作者： 天体物理 2006-8-12 21:21 　 回复此发言 -------------------------------------------------------------------------------- 3 《果壳中的宇宙》第一章　相对论简史 　　弯曲时空的理论被称为广义相对论，以和原先没有引力的理论相区别，后者现在被认为狭义相对论。1919年当英国赴西非的探险队在日食观察到光线通过太阳临近被稍微偏折，广义相对论因而得到辉煌的确认。这正是空间和时间被弯曲的直接证据。它激励了从欧几里得在公元前300年左右写下《几何原本》以来，我们对自身生活其间的宇宙之认识的最大变革。 　　爱因斯坦的广义相对论把空间和时间从一个事件在其中发生的被动的背景转变成宇宙动力学的主动参与者。这就引发了一个伟大的问题，这个问题在21世纪仍然处于物理学的最前沿。宇宙充满物质，而物质弯曲时空使得物体落到一块。爱因斯坦发现他的方程没有描述一个静态的，也就是在时间中不变的宇宙解。他宁愿不放弃这样一种永恒的宇宙，这正是他和和其他大多数人所深信的，而不惜对该方程进行补缀，添加上称为宇宙常数的一项，使得物体相互离开。宇宙常数在相反的意义上将时空弯曲，使得物体相互离开。宇宙常数的排斥效应可以平衡物质的吸引效应，这样就容许宇宙具有静态解。这是理论物理学的历史中错失的最重大的机会之一。如果爱因斯坦坚持其原先的方程，他就能够语言宇宙要么正在膨胀，要么正在收缩，二者必居之一。直至20世纪20年代在威尔逊山上用100英寸望远镜进行观测，人们才认真接受宇宙随时间变化的可能性。 　　这些观测揭示了，星系和我们像距越远，则越快速地离开我们而去。宇宙正在膨胀，任何两个星系之间的距离会随时间恒定地增加。这个发现排除了为获得静态宇宙解对宇宙常数的重要。爱因斯坦后来把宇宙常数称为他一生中最大的错误。然而，现在看来这也许根本不是什么错误：将在第三章中描述现代观测暗示，也许确实存在一个小的宇宙常数。 广义相对论彻底地改变了有关宇宙起源和命运的讨论。一个静态的宇宙可以存在无限长时间，或者以它目前的形状在过去的某个瞬间创生。然而，如果现在星系正在相互分开，这表明它们过去曾经更加靠近。大约150亿年以前，所有它们都会相互靠在一起，而且密度非常大。天主教牧师乔治•拉玛特是第一位研究我们今天叫做大爆炸的宇宙起源。他把这种状态称作“太初原子”。 　　爱因斯坦似乎从未认真地接受过大爆炸。他显然认为，如果人们随着星系的运动在时间上回溯过去，则一个一致膨胀宇宙的简单模型就会失效，因为星系的很小的倾向速度就会使它们相互错开。他认为，宇宙也许早先有过一个收缩相，在一个相当适度的密度下反弹成现在的膨胀。然而，我们现在知道，为了在早期宇宙中核反应能产生在我们周围观察到的轻元素数量，其密度曾经至少达到每立方英寸10吨，而且温度达到100亿度。况且，微波背景的观测显示，密度也许一度达到每立方英寸1×10^72吨。我们现在还知道，爱因斯坦的广义相对论不允许宇宙从一个收缩相反弹到现在的膨胀。正如在第二中将要讨论的，罗杰•彭罗斯和我能够证明，广义相对论预言宇宙大爆炸启始。这样爱因斯坦理论的确隐含着时间有一个开端，虽然他从不喜欢这个思想。 　　爱因斯坦甚至更不愿意承认广义相对论的预言，即当一个大质量恒星到达其生命的钟点，而且不能产生足够的热去平衡其自身使它收缩的引力时，时间将会到达尽头。爱因斯坦认为，这样的恒星将会在一终态安定下来。但是我们现在知道，对于比太阳质量两倍还大的恒星并不存在终态的结构。这类恒星将会继续收缩直至它们变为黑洞。黑洞是时空中如此弯曲的一个区域，甚至连光线都无法从那里逃出来。 　　彭罗斯和我证明了，广义相对论语言，无论是该恒星，还是任何不慎落入黑洞的可怜的航天员，其时间在黑洞中都将到达终点。但是无论是时间的开端还是终结都是广义相对论不能被定义之处。这样理论不能语言从大爆炸会出现什么。有些人将此视作上帝具有随心所欲创生宇宙的自由启示，但是其他人觉得宇宙的开端应受在其他时刻成立的同样定律的制约。真如将在第三章中所描述的那样，我们为达到这一目标已经取得一些进展。但是我们尚未完全理解宇宙的起源。 

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