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1。3 大爆炸宇宙学的兴起
从1923年开始，美国天文学家E·哈勃在威耳逊天文台进行了一系列的观察研究活动。该天文台可以验证和演示天文学上的多普勒效应 （由靠近或退行波源发出的波两者之间有频率上的不同：靠近波源发出的波经过压缩频率增大，而退行波源发出的波频率减小）。哈勃发现，远距离的星系显示出典型的退行光源所具有的向低频方向的“红移”，而且星系越远，其红移量越大。这清楚说明，距观察者越远的星系其退行速度也越大，即星系的退行速度与星系到观察者之间的距离成正比。1929年哈勃把这一类关系写成公式：V=HD。式中的H叫哈勃常数，是星系退行速度与距离之间的比值。这一公式就是著名的哈勃定律。
根据这一解释，宇宙的膨胀模型似乎已经确定地建立起来了。剩下的问题就是，宇宙膨胀是如何进行的？20世纪40年代俄国血统的美籍科学家伽莫夫等人提出了“大爆炸宇宙论”。
大爆炸本身被认为由两个依次相随的相变所组成。第一个相变导致波动“真空”的暴胀，这一相遵守德西特方程，因而被称为德西特宇宙。在第二相中，暴胀宇宙变为更加稳定的罗伯逊椡叨薩（Robertson…Walker）膨胀宇宙，这一宇宙就是我们今天所居住的宇宙。当宇宙年龄到5万至100万年时，物质从辐射那儿脱离出来，进一步的相变从而就发生了。空间变得透明，物质粒子在宇宙空间的膨胀过程中自己诞生了。从这时起，已知宇宙的历史就成了时空中星系和恒星进化的历史。
根据流行的观点，现在分布在宇宙广阔空间里的物质是大爆炸后最初的几百万分之一秒中合成起来的。但物质并不是突然出现的。在宇宙开始的最早阶段，温度极高，仅存在超热的等离子体，原子是不存在的，因为热噪声 （thermal noise）阻止电子和原子核结合。随后，当等离子体冷却，电子开始围绕原子核旋转时，原子气体就出现了。随着进一步冷却，各种原子构成分子。再进一步冷却，又形成了复杂分子，使物质从气态向液态过渡，然后进一步向我们熟悉的晶体形式的固体过渡。
随着物质在万有引力的作用下汇聚在一起，星系形成了。在星系中，恒星及恒星系又形成了。在活跃的恒星周围条件适宜的行星上，分子和晶体结构进一步构成，类细胞（cell…like）结构 （所谓的原生质）可能从此开始形成。如果热条件和化学条件适宜，这就为向更高程度的有序结构（生命现象的基础）的进化打开了大门。
根据大爆炸宇宙学的观点，大爆炸后宇宙的演化过程经历了四个主要阶段，它们所对应的时间间隔如图1所示。
①基本粒子形成阶段从图上可以看到，合成的第一批粒子是强子 （像质子、中子等重粒子），它们在大爆炸后的10…24～10…3s内形成。它们以非束缚的自由实体存在，但是在宇宙早期的极高的密度中它们极快地相互碰撞和相互作用。这一时期的极高温度 （估计为1015K）阻止粒子结合成原子。强子在这一过程中最易自我湮灭，衰变为质子，并把一部分能量添加给辐射火球。在最初的几毫秒后，火球冷却到可以允许轻子 （如电子和中微子这样的质量轻的粒子）占主导地位，这时膨胀的宇宙密度变得更小，它的物质含量从1030g/cm3降到了1010g/cm3。然而，当宇宙生命的第一秒钟过去后，轻子也自我湮灭成光子，进一步以高频率的辐射为火球增添燃料。因此说，在最初1秒钟时，光子数比物质粒子要多得多，宇宙中的能量主要是辐射。存在的物质粒子不能聚集为更大的团。强烈的辐射场撕裂所有的更进一步的物质构型，物质只能在强烈的辐射场中以暂态形式存在。
