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    26/09/2006

    霍金演讲录:宇宙的起源(二)

      尽管恒定不变的宇宙的观念具有这些困难,十七、十八、十九甚至至二十世纪初斯都没有人提出过,宇宙也许是随时间演化的,不管是牛顿还是爱因期坦都失去了预言宇宙不是在收缩便是在膨胀的机会。因为牛顿生活在观测发现宇宙膨胀以前的二百五十年,所以人们实在不能责备他。但是爱因斯坦应该知道得更好。他在1915年提出的广义相对论预言正在膨胀。但是他对稳恒宇宙是如此之执迷不悟,以至于要在理论中加上一个使之和牛顿理论相调和并用于抗衡引力的因素。

      1929年埃德温·哈勃的宇宙膨胀的发现完全改观了有关其起源的讨论。如果你把星系现在的运动往时间的过去方向例溯,它们在一百亿和二百亿年前之间的某一时刻似乎应该重叠在一起,在这个称为大爆炸奇点的时刻,宇宙的密度和时空的曲率应为无穷大。所有的已知的科学定律在这种条件下都失效了。这对科学是一桩灾难。科学所能告诉我们的一切是:宇宙现状之所以如此是因为它是过去是处于那种形态。但是科学不能解释为何它在大爆炸后的那一瞬间是那个样子的。

      这样,许多科学家对此结论感到不悦就毫不足怪了。为了避免存在大爆炸奇点以及由此引起的时间具有开端的结论,人们进行了若干尝试。其中一种称为稳恒态理论。它的思想是,随着星不互相分离而去,由连续产生的物质在星系之间的空间中形成新的星系。这样宇宙就多多少少以今日这样的状态不但已经存在了,而且还将继续存在无限长时间。

      为了使宇宙继续膨胀并创生新物质,稳恒态模型需要修改广义相对论。但是所需要的产生率非常低:大约为每年每立方公里一个粒子,这不会和观测相冲突。该理论还预言了,星系和类似物体的平均密度不但在空间上而且在时间上必须是常数。然而,由马丁·赖尔和他的剑桥小组进行的银河系外射电源的普查显示,弱源的数目比强源的数目多得多。人们可以预料,弱的源在平均上讲应是较遥远的。这样就存在两种可能性:或许我们正位于宇宙中的一个强源不如平均源频繁的区域;或者过去的源的密度更高,光线在离开这些源向我们传播时更遥远的距离。这两种可能性没有一种和稳恒态理论相协调,因为该理论预言射电源密度不仅在空间上而且在时间上必须为常数。1964年阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了从比我们的银河系遥远得多的地方起源的微波辐射背景,这是对该理论的致命打击。它具有从一个热体发射出的辐射的特征谱,尽管在这种情形下热这个字根本不适合,因为其温度只不过比绝对零度高2.7度而已。宇宙是一个既寒冷又黑暗的地方!稳恒态理论中没有一种产生具有这种谱的微波的合理机制,所以稳恒态理论难逃被抛弃的命运。

      1963年两位俄国科学家欧格尼·利费席兹和伊萨克·哈拉尼科夫提出另一种思想,企图用来避免大爆炸奇性。他们说,只有当星系直接相互接近或离开时,它们才会在过去的一个单独的点上相重叠,才导致无限密度状态。可惜的是,星系还多少具有一些侧向速度,宇宙早斯就可能存在过这样的一种收缩相,这时,星系虽然曾经非常靠近过,却能设法避免互相撞击。然后宇宙会继续重新膨胀,而不必通过一种无限的密度的状态。

      当利费席兹和哈拉尼科夫提出其设想时,我正是一名研究生,亟需一个问题以完成博士论文。因为是否有守大爆炸奇点的问题对于理解宇宙的起源关系重大,所以它引起了我的兴趣。我和罗杰·彭罗斯一道发展了一套数学工具,用以处理这个以及类似的问题。我们指出,如果广义相对论是正确的,任何合理的宇宙模型都必需起始于一个奇点。这就表明,科学能够预言,宇宙必须有一个开端,但是它不能够预言宇宙应如何启始的:正因为如此,人们必须求助于上帝。

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