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廣義相對論、宇宙大爆炸，你了解多少？ 宇宙大爆炸實際上並不大，甚至都沒有「砰！」的一聲。實際上，創造了宇宙和宇宙中所有事物這件事和大多數人，或者至少是非物理學家的想像相比，是非常不同的。甚至於「大爆炸」這個名字的提出，也是由於一個科學家在這個概念首次提出時便不喜歡而精心準備的一次貶低。他更傾向於接受宇宙一直處於更加有尊嚴的、基本不變的恆定狀態當中的觀點。 ... 但是這個名字流傳下來了，並且隨之而來的是人們對於宇宙的完全錯誤的印象：宇宙是大爆炸產生的；宇宙如今因為其中的物體像被引爆的炸彈碎片一樣被甩得四分五裂而在不斷膨脹。 事實上，這幅關於大爆炸（我們沿用這個名字）的直觀圖像的每個基本方面都是不正確的。想要知道了解其中的原因，你需要理解愛因斯坦的廣義相對論，或者至少對它有個大概的認識。這聽起來可能有點嚇人，但廣義相對論是20世紀最具革命性的科學進步，我們都應該在世紀結束前對它有所了解。 ... 畢竟，愛因斯坦提出相對論也有82年了，在這期間，大量的實驗證不斷證實著這個理論的準確性，因此現在已經明確成為了我們理解中立如何運作的首要指南。此外，它也是大爆炸宇宙學基礎的一部分。也正是因為有了廣義相對論，我們才能知道大爆炸過去（也是現在，它持續進行中）與爆炸完全不同。 愛因斯坦發展廣義相對論是為了使他著名的狹義相對論包含重力的影響。這是個比牛頓更好的解釋重力原理的方法。廣義相對論（簡稱GR）就像是一條飢餓的變形蟲，同時吸收了愛因斯坦新提出的狹義相對論和牛頓經典力學體系的內容，讓我們得以複製這兩大理論的所有預測，並且同時將他們擴展到其他陌生的經驗領域。其中一個是領域是黑洞。另一個 是宇宙本身的形狀與演化。 ... 大爆炸宇宙學認為，宇宙產生於100~200億年前，從那之後，便從高溫稠密的狀態逐漸膨脹、冷卻，至今仍是無懈可擊的。然而，大爆炸宇宙學是脆弱的。它基於廣義相對論在時間和空間的巨大尺度上的精確性。廣義相對論有多厲害呢？到目前為止，它做出了以下的具體預測： 水星的整個軌道由於太陽附近空間呈幾何上的彎曲而旋轉。「近日點位移」在每個世紀的數量是總所周知的，當時愛因斯坦在1915年對這現象提供了一個完整的解釋。 在重力作用下，每個頻率的光都可以以完全相同的方式彎曲。這在1919年的日食中得到了證實，利用位於太陽附近的恆星發出的可見光；同樣在1969-1975年期間，利用類恆星類星體的射電輻射，在太陽附近被觀察到也證實了這一點。光的偏轉與GR的預測完全一致。 強引力場中的時間變緩效應。哈佛大學的羅伯特和喬治在1959年證實了這一點。此外，羅伯特在20世紀60和70年代使用噴氣式飛機和衛星上的高進動氫脈澤鍾再次證實了這一點。 重力質量和慣性質量是完全一致的。最近的一次是在1971年的時候，莫斯科大學的弗拉迪米爾·布拉金斯基證實了廣義相對論關於這一點的預測，即和廣義相對論所要求的精確值相差在萬億分之一之內。 黑洞的存在。儘管自從20世紀70年代黑洞的概念首次為天文學家們所知以來，它們的存在性就一直遭到質疑。直到1992年，天文學界才跨過了接受它們的臨界門檻。而且，在那期間，據哈勃空間望遠鏡的觀測結果顯示，在銀河系附近星系如梅西耶87、梅西耶33和NGC 4261的核心，存在著質量約十億個太陽質量的巨大的黑洞。 