按：这是本人2013年出版的一本小科普书《科学十大突破》中的一章。书名并不好，因为讲的是其实是科学史上的十大突破。但当时湖北教育出版社准备做一个“十大系列”丛书（科普），于是只好服从“集体”。同一套还有自然科学史研究所曹玺敬的《科学十大假说》（和我的类似，叫十大科学突破、十大科学假说更好），北京古天文馆王玉民老师的《天文五千年》也是这一套的，但名字显然没依照出版社的。封面也是出版社自己弄的（附后），其实那个根本不是爱因斯坦本人。

写这本书时，因为要平衡一下学科，所以“十大”遴选上读者可能有不同看法，比如微积分的发明论重要性要超过概率论，但考虑到当时出版社目标群体是中学生，我就选了概率论了。

宇宙源于大爆炸，分上、下两次发布在科学网。当初写本章时，参考了陈学雷老师（科学网博主）在《科学世界》杂志发表的文章，还有该杂志的几篇，具体也忘记；另有陆埮院士在《中国国家天文》杂志发表的几篇文章。

第一章  别来茫茫沧海事，乾坤悠悠谁主营？——日心说的完胜... 2

第二章  天地英雄气，纵贯三百年——万有引力定律的发现... 16

第三章  将军有孤胆，跨马扫强顽——氧化燃烧理论的确立... 28

第四章  世事茫茫难自料，冥冥之中有井然——概率论的诞生... 42

第五章  忽如晴天霹雳响，原来生命有大同——进化论的提出... 54

第六章  十年磨得轩辕剑，却遭冷遇藏深宫——遗传学的奠基... 67

第七章  风尘仆仆斩群魔，科学完人谁比肩？——微生物学与免疫学的创立... 79

第八章  拨云见日时空联，竖子成名奇迹年——狭义相对论的创建... 91

第九章  三曲终罢天地凝，丹麦小将破孤城——揭开原子的面纱

第十章 百亿年来多少事，激荡人心大江流——宇宙源于大爆炸（分上、下发布在此博客） 

每年的10月初，是全世界科学家翘首以盼的日子，因为每年这个时候，瑞典皇家科学院诺贝尔奖委员会会陆续公布该年度诺贝尔科学家的获得者。2011年10月4日下午5点45分（北京时间），诺贝尔物理学奖隆重揭晓，来自美国和澳大利亚的三名天体物理学家获此殊荣。这三位科学家分别是美国加州大学伯克利分校教授帕尔玛特，拥有美、澳双重国籍的澳大利亚国立大学教授施密特，美国约翰·霍普金斯大学教授里斯（图10-1）。他们的获奖理由是，通过观测遥远的超新星，发现宇宙正在加速膨胀。他们的研究成果“震动了宇宙学的理论基础”。

图10-1 2011年诺贝尔物理学奖三位得主（帕尔玛特、施密特、里斯） 

补充一张照片：2015年11月9日，笔者在加大伯克利一次讲座后拍到的帕尔马特

其实他们的成果均是在1998年发表的，当时帕尔玛特和施密特各自领导的研究团队几乎同时公布了他们对“Ia型超新星”（至于什么是Ia型超新星，后文会解释到）的研究结果，结果证实宇宙在加速膨胀；里斯教授当时在施密特的团队中扮演了重要角色。约合146万美金的奖金也得到公平分配，其中一般给予帕尔玛特，施密特与里斯分享另一半。宇宙在膨胀？而且还在加速膨胀？的确是这样。其实科学家在20世纪上半叶就知道我们处在一个膨胀的宇宙中了，这一理论得到了越来越多的实验证实，关于宇宙膨胀的机制也了解的越来越多，上述三位科学家的贡献便是其中关键的一环。

你可能会问了，我们所处的这个膨胀的宇宙总该有一个起点吧？是的，它起源与137亿年前的一次大爆炸，从那时起才有了时间和空间。你也许还会问，在那之前呢？我无可奉告，因为这个问题是没有意义的，没有比那次大爆炸更早的时间和空间。你可能仍旧不得其解，不要紧，先乘上我们的时间快车，回到20世纪早期的岁月吧。 