②元素形成的核合成阶段当宇宙年龄达到100s时，平均温度已经降到了约105K，平均密度降到约为10…10g/cm3，与今天仍然存在的活跃恒星内部的温度和密度非常接近。这就能使强子和轻子以电磁力结合为中性原子。氢原子是一个电子以电磁力束缚于一个质子形成的，它是最先出现的元素。因为火球的“烹调温度”仍足够高，可以通过把质子椫首咏岷衔ぴ觃（估计每10个氢原子就有一个氦）而把两个氢原子融凝在一起，所以最初的年轻宇宙中充满了氢气和氦气。随后，当物质有效地从辐射中脱离出来时，星系形成的时代就开始了。
…③星系形成阶段星系形成的时间框架现在仍然还是一个争论中的问题。然而比较一致的看法是，星系的形成可能是在宇宙106～109年之间开始的。这时的平均温度已经降到了300K的范围，密度从10…10g/cm3降到10…20g/cm3。在巨大的氢和氦的星云中，氢和氦粒子的不均匀分布产生了进一步的引力中心，使物质汇聚体的温度又升高到核燃烧温度棗这次是在新形成的恒星内部，这就导致了一些重元素的合成，如碳、氧和铁。
④实物形成阶段从氢到氦的核嬗变过程产生了从活跃恒星向周围空间的发射恒定辐射流。在恒星具有围绕其旋转的行星的地方，它们的卫星获得了部分能量流。只要行星距恒星的距离适当，即能量流没有强到能使水沸腾，也没有弱到致使水变成冰，那么更复杂的汇聚体就有可能在已经比较复杂的元素混合体中出现。超分子构型 （supramolecular configurations）不是在这儿就是在那儿必定产生出来，其中有些构型 （就像在我们这一星球上）达到了如此复杂的水平，以致于与生命相联系的自我维持的新陈代谢过程就开始了。
根据大爆炸宇宙论，我们的宇宙大约有150亿年历史 （尽管也可能是70亿或80亿年），它的平均密度小于10…30g/cm3，背景温度是2。7K，我们的太阳是我们银河系中超过2000亿个星星中的一个，而我们的银河系又是许多星系中的一个，在银河系之外大约有1000亿个象银河系一样的星系，其中有些大得惊人。
2 物质是什么
物质是什么？乍一听，问这一问题似乎有点天真，毕竟我们的身体是由物质组成的，当我们用拳头击桌子时，我们无可怀疑地碰到了物质。常识告诉我们，任何“实在的”东西都是物质，其余的仅仅是想象或幻想。
然而，物质是什么的问题并不那么简单。许多古代神秘主义者和形而上学主义者认为物质是一种复杂的能量形式，有些古代的概念把它说成是空间的凝聚。在近代机械唯物主义科学中，这种概念是以空洞的思辨或仅仅是迷信形式出现的。但在20世纪，科学家已经不那么绝对化了。尽管对宇宙中物质的起源和进化有了显著的深刻洞察，但现代物理科学在物质的定义方面还没有最终定论。在考虑这一问题时，科学家面临着与宇宙的最终起源和命运同样深刻（甚至更令人惊异）的奥秘。宇宙毕竟太大太老了，而且也许是无限的和永恒的。但是物质确实在我们的周围，而且事实上我们本身也是物质，我们为什么不能更有把握地认识它呢？
自从2500年前古希腊哲学兴起以来哲学家们就一直没有停止过争论这一看似简单而实际非常棘手的问题。据说，几乎所有哲学家和实际上所有科学家都将在这篇论文上签名：在世界上我们所观察到的任何东西，包括我们自己的身体，都不可能绝对有把握地被认识，决不可能释除对“它是什么，甚至它是否真的存在”的怀疑。只有我们自己的精神过程这一事实，包括怀疑本身这一事实是确凿无疑的，正如笛卡儿所说：“我思故我在”。至少，我思考是确凿的。但是提供这一陈述的这个“我”是笛卡儿和其他哲学家或科学家都没有十分把握加以确证的一个物质实体。我可以用我的肘关节击打桌子并感到疼，我可以捏我的两颊并感到有压力，这些事实都未必意味着我碰到了物质。我的身体仍然可以是像能量这样的微妙物质的致密体，如果它遇到另一种桌子形状的致密能量，它将不能穿透它。密度较小的能量（像水）就可以被穿透，尽管有一些阻力，而更稀薄的能量 （像空气）就没有多大阻力。这就是说，如果物质是真正的能量，那么以上的假定就是有根据的。