重力有它自己的可以攜帶能量的輻射方式。羅素·胡斯和約瑟夫·泰勒在1975年發現兩顆相互繞行的的脈衝星，並在接下來的20年內通過仔細檢測其精確的脈衝，證實了這個系統以和廣義相對論基於引力輻射的發射所預測的相差在1%之內的速度失去著能量。 「引磁力」的存在。根據廣義相對論的說法，就像電場和磁場是相互聯繫的一樣，一個旋轉的物體會產生一種類似磁力的力，叫做「引磁力」。廣義相對論中預測，旋轉的物體不僅使時間和空間彎曲，也使空間旋轉。美國宇航局預計在未來幾年內發射一顆名為「引力探測器B」得衛星來檢驗這種效應是否存在。這無疑是個殺手，因為一旦引磁力沒有被發現，廣義相對論就會受到致命得傷害即便它已經取得了一連串的成功。 宇宙膨脹，空間延伸。埃溫德·哈勃在1929探測到的星系衰退證實了這一點。在近一些年份1993年，天文學家肯尼斯·凱勒曼證實：遠處射電源的角度大小減小到最小值，然後在更大的距離上增加，這和膨脹空間的預期完全一致。這也是任何其他不包括空間膨脹這一真實物理現象的宇宙模型無法預測的。 ... 我們現在陷入了這樣的一種困境。如果我們接受廣義相對論的成功，我們就不得不通過它的眼睛來觀察世界和宇宙，而且只能通過它的眼睛，因為它是滿足所有已知測試的理論。 那麼，我們應該如何看待大爆炸呢？我們腦海里關於大爆炸「煙火」的理想圖景包含了以下基本元素： 1）既存空間，容納爆炸的碎片； 2）既存時間，標註爆炸發生時間； 3）從一個中心發射出的爆炸投射物； 4）爆炸發生的確切的時間； 5）引發大爆炸的某個事物。 但是！根據廣義相對論，所有這些大爆炸形象化的要素都是完全錯誤的。 ... 既存空間？ 根本不存在的！ 廣義相對論中的數學明確不模糊地表明，三維空間和其他一切事物都是在「時間零點」由大爆炸本身創造的。然而這是一件奇怪的事兒，因為所有的微粒之間的分離都消失了。這也是我們熟悉的三維空間消失的另一種說法。研究萬物理論的各種原型的理論家們只是在一定程度上修正了這一說法。在最初的時刻，宇宙可能以一種幾乎不可理解的狀態存在：可能存在超過4個維度，又或者根本沒有維度。許多關於最初時刻的理論假設都有一個產生了宇宙的「母時空」，但你無法把你的思想同時放在母時空里去觀察大爆炸的發生和宇宙里去觀察物質的運動。然而這正是焰火表演模型所要求的。 ... 既存時間？ 同樣根本不存在的！ 同樣，廣義相對論中的數學把時間和空間共同看作為「時空」這個不可分割的物體。在0時刻加上一個時刻，你就得到了時間這個明確定義的量；在0時刻減去一個時刻，這個量在數學上的性質就發生了改變，成為了「虛數」。這是數學上的一個警示，表明在我們所知的時間裡發生了一些意想不到的可怕的事情。愛因斯坦有句名言：「時間和空間是我們的思考模式，不是我們生活的條件」。史蒂芬·霍金利用量子引力理論這一羽翼未豐的物理學研究了這種狀態的數學，並證實了在大爆炸中，時間以人們能想像到的最徹底的方式被抹殺了。它也許已經被轉換成另一個「永恆」的空間維度……數學上似乎是這麼說的。 ... 來自同一中心的單個物體？ 沒有！ 廣義相對論特別指出，空間不是一個讓物質表演舞蹈的的被動舞臺，而是演員中的一員。當你把星系和時空放在一起思考，你會得到一個非常不同的答案，如果你把它們分開，這也就是我們本能的反應。彎曲的空間扭曲了粒子的運動路徑，有時候還是以非常戲劇化的方式。