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第9章 膨胀的宇宙(2)(2/3)

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论。

所谓的稳态理论得到过最广泛的支持。这是由纳粹占领的奥地利来的两个难民——赫曼·邦迪和托马斯·高尔德,以及一个在战时和他们一道从事雷达研制的英国人,弗雷德·霍伊尔于1948年共同提出的。其想法是,当星系相互离开时,由正在连续产生的新物质在它们中的间隙不断地形成新的星系。因此,在空间的所有点以及在所有的时间,宇宙看起来在大致上是相同的。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,但是有关的产生率是如此之低(大约每年每立方千米一个粒子),低到不与实验相冲突。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,并做出确定的预言可让观察者检验。其中一个预言是,我们无论在宇宙的何时何地看给定的空间体积内星系或类似物体的数目必须一样。20世纪50年代晚期和60年代早期,由马丁·赖尔(他在战时也和邦迪、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。这个剑桥小组指出,这些射电源的大多数必须位于我们星系之外(它们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。他们将弱源解释为较远的源,强源为较近的源。结果发现,单位空间体积内普通的源似乎在近处比远处稀少。这可能表明,我们处于宇宙的一个巨大区域的中心,这里的源比其他地方稀少。

另外的一个解释是,宇宙在射电波向我们出发的过去的那一时刻具有比现在更密集的源。任何一种解释都和稳态理论相矛盾。此外,1965年彭齐亚斯和威尔逊的微波背景辐射的发现还指出,宇宙在过去必定密集得多。因此必须抛弃稳态理论。

1963年,两位苏联科学家欧格尼·利弗席兹和艾萨克·哈拉尼可夫做了另外的尝试,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,大爆炸可能只是弗里德曼模型的特性,这个模型毕竟只是真实宇宙的近似。

也许,在所有大体类似实在宇宙的模型中,只有弗里德曼模型包含大爆炸奇点。在弗里德曼模型中,所有星系都直接相互离开——所以一点都不奇怪,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,星系不仅仅直接相互离开——它们还有一些斜向速度。所以,在实际上它们从来没必要恰好在同一处,只不过非常靠近而已。也许,现在膨胀着的宇宙不是来自于大爆炸奇点,而是来自于更早期的收缩相;当宇宙坍缩时,其中的粒子可以不都碰撞,而是相互离得很近飞过然后又离开,产生了现在的宇宙膨胀。那么何以得知这实际的宇宙是否从大爆炸起始的呢?利弗席兹和哈拉尼可夫所做的,是去研究大体和弗里德曼模型相像的宇宙模型,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相互离开,这样的模型也可以从一个大爆炸开始。但是他们宣称,这只在某些例外的模型中仍然可能发生,那里所有星系都以正确的方式运动。他们论证道,似乎没有大爆炸奇点的类弗里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,在实际上并没有过大爆炸。

然而,他们后来意识到,存在更为广泛的具有奇点的类弗里德曼模型,那里的星系不必以任何特别的方式运动。所以,他们在1970年撤回了自己的主张。

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一定有过大爆炸或时间的开端?对于这个问题,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个事实,他证明了,坍缩的恒星在自己的引力作用下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,所以物质的密度和时空的曲率变成无限大。换言之,人们得到了一个奇点,它被包含在一个叫做黑洞的时空区域中。

彭罗斯的结果乍看起来只适用于恒星,它并没有涉及任何关于整个宇宙的过去是否有个大爆炸奇点的问题。然而,当彭罗斯在创作他的定理之时,我还是一名研究生,正在尽力寻求一个完成博士论文的问题。两年之前我即被诊断得了肌萎缩性(脊椎)侧索硬化症,通常又称为卢伽雷病或运动神经细胞病,并且得知只有一两年可活了。

在这种情况下,看来没有很多必要攻读博士学位了——我预料不能活那么久。然而两年过去了,我没有糟糕到那种程度。事实上,我的事情还进行得相当好,还和一个非常好的姑娘简·瓦尔德订婚了。但是为了结婚,我需要一份工作;为了得到工作,我需要一个博士学位。

1965年,我读到彭罗斯关于任何物体受到引力坍缩必定最终形成一个奇点的定理。我很快意识到,如果人们将彭罗斯定理中的时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀,假定现在宇宙在大尺度上大体类似弗里德曼模型,这定理的条件仍然成立。彭罗斯定理已经指出,任何坍缩星必定终结于一个奇点;其时间颠倒

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