但是最终本质意义上的物质并不是“质料”而是其他东西的这一命题具有内在的合理性。世界并不需要像微小的砖头或撞球戏的球那种看不到的和坚硬的小构建块来构造，它也可以由能量场来构建，或用其他不同的东西来构建。整个问题需要作更深入的探讨。
在科学和哲学史上，无论是东方还是西方，这一问题都是进行深入探讨的主题。要勾勒出出现在新物理学中的物质概念框架，我们应回顾有关这一问题历史上的主要争论，它们提供了我们人类观察者能够接近和理解有关物理实在的最终本质问题的可能替代方案。
2。1 古希腊人的物质观
古希腊人的第一个尝试就是集中精力根据称之为“一”的统一基础来理解纷繁复杂的感性经验世界。无论在整个宇宙中还是在沙粒中都可以找到“一”：小宇宙反映了大宇宙；大宇宙照耀着小宇宙。古希腊哲学家也懂得“多”：他们看到了世界上千变万化的事物，看到了植物、动物、人以及海洋和云。他们把这种多样性解释为来自于基本的源头“物质”，他们说，统一永远是多样性的孕育场所。
根据泰勒斯的观点，最初的统一物质是水。而他的门徒阿那克西曼德则认为，火、土和气具有同样重要的作用，最初的物质是不确定的，无限的和包罗一切的。因而阿那克西曼德把最初物质看作是水和土的混合物，被太阳晒热之后它们就通过自创生过程产生植物、动物和人类。无独有偶，在古代中国也有类似的思想。五行说就认为，自然界的万事万物是由金、木、水、火、土这五种元素组成的。
古希腊哲人的理性心灵创立了由泰勒斯的水开始直到高度思辨的一种自然哲学。把火看成是最重要的物质的赫拉克利特强调永恒的变化：原则上，“变化就是一切”。根据他著名的“人不能两次踏进同一条河流”的格言，人们不可能知道世界上的某一种事物究竟是什么棗它在永恒地变化。而恩培多克勒把所有事物看作是由气、火、水和土组成的。这种组成原则是：通过爱，两者结合；通过恨，两者分离。地球中的火产生了后来进化到人们熟悉的有机物的最初形式，许多有机物是不完美的，因而消失了，而那些被证明是完美的有机物存活了下来。
由于苏格拉底，爱奥尼亚哲学家的自然主义与人类世界协调了起来：人是尺度。苏格拉底的主要弟子柏拉图把实在的观点看作是一种“可能的童话”：他认为知觉世界中的事物是永恒和不变形式或观念的幻影或影子。亚里士多德利用他与真正的百科全书式的知识相结合的认真观察来使自然主义代替了这一概念。亚里士多德的 “存在链”从无生命物体通过植物和动物一直延伸到人类。在存在链中，自然的进化和心灵的成熟是相吻合的。无机物是通过改变形态而变为有机物的，在有机界王国里，具有感觉能力的动物比植物更具活力，因为植物仅具有滋养的能力。自然界从最不完善到最完善逐步地和不断地演化，在这一过程中变得愈益复杂。进化并不是偶然的，根据亚里士多德的观点，任何事物都有其存在的原因。自然界的过程就是被其终极的原因“完善”导引向前的。
提出对近代科学产生最深刻影响的物质理论的是留基伯和德谟克利特。该理论说，所有事物都是由原子构成的，原子是真实世界看不见的和不可摧毁的构件。原子和由原子构成的所有事物组成了存在圈 （thesphere of being），但是由于原子能够且确实在变化，所以，存在不能充满整个空间，还必须有空虚：非存在圈。世界之所以可以变化，就是因为原子在它们存在的过程中改变着它们的停留位置，并且在空虚中形成了不同事物。
在原子论中，德谟克利特搞清楚了许多人认为的那种世界的真正本质，而这一世界就是由基本的和不可摧毁的相互结合在一起的物质元素构成的。根据有些说法，这一理论持续了大约2000年，一直到19世纪实验物理学的兴起才逐渐衰落下去。
2。2 近代科学的物质观