如果你想登上一艘宇宙飛船試圖到宇宙的邊緣去探索，很遺憾這是不可能的，因為無論你走了多遠或多快，都無法到達宇宙的「邊緣」。在一個封閉的宇宙中，你最終會發現自己回到了離開的那個地方。空間的曲率會把你帶回來，就像如果你不改變方向地向西一直飛行地球的曲率會把你帶回家一樣。換句話說，宇宙在空間上沒有邊界，再遠的星星也沒有。 作為一種精神支柱，許多人用膨脹的氣球比作膨脹的宇宙。從氣球表面的任何一個點來看，當給氣球充氣時，其他的所有的點都從氣球上跑開了。氣球表面的膨脹是沒有一個明確的中心的，剛剛被我們挑選的點就作為大爆炸的中心。這和煙火表演有很大的不同，煙火表演的中心是不斷膨脹的煤渣雲。但氣球的比喻並不完美，因為當觀察氣球時，我們的有利位置仍然在廣義相對論認為的真實宇宙中根本不存在的一個先前就存在的大舞臺上。 ... 大爆炸的中心不是一個空間點，而是一個時間點！它是一個獨立於氣球結構內，在其外面存在於第四維度——時間的中心。無論我們從宇宙空間的哪個地方向遙遠星系看去，我們都無法看不到這個點。我們根本就看不見時間！我們只有在回顧悠悠歷史長河中所能觀察的遠古遺物上的古老圖像時才能看見它。在這些圖像中，我們可以看到宇宙的早期歷史發生了巨大的變化，但太空中卻沒有獨特的中心。 在這一點上，常識必須給廣義相對論讓座。也正是在這一點上，許多非物理學家拒絕這樣的客氣。誰能責怪它們呢？未來或許還會有更多這樣的人呢。 ... 投射物在太空移動？ 廣義相對論又得出了些令人煩惱的結論。數百萬年以來，我們從非洲大陸和其他地方的大草原的經驗中了解到——我們可以在空間中移動。當我們沿著高速公路行駛，穿過路邊地標之間的距離時，我們絕不會懷疑發生了什麼奇怪的事。這種認知原始得讓我們不會無端對其生疑。但科學並不是要證實我們的偏見，而是揭示事物的本質。 如果我告訴你，你可以「站著不動」而讓空間縮短你的房子和華盛頓紀念碑之間的距離，那會怎樣？廣義相對論準確地預測了這個新現象，宇宙似乎是我們今天所知道的唯一自然出現的場所。永恆不變的經緯度就像是粘在氣球表面的斑點一樣，當空間隨著時間的推移而膨脹時，星系仍然保持在它們所在的未知。我們沒有理由認為可以憑直覺理解這種運動。 如果空間是這樣延伸的，那麼從這一刻到下一刻，全新的數百萬立方光年從何而來？廣義相對論給出的答案是，它們一直在那兒。為了更好地理解這是怎麼發生的，我喜歡把我們宇宙的形狀想像成一個「宇宙西瓜」。實際上這只是一個「封閉的」有限宇宙的形狀只是一個技術問題。有限的西瓜也比無限的便宜。 ... 廣義相對論可以同時預測整個宇宙的過去、現在和未來，並預測它的整個四維形狀。如果我們在宇宙時間線的一端切開四維的宇宙西瓜時，我們可以看到大爆炸不久後的三維空間和它所含的物質。在遙遠未來的宇宙西瓜的另一端，我們看到了宇宙大收縮前夕的空間和物質的崩潰。但在這兩者之間，我們的切片顯示了隨著空間從一個極端向另一個極端膨脹過程中的空間的形狀（封閉的球形空間）和星系的位置（固定的位置）。 作為一個普通的西瓜的特殊的切片，我們可以看到它的肉一直存在於完整的西瓜中。西瓜肉是作為一個連續的介質呈現的，我們不會去問一個特殊切片中的果肉來自西瓜的哪個部分。在宇宙學上，廣義相對論要求我們以相同的思維方式去思考三維空間。空間就像西瓜的果肉一樣，在四維空間中一直以完整的宇宙形態存在。但也只有在四維空間中，宇宙的完整形態才會顯現出來。