霍金公开博士论文 之宇宙膨胀学说发展三种未来命运 及霍金的答案

亚力山大.弗里德曼从爱因斯坦的相对论出发，研究了“穹形”结构。他发现，一个时间不发生变化的空间，即静止的宇宙是不存在的。随着时间的推移，空间要么变大，要么缩小。弗里德曼对这两种情况作了区分。显然，宇宙在膨胀，星系在以一定的速度远离，阻止这一过程的力量来自星系之间的引力。第一种情况，当整个宇宙的密度很大时，万有引力也很大，因此星系退行的速度会不断减慢直到星系的退行停止，也就是宇宙的膨胀停止了。这个停止的过程不会很久，使宇宙慢下来的力导致宇宙逆转其进程，就像反着放电影胶片一样，宇宙开始收缩，直到成为一点。这种宇宙模型叫做封闭式模型；开放式模型在宇宙开始时体积为零，一旦开始膨胀，便不停地膨胀下去，因为宇宙的物质密度不足以提供使它停下的万有引力。这两种模型就像人类发射火箭的情景。当火箭耗尽燃料后速度小于第一宇宙速度时，火箭升空的速度越来越慢，最终在重力的吸引下落回地面；如果火箭在燃料耗尽后达到了第一宇宙速度，它就会飞向太空，与地面永久地告别。目前我们在宇宙中观察的现象是，星系是相互飞离的。

不论是封闭的宇宙模型还是开放的宇宙模型，随着时间的推移，星系的退行速度肯定是要变慢的。然而，生存在膨胀宇宙中的人类无法断定宇宙的模型到底是封闭的还是开放的，因为两者都有膨胀的时期。让我们放开想象的翅膀，为生存在收缩宇宙的“人类”设想一下，他们也会为选择宇宙模型而苦恼，到底宇宙是会永远收缩下去呢，还是会在收缩过后又膨胀呢？各家都有难念的经。

弗里德曼还建立了第三种模型，称为平直式，在开始时这种宇宙与封闭式、开放式一样膨胀，此后虽然宇宙也不停地膨胀，但总是在收缩的边缘徘徊。

难以解答的三选一问题

弗里德曼之后的科学家们试图为宇宙圈定唯一的道路，于是宇宙的物质密度和膨胀速度成为讨论的焦点。星系退行的速度相对来说不会引来太多的麻烦，只要观测的更细致，计算的更准确些就行了。但宇宙的物质密度却是个令人头疼的问题。如果仅就人类观察范围内的物质质量来计算的话，宇宙的物质密度是很小的，宇宙将永远膨胀下去。但是不要忘了，宇宙中还有许多的未知领域，很可能有我们看不到的物质存在，它们的质量也应计算在内。科学家们把看不到的物质称为“暗物质”，并区分出热暗物质和冷暗物质。热暗物质是指有质量的中微子。在前几章中我们提到过中微子，并说它是没有质量的。然而有的科学家认为中微子是有质量的，只是微小到几乎检测不出来的地步。1994年，一位叫怀特的科学家测得，中微子的质量为质子质量的两亿到二十亿分之一。冷暗物质就像是隐身人一样，不给人类发现它的机会，人类只能猜测它的存在，并认为冷暗物质是多品种的。不管怎么说，只要有暗物质存在，宇宙的物质密度就得重新计算，并影响科学家们对宇宙模型的选择。

宇宙的模型还是交给科学家们去选择吧，我们姑且到未来去旅行，看一看不同模型中宇宙的未来，你喜欢什么样的结局，就相信什么样的模型好了。在开放的宇宙中，接下来的数十亿年内宇宙的变化不大，还会有新的星系和恒星出现，只是它们会变的越来越暗淡。这一方面是星系距离我们越来越远的缘故，另一方面恒星内部的核反应会慢慢变弱，直到恒星之火熄灭。此时的宇宙将不可抗拒地暗下来，恒星在耗尽有限的燃料后相继灭亡，最终的归宿是黑洞。黑洞是那时宇宙中唯一的守望者。

反驳

但是2011诺贝尔物理学奖的获得者发现宇宙在加速膨胀，也就是说，这与弗里德曼的理论相反。

理论挑战

望远镜的观测结果显示大多数星系会表现出“红移”，并且随着星系变得更加遥远，红移的程度会增加。从任何居住在这些星系里的人们的角度来看，放佛星系邻居正在远离你。（即宇宙膨胀）

虽然这个观点听上去非常单调，但它标志着对宇宙本质、起源和命运的革命性观点的开始，这暗示着几十亿年前，宇宙比现在要更加密集，且始于宇宙大爆炸。

然而，近日德国海德堡大学的克里斯托弗·威特瑞奇（Christof Wetterich）教授发表的一篇新文章挑战了这种传统思考方式。他指出原子释放的光也受到它们的组成粒子，也即电子的质量的支配。如果原子质量增加，那么吸收和释放的光将朝光谱的蓝色部分移动，反之则朝红色部分移动。

由于光的频率或者称“音调”会随着质量的增加而增加，威特瑞奇教授辩论称在很久以前原子质量可能非常低，如果质量在持续增加，那么古老星系的颜色将表现出红移——而红移的程度取决于它们距离地球有多远。“我的同事尚未发现这一理论存在任何瑕疵，” 威特瑞奇说道。

尽管