时间和宇宙的创生_奇点天文奥秘

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时间和宇宙的创生_宇宙时间奥秘
 
 
虽然有这些困难,我们还是已经相当有把握地了解了一些宇宙的重要特征。在这中间,哈勃(Edwin Hubble)1929 年的发现,即宇宙不是静态的,而是随着时间在膨胀,确实使宇宙学开始成为一门受到尊重的科学。然而,宇宙究竟是注定要永远膨胀下去(开放的宇宙),还是由于所有宇宙物质之间的引力作用的影响足以使宇宙停止膨胀,然后收缩,最后导致“大坍缩”的发生(闭合的宇宙),这还需要继续研究,才可以得到一个肯定的回答。引力,意味着一个不会静止不动的宇宙— —即使宇宙中的所有物质在开始的时候都处于静止状态,引力也会毫不留情地将它们聚在一起。现在的问题是,我们仍然不清楚宇宙中到底有多少物质,而这正是确定宇宙是会无止境地膨胀下去,还是会坍缩回去的关键因素。在写这本书的时候,观测数据仍然还没有精确到足以告诉我们,宇宙未来的命运到底是会怎么样。
 
如果宇宙是在膨胀,是否这就意味着时间有一个开始?我们可以在不同的观测资料的基础上,估计一下宇宙的最低年龄。例如,从核合成所产生的重元素的丰度,也就是轻原子核聚变而成的重核的丰富度——  
如我们所知,重元素是生命存在之必需——我们可以得出结论说,宇宙的年龄至少是 100 亿年。就这本身而言,它并不意味着宇宙必须有一个开始。
 
然而,五十年代中期对宇宙膨胀速率的测量表示,宇宙的年龄比地球还要年轻 35 亿年。这就使得在五十年代之中和六十年代早期,宇宙学家们中间,越来越多的人支持一种叫做“稳恒态”的宇宙模型。这个模型是由宇宙学家邦迪(Hermann Bondi),戈德(Thomas Gold)和霍伊尔(Fred Hoyle)提出来的,它认为宇宙中的物质不断地在创生,从而使得宇宙膨胀时,它在空间和时间上的性质保持不变。
 
稳恒态理论一个直接的困难是,这样的物质创生在广义相对论中完全得不到解释。但是决定性的检验——像对所有理论模型那样——必须要与天文观测相对照。1965 年,彭齐亚斯(ArnoPenzias)和威尔逊(Robert Wilson)偶然地发现了弥漫全天空的微波背景辐射,他们为此获得了 1978 年度的诺贝尔物理学奖。他们在实验中发现有一种外来的微波噪声,于是他们非常仔细地设法消除这种噪声,包括赶走了一对在实验用的角状天线上筑巢的鸽子。尽管作了这些努力,噪声还是没有被完全消除。对这种外来噪声的性质详细加以研究之后,他们不得不得出结论说,它是一种来自银河系之外的热电磁辐射,从天空所有方向均匀地接收过来,它的有效温度是绝对温度三度。这种外来热辐射只能解释为宇宙演化极早期的遗迹,宇宙在那个时候比今天热得多,密度也大得多。这个遗迹也就是宇宙诞生的回声。
 
早在 1948 年,阿尔弗(Ralph Alpher)和赫尔曼(RobertHerman)就已经预言了这个无处不在的背景辐射的存在,他们根据的是俄国物理学家弗里德曼(Alexander Friedmann)的学生伽莫夫提出的一个模型。伽莫夫用爱因斯坦方程研究了宇宙在非常早期的状态。从这一研究中他得出结论说,宇宙在那个时候应当是非常致密的,而且极端地热。宇宙开始是一团火球,它发出的辐射随着宇宙的膨胀而冷下来,这就是彭齐亚斯和威尔逊无意中发现的宇宙背景辐射。
 
阿尔弗的这篇博士论文的要义,是描述出现在原初宇宙的“浑汤”中的基本粒子,如何从氢经过质子和中子的核聚变而演化成为氦。它于是成为“大爆炸”理论的经典文献。这篇论文是在 1948 年 4 月愚人节那天,发表在美国《物理学评论》杂志上的。引人注目的还不仅仅是它的主题和发表的日期:阿尔弗的博士导师伽莫夫说服了核物理学家贝特(Hans Bethe),把他的名字也添了上去,这样三个名字的谐音正好是头三个希腊字母:阿尔法、贝他、伽马。在他的《宇宙的诞生》一书里,伽莫夫写道:“从希腊字母的顺序讲,如果文章只署名阿尔弗和伽莫夫,这是不公正的,所以贝特博士的名字也在文稿付印时加了上去。贝特博士在收到文稿的复印件时并没有反对  但是后来有一个传说,说是当  
阿尔法、贝他、伽马理论暂时遇到麻烦时,贝特博士曾认真地考虑过把他的名字改为扎查瑞斯(Zacharias)。”
 