奥伯斯佯谬 

1543年哥白尼出版了《天体运行论》之后，有一位矢志不渝的宣传者为日心说奔走呼号，甚至为止献出了生命，他就是意大利的自然哲学家布鲁诺。他在一篇诗歌中曾这样讴歌哥白尼：“啊！光明正大的哥白尼，现在我向你倾诉衷曲。你智慧卓绝、才华横溢，你应受尊容、堪当赞誉。时代昏暗、世道浑浊，丝毫无损于你的才华，乌鸦喧嚣、鸱鸮啼泣，岂能淹没你的豪言壮语！”我们知道因为布鲁诺无畏地与神学权威做斗争，最终被宗教裁判所烧死在罗马的鲜花广场上。但布鲁诺提出的宇宙思想，已经超过了哥白尼，因为他在1584年就出版了《论无限、宇宙和诸世界》的书，提出了无限宇宙的思想。该书标题中的“世界”，而是指天体或者太阳系，因为布鲁诺不但跟随哥白尼抛弃了托勒密的地心说，而且认为太阳也不是宇宙的中心，不可计数的恒星散布于宇宙中，它们均不是宇宙的中心，宇宙是无限的。

到了17世纪，牛顿建立了他的经典宇宙学，在他的宇宙中，时间在均匀流逝，没有开始也没有终结，空间是无限的，向着各个方向无限延伸。牛顿还认为，时间与空间就其本性与任何事物无关，也即它们是绝对存在的，因此后人也把牛顿的这种宇宙观称作绝对时空观。在狭义相对论那一章我们介绍了“同时的相对性”，我们知道了不同的惯性系具有不同的时间坐标，对于空间也是如此，也就是说时空与物体、运动是不可分割的整体。但是早在19世纪初，已经有人对无限宇宙的观点提出了质疑。

1823年德国天文学家奥伯斯对无限宇宙观提出了一个质疑，该质疑很简单，就是说为何夜空是黑暗的？这个问题看似有些“弱智”，因为显然太阳落山之后没有光线照射到地面上使然，还有什么好解释的。但该质疑的出发点没这样简单，因为奥伯斯是冲着宇宙无限论而来的。奥伯斯说，如果恒星均匀地分布在无限的宇宙空间，距离地球近的恒星，看起来就明亮，距离远的，看起来就微弱，而且恒星的亮度与它们距地球的距离呈平方反比关系。关于这里的平方反比关系稍微解释下，比如我们点一只蜡烛，外面罩上一个半径为1尺的透明玻璃球，你把眼睛贴到玻璃球上看蜡烛，假设得到的亮度值为A，现在把这个玻璃球的半径加倍为2尺，然后再把你的眼睛贴到球上去看蜡烛，得到的亮度为B。那么，A与B的关系究竟如何呢？我们要知道球的表面积公式为4πr² ，那么随着玻璃球半径的增加，进入你眼睛的蜡烛光线会与r²呈反比，也即前后得到的亮度关系为A=4B。现在可以把恒星代替蜡烛，结论是一样的，也即假设把太阳移至距离地球是现在4倍，那么它的亮度将为现在的1/16. 但是奥伯斯说，因为恒星的数目也是均匀分布于宇宙中，那么在半径为日地距离4倍的球面上，恒星的数目则呈平方关系增加。这两个作用正好可以互相抵消，也就是说不管太阳落不落山，夜空应该永远像白天一样亮（图10-2）。

图10-2 奥伯斯佯谬示意图 

有人可能会说了，这个质疑的一个前提假设是恒星在宇宙中呈均匀分布，可现在我们知道恒星在宇宙中的分布并不均匀，那么是不是这个质疑就算破产了？没有，因为即使如此，该质疑还可以把恒星改作星系或者星系团，从宇宙大尺度上讲，它们的分布的确是均匀的（这个观点现在被称为“宇宙学原理”），这样奥伯斯的质疑依然存在。1952年，英国天文学家邦迪在他的一本书中首次把奥伯斯的这个质疑命名为“奥伯斯佯谬”，由于邦迪是稳恒态宇宙模型的支持者，他也给出了相应的解释。现在奥伯斯佯谬已经成了支持宇宙膨胀的一个证据，何以如此，后面本章结尾处我们会专门再谈。 

