第5章 人类需要破解宇宙天书(4)
显然，大爆炸宇宙论很像是一种物理学的神话，因为它完全是根据现有的物理学知识来解释宇宙演化的。而在物理领域本身还有许多未解之谜，例如，原子核物理学至今还没有进入夸克禁闭的大门，人类对暗物质和反物质还知之甚少。人们在期待着新物理学的诞生。在这种情况下，我们大概只能说，大爆炸宇宙论是目前最好的一种宇宙演化理论。20世纪的宇宙学家们还不能预见最终的宇宙理论。
在一定意义上，人类对宇宙演化过程的研究，主要是为了满足人类探索宇宙从何处来的需要。这有益于精神世界的丰富，但并不能直接为现实的生产活动服务。由于我们不可能用实验手段来重演宇宙演化的过程，也难把人类在有限时空中得到的学识推广到无限的宇宙时空中去，所以，大爆炸宇宙论只是一种假说，我们并不能确切地知道，宇宙究竟是怎样演化而来的，将来又会怎么样？
1.用相对论来观察宇宙的起源
我们的宇宙是如何、为何以及何时开始的？它有多大？其形若何？又由何物构成？任何一个有好奇心的孩子都有可能会问这些问题；现代宇宙学家们为作出回答也奋斗了好几十年。对于科普作家来说，宇宙学的一个诱人之处乃是其前沿领域中有那么多的问题都很容易表述。而量子电子学、脱氧核糖核酸定序、神经生理学或者纯数学的前沿论题，要把专家们的问题翻译成大众化的日常语言那真是谈何容易。
热力学第二定律告诉我们，宇宙必定有一个高度有秩序的起始点。第一定律则告诉我们，宇宙不可能自己开始。从这两条基本原则出发，我们已经能推断出宇宙是由一个来自宇宙之外的、高于自然规律的即超过自然和想要创造出深不可测秩序的实体所创造的。
爱因斯坦的广义相对论为我们指明了这一创造事件。弄懂爱因斯坦的广义相对论公式所要求的数学知识，只有极少数的人具备。有一则自20年代就开始流传的故事讲到，一位记者问相对论专家阿瑟·爱丁顿在世界上是不是真的只有三个人能懂爱因斯坦的理论。在较长的沉思之后，爱丁顿最后终于回答道：“我刚才正在努力地想那第三个人是谁。”
就当前的目的而言，关于广义相对论我们要说的主要有两点：一是它所提出的所有可验证的预测都被证明是正确的；二是广义相对论公式意味着宇宙不可能是静态的，而肯定是不断膨胀或收缩的。甚至艾萨克·牛顿也知道，他的引力定律意味着宇宙中的每一个恒星都应该是相互吸引的，直至整个宇宙都结合到一起。而且，牛顿也曾在四个维度坐标方面做过工作：三个空间坐标和一个时间坐标。爱因斯坦则认识到了时间坐标与其它三个坐标之间相互依赖的关系。
1692年，剑桥学者R·R·本特里写信给牛顿，指出根据牛顿的引力定律宇宙中的所有恒星最终必须相互吸到一块而形成一个大火球。对此，牛顿回信说：
……如果太阳及其行星以及宇宙中的物质在整个空间是均衡分布的，每一个粒子对所有其它粒子都有一种内在的引力，而且这些物质所分布的空间是无限的话，那么在该空间之外的物质借助其引力将会向空间之内的所有物质靠近，最终会落在整个空间的中央并由此形成一个很大的球状物。
牛顿就此而提出宇宙必须是无限的，而且所有恒星必须是均等地相互分开的。然而他很快又意识到，这一解决办法极端地不稳定，因为任何恒星之间的均衡距离稍有偏差就会导致造成整个宇宙崩溃的连锁反应。当然，牛顿从来没有意识到宇宙还有通过膨胀以对抗会将宇宙拉到一起的引力的可能性。
牛顿曾经指出，当一个物体处于运动状态时，其运动与任何观察者的运动成相对关系。例如，当坐在马车内的乘客在车内掷球时，对于该乘客而言此球可能只跑了2英尺远。但对于站在路旁看马车跑过去的人来说，此球可能跑了20英尺远，因为马车的运动距离也必须加到球的运动距离上。
爱因斯坦也指出，当一个物体处于运动状态时，它的运动时间与任何观察者的运动成相对的关系。因为对任何观察者来说，光总是以同样的速度运动的，而不管观察者的运动速度或方向如何。换句话说，假如你想计算打在马车前面的手电光的运动速度，你可能希望在正常的光速上加进马车的运动速度。然而与球的运动所不同的是，对乘客和看着马车跑过去的人来说，光具有以同样的速度运动的古怪特性。
