上帝在创造宇宙之前做什么？奥古斯丁没有这样地
回答：他正为问这类问题的人准备地狱。而是说：时间是上帝所创造的宇宙的一个性质，
在宇宙开端之前不存在。
当大部分人相信一个本质上静止不变的宇宙时，关于它有无开端的问题，实在是一
个形而上学或神学的问题。按照宇宙存在无限久的理论，或者按照宇宙在某一个有限时
刻，以给人的印象似乎是已经存在了无限久的样子启动的理论，我们可以同样很好地解
释所观察到的事实。但在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的观测，即
是不管你往那个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀。
这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的
某一时刻，它们刚好在同一地方，所以那时候宇宙的密度无限大。这个发现最终将宇宙
开端的问题带进了科学的王国。
哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧
密。在这种条件下，所有科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻
之前有过些事件，它们将不可能影响现在所发生的一切。所以我们可以不理它们，因为
它们并没有可观测的后果。由于更早的时间根本没有定义，所以在这个意义上人们可以
说，时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是，这个时间的开端是和早先考虑的非常不
同。在一个不变的宇宙中，时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予；宇宙的开端并
没有物理的必要性。人们可以想像上帝在过去的任何时刻创造宇宙。另一方面，如果宇
宙在膨胀，何以宇宙有一个开端似乎就有了物理的原因。人们仍然可以想像，上帝是在
大爆炸的瞬间创造宇宙，或者甚至在更晚的时刻，以便它看起来就像发生过大爆炸似的
方式创造，但是设想在大爆炸之前创造宇宙是没有意义的。大爆炸模型并没有排斥造物
主，只不过对他何时从事这工作加上时间限制而已！
为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在开端或终结的问题，你必须清楚什么是
科学理论。我将采用头脑简单的观点，即理论只不过是宇宙或它的受限制的一部分的模
型，一些联结这模型和我们所观察的量的规则。它只存在于我们的头脑中，（不管在任
何意义上）不再具有任何其他的实在性。如果它满足以下两个要求，就算是好的理论：
它必须在只包含一些任意元素的一个模型的基础上，准确地描述大批的观测，并对未来
观测的结果作出确定的预言。例如，亚里士多德关于任何东西是由四元素，土、空气、
火和水组成的理论是足够简单的了，但它没有做出任何确定的预言。另一方面，牛顿的
引力理论是基于甚至更为简单的模型，在此模型中两物体之间的相互吸引力和它们称之
为质量的量成正比，并和它们之间的距离的平方成反比。然而，它以很高的精确性预言
了太阳、月亮和行星的运动。
在它只是假设的意义上来讲，任何物理理论总是临时性的：你永远不可能将它证明。
不管多少回实验的结果和某一理论相一致，你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。
另一方面，哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实，即可证伪之。正如科学
哲学家卡尔·波帕所强调的，一个好的理论的特征是，它能给出许多原则上可以被观测
所否定或证伪的预言。每回观察到与这预言相符的新的实验，则这理论就幸存，并且增
加了我们对它的可信度；然而若有一个新的观测与之不符，则我们只得抛弃或修正这理
论。至少被认为这迟早总会发生的，问题在于人们有无才干去实现这样的观测。
实际上经常发生的是，所设计的新理论确实是原先理论的推广。例如，对水星的非
常精确的观测揭露了它的运动和牛顿理论预言之间的很小差异。爱因斯坦的广义相对论
所预言的运动和牛顿理论略有不同。爱因斯坦的预言和观测相符，而牛顿的预言与观测
不相符，这一事实是这个新理论的一个关键证据。然而我们在大部分实际情况下仍用牛
顿理论，因为在我们通常处理的情形下，两者差别非常小。（牛顿理论的另一个巨大的
优点在于，它比爱因斯坦理论容易处理得多！）
科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。然而，大部分科学家遵
循的方法是将这问题分成两部分。首先，是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律；
