第2讲 膨胀的宇宙

德曼解的一个共性特征是，在过去100亿至200亿年前的某一时候，相邻星系间的距离必然为零。这一时刻称为大爆炸，那时宇宙的密度和时空曲率 20 应均为无穷大。这意味着，作为弗里德曼解之基础的广义相对论预言了宇宙中存在一个奇点。

我们的全部科学理论体系之所以得以形成，乃是假设时空是光滑的，且近乎平直。因此，在大爆炸奇点处所有这些理论都不能成立，因为在那里时空的曲率为无穷大。这意味着即使在大爆炸之前确有事件发生，也不可能利用它们来推定其后会出现什么情况，原因在于在大爆炸时可预测性也会失效。由此可见，如果我们只知道大爆炸以来所出现的事，那就无法推定在大爆炸之前曾发生过些什么。就我们而言，大爆炸之前的事件是不可能产生任何效果的，因而这类事件不应成为科学宇宙模型的一部分。据此，我们应该把它们排除在模型之外，并宣称时间是有起点的，那就是始于大爆炸瞬间。

许多人不喜欢时间会有一个起点的观念，其原因可能在于这种观念有点像是掺入了神灵干预的味道。（另一方面，天主教会则充分利用了大爆炸模型，并于1951年正式宣称这一模型与《圣经》相一致。）为了回避有过一次大爆炸的结论，人们作了若干种尝试，其中得到最广泛支持的思想称为稳恒态理论。这一理论于1948年由三位学者共同提出，其中赫尔曼·邦迪和托马斯·戈尔德两人是来自纳粹占领下的奥地利的难民，另一位是英国人弗雷德·霍伊尔，后者与前两人一起从事战争期间的雷达研发工作。该理论的观念是，随着星系彼此间的互相远离，由于新的物质会连续不断地创生出来，一些新的星系便在原有星系之间的空隙中不断地形成。因此，不仅在空间的任何位置上，而且就不同的时间来看，宇宙的形态大体上都是相同的。

稳恒态理论要求对广义相对论加以某种修正，以保证物质能不断创生出来，不过所涉及的物质创生率非常之低，大约为每年、每立方公里创生出一个粒子——这与实验并不矛盾。这是一种不错的科学理论，优点在于它很简单，且能引出一些明确的、可通过观测来加以检验的预言。其中有一个预言是，无论从宇宙的哪个位置上来观察，也不管是在什么时间观察，任意的给定空间体积内所看到的星系或同一级天体的个数应该是相同的。

20世纪50年代末到60年代初，以马丁·赖尔为首的剑桥大学一批天文学家，完成了对来自外部空间射电波辐射源的巡天观测。剑桥大学这个小组的工作表明，大部分这类射电源必然位于银河系之外，而且弱源的个数比强源多得多。对此，他们给出的解释是弱源的距离比较远，而强源的距离比较近。于是在每单位空间体积内，近距离源的个数显得比远距离源来得少。

上述观测事实可能意味着我们应处于宇宙中某个大范围天区的中心，而这个区域中的射电源要比别的区域来得少。或者，也可能意味着在过去，当射电波仍处于向我们这里传播途中之时，射电源的数目比现在来得多。无论取哪一种解释，都与稳恒态理论所预期的结果相矛盾。再有，1965年彭齐亚斯和威尔逊所发现的微波辐射同样表明，宇宙过去的密度必然要高得多。因此，稳恒态理论不得不令人遗憾地被放弃。

为了回避必然有过一次大爆炸，因而时间必然有某个起点的结论，两位俄国科学家叶夫根尼·利夫希茨和伊萨克·哈拉特尼柯夫于1963年作了另一项尝试。他们提出大爆炸可能只是弗里德曼模型的一个特例，而这类模型充其量也不过是对真实宇宙的某种近似表述。也许，在所有能与真实宇宙大致相符的模型中，只有弗里德曼的模型才包含了一个大爆炸奇点。在弗里德曼模型中，所有星系之间只会沿径向运动并互相远离。这么一来，在过去的某个时间它们全都位于同一位置上也就不足为奇了。然而，真实宇宙中的星系并非严格按这种方式彼此远离，它们之间还会有少量的侧向速度 21 。所以，事实上根本无需要求全体星系在过去曾恰好位于相同的位置上，它们仅仅是彼此非常接近而已。因此，目前的膨胀宇宙也许并非始于大爆炸奇点，而是出现在更早期的某个收缩阶段 22 之后；随着那时宇宙的坍缩，宇宙中的粒子可能并没有全都碰在一起，粒子间也许只是交会而过，然后便互相远离，由此产生的结果正是现在看到的宇宙膨胀。那么，我们怎样才能得知真实宇宙是否确实始于一次大爆炸呢？

利夫希茨和哈拉特尼柯夫所做的工作，是要研究这样一类宇宙模型，它们总体上与弗里德曼模型相类似，而同时又顾及真实宇宙中星系的不规则特性和随机运动。他们证明，即使星系不再始终保持沿径向彼此远离，这类模型仍可以一次大爆炸为起点。但是，他们认定这种情况只是在某些很特殊的模型中才有可能出现——模型中的所有星系必须全都按特定要求的方式运动。他们认为，可以提出两类弗里德曼模型，一类有大爆炸奇点，另一类则没有，但后者的个数比前者来得多，甚至多得不计其数，而由此应得出的结论是，出现过一次大爆炸的可能性实在非常之小。不过，他们后来又意识到，确有奇点存在的一般性弗里德曼类模型的个数还是很多的，而且模型中的星系也并非必须按某种