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第三章 膨胀的宇宙
亚斯和威尔逊的微波背景辐射的发现又指出,宇宙在过去必须密集得多。因此稳态理论必须被抛弃。1963年,两位苏联科学家欧格尼·利弗席兹和伊萨克·哈拉尼可夫做了另一个尝试,设法避免存在大爆炸并因此引起时间起点的问题。他们提出;大爆炸可能只是弗利德曼模型的特性,这个模型毕竟只是真实宇宙的近似。也许,所有大体类似实在宇宙的模型中,只有弗利德曼模型包含大爆炸奇点。在弗利德曼模型中,所有星系都是直接互相离开——所以一点不奇怪,在过去的某一时刻它们必须在同一处。然而,在实际的宇宙中,星系不仅仅是直接互相离开——它也有一点横向速度。所以,在现实中它们从来没必要在同一处,只不过非常靠近而已。也许,现在膨胀着的宇宙不是大爆炸奇点的结果,而是从早期的收缩相而来的;当宇宙坍缩时,其中的粒子可以不都碰撞,而是互相离得很近穿过然后又离开,产生了现在的宇宙膨胀。何以得知这实际的宇宙是否从大爆炸开始的呢?利弗席兹和哈拉尼可夫研究的模型大体和弗利德曼模型相像,但是考虑了实际宇宙中的星系的不规则性和杂乱速度。他们指出,即使星系不再总是直接互相离开,这样的模型也可从一个大爆炸开始。但是他们宣称,这只可能发生在一定的例外的模型中,星系在这儿以正确的方式运动。他们论证道;似乎没有大爆炸奇点的类弗利德曼模型比有此奇点的模型多无限多倍,所以我们的结论应该是,实际中没有过大爆炸。然而,他们后来意识到,存在更为广泛的具有奇性的类弗利德曼模型,星系在那儿并不需要以任何特别的方式运动。所以,1970年他们收回了自己的宣布。利弗席兹和哈拉尼科夫的工作是有价值的。因为它显示了,如果广义相对论是正确的,宇宙可以有过奇点,一个大爆炸。然而,它没有解决关键的问题:广义相对论是否预言我们的宇宙必须有过大爆炸或时间的开端?对这个问题,英国数学家兼物理学家罗杰·彭罗斯在1965年以完全不同的手段给出了回答。利用广义相对论中光锥行为的方式以及引力总是吸引这一事实,他指出,坍缩的恒星在自己的引力作用下被陷入到一个区域之中,其表面最终缩小到零。并且由于这区域的表面缩小到零,它的体积也应如此。恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里,所以物质的密度和空间——时间的曲率变成无限大。换言之,人们得到了一个奇点,它被包含在叫做黑洞的空间——时间的一个区域中。初看起来,彭罗斯的结果只适用于恒星,它并没有涉及到任何关于整个宇宙的过去是否有个大爆炸奇点的问题。然而,正当彭罗斯在创造他的定理之时,我是一个正在尽力寻求一个问题可用之完成博士论文的研究生。两年之前我即被诊断得了ALS病,通常又被称为卢伽雷病或运动神经细胞病,并且我被告知只有一两年可活了。在这种情况下,看来没有很多必要攻读我的博士学位了——我预料不能活那么久。然而两年过去了,我没有糟到那种程度。事实上,我的事情还进行得相当好,还和一个非常好的姑娘简·瓦尔德定婚了。但是为了结婚,我需要一个工作;为了得到工作,我需要一个博士学位。1965年,我读到彭罗斯关于任何物体受到引力坍缩必须最终形成一个奇点的定理。我很快意识到,如果人们将彭罗斯定理中的时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀,假定现在宇宙在大尺度上大体类似弗利德曼模型,这定理的条件仍然成立。彭罗斯定理指出,任何坍缩必须终结于一个奇点;其时间颠倒的论断则是,任何类弗利德曼膨胀模型必须从一个奇点开始。为了技巧上的原因,彭罗斯定理需要以宇宙在空间上是无限的为条件。所以事实上,我能用它来证明,只有当宇宙膨胀得快到足够以避免重新坍缩时(因为只有那些弗利德曼模型才是空间无限的),必须存在一个奇点。以后的几年中,我发展了新的数学技巧,从证明奇性必
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