爱因斯坦的宇宙 

1915年到1916年爱因斯坦完成了广义相对论，即关于时间、空间和引力的理论。从广义相对论可知，物质的存在会引起四维时空的弯曲，这样牛顿体系中的万有引力不过成了时空弯曲的表现而已。1919年由英国天文学家爱丁顿和其他科学家率领的两支观测队利用日全食观测到了经过太阳边缘发生的偏折，观测数据与爱因斯坦的预测值非常吻合。爱因斯坦由此轰动一时，成了各大媒体争相采访的对象。不过在爱因斯坦看来，广义相对论还有更广阔的舞台，那就是宇宙学。

1917年爱因斯坦在柏林完成了论文《根据广义相对论对宇宙学所作的考察》，提出了20世纪第一个宇宙模型：一个均匀的、各向同性的、有限但无边的静态宇宙。这是新世纪科学界向宇宙学开拓的第一声号角，因此后人给爱因斯坦戴上了“现代宇宙学之父”的桂冠。

那么这是一种什么样子的宇宙呢？均匀的、各向同性的，这其实是前面提到的宇宙学原理的一项具体内容。宇宙学原理是指，在大尺度上，宇宙物质的分布是各向同性的（任意方向性质一样）、均匀的；观测者从宇宙中任何一处观测，得到的宇宙性质和运动规律都是一样的。

这一原理现在已经被天文观测所证实，需要注意的是，该原理是说从宇宙的大尺度结构上而言的。比如在我们太阳系内，太阳一个天体就占了整个太阳系质量的99.8%，当然在太阳系就谈不上各向同性或者均匀了；如果把视野扩展到银河系，它就像一个中心略鼓的大圆盘，直径大概有十万光年，太阳距离银河系中心有2.6万光年的距离，单独从银河系内部看，也不是各向均匀同性的；但是当我们把视野扩展到星系团或者星系群时，它们的直径大到几百万光年甚至上千万光年，这时我们会发现，这些星系团或者星系群在宇宙中的分布呈现了各向同性，这就是“大尺度”的涵义。再举一个通俗的例子，你家桌子的桌面看上去非常光滑，但是如果用显微镜看其表面的话，会发现明显的凹凸不平，因此肉眼观察的情形就是所谓的大尺度。均匀的各向同性的意思理解了，接下来该理解宇宙“有限但无边”的意思了，这个更玄妙。

为了更好地理解“有限无边”的概念，我们需要引入三种三维宇宙的二维空间模型，它们分别是闭几何、平直几何、开几何（图10-3）。这三种几何其实就是几何上的黎曼几何、欧几里德几何与罗巴切夫斯基几何，检验某一曲面属于某种几何的简便方法是在曲面上作一三角形（注意在非欧几何中，三角形的三条边不会像是在欧氏几何中那样“直”，你直需要保证每条线是在曲面上连接两点之间的最短线就可以了）。你会发现在闭几何中，三角形的三个内角和会大于180度（利用你家地球仪上的两条经线和赤道的关系可以很清楚的看出来）；在平直几何中等于180度；在开几何中会小于180度。

图10-3 宇宙二维空间模型 

现在让我们来理解爱因斯坦的“有限无边”宇宙模型，这种模型的三维空间很难理解，我们只能借助于闭合几何去理解，这样做的目的是把三维空间变为二维空间。在闭式空间的球面上，试想有一个蚂蚁，它在那里爬呀爬，总是找不到尽头，如果沿一条“直线”（注意球面上的直线就是我们说的通过球心的大圆）爬行，它最终还会返回到远处。这就是“有限无边”中“无边”的涵义，那么“有限”怎么说呢？因为这个球面的面积是有限的，比如你要在上面贴一些纸条，总会把它贴满，这就是有限的意思。这里一定不要把整个球体作为有限无边的宇宙模型去理解，而要仅仅停留在球面上，也就是说对蚂蚁而言，它只能沿着球面爬行，绝不能向内挖洞或者向外伸下懒腰喘口气，因为这个宇宙没有内外。至于三维的“有限无边”的宇宙，我们的确是找不到更好的办法去解释，不过有一种现象可以帮你理解，如果你乘宇宙飞船朝某个方向驶去，总有一天你会回到出发点的，前提是如果那时你还活着。

