應(yīng)用介紹

《時間簡史》是由英國偉大的物理學(xué)家、黑洞理論和“大爆炸”理論的創(chuàng)立人史蒂芬·威廉·霍金撰寫的一本有關(guān)宇宙學(xué)的經(jīng)典著作,是一部將高深的理論物理通俗化的科普范本。

宇宙論是一門既古老又年輕的學(xué)科。作為宇宙里高等生物的人類不會滿足于自身的生存和種族的綿延,還一代代不懈地探索著存在和生命的意義。但是,人類理念的進(jìn)化是極其緩慢和艱苦的。從“亞里士多德”到“托勒密的地心說”到“哥白尼-伽利略的日心說”的演化就花了2000年的時間。令人吃驚的是,盡管人們知道世間的一切都在運(yùn)動,只是到了20世紀(jì)20年代因哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移定律后,宇宙演化的觀念才進(jìn)入人類的意識。人們甚至從來沒有想到過宇宙還會演化。牛頓的萬有引力定律表明,宇宙的物質(zhì)在引力作用下不可能處于穩(wěn)定的狀態(tài)。即使在愛因斯坦的廣義相對論中,情況也好不到哪兒去,為了得到一個穩(wěn)定的宇宙模型,他曾將宇宙常數(shù)引進(jìn)理論中。他們都希望在自己的理論中找到穩(wěn)定的宇宙模型?？梢?宇宙演化的觀念并不是產(chǎn)生于這些天才的頭腦之中。

將哈勃的發(fā)現(xiàn)當(dāng)成現(xiàn)代宇宙論的誕生是公平的。哈勃發(fā)現(xiàn),從星系光譜的紅移可以推斷,越遠(yuǎn)的星系以越快的速度離開我們而去,這表明整個宇宙處于膨脹的狀態(tài)。從時間上倒溯到過去,估計在100億到200億年前,曾經(jīng)發(fā)生過一樁開天辟地的大事件,即宇宙從一個極其緊致、極熱的狀態(tài)中大爆炸而產(chǎn)生。伽莫夫在1948年發(fā)表的一篇關(guān)于熱大爆炸模型的文章中作出了一個驚人的預(yù)言,早期大爆炸的輻射仍殘存在我們周圍,不過由于宇宙膨脹引起的紅移,其絕對溫度只余下幾度左右,在這種溫度下,輻射是處于微波的波段。但在1965年彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙微波背景輻射之前,人們并不認(rèn)真對待此預(yù)言。

一般認(rèn)為,愛因斯坦的廣義相對論是用于描述宇宙演化的正確的理論。在經(jīng)典廣義相對論的框架里,霍金和彭羅斯證明了,在很一般的條件下,空間-時間一定存在奇點(diǎn),最著名的奇點(diǎn)即是黑洞里的奇點(diǎn)以及宇宙大爆炸處的奇點(diǎn)。在奇點(diǎn)處,所有定律以及可預(yù)見性都失效。奇點(diǎn)可以看成空間時間的邊緣或邊界。只有給定了奇點(diǎn)處的邊界條件,才能由愛因斯坦方程得到宇宙的演化。由于邊界條件只能由宇宙外的造物主所給 定,所以宇宙的命運(yùn)就操縱在造物主的手中。這就是從牛頓時代起一直困擾人類智慧的第一推動力的問題。

如果空間-時間沒有邊界,則就不必勞駕上帝進(jìn)行第一推動了。這只有在量子引力論中才能做到?；艚鹫J(rèn)為宇宙的量子態(tài)是處于一種基態(tài),空間-時間可看成一有限無界的四維面,正如地球的表面一樣,只不過多了兩個維數(shù)而已。宇宙中的所有結(jié)構(gòu)都可歸結(jié)于量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理所允許的最小起伏。從一些簡單的模型計算可得出和天文觀測相一致的推論,如星系、恒星等等的成團(tuán)結(jié)構(gòu),大尺度的各向同性和均勻性,空間-時間的平性,即空間-時間基本上是平坦的,并因此才使得星系乃至生命的發(fā)展成為可能,還有時間的方向箭頭等等?；艚鸬牧孔佑钪嬲摰囊饬x在于它真正使宇宙論成為一門成熟的科學(xué),它是一個自足的理論,即在原則上,單憑科學(xué)定律我們便可以將宇宙中的一切都預(yù)言出來。