从大爆炸到黑洞-史蒂芬·霍金的宇宙观

从大爆炸到黑洞-史蒂芬·霍金的宇宙观

（一）楔言

　　 圣经说：上帝创造了宇宙。　　
　　 当代物理学家说：宇宙从大爆炸中诞生。　　
　　 梵蒂冈说：大爆炸理论符合圣经。　　
　　 史蒂芬·霍金说：大爆炸和黑洞是不可避免的宇宙奇点。　　
　　 史蒂芬·霍金说：黑洞并不黑，它不仅看得见，而且是白炽的。　　
　 　史蒂芬·霍金说：在经典物理框架中，黑洞越变越大，但在量子物理框架中，黑洞因辐射而越变越小。　　
　 　史蒂芬·霍金说：大爆炸到黑洞的周而复始，便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。因而上帝对宇宙的贡献消失殆尽。　　
　　 史蒂芬·霍金与照顾他十几年并且笃信天主教的妻子离婚。　　
　　 有人说史蒂芬·霍金是继爱因斯坦之后最伟大的天才，也有人说他是疯子。　　
　　 史蒂芬·霍金是谁？　　　　

（二）史蒂芬·霍金 

　　
　　史蒂芬·霍金是英国理论物理学家，他的生日是1942年1月8日，这一天刚好是伽利略三百周年的忌日。1959年，17岁的霍金开始就读与牛津，并在剑桥跟随导师邓尼斯·西阿玛作博士论文。　　
　　 然而就在这时，霍金被诊断患上一种叫做"肌肉萎缩性侧面硬化症"的疾病，这种病至今仍不能治愈乃至于控制它。史蒂芬·霍金最终只能永远坐在轮椅上并且失去了语言能力，一切生活完全依靠他的妻子简·瓦尔德照顾。但这位据称全身只有三个手指能动的残疾人，却依靠惊人的毅力，完成了一系列惊人的关于大爆炸和黑洞的理论，对量子物理作出了巨大的贡献，将宇宙伟大而神秘的背景展现给世人。他被广泛尊崇为继爱因斯坦之后最杰出的科学家。1974年，霍金被授予"剑桥卢卡逊数学教授"一职。
　　 在就职典礼上，霍金十分费力地将名字签在名册上，而这本名册最前页的签名便是-伊萨克·牛顿。　　
　　 霍金对物理学的毕生贡献便是证明了，在经典物理的框架中，大爆炸和黑洞是不可避免的，黑洞将越变越大；而在量子物理的框架中，黑洞却因为辐射越变越小。大爆炸和黑洞奇点不仅被量子效应所抹平，而且宇宙正是起始于此。霍金对科普的贡献则在于，他写了一部脍炙人口的读物-《时间简史》，该书荣登畅销书榜达一百多周，先后被译成三十三种文字，售出五百五十万册以上。　　
　　 本文将以《时间简史》为主线，介绍史蒂芬·霍金的学说。 