爱因斯坦把广义相对论与宇宙学原理结合起来，得到了上述这样一个有限无边的静态宇宙模型，但这个模型有一个严重缺陷，就是它不稳定，禁不住微小的扰动。因为这一模型的空间结构不随着时间而改变，如果在某一时刻宇宙有一点扰动，假设结果使得宇宙有一点的膨胀，那么天体的距离会随着增加，互相之间的引力就会减小，引力减小会更有利于膨胀，这样宇宙就会不停地膨胀下去，反之亦然。

关于爱因斯坦与静态宇宙模型还有一段趣闻，话说爱因斯坦用他的广义相对论得到一个引力场方程，但死活是求解不出符合宇宙学原理的静态解。后来终于想通了，因为他的广义相对论无非是万有引力定律的推广，万有引力定律只有“吸引”而没有“排斥”，也难怪他困惑没有静态解了。为了获得一个稳定的宇宙，爱因斯坦豁出去了，他直接在方程中人为的加了一个具有斥力效应的宇宙常数∧，这样才得到了一个稳定宇宙。爱因斯坦当时为此很抓狂，在给好友埃伦菲斯特的信中写道，（引力方程）快要把我逼进疯人院了。还是孟子说得好，“天降大任于斯人也，必先苦其心志，劳其筋骨，饿其体肤，空乏其身，行拂乱其所为，所以动心忍性，曾益其所不能”，诚哉！ 

膨胀的宇宙 

1922年，苏联数学家弗里德曼在德国《物理》杂志上发表了一篇论文，论文利用爱因斯坦那个不加宇宙常数∧的引力方程得到了一个动态解，在其动态解中包含了三种宇宙模型：开放模型，宇宙将一直膨胀下去；闭合模型，宇宙膨胀到一定限度将收缩，类似一胀一缩在进行；平直模型，是前两种模型的中间态。弗里德曼的宇宙模型后来也称作膨胀模型或者脉动模型。论文发表后，爱因斯坦很快写就了一篇文章对弗里德曼给予了尖锐批评。很快，弗里德曼给爱因斯坦写了一封私人信件，指出了批评中的错误。直到1923年，爱因斯坦才认识到他的批评是以计算错误为前提的，是他错怪了弗里德曼，并且认识到弗里德曼的结论是一种“新的阐述”。宇宙常数∧在引力方程中纯属画蛇添足，也正是在这个意义上，爱因斯坦认为引入宇宙常数是他一生干过的做大蠢事。尽管爱因斯坦肯定了弗里德曼的贡献，但当时科学界并没有给予太多的关注，直到1927年这一结论被比利时天体学家勒梅特（之前他曾做过一段神职工作）再次发现。勒梅特胜过弗里德曼的地方在于，他不但得出了膨胀的宇宙模型，而且得出了这种膨胀与星系谱线的红移（下面马上谈到）的数量关系。这一数量关系与哈勃两年后得出的数值惊人得接近，有人说这与那一年勒梅特拜访了哈勃有关，因为那时哈勃正在关注红移问题，至于真相谁也说不清楚了，我们也别指望科学史学家能还原一个真真切切、明明白白的科学史，有时留些悬念未尝不是坏事。勒梅特还有一个思想可以说是“大爆炸”宇宙模型的先声，1932年他提出现在的宇宙是由处在极端高温、高密度状态的“原始原子”经过爆炸、膨胀、演化而来。至于宇宙是否在膨胀，还要依靠对遥远星系的天文观测。 

哈勃定律——宇宙的确在膨胀 

一提到“哈勃”这个词，首先联想到的一定是“哈勃望远镜”。哈勃太空望远镜是1990年由“发现”号航天飞机送入太空的，现在仍在“服役”中，计划可以坚持到2013年。哈勃望远镜就是以美国著名的天文学家埃德温·哈勃命名的，哈勃（图10-4）被后人称作“星云世界的水手”（他的一本有名的传记就是这个名字），因为他开创了星系天文学，他发现的揭示了宇宙正在膨胀的哈勃定律正是其基础。

