宇宙是什么？它是怎么诞生的？它是“物质不灭”还是“有始必有终”？自从湖南科学技术出版社1993年将霍金的《时间简史》引入内地以来，关于宇宙学的问题就产生了“大爆炸”，上至白发苍苍的科技工作者，下到初次接触自然科学的中学生，都将霍金作为偶像，希望像他一样静坐书房而思绪遨游宇宙，从笔端解决宇宙之谜。然而《时间简史》为了让尽可能多的读者接受而尽量不用公式的写作方法也产生了不小的误导，文字语言再生动也无法重现科学家工作的全过程，在《时间简史》及此后蜂拥而出的科普书中只留下了科学发现的传奇故事而缺少学习科学的入门指南。正因为“知其然而不知其所以然”，所以很多内地的天文学、宇宙学爱好者熟读科普书之后，以为利用中学基本的物理知识，顶多加上一些微积分知识，就可以如行云流水般“解决”宇宙学中最前沿的问题，从而走入了一些误区。

 

幸好，如今同样出自湖南科学技术出版社，同样来自英国科学家之手的《宇宙的世纪》可以带领天文爱好者们走进宇宙学家平时不对外开放的书房，看看宇宙学家是怎么工作的——对于广大科学爱好者来说，这跟“宇宙是什么”是个差不多同样神秘的问题。天体物理学家朗盖尔（Malcolm Longair）的《宇宙的世纪》（书名直译为“天体物理学和宇宙学的历史”）不同于以往的天文学科普书，它是一部扎实的“宇宙内史”，将20世纪现代宇宙学的诞生与一步步发展的过程详尽地勾勒出来，讨论了现代天体物理学各个分支的观测和理论过去百年的发展。朗盖尔的学生时代正好赶上20世纪60年代的天体物理学大发展时期，同时也是大爆炸宇宙学和稳恒态宇宙学争论最激烈的时代，朗盖尔的一位导师就是稳恒态宇宙学代表人物，英国天文学泰斗霍伊尔。作者的学术生涯经历了宇宙学从简单到精密的全过程，在星系形成、高能天体物理和宇宙学领域成就斐然，由他来带领天文学爱好者重新经历一次宇宙学发展史是非常合适的。

 

作为铺垫，朗盖尔首先介绍了19世纪天文学家们在天体光谱学方面的工作。19世纪的科学家虽然无法解释光谱产生的微观机制，他们却清楚地认识到，光谱是化学元素的指纹，对恒星光谱的分类奠定了20世纪天体物理学大发展的基础。有趣的是，德雷伯（Henry Draper）和哈金斯（William Huggins）在织女星和天狼星的光谱中观测到氢元素的紫外光谱，1885年瑞士一位中学校长巴耳末（Johann Jakob Balmer）把这些氢光谱的波长总结成了著名的巴耳末公式，这是第一个发现的量子力学公式，而此时量子力学尚未诞生。15年后的1900年德国物理学家普朗克才第一个提出量子说解决了黑体（比如恒星）的光谱轮廓，而30年后，恰恰是巴耳末公式启发丹麦物理学家玻尔（Neils Bohr）提出了原子结构的“量子假设”，从而开创了量子力学的新时代。

 

20世纪的天文学和物理学关系就像巴耳末公式所揭示的一样你中有我，我中有你，所以被称为“天体物理”。这里不仅仅是指力、热、光、电的经典物理学，也包括量子力学、相对论、核与粒子物理等。天体物理学既是一门基础学科，也是一门大综合的学科，被视为物理学的一个分支。所以如今学习天体物理学专业的本科生，刚入学时主要进行物理、数学等学科的学习，而由于天文观测技术的自动化程度越来越高，对于辨认星座、恒星名称、行星运行这些传统天文学的知识反而不作硬性要求了。

 

虽然天文学是一个快速变革的领域，光学望远镜从伽利略手里只有几厘米的20倍简易望远镜到今天由计算机操控的口径达10米大型望远镜，到设计中口径几十米望远镜，获取数据的手段也从目测、照相玻璃板、胶片发展到到今天快速的CCD技术。但从另一方面来说，天文学方法的变化并不是特别大，拍摄天体照片，将光线解析成光谱，应用物理学理论对它们进行解读，400年下来，这些基本的工作模式并没有太大变化，只是手段更高、更快、更强，这些科学方法才是天文学、宇宙学的“立身之本”和前进的动力保证。发生剧烈变革的是天文学的理论，不断进步的观测手段帮助天文学家获得更清晰宇宙信息，逐渐发现隐藏在宇宙深处的事实真相。

 

现代天体物理学始于20世纪30年代，以解决恒星能量来源之谜为标志，而现代宇宙学则起源于20世纪初叶，以爱因斯坦提出宇宙学方程为标志，宇宙学诞生不久之后的1929年，就得到了哈勃（Edwin Hubble）发现星系退行的观测支持，给出了宇宙膨胀的第一个明确证据。20世纪的宇宙学发展经历了黄金时期，一次是20世纪60～80年代，得益于量子力学和相对论的发展以及二战之后雷达技术从战争转向民用，遥远的高红移类星体和来自宇宙诞生之初的微波背景辐射得以发现和解释，宇宙学在“大爆炸”和“稳恒态”模型的争论中以大爆炸宇宙学的完胜确立了身份，被科学界广泛接受；而出身于粒子物理学的古斯（Alan Guth）在20世纪80年提出了暴胀理论，解决了大爆炸宇宙学的“平直性”和“平坦性”问题。另一个黄金时代正是我们目前所经历的时代，1998年、1999年对Ia型超新星的巡天研究，发现了暗能量的存在，为“标准宇宙学”添上了最后一块砖，也提出最大一个疑问“暗能量是什么”。

 

朗盖尔在《宇宙的世纪》中，尽情地展示了天体物理学家们这个群体的秘密，从19世纪的光谱积累工作，到20世纪如何解开恒星能源之谜，从爱因斯坦及其同时代的学者对宇宙模型的探讨，到其后百年中几代天体物理学家对宇宙的观测和对于宇宙理论的完善，当代宇宙学的遗留问题。《宇宙的世纪》以详尽的科学进展历程告诉读者，宇宙学家们“秀才不出门，便知宇宙事”其实也是一项从数据泥潭中淘出金沙的艰辛工作，经过历代天文学家和物理学家的努力才有了今天气势恢宏的宇宙学大殿。宇宙学并不是某些人认为的一门玄之又玄的学问，而是一门有着坚实的观测数据和可靠的物理理论作为基础的观测科学。除了对天文学家们引人入胜的科学故事的讲述，书中每章还都有引导性的注释和更深一步的文献指南，感兴趣的读者可以从这里模仿宇宙学家的工作方式，窥探到宇宙学的入门途径。

 

《科学时报》 (2010-11-18 B2 科学 文化)