第三章膨胀的宇宙

时间简史[电子书]
这表明,即使在大爆炸前存在事件,人们也不可能用之去确定之后所要发生的事件,因为可预见性在大爆炸处失效了。正是这样,与之相应的,如果我们只知道在大爆炸后发生的事件,我们也不能确定在这之前发生的事件。就我们而言,发生于大爆炸之前的事件不能有后果,所以并不构成我们宇宙的科学模型的一部分。因此,我们应将它们从我们模型中割除掉,并宣称时间是从大爆炸开始的。
  很多人不喜欢时间有个开端的观念,可能是因为它略带有神的干涉的味道。(另一方面,天主教抓住了大爆炸模型,并在1951年正式宣布,它和《圣经》相一致。)所以,许多人企图避免大爆炸曾经存在过的这一结论。所谓的稳态理论得到过最广泛的支持。这是由两个纳粹占领的奥地利来的难民,赫曼·邦迪和托马斯·高尔德,以及一个战时和他们一道从事研制雷达的英国人,弗雷得·霍伊尔于1948年共同提出的。其想法是,当星系互相离开时,在它们中的间隙由正在连续产生的新物质不断地形成新的星系。因此,在空间的所有地方以及在所有的时间,宇宙看起来大致是相同的。稳态理论需要对广义相对论进行修正,使之允许物质的。连续生成,但是其产生率是如此之低(大约每立方公里每年才产生一个粒子),以至于不与实验相冲突。在第一章 叙述的意义上,这是一个好的科学理论:它非常简单,并做出确定的预言让观察检验。其中一个预言是,我们在宇宙的任何时候任何地方看给定的空间体积内星系或类似物体的数目必须一样。本世纪50年代晚期和60年代早期,由马丁·赖尔(他战时也和邦迪·高尔德以及霍伊尔共事作雷达研究)领导的一个天文学家小组在剑桥对从外空间来的射电源进行了普查。这个小组指出,这些射电源的大部分是位于我们星系之外(它们之中的许多确实可被认证与其他星系相关),并且存在的弱源比强源多得多。他们将弱源解释为更遥远的源,强源为较近的源。结果发现,单位空间体积内普通的源在近处比远处稀少。这可能表明,我们处于宇宙的一个巨大区域的中心,在这儿的源比其他地方稀少。另外的一个解释是,宇宙在射电开始发出的过去的那一时刻具有比我们现有的更密集的源。任何一种解释都和稳态理论相矛盾。况且,1965年彭齐亚斯和威尔逊的微波背景辐射的发现又指出,宇宙在过去必须密集得多。因此稳态理论必须被抛弃。
  1963年,两位苏联科学家欧格尼·利弗席兹和伊萨克·哈拉尼可夫做了另一个尝试,设法避免存在大爆炸并因此引起时间起点的问题。他们提出;大爆炸可能只是弗利德曼模型的特性,这个模型毕竟只是真实宇宙的近似。也许,所有大体类似实在宇宙的模型中,只有弗利德曼模型包含大爆炸奇点。在弗利德曼模型中,所有星系都是直接互相离开——所以一点不奇怪,在过去的某一时刻它们必须在同一处。然而,在实际的宇宙中,星系不仅仅是直接互相离开——它也有一点横向速度。所以,在现实中它们从来没必要在同一处,只不过非常靠近而已。也许,现在膨胀着的宇宙不是大爆炸奇点的结果,而是从早期的收缩相而来的;当宇宙坍缩时,其中的粒子可以不都碰撞,而是互相离得很近穿过然后又离开,产生了现在的宇宙膨胀。何以得知这实际的宇宙是否从大爆炸开始的呢?利弗席兹和哈拉尼可夫研究的模型大体和弗利德曼模型相像,但是考虑了实际宇宙中的星系的不规则性和杂乱速度。他们指出,即使星系不再总是直接互相离开,这样的模型也可从一个大爆炸开始。但是他们宣称,这只可能发生在一定的例外的模型中,星系在这儿以正确的方式运动。他们论证道;似乎没有大爆炸奇点的类弗利德曼模型比有此奇点的模型多无限多倍,所以我们的结论应该是,实际中没有过大爆炸。然而,他们后来意识到,存在更为广泛的具有奇性的类弗利德曼模型,星系在那儿并不需要以任何特别的方式运动。所以,1970年他们收回了自己的宣布。
  利弗席兹和哈拉尼科夫的工作是有价值的。因为它显示了,如果广义相对论是正确的,宇宙可以有过奇点,一个大爆炸。然而,它没有解决关键的问题:广义相对论是否预言我们的宇宙必须有过大爆炸或时间的开端?对这个问题,英国数学家兼物理学家罗杰·彭罗斯在1965年以完全不同的手段给出了回答。利用广义相对论中光锥行为的方式以及引力总是吸引这一事实,他指出,坍缩的恒星在自己的引力作用下被陷入到一个区域之中,其表面最终缩小到零。并且由于这区域的表面缩小到零,它的体积也应如此。恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里,所以物质的密度和空间——时间的曲率变成无限大。