Astronomy 版 (精华区)

发信人: reise (疼你的责任), 信区: Astronomy
标  题: 如果宇宙的起源不是大爆炸，那会是什么？
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年05月09日21:20:03 星期五), 站内信件

　　“宇宙的起源是一场大爆炸，它炸开了空间，也创造了时间；星系、星球、地
球、空气、水和生命就在这个时空里渐渐形成。”这是连爱因斯坦都相信的理论。
但这个学说在最近一、两个星期内开始受到严厉的挑战和质疑。如果大爆炸理论是
正确的，那么这个空间里所有的物质应该生于大爆炸之后，这是个因果关系。虽然
爱因斯坦的相对论原则上不需有绝对的时间和空间，但是如果宇宙有一个起源，它
就有一个绝对时间的原点，破坏了时间的相对性，所以这个因果律便是一个绝对的
定律。最近美国的哈伯太空望远镜观测到一些现象，显示这个绝对的因果律出了问
题。也就是说宇宙可能没有起源，就像相对性的空间一样，时间也是没有原点，时
间也不是绝对的。

　　哈伯太空望远镜的观测显示，如果宇宙真是由大爆炸所造成的，那么爆炸距现
在的时间是小于很多老星球的年龄。最老星球的年龄可达一百六十亿年，但观测显
示爆炸的时间顶多是一百二十亿年前而已。这个发现上星期在英国的``自然''杂志
发表，引起天文物理界莫大的震撼。

　　从二十世纪初以降，包括爱因斯坦在内的大部分天文物理学家都相信，宇宙是
由大爆炸所产生；由于质能互换原理，爆炸的能量最后转为物质。这个学说建立于
三个重要的基石上。第一个，由数学上证明广义相对论只容许唯一的解，这个数学
解就是在时间的原点，整个宇宙的大小是一个点，大爆炸炸开了一个三度空间。由
于空间以一定的速率不断的膨胀，因此整个空间瞬间的大小也给了时间一个指标和
定义。这就像武侠小说中``半柱香的时刻''，以一柱香的长短来测量时间是一样的
。第二个基石是，美国天文学家哈伯在爱因斯坦发明了相对论的二十年后，发现了
宇宙是在膨胀，并且越远的星系膨胀的速度越快。这个发现大致吻合相对论的数学
解。第三个基石最具关键性，在七十年代，美国的天文学家发现了宇宙的背景辐射
。由于宇宙的膨胀，大爆炸时的热能目前应已降到绝对温度数度左右，符合观测结
果2.7度。从此，天文物理学家发展了一套标准模型，来解释这个膨胀的空间里一
切物质的起源。但是宇宙到底确实膨胀多快，哈伯并无法确定。这个缺憾预留了一
些空间让以后的天文物理学家去发展另一套不同于爱因斯坦相对论的学说。但是这
些学说都是非主流。美国的哈伯太空望远镜的主要任务也就是要弥补当年哈伯观测
的缺憾，要决定目前宇宙在单位距离内膨胀的速度。星球在膨胀空间里的分布就像
一些点分布在正在膨胀的气球表面一样。点与点之间的距离会因膨胀而变大，分离
的速度不但和气球膨胀的速度成正比，也和点与点之间的距离成正比。距离越大的
两点，它们之间分离的速度越大。所以若不知任意两点之间的距离，只光知道两点
分离的速度是无法知道整个气球膨胀的速度。同样的，若欲决定宇宙膨胀的速度，
我们不但要知道星球之间分离的速度，也要同时知道星球之间的距离。天文学家可
用所谓的都卜勒效应来测量任一星球远离地球的速度。但是，星球与地球之间的距
离便不容易决定。因此哈伯常数（单位距离内的膨胀速率）相当难决定出来。 　
　上个星期发表在``自然''杂志上的发现为在室女星系团内的上千颗造父变星。变
星是光度有周期性变化的星，愈大的变星周期愈慢，可是愈大的星愈亮。所以变星
的周期和绝对亮度有一定的关系，而造父变星的周期和绝对亮度之间的关系可以很
准确的决定出来。但是，星球距地球越远看起来越暗，因此观测到的亮度并不是星
球本身的绝对亮度。若是有办法知道星球的绝对亮度，再加上观测到的量测亮度，
星球的距离便可知道。在天文上，远距离是无法直接测量的，造父变星提供了一个
绝佳的机会来测量距离。天文学家可以量遥远变星的周期，大致上是几十天之谱，
从而决定变星本身的绝对亮度，再和观测到的亮度相比，变星和地球的距离即可决
定。 　　室女星系团距地球相当远，大约为几千万光年之遥，因此膨胀的速度可
以相当快，可以利用都卜勒效应准确的测量出来。要是它的距离亦可准确的测量出
来，哈伯常数便可准确地决定，大爆炸距现在的时间的上限便也能决定。上星期发
表的造父变星让天文学家准确地决定哈伯常数。宇宙在单位距离内膨胀的速率为每
一百万光年27公里。它也代表大爆炸至早发生在一百二十亿年前。但是，天文学家
又知道，银河系中的一些古老的星球年龄为一百六十亿年。这代表星球需要生于大
爆炸之前。这个结果不符合因果律，因此大爆炸标准模型受到质疑。这个发现也让
非主流学说有一个发展的空间。 　　其实，在逻辑的结构上，非主流派中的主流
理论是可以和爱因斯坦的相对论相比美。如上所述，相对论的宇宙观是空间是相对
的，没有原点，但时间是绝对的，有一个原点。相对论的宇宙观并且认为，宇宙的
总能量守恒，没有凭白无故冒出多余的能量，也不能损耗总能量。但是另一个学说
却认为时间和空间是相对的，两者都没有原点，所以宇宙是在一个时空的平稳状态
中存在。在这种理论架构下，时间和空间有完整的对称性。为了要解释宇宙膨胀，
这个学说必须放弃能量守恒的想法。它认为能量是可以无中生有，并且越来越多，
物质也可以无中生有，愈来愈多。这就好像宇宙中蕴藏著无数的涌泉，随时随地冒
出物质来。这些涌出的物质必须往外流，因此宇宙膨胀。因为物质随时涌出，所以
不需要一个时间的绝对原点；物质随地涌出，所以空间也没有绝对原点。这个学说
不需要大爆炸便可以解释宇宙的膨胀，并且也可以解决宇宙年龄的问题。可是，这
个学说必须面对一个挑战，那就是如何解释宇宙背景辐射的温度。在1970年代，这
个大爆炸理论的第三个基石是此学说的致命伤。在不久的将来，此学说会不会因上
星期的发现而败部复活？我们可以拭目以待。