（三）我们的宇宙 
　　宇宙是无比的神秘，以致于当每一个人抬头仰望星空的时候，他都会不禁想了解繁星点点的背后到底隐藏着什么。我们的祖先认为"天似苍穹，地如棋秤"，而古印度人的祖先认为大地是驮在一只大象的背上。　　
　　 在公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中，阐述了以下观点：一、月食是由于地球的影子投到月球上所致。　　
　　 二、由于月食时看到的地球的影子总是圆的，可以推断地球应该是一个球体，而不是圆盘状。三、地球是宇宙的中心。太阳、月亮、行星和其它恒星分别附在八个天球上，以完美的圆形轨道绕地球旋转。　　
　　 基 . 督教将亚里士多德的理论完全接纳，认为与《圣经》的宇宙观一致，符合上帝创世的理论。这个宇宙模型的最大优点，就是在最外层的恒星天球之外，为天堂和地狱留出了空间。　　
　　 1514年，教士尼古拉·哥白尼提出了"日心说"，认为太阳静止地位于宇宙的中心，而地球和其它的行星围绕着太阳作圆周运动。由于害怕教会的〖屏蔽***〗，哥白尼只能秘密地传播他的学说。后来，伽利略观测木星时，发现木星的几个行星围绕着木星旋转，这表明其它星球不一定围绕着地球旋转。继而开普勒修正了哥白尼的理论，用椭圆轨道取代了圆周轨道，使其很好的符合观测结果。他们的公开支持，最终宣告了亚里士多德学说的终结。　　
　　 1687年，伊萨克·牛顿出版了举世闻名的《原理》。在书中提出了著名的万有引力定律。《原理》一书解决了物体如何在空间和时间中运动的问题。　　
　　 人们利用他的理论，甚至可以精确地计算星球运行的轨道。　　
　　 但是问题又出现了。根据万有引力定律，星球间总是相互吸引的，它们似乎不能保持大尺度上的相对静止，而终将落到一起。牛顿也意识到了这点，他解释说：如果有限颗行星分布在一个有限的区域中，这种情形的确会发生。但如果存在无限颗行星，均匀的分布在无限的空间，这种情形就不会发生，因为这时引力分布是均匀的，不存在任何一个使它们聚集的中心。　　
　　 其实这是我们所经常遇到的一个理论陷阱。实际上在一个无限的宇宙中，每一颗恒星都可以看作是一个中心，因为在它的每个方向上都有无限多颗恒星。正确的方法应该是：先考虑有限空间的情形，恒星会坍塌到一起。在这个区域外均匀地加上更多的恒星。按照牛顿定律，这些加上的恒星对原先的区域没有什么影响，所以恒星还是会落到一起。我们任意地加上更多的星体，愿意加多少都可以，它们总是会坍缩到一点。换言之，宇宙的局部区域总是不均匀的，应该出现局部性的坍缩，并且这种趋势会逐渐扩大。而观测到的结果并不存在这种情形。　　
　　 于是我们遇到了一个不小的问题：无限静态的宇宙不存在！ 

（四）奥伯斯佯谬 
　　静态宇宙的观念是如此之强，以致于那些意识到引力理论导致宇宙不可能静态的科学家们并没有提出宇宙在膨胀，而是试图去修正他们的理论。甚至爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时，还非常肯定宇宙是静态的。因此他不得不在他的方程中引进一个所谓的宇宙常数来进行修正。他引入一个"反引力"，这个力是无源的，是空间-时间结构所固有的。他宣称，空间-时间内在膨胀的趋势，刚好可以平衡宇宙间各物质的相互吸引，结果形成了静态的宇宙。这个理论在以后被爱因斯坦称为是"一生中最不可原谅的错误"。 
　　
　　对于无限静止的宇宙首先发难的通常归功于德国哲学家亨利希·奥伯斯。1823年，他提出了著名的"奥伯斯佯谬"。他指出，如果宇宙是无限静止的和均匀的，那么观察者每一道视线的终点必将会终结在一颗恒星上。那么我们不难想象，整个天空即使是在夜晚也会象太阳一样明亮。有人提出反驳：远处恒星的光线被它经过的物质所吸收而减弱。其实这看似有理的反驳是站不住脚的，因为吸收光线的物质将最终被加热到发出和恒星一样强的光为止。无限静态宇宙只有一种情形能避免夜空象白天一样明亮，那就是：恒星不是在无限久远以前就开始发光。在这种情形下，光线所经过的物质尚未被加热，或者远处的恒星光线尚未到达地球。我们于是又面临着一个问题：是什么使恒星第一次发光？这就是人类探索了无数世纪的问题--宇宙起源。 
　　
　　1781年，哲学家伊曼努尔·康德在他的里程碑式的著作《纯粹理性批判》中，深入的辨析了宇宙在时间上有无开端、空间上有无极限的问题，他称这个问题是纯粹的二律背反（即矛盾）。他论证道：如果宇宙没有开端，则任何‖事‖件‖前都必有无限的时间，这是荒谬的；而如果宇宙有一个开端，那么宇宙开端前是什么时间呢？康德认为正反两方面都存在令人信服的论据。事实上他的论证基于了一个隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间都可以无限地倒溯回去。但即将谈到的大爆炸学说将让我们理解：在宇宙开端之前的时间概念是没有意义的。 
　　
（五）宇宙在膨胀 