图10-4  哈勃 

早在1910年代，在美国洛厄尔天文台工作的斯莱弗娴熟地把光谱学应用到天文观测中，结果发现所观测的漩涡星云光谱大部分向色谱的红端移动，仅有少量的星云向紫端移动。还记得在第六章讲孟德尔时我们提到的奥地利科学家多普勒吗？当时我们以火车经过站台听到的声音为例解释了物理学上的多普勒效应，光波与声波是一样的，当光源远离观测者时，光波相对于观测者就会被拉长，波长因此变长，频率变低，于是出现光谱线向红端移动的现象，这就是红移，反之则为紫移（或者叫蓝移）。斯莱弗认为普勒效应可以解释大部分星云红移的现象，也即大部分星云在远离我们而去，或者说正在退离我们。哈勃后来在此基础上总结出了定量的哈勃定律。那么紫移现象是怎么回事呢？如果按照多普勒效应，应该是星云在向我们靠近才是呀。对紫移现象的解释是稍后弄明白的，原来少量的紫移现象是我们银河系所在的本星系团的现象，由于我们所处的太阳系在绕银河系的中心旋转，其相对运动可能会造成与本星系团内部某个星云（比如仙女座星云）正在靠近，这样才会出现少数星云紫移的现象。

1929年，时在美国威尔逊天文台工作的哈勃基于已掌握的24个河外星系的红移量与距离得出了著名的哈勃定律：

V=H₀D

其中V是河外星系的退行速度，H₀是哈勃常数（当然是后来被如此命名的，哈勃当时用的字母是K），D是河外星系与观测者的距离。既然H₀为常数，那么上面这个函数（自变量当然是r了）是不是很面熟呢，想起来了吧，初中学过的y=kx，对！就是它，一次函数。还记得它的图像吗，就是在坐标轴上的图像，是一条直线，而且还是通过原点的一条直线，至于它怎么个倾斜法，那得看K的取值了。哈勃定律无非是把K取作了哈勃常数罢了，当时哈勃的确也得到一条直线（图10-5）。坐标轴的横轴是距离D，纵轴是退行速度V，你可能已经发现了，怎么这条直线没过原点呢？其实这不过是把纵坐标的原点向上拉了一点而已，因为靠近左下角有几个星系的速度是负数（表明在向我们靠近，就是前面我们谈到的紫移），为了不至于让横坐标打乱整体数据的分布点，特意把纵坐标的远点提升的，当然这样做丝毫不影响结论。

图10-5 哈勃定律的数据图

好了现在我们再琢磨这样图，你会发现随着距离D的增加，星系的退行速度（大于0的那部分）也在增加，更直白的说就是越远的星系逃离我们更快。这不很明显说明了我们的宇宙正在膨胀吗！

关于哈勃定律，我们还需要知道以下几点。第一，星系退行速度越大，那么星系发出的光被拉长的就越多，因此我们观测到的红移量就越大。第二，哈勃定律反映的宇宙膨胀，并不是以我们银河系为中心的膨胀，而是这种膨胀在宇宙的各处都是一样的，也就是说不管你处在宇宙的任何地方，都会感觉到你像处于宇宙的中心一样，四周的星系在远离你而去。这一条可以看作是宇宙学原理的一个反映。第三，为了更好地理解距离与退行速度成正比的关系，我们不妨以图10-6为例展开说明。开始的时候，银河系位于原点，星系A、B、C分别距离银河系为1、2、3个刻度间隔的距离。经历过一段时间后，由于宇宙的膨胀，A、B、C已经分别距银河系为2、4、6个刻度间隔。这样，对B而言，它与膨胀间隔（退行速度）为2个刻度，是A的2倍；同理，C的膨胀间隔是A的3倍。因此说距离越远退行速度越快。

图10-6 哈勃定律图解

最后说下哈勃常数的取值问题，当初哈勃测定的值是500km/s/Mpc，这里的单位是千米/秒/百万秒差距。这里需要解释下“秒差距”，它与光年类似，是一个距离单位，而与时间无关（尽管有一个“秒”字，也是指角度上的秒，而非时间意义上秒），它的定义这里就不介绍，直接给出数值：1秒差距（1pc）≈31万亿千米≈3.26光年。但是随着天文观测技术的进步，哈勃常数变化很大，目前天文学界测定的哈勃常数一般在50～70km/s/Mpc.

（明日待续第十章 下篇 ）