　　相对论宇宙模型或上述非主流的平稳态宇宙模型，对有创意的天文物理学家而
言，绝非是个二选一的答案。其实，一般相对论的教科书上都不会提到广义相对论
本身是有些缺陷的。从时空的完美对称性来看，它有上述需要时间原点的问题。除
了时间、空间的问题之外，从物理学的相对性原则而言，它也有另一个问题，所谓
的惯性座标问题。十九世纪末，一位澳洲科学家马克提出一个宇宙学的问题。我们
举目观星，如果连续看一、两个钟头，就会发现群星绕著北极星转。马克问道：「
到底这是因为地球自转造成的，还是群星真的绕著地球旋转？」这个问题乍看之下
相当不智，因为这像是十六世纪哥白尼时代的问题：「到底是地球绕著太阳转，或
是太阳绕著地球转？」标准答案当 然是地球自转所造成的。但是马克又道：「如
果一切物理现象都是相对的，地球自转和群星绕地球转就必须是一体的两面。」举
例来讲，要是你绕著原地自己旋转，你会感觉头晕，但是如果你站著不动，而周遭
所有的物体都绕著你转的话，你也将会感到头晕。马克认为一个理想的宇宙模型应
该能具有这个特性，一切都是相对的，转动也是相对的。这便是所谓的马克原则。
爱因斯坦自己也承认，他是受到马克原则的启发才发明广义相对论。但是，不幸的
是相对论无法做到马克原则的要求。相对论的宇宙必须很清楚地标示到底宇宙本身
转不转。现存的标准宇宙模型是采取宇宙不转。所以我们对群星绕天的标准解释才
会是地球自转。附带说明一点，至今还没有任何一个宇宙模型可以完全符合马克原
则，上述的平稳态宇宙模型也不例外。

　　虽然最近的发现开始让天文物理学家对现存的标准理论提出质疑，但我们还需
要一连串进一步的观测证据才能宣判标准模型的对否，国际的天文学界在未来的几
年必然有一番激烈的竞争，看那个国家或那一个研究群抢先掌握这个问题的答案。
同时，在宇宙学的理论模型方面，亦会有百家争鸣的机会。台湾的天文物理学界在
这个热烈的气氛中可做什么贡献呢？我们没有太空望远镜，没有研究用的中大型望
远镜，但是我们有世界研究级的玉山天空。可以做的可能是带著一群一流的脑袋上
玉山，看著万星钻动的夜空去想像，去思索如何建立一个更完美的宇宙学理论模型。

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