　　20世纪的天文学家们利用恒星的光谱来研究恒星。由于每一种元素都有其特定的吸收谱线，使科学家们得以从恒星光谱分析出恒星的组成元素及温度。科学家们在研究这些光谱时发现了一个奇特的现象：所有光谱的线族都向光谱的红端移动了相同多的量。这意味着什么呢？ 
　　
　　我们都有如下的经验，当鸣笛疾驶的汽车朝我们开过来的时候，笛声是高亢刺耳的；当车远离时，声调则变得低沉，这是因为声音的频率变高和变低所造成的。这个描述速度与频率之间关系的多普勒效应是不难理解的。光是电磁波，低频率出现在光谱的红端，而高频率在蓝端。光谱向蓝端移动，表明我们接收到的恒星的光波频率变高，这意味着恒星在向我们而来；如果光谱红移，则说明恒星离我们远去。 
　　
　　这里不得不提到一位伟大的人物--埃得温·哈勃。1924年，他通过观测证明了我们的星系并不是唯一的星系，他还算出了星系间的距离。 
　　
　　 在做了大量的观测之后，他对这些星系的光谱进行了分类和统计。人们预料会发现与红移一样多的蓝移光谱，然而，哈勃的发现令所有的人跌破了眼睛--几乎所有的星系光谱都是红移的，而且红移的量也极有规律，与星系离开我们距离的平方成正比。也就是说，星系离开我们远去的速度与离开我们的距离成正比。星系越远，则离开我们的速度就越快。 
　　
　　 人们惊讶地发现：宇宙在膨胀！ 
　　
　　星系相对于地球的远离速度是如此的完美，以致于地球似乎又成了宇宙的中心，难道我们又退回到亚里士多德的理论了吗？其实不然。首先我们通过计算可以得出，物质的密度与距离的尺度无关，天体在大尺度上的分布非常均匀，天文观测也越来越证明了这一点。其次，通过伽利略变换（不同坐标系之间运动的变换）不难得出，在宇宙的任何一点都会看到，其它的星体在离该点远去，并且远去的速度和距离的平方成正比。这就象一个吹涨的气球，球上的任意两点都在相互离去，并且两点间的距离越大，它们彼此远去的速度就越快，但没有任何一点可以看作是膨胀的中心，事实上膨胀是非常均匀的。因此我们得出："在宇宙中没有特殊的位置。每一个观察者看到的现象都是一样的。"这被称作"哥白尼原理"。 


（六）三种宇宙模型

　　
　　宇宙在膨胀是20世纪最伟大的发现之一。这个发现使人类几千年的宇宙观在仅仅不到半个世纪的时间里，发生了翻天覆地的变革。这些变革的新观念几乎是让人目瞪口呆的。以我们现在的知识来观察发现宇宙膨胀之前的宇宙观，我们将会发现之间的对比犹如静态宇宙观比之于地心说一样强烈。人们惊讶地发现，这个看似熟识的宇宙依然陌生。 
　　
　　宇宙将如何膨胀呢？膨胀下去的结果又将怎样呢？ 
　　
　　1922年，当爱因斯坦仍在努力寻求广义相对论中平衡宇宙收缩趋势的引力常数时，前苏联数学和物理学家弗雷德曼却在广义相对论的基础上提出两个观点，即不论我们在宇宙中的任何地点观察，也不论我们向宇宙中的任何方向观察，宇宙看起来都是一样的。他指出，仅从这两个观念出发，我们就应该预料到宇宙不是静态的。他基于此建立的宇宙模型与后来哈勃的观测完全一致。 
　　
　　弗雷德曼模型有两个解。一个解是当宇宙膨胀得足够快时，引力仅仅使膨胀变得缓慢一点，而不能使之停止，宇宙将永远地膨胀下去；另一个解是宇宙膨胀得足够慢，以致于引力使膨胀最终停止，宇宙将收缩，并在星际间的引力作用下发生大挤压。也可以认为有第三种解，那就是宇宙的膨胀速率刚好快到可以避免坍缩。它与第二类解的不同之处在于，第三类解的宇宙是平坦的，而第二类解的宇宙是象拱形一样弯曲的。第三类解其实就是第二类解的特例。这两种解的宇宙，模型都是无限的。 
　　
　　而在第一类解中，我们看到了奇异性——宇宙在空间上不是无限的，并且是没有边界的。在这里笔者并没有写错，这种宇宙情形可以用我们的地球来帮助理解。地球的表面是没有边界的，但体积却是有限的，只不过地球表面是二维的，而宇宙空间是三维的。第一类宇宙模型的引力是如此之强，以致于空间被折弯而绕回到自身。 
　　
　　这的确是一个科幻小说的好题材，一个人绕宇宙旅行一周后又回到了出发点。然而霍金告诉我们：“这实际上并没有多大意义，因为一个人还没有来得及绕一圈，宇宙已经坍缩到了零尺度。你必须旅行得比光波还快，才能在宇宙终结之前回到你的出发点——而这是不允许的！”