时间的相对性在物体的运动速度接近于光速时变得特别值得注意：以接近光速的速度旅行的宇航员每经历一天，对地球上的人来说就是一年（尽管由于难以达到这一速度，使得这种说明只具有理论意义）。而且由于质量与能量之间的关系，对于地球上的观察者来说，在宇航员的旅行速度更接近于光速之时，其体重看起来会在增加而其身高会沿运动方向变小。
对于物体在高速运动条件下所产生的这种不同寻常的现象的描述，被称为狭义相对论，它是爱因斯坦在1905年发表的理论。该理论提出了空间—时间的概念，表述的是空间和时间是如何彼此关联的。广义相对论（发表于1915年）表述的空间—时间特性清楚地解释了引力的作用。爱因斯坦推测，引力不可能是即刻对远距离物体产生作用的实际吸引力，因为狭义相对论指出没有什么物体的运动速度会比光速更快。相反，引力是质量对空间一时间产生影响的后果。大质量的物体应该明显地“弯曲”靠近它的空间，并“放慢”任何靠近它的观察者的时间。
这样，我们就弄清了太阳的引力作用不是拖着行星的吸引力，而是由于太阳的质量弯曲了它周围的空间，从而迫使每一颗行星选择的都是在弯曲空间中最可能直的运动轨道。
至于大质量物体应当能放慢其近旁观察者的时间的预言，早在1962年就得到了完全的证实。当时，人们在放置于水塔顶端和底端的非常准确的钟表之间发现了时间差。钟表越靠近地球，时间就走得越慢，因为这里的地球引力作用更大一些。这一结果与广义相对论的预测是严格一致的。史蒂芬·霍金对人造卫星目前是如何依赖于这种经常性预测来修正它们的精确导航系统做了描述：“如果谁忽视了广义相对论的预测，那么他所计算的卫星位置将会误差几英里！”
广义相对论的正确性在准确解释牛顿定律所不能解释的水星轨道的一次不正常情况时，马上得到了验证。当其它两项预言也得到证实时，证明该理论正确的证据就越发地多了：恒星的光在经过大质量的太阳之时会发生弯曲，其光频率会在引力场中发生改变。1919年，在西非普林西比岛上观测日全食时，阿瑟·爱丁顿爵士第一个观察到了恒星光经过太阳时的弯曲现象，尽管该结果并不是太精确。天文学家瓦尔特·亚当斯后来又在白矮星天狼星B座观察到了曾经预言过的光波偏移现象。今天的测量已经表明，广义相对论预测的准确性可以达到小数点后面的五位数，和测量技术所能达到的程度一样地准确。
爱因斯坦的公式表明，假如宇宙中有足够的不太分散的质量的话，那么宇宙的质量实际上将能导致所有的空间向它弯曲，直至整个宇宙都“闭合”起来。这很像牛顿的宇宙中所有物体都将会聚在一起从而变成一个中心质量的想法。另一方面，假如宇宙的密度低到某一临界值，那么爱因斯坦公式则意味着宇宙中的所有物体将会彼此越分越远。这样宇宙将会不断膨胀并会在时间上变慢。
爱因斯坦认为，应不惜一切代价避免对爆炸的这种描述，因为不论是膨胀的还是缩小的宇宙都不符合宇宙是静态和永恒的这一常识性科学观点。因此，在1917年的一篇题为“对广义相对论的宇宙学思考”的文章中，他选择了不相信促使他导出他的公式的逻辑并提出了他的著名的“宇宙常量”。提出这一奇怪的力量是为了补偿引力的不足和增加远距离物体间的引力，因此，它与物理学中的其它已知力量皆不同。而且，它还必须达到一个十分精确的程度才能保持宇宙的稳定：要在宇宙开始膨胀与开始缩小变成一次“大压榨”之间取得完美的平衡。
1922年，前苏联数学家亚历山大·弗里德曼在爱因斯坦对静态宇宙的证明中发现了一个代数错误。在纠正了该错误并抛弃了爱因斯坦的宇宙常量之后，弗里德曼发现爱因斯坦的“静态宇宙”竟成了不可能的事。宇宙必须或者是开放式的或者是封闭式的，即或者是膨胀的或者是缩小的。
经过前几年的独立努力，荷兰天文学家威廉姆·德西特也为爱因斯坦的要求宇宙一直膨胀下去的公式找到了一种甚至是带有宇宙常量的解法。英国天文学家阿瑟·爱丁顿独立地发现了即使带着宇宙常量，爱因斯坦所取得的平衡也是一个“不稳定”的平衡——它与将宇宙送入膨胀或崩溃状态的平衡点稍有偏离。
