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从大爆炸到黑洞--史蒂芬·霍金的宇宙观

宙,模型都是无限的。
  而在第一类解中,我们看到了奇异性--宇宙在空间上不是无限的,并且是没有边界的。在这里笔者并没有写错,这种宇宙情形可以用我们的地球来帮助理解。地球的表面是没有边界的,但体积却是有限的,只不过地球表面是二维的,而宇宙空间是三维的。第一类宇宙模型的引力是如此之强,以致于空间被折弯而绕回到自身。
  这的确是一个科幻小说的好题材,一个人绕宇宙旅行一周后又回到了出发点。然而霍金告诉我们:"这实际上并没有多大意义,因为一个人还没有来得及绕一圈,宇宙已经坍缩到了零尺度。你必须旅行得比光波还快,才能在宇宙终结之前回到你的出发点--而这是不允许的!"
  对于时间来说,这类解也是有限的,而且它有开端和终点,如同一条绳子的两端,也就是有边界的。我们在以后将会看到,当人们将广义相对论与量子力学结合起来的时候,我们就可以将这条绳子的两端连起来,使时间和空间都成为有限的,并且是无界的。   
  那么我们的宇宙符合哪一类解呢?这要由我们目前观测到的宇宙的平均质量密度来决定。我们现在观测到的所有星体质量的总和尚不到阻止膨胀所需临界质量的1%,即使将那些我们观测不到的星系间的暗物质考虑进去,全部的质量也未达到停止膨胀所需密度的十分之一。这些结果暗示著,我们的宇宙可能会以当前这种几乎是临界的速率永远地膨胀下去。
(七)相对论
  鉴于以后的章节所涉及的内容,这里有必要用一点时间介绍一下相对论。
  应该说后来一切不可思议的变革都是?quot;光速不变原理"开始的。
  首先人们意识到光速是有限的。1676年,丹麦天文学家欧尔·克里斯琴森·麦罗发现,木星的卫星不是以等间隔的时间从木星背后绕出来,木星由于公转离开地球越远,则时间间隔就越长。他指出,因为木星离开我们越远时,光从木星发出后到达地球所需的时间就越长。这表明光不是无穷快的。
  将近两200年之后,英国的物理学家詹姆斯·麦克斯韦于1865年提出著名的"麦克斯韦方程"。这个描述电磁波的方程成为光传播的真正理论。该理论预言,电磁波应以某一固定的速度运动。但牛顿力学已经摆脱了绝对静止的观念,速度是相对的,那么光速选择哪个参照物来测量呢?于是人们提出,在真空中存在一种弹性极好的物质--"以太",光是以它为介质传播的。1887年的"麦克尔逊--莫雷实验"却打破了人们的这一假说。这两个人在地球自转的切线方向和垂线方向上分别对光速进行精确的测量。他们预想切向上测得光速将大于法向上测得的结果,而结果是这两个光速完全一样。
  这之后,一位叫做阿尔伯特·爱因斯坦的瑞士专利局职员在他的一篇论文中指出,如果人们愿意抛弃绝对时间的观念,那么整个以太的概念完全是多余的。这一年是1905年,这篇论文就是赫赫有名?quot;狭义相对论"。爱因斯坦指出,当光从光源发出后,任何匀速运动的观察者都将测量到同样的光速。光速不变原理使原来人们从未怀疑过的绝对时间化为乌有,并进而得出运动尺变短,运动钟变慢的推论。
  其实光速不变原理在生活中随处可见,只是人们从未意识到这一点。
  譬如一个人朝我们掷一石块,那么石块离开手时的速率是最快的。如果光速与光源的速率可以叠加的话,石块出手时的光速应该大于在这之前的光速,因此我们将看到石块先出手,然后才看到投掷的动作。这显然与我们日常的经验不符。
  至于光速为什么会有这种特性,爱因斯坦在思考了多年后说:"光很奇特,但我们并不必对其穷究,因为它就是那样一种物质。"
  但狭义相对论与引力理论存在不相协调之处。引力理论指出:物体间的吸引力依赖于它们之间的质量和距离,这就意味著如果我们移动一个物体,另一个物体所受的引力就会立即改变,这种情形下引力效应就将以无限的速度传递,而不像狭义相对论所要求的那样,只能低于光速。
  在经过多次失败的尝试之后,爱因斯坦终于提出了革命性的"广义相对论"。
  广义相对论指出,引力不同于其它的力,"它是由于物质质量的存在而发生的空间-时间的扭曲。"例如我们的地球,在广义相对论看来,它并非是由于引力的作用而沿著椭圆轨道运动,而是沿著弯曲的空间中最接近直线的被称为"测地线"的轨迹运动。(我们在地面上以直线行走,实际上走的是地球球体表面的一段弧,该弧所在平面穿过地球球心,这段弧称为测地线。这是地球表面最接近直线的轨迹。)这条轨迹是地球在不平坦的空间-时间中走过的最短距离。由于太阳质量所引起的空间-时间的弯曲,虽然在四维的空间中地球以直线运动,但我们在三维的空间中看起来却是沿著一个椭圆周在行进。
  这就好比一架飞机在山区上空飞行,它虽然在三维空间中以直线行进,但它在崎岖的二维地面上的投影却是沿著弯曲的轨迹运动。同样,光也必须沿著测地线走,它也不能避免被引力场所折弯。在以后讲述大爆炸和黑洞奇点的章节中,我们将会对此有更深的体会。
(八)大爆炸
  让我们回到弗利德曼的宇宙模型上来吧。所有弗利德曼的解都有一个共同的特点,那就是在大约150~200亿年前,宇宙中的所有星系都聚集在一点,这就是所谓的"大爆炸"。该时刻的宇宙密度及其空间--时间的曲率均为无穷大。换言之,弗利德曼宇宙模型所依据的广义相对论预言了宇宙中存在大爆炸奇点,在该奇点处,所有的科学定律全部失效--因为数学上无法处理无穷大数。如果大爆炸时刻前存在著事件,那么它们不会对大爆炸之后的事件造成任何影响,而依据大爆炸前发生的事件对大爆炸后作出判断的科学预见性也不存在。这就是说,大爆炸形成宇宙之前的时间是没有意义的,或者说,发生在大爆炸之前的事件不可能有后果,所以并不构成我们现在宇宙模型的一部分。
  这个结论最初很难被大多数人所接受。宇宙和时间都有个起点,这不免带有神干涉的色彩。如同牛顿将最初使星体运动起来的"第一推动"归功于上帝一样,天主教抓住了这个机会,宣布"大爆炸"理论符合圣经。
  许多人为了回避宇宙被创生这一问题,不断地试图寻找稳态宇宙的理论,但几乎每一种新的解释都存在著致命的问题。越来越多的证据显示,"稳态理论"必须被抛弃!
  如果早期的宇宙物质彼此靠得非常近,那么早期的宇宙应该是异常炽热的。1965年,美国物理学家罗伯特·狄克和詹姆斯·皮帕尔斯提出,我们应该仍然能看到宇宙早期的白热,那是200亿年前宇宙炽热的辐射经过了漫长的旅行,恰好现在才到达地球,只不过由于宇宙的膨胀使这些光波如此厉害地被红移,以致于只能作为微波辐射被我们观察到。同一时间,在美国新泽西

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