（如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的，则这些定律即能告诉我们以后的任一时
刻宇宙是什么样子的。）第二，关于宇宙初始状态的问题。有些人认为科学只应过问第
一部分，他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。他们会说，全能的上帝
可以随心所欲地启动这个宇宙。也许是这样。但是，倘若那样，他也可以使宇宙以完全
任意的方式演化。可是，看起来他选择宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演
化。所以，看来可以同样合理地假定，也存在着制约初始状态的定律。
毕全功于一役地设计一种能描述整个宇宙的理论，看来是非常困难的。反之，我们
是将这问题分成许多小块，并发明许多部分理论。每一部分理论描述和预言一定有限范
围的观测，同时忽略其他量的效应或用简单的一组数来代表之。可能这方法是全错的。
如果宇宙中的每一件东西都以非常基本的方式依赖于其他的任何一件东西，很可能不能
用隔离法研究问题的部分去逼近其完备的答案。尽管如此，这肯定是我们在过去取得进
展所用的方法。牛顿引力理论又是一个经典的例子，它告诉我们两个物体之间的引力只
决定于与每个物体相关的一个数——它的质量；而与物体由何物组成无关。这样，人们
不需要太阳和行星结构和成份的理论就可以计算它们的轨道。
今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们
是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构，也就
是从只有几英哩直到大至1亿亿亿（1后面跟24个0）英哩，即可观测到的宇宙范围的尺度
的结构。另一方面，量子力学处理极小尺度的现象，例如万亿分之一英寸。然而，可惜
的是，这两个理论不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个主要的努力，
以及这本书的主题，即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没
有这样的理论，要获得这个理论，我们可能还有相当长的路要走，然而我们已经知道了
这个理论所应具备的许多性质。在以下几章，人们将会看到，我们已经知道了相当多的
量子引力论所应有的预言。
现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由确定的定律所制约的，你最终必须将这
些部分理论合并成一套能描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而，在寻求这样的完
整统一理论中有一个基本的自相矛盾。在前面概括的关于科学理论的思想中，假定我们
是有理性的生物，既可以随意自由地观测宇宙，又可以从观察中得出逻辑推论。在这样
的方案里可以合理地假设，我们可以越来越接近找到制约我们宇宙的定律。然而，如果
真有一套完整的统一理论，则它也将决定我们的行动。这样，理论本身将决定了我们对
之探索的结果！那么为什么它必须确定我们从证据得到正确的结论？它不也同样可以确
定我们引出错误的结论吗？或者根本没有结论？
对于这个问题，我所能给出的回答是基于达尔文的自然选择原理。这思想是说，在
任何自繁殖的群体中，存在有不同个体在遗传物质和发育上的变异。这些差异表明，某
些个体比其他个体对周围的世界更能引出正确的结论，并去适应它。这些个体更可能存
活、繁殖，因此它们的行为和思维的模式将越来越起主导作用。这一点在过去肯定是真
的，即我们称之为智慧和科学发现的东西给我们带来了存活的好处。这种情况是否仍会
如此不是很清楚：我们的科学发现也可以将我们的一切都毁灭。即使不是这样，一个完
整的统一理论对于我们存活的机会不会有很大影响。然而，假定宇宙已经以规则的方式
演化至今，我们可以预期，自然选择赋予我们的推理能力在探索完整统一理论时仍然有
效，并因此不会导致我们得到错误的结论。
因为除了最极端的情况外，我们已有了对所有一切都足够给出精确的预言的部分理
论，看来很难以现实的理由为探索宇宙的终极理论辩护。（值得指出，虽然可用类似的
论点来攻击相对论和量子力学，但这些理论已给我们带来了核能和微电子学的革命！）
所以，一套完整的统一理论的发现可能对我们种族的存活无助，甚至也不会影响我们的
生活方式。然而自从文明开始，人们即不甘心于将事件看作互不相关而不可理解的。他
们渴求理解世界的根本秩序。今天我们仍然渴望知道，我们为何在此？我们从何而来？
人类求知的最深切的意愿足以为我们所从事的不断的探索提供正当的理由。而我们的目
标恰恰正是对于我们生存其中的宇宙作完整的描述。