爱因斯坦后来曾为将他著名的附加因素引入他的理论而责备自己，他称增加该宇宙常量为：“我一生中最大的失误。”从此之后，爱因斯坦不但撰文论述需要一个起始点，而且表明自己的心愿就是要“知道上帝是如何创造世界的”。
这样，特别是从20世纪60年代初期开始，当用一次又一次的测试来精确测定广义相对论的预测效力成为可能之时，科学已经从坚持永恒宇宙观的立场转而坚持宇宙是有起始点的，而这一点正是广义相对论所明确预测过的。
2.科学家们的各种宇宙演化模型
当爱因斯坦的广义相对论使人信服地描绘了物质的存在与空间易弯性的关系后，他便积极地寻找试验其模型的途径并应用于实际问题。他认为，没有应用，理论只不过是一个数学练习题，而不是物理现实的真实体现。特别是他希望其模型能描绘整个宇宙的行为举止。为达到此目的，在1917年，他设计了一个广义相对论的宇宙蓝图，一个用数学方法来描述宇宙的特征是如何随时间而演变的，即宇宙演化的图像。
他第一次做出的一个可操作的宇宙模型自认为以失败而告终：将其广义相对论的方程式应用于空间的整体时，他沮丧地看到方程式的解是不稳定的。在模型中未预见到的是，空间的距离不是保持恒定不变，而是有赖于环境随时间伸长或缩短。
爱因斯坦考虑是不是做了件大错事，为什么宇宙中各点之间的距离会改变呢？空间不应当自行扩大或缩小，好像是一块潮湿的羊毛毡子那样。看来，没有发生这种景象的物理理由。
为了改正他的“错误”，他在方程式中额外增加了一个他称之为宇宙常数的项，用以稳定他的方程式，并保证宇宙中的距离不随时间而改变。增加这个宇宙常数项，对爱因斯坦来说多少有点儿权宜之计，但他想不出更好的办法来保护他所看到的空间自然静止的图像。
在爱因斯坦发展了他修正的模型（该模型被称为爱因斯坦宇宙）之后几年，当得知宇宙确实在膨胀的证据时，他很惊奇，极度后悔在自己的模型中加了一个宇宙常数项，称其为他一生中所犯的最大错误。
当大多数科学家相信宇宙曾经是极小的，后来膨胀了的时候，他们便开始考虑支持这一观点的宇宙模型了。1922年，由苏联数学家弗里德曼发展起来的宇宙模型来自爱因斯坦的广义相对论方程，但没有宇宙常数项。因为剔除了这一稳定项，弗里德曼的解是动态的而不是静止的。这一伸缩性对于描述不断运动着的宇宙是重要的。
弗里德曼宇宙学有三种不同的类型，分别叫作开放的、闭合的和平直的宇宙模型。三者由它们的长期行为来区分，表现为随时间而变化的涨到多大（或缩到多小）。
开放式模型从一点开始，宇宙的体积开始时为零。当开放式宇宙发展时，它开始长大，一旦开始了膨胀，便不停顿地膨胀下去，就好像一群青春年华的少男少女，由于脑垂体生长激素的不停地分泌，任何因素都不能阻止他们身体的生长发育。
闭合式模型则正相反，其长大有个限度。其开始时与开放式宇宙完全一样，从一点向所有方向爆发式地扩张。但在其历史进程中的某一时刻，宇宙的膨胀足够慢时所有方向上的长大均停止下来。最终，使宇宙长大慢下来的力导致宇宙逆转其进程并缩小到一点。此情景常被称为大暴缩。
平直式宇宙介于上述两种情形之间。即开始时和开放式、闭合式一样；此后，它虽然也不停地膨胀，但总是在坍缩的边缘摇摆。
这三种模型中的哪一种代表我们宇宙的情形呢？为了回答这个问题，理论工作者引进了一个叫做Ω参数的物理变量。这个量来源于爱因斯坦方程的弗里德曼解：它是一个因子，表示宇宙中物质的总量——包括可见的物质和不可见的暗物质——与使宇宙坍缩所需要的临界质量之比。Ω之值决定着我们所考虑的宇宙是开放的、闭合的还是平直的。若Ω小于1，宇宙是开放的，它将一直膨胀下去；若Ω大于1，则我们生活在一个闭合的宇宙内，以后总有一天要逆转其膨胀势头回缩到一个点：若Ω正好等于1，则空间是平直的。
不论由Ω决定的宇宙的命运是什么样子的，宇宙的来源只有一个。天文学家们相信，现在宇宙中所有的物质——恒星、行星、星际气体等等——在从前的某一时刻曾经凝聚为一个尺度无限小但密度却无穷大的“球”。那时，在被称作大爆炸的时刻，该球从空无（Nothingness）向外爆发。