《宇宙簡史》——宇宙膨脹理論

05-12

「宇宙膨脹說」可以說人人皆知，但具體是如何得出的？膨脹的歸宿又在哪裡？斯蒂芬·霍金的《宇宙簡史》告訴了我們。

一、關於宇宙的構想

對於宇宙的認識從古至今：

亞里士多德指出「地球是圓球」——哥白尼創立了「日心說」——開普勒預測「行星按照橢圓軌道運行」——牛頓發現了「萬有引力」——20世紀20年代「宇宙不是靜止不動的，或膨脹、或收縮」。

二、膨脹著的宇宙

20世紀20年代，天文學家發現：其他星系的恆星與我們的銀河系恆星相同，也缺失了有特徵的一組顏色，但它們都以相同的相對量向光譜的紅端偏移。對此唯一合理的解釋是，這些星系在離我們而去，因為由於多普勒效應，它們發出的光波頻率降低，或者說發生紅移。

目前的證據顯示，宇宙可能將永遠膨脹下去。這不應該使我們過於擔心，因為在100億年內宇宙還不至於塌縮，而到那時，除非我們已經在太陽系外有了殖民地，否則人類將早就隨著太陽的死寂而滅亡了。

霍金的論文證明了：只要廣義相對論正確，而且宇宙包含我們觀測到的那樣多的物質，則必定有過大爆炸奇點。也即宇宙必定有一個開端。

三、黑洞

足夠巨大而緻密的星體具有如此之強的引力場，以至光都被拉了進來而無法逸出。這種星體稱為黑洞。

奧本海默的工作給出了黑洞的圖景：恆星的引力場使得光線在時空中的路徑變得與該恆星不存在時不同。

光錐標示著從其頂端發出的閃光在時間和空間中經過的路徑，而在該恆星表面附近，光錐略微向內拐。

隨著恆星的收縮，其表面的引力場越來越強，而光錐則越來越向內拐。

這使得恆星發的光越來越難於逸出。在遠處的觀測者看來，它光顯得越來越暗，越來越紅。

最終，當這顆小恆星縮小到某個臨界半徑時，其表面的引力場強到使光錐向內拐的如此厲害，以至光再也無法逸出。

所以就有了這樣一個事件集合、一個時空區域，要從那裡逃逸而到達遠處的觀測者是不可能的。

這個區域就是我們現在所說的黑洞。它的邊界成為事件視界。它與恰好不能從黑洞逸出的光線路徑相重合。

四、黑洞不太黑

黑洞彷彿是由溫度的物體一樣，應該發射粒子和輻射，而這隻與黑洞的質量有關：質量越大，溫度越低。

黑洞的質量越小，其溫度就越高。因此隨著黑洞質量的喪失，它的溫度和發射速率就會升高。於是它的質量就減少得更加快。

當黑洞質量最終變得非常小時，最合理的結果猜測是，它會在一次可怕的、相當於幾百萬顆氫彈爆炸的最終發射爆發中完全消失。

五、宇宙的起源於歸宿

熱大爆炸模型：

在大爆炸的那一刻，宇宙的大小為零，因而必定是無限熱。但隨著宇宙的膨脹，輻射的溫度會下降。這時宇宙可能主要包含光子、電子和中微子，以及它們的反粒子，同時還要一些質子和中子。
隨著宇宙的膨脹和溫度的下降，碰撞產生電子和電子對的速率會下降得低於它們湮沒而消滅的速率。因此大多數電子和反電子會互相湮沒而產生更多的光子，只剩下少量的電子。
大爆炸後100秒時，質子和中子開始結合在一起，形成包含一個質子和一個中子的氘原子核。繼而結合形成各種原子。
宇宙作為整體還會繼續膨脹並冷卻。

無邊界條件：

「宇宙的邊界條件就是它沒有邊界」

時間和空間應該有限而無界的想法還只是一個設想。真正的檢驗是，它作出的預言是否與觀測相符。

六、時間的方向

時間箭頭，至少有三種：

第一種是熱力學時間箭頭——這是無序度或熵增大的時間方向。

第二種是心理學時間方向。這時候我們感覺到的時間流逝的方向——我們記得過去但不記得未來的時間方向。

第三種是宇宙學時間箭頭。這是宇宙在膨脹而不是在收縮的時間方向。

心理學箭頭是由熱力學箭頭所決定的，而且這兩種箭頭總是指向相同的方向。

如果接受宇宙的無邊界假設，它們就都與宇宙學時間箭頭有關，雖然它們可能並不指向同一方向。

七、萬有理論

真的會有統一的萬有理論嗎？可能性似乎有三種：

①確實存在一種完備的統一理論，如果我們有足夠智慧，就會有發現它的那一天。

②不存在終極的宇宙理論，有的只是理論的無窮序列，序列中的理論把宇宙描述得越來越準確。

③根本沒有什麼宇宙理論。超出某個範圍，事件就不可預測，它們只是以無規則的、任意的方式出現。

迄今為止，大多數科學家都太過專註於發展描述宇宙「是什麼」的新理論，而不關心「為什麼」的問題。

另一方面，其任務是提問「為什麼」的人——哲學家，卻沒有能力跟上科學理論的進展。

如果我們發現了這個問題的答案，它就會是人類理性的最終勝利。那時我們就會知道上帝的意指。