對於為什麼我們的意識堅持每個時刻經歷的都是不同的宇宙，這是一個謎。這也是為什麼我們最終得出空間從何而來的悖論，實際上根本就不存在悖論。 ... 根據愛因斯坦的理論，空間不是「虛無」的，它只是宇宙引力場的別名。愛因斯坦曾經說過「時空並不是獨立存在的，它只是引力場的一種結構性質。」 如果你可以做這樣一個實驗，用開關把重力關閉，時空就會消失。這是物理學上所知的最後的拆除實驗，這類型實驗的環境影響是十分值得注意的。 一個時刻的引力場緊接著在下一個時刻又被無數粒子的量子攪動所束縛，這些粒子就像成群的蜜蜂，組成了引力場。在這種泡沫的騷動中，引力場被一個個的量子連接在一起，也可能還有更多其他的元素。也許就是在這裡，我們將找到宇宙膨脹和空間延伸的最終起源。我們希望備受期待的萬物理論能對此有更多的解釋，但要真正檢驗這一理論，可能需要只停留在我們想像中的技術和人力資源。 ... 宇宙大爆炸有明確的時刻嗎？ 廣義相對論的預測，我們的宇宙是在時間零點從無限密度、零空間的「奇點」生成的，但物理學家們現在有種非常強烈的感覺——這一時刻被任意數量的量子力學效應抹去了，所以我們永遠無法得知大爆炸後的前10^43秒的時間。正如格特魯德·斯泰因在談到加利福尼亞州奧克蘭時所說的那樣 「那裡沒有『那裡（空間）』」，在10^-43秒的時候，大自然可能會告訴我們，在大爆炸之前，「那裡也沒有『時候（時間）』」這一時刻消失在一些奇怪的量子迷霧中，並且如史蒂芬·霍金推測的那樣，時間實際上可能會被彎曲到一個新的空間維度，甚至在這種狀態下都無法定義。普通的相對論無法描述這種情況，只有一些結合相對論和量子力學的未來的結論才能告訴我們更多。 ... 大爆炸的導火線 最後我們來討論現代宇宙學中最困難的問題。在煙火表演中，我們可以追溯到導致爆炸的所有事件，追溯到製造火藥化學家和包裹炸藥的人。然而，廣義相對論並不能告訴我們導致大爆炸的等類事情。實際上，它最有力的論點之一是——時間本身可能不存在。那麼如果我們甚至不能將事件框定為「這是首先發生的……然後是這個……接著是……」，我們該如何討論或思考引發整個事件的條件或過程呢？著仍是大爆炸的基本奧秘，它似乎頑強地超越了我們創造出的每一種數學描述。 我們所知道的所有邏輯框架都是基於事件或狀態鏈的。我們在物質世界中所有這類鏈條的經歷都被及時安排好了。即使數學和理論告訴我們「大爆炸之前發生了什麼」是一個不符合邏輯或不合理的問題，我們仍然堅持認為這是一個向大自然提出的恰當的問題，我們也期待有一個明確的答案。然而，就像我們在本世紀所了解到的物質世界中的許多其他事情一樣，當我們探索物質世界的極限時，我們的關於哪些問題應有明確答案的直覺往往是有缺陷的。 ... 我在寫這篇文章之前，在航天博物館看了迄今為止我覺得最好得電影之一——「宇宙之旅」。儘管它以煙火表演的形式展示了宇宙大爆炸，這不要緊。不需要專家就能讓大家接受大爆炸是歷史上一個壯觀的時刻這一事實。令人驚奇的還有，人類的大膽無畏可能已經解開了其中的一些神秘面紗，並揭示了一個比任何人的想像都要陌生得多的宇宙。 儘管如此，在遠離我們現在正在探索的更大的物質世界的情況下，我們仍然被千禧年以來積累的直覺所困擾。一切看起來如此陌生、複雜……

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