随着文艺复兴运动的兴起和胜利，以实验科学的理论和实际应用为基础的文明开始了它的新纪元。当早期实验科学家具备了相对原始的仪器和基本实验方法后，以这些方法和设备为基础的第一批理论诞生了。这些理论讨论了由观察落体的速度和轨道以及从斜面上滚下的球的加速度而推导出的普遍运动规律。毫不奇怪，近代科学的世界观变成了遵守简单和基本规律的机械主义的世界观。
自然哲学在牛顿的伟大综合中达到了顶峰，他在1687年出版的《自然哲学的数学原理》中用几何方法证明了地球上的物质物体按照数学表达的规则运动，而天空中的行星按照开普勒定律旋转。所有物体的运动被证明是严格地由其初始状态所决定的，例如像单摆的运动就是由它的长度和它的初始位移决定的，而抛射体的运动则由它的抛射角和加速度所决定。总之，牛顿的经典力学以其数学精确性预言了行星的位置，预言了单摆的运动、抛射体的轨迹和所有“质点”的运动。这些质点代替了作为科学的已知世界最终构件的德谟克利特的原子。这就意味着，牛顿物理学的世界是钟表装置的宇宙，它严格地，决定性地，永恒地遵守着运动的基本规律。据此，数学家拉普拉斯就吹嘘说，有一个掌握控制自然界所有力的知识并知道所有自然实体的瞬时状态的精灵，它能够把宇宙中最大的物体和最小的原子的运动包含在一个运动方程中，因此任何事情都是确定的，未来和过去对它的眼睛来说都是一回事棗现在，这一精灵就是大家熟知的拉普拉斯妖。
19世纪初，英国化学家道尔顿重新发现了德谟克利特的原子论。道尔顿的原子论在近代化学上掀起了一场革命，该理论认为所有气体都是由微小的和不可分割的叫做原子的单位组成的。沿着这一理论，阿佛伽德罗又进一步提出了分子理论，后来原子椃肿永砺劬统闪私馐退形镏市翁钩傻恼忱砺邸７肿邮俏镏手心芄欢懒⒋ 嬖诓⒈３指梦镏室磺谢匦缘淖钚∥⒘＃肿佑稍幼槌桑诟髦只Х从χ凶槌煞肿拥脑尤员３侄懒ⅲ桓谋淦湫灾省５痹訔分子学说同化学元素理论结合起来时，物质构成理论又得到了进一步完善。每一种化学元素代表着一种原子，不同的化学元素就意味着不同的原子，而所谓的单质就是由一种原子组成的，如氢、氦、氧、碳、金、锗等等。不过，当时人们发现自然界中化学元素只有几十种，那么为什么自然界中有这么多种类的物质形态呢？这是因为不同的原子可以相互结合在一起，形成不同的分子，正是由于原子的这种不同的排列组合方式的多样性决定了自然界物质形态的多样性。
2。3 现代科学的物质观
仅仅在道尔顿的原子理论发表不到50年后，实验工作者就发现原子并不是不可分割的，而是由更微小的粒子组成的，后来人们又发现，即使这些更微小的粒子也还可以再分割，原子的碎片变得越来越碎。这样一来，整个经典自然科学的宏伟大厦被动摇了。20世纪初物理学的实验彻底粉碎了所有实体都是由不可分割的原子组成的观点，但是物理学家却不能把比较一致和有意义的概念固定下来：物质概念本身变得有问题了。原子和原子核裂变后出现的亚原子粒子的表现方式不像传统意义上的固体，它们具有称之为“非局域性” （non…locality）的神秘的相互关联，并具有波动性和粒子性的双重性质。
到了20世纪20年代，量子力学领域中的物理学家突然发现，物理实在变得非常奇怪而不可思议。时间和空间再也不是物质原子 （或牛顿的质点）相互作用的被动背景了，它本身也变成了非常复杂的实体，并与光子和电子相互作用，进入物理现象的结构中。对哲学家和具有哲学头脑的科学家而言，看起来似乎是物理世界本身非物质化了，用科学哲学家卡尔·波普尔的话说，它已经变得更像云，而不是像岩石。量子力学抛弃了确定的运动轨迹概念，并把概率决定性引进了物质实在。从这时起，物质的领域变得越来越神秘，客观实在在愕然的量子物理学家的眼前似乎烟消云散了。面对着自然界的难解之谜，由丹麦物理学家尼耳斯·玻尔领导的许多科学家决定暂时放弃他们观察到的事物的独立本质的臆想：认为他们的观察客体仅仅是“现象”。
德国物理学家海森堡说，“原子物理学家不得不服