很多年以前,在一篇 1917 年呈交给柏林科学院、题目为“广义相对论的宇宙观”的论文,爱因斯坦也隐约地察觉到这样一个宇宙史话,其中时间有一个开端,或许还有一个终结。尽管他在发展广义相对论理论时表现出了深刻的洞察力,他还是无法接受这个史话的“创世纪”和“启示录”:“大爆炸”和(可能的)“大坍缩”。他本来完全可以预言哈勃关于宇宙膨胀的发现,但是他被当时流行的宇宙观念(静止且与时间无关)所蒙蔽了。所以,他让他的理论屈从于传统之见,引入了一个新的自然常数——宇宙学常数——这真可谓是削足适履。一个动力学的宇宙学模型的可能性,大概是爱因斯坦本来可以作而没有作的最伟大的预言了。霍金把它称为“理论物理学所错过的重大机会之一”。后来,爱因斯坦终于放弃了这个额外的常数;伽莫夫写道,爱因斯坦觉得这个常数是他一生中最大的失误。
 
相对论关于宇宙的诞生和死亡的全部含义,由其他人的工作得到了发挥,其中著名的是弗里德曼,德西特和比利时宇宙学家兼教士勒梅特(Georges Lematre)。弗里德曼本人第一个把广义相对论作为一个自成体系的理论接受下来,并且把它用于宇宙而且得到了一些结果。事实上,利用广义相对论,弗里德曼在哈勃的研究好几年以前,就已经预言了一个膨胀的宇宙。弗里德曼的宇宙学模型意味着,如果在过去某个时刻宇宙中的物质密度是无穷大,则那时候的时空曲率也应当是无穷大。宇宙必定是从这种无法描述的致密状态中,以某种大爆炸的形式显现出来;在此之前简直是什么都没有——没有时间,没有空间,没有物质。
 
这样,在大爆炸之前物理定律便失去了意义,时间本身也停滞了。按照霍金的看法,在广义相对论中,“时间仅仅是一种标志宇宙事件的坐标。在时空流形之外,它便不再具有任何意义”。“问到宇宙在开始之前是什么样子,就像问到地球上北纬 91 度的一个点一样;它恰恰没有定义。与其讲宇宙的创生以及可能走向的末日,倒不如说:‘宇宙就是这样存在’。”
 
大爆炸和大坍缩在很多方面令人讨厌。它们是数学家们熟知的“奇点”的形象比喻——奇点就是体积为零、质量无穷大的时空点。相对论理论所依据的整个数学体系,在无穷大的物质密度条件下变得完全失去意义,这表明,这一理论在奇点面前不再有效。说广义相对论是时空引力的终极理论,是有一个严重的弱点的——这就是,这个理论的适用性到奇点为止。正如华盛顿大学的威尔(Clifford Will)所指出的:“认为时空奇点会存在,在那里广义相对论和其它所有物理规律都失效,是非常令人困扰的。如果物理学家不能从某些给定的初始数据而预言未来,他们就会觉得非常不舒服。而奇点恰恰是这种情况,因为从奇点出  
现的物理学是不受任何约束的。”
 
相对论过去是、现在还是充满生机。霍金和彭罗斯在 1965 到 1970 年间所做的开创性工作表明,如果宇宙的行为由广义相对论的方程所决定,在过去的某一时刻,就必定有一个上面描述过的大爆炸奇点。因为物理学在奇点完全不可能给出任何描述——这是由于数学在奇点整个瓦解——这说明,我们实在不能够希望用广义相对论去处理空间和时间的诞生。然而,按照牛津大学的数学家、第一个从事奇点研究的彭罗斯的说法,这远不是意味着我们必须把广义相对论整个地抛弃。“某些人说,奇点向你表示,广义相对论是错误的。但是广义相对论的力量正是在于,它可以告诉你它本身的局限性。”彭罗斯和其他人一道,致力于把广义相对论的这一短处转化为长处,我们在第五章会看到他们是如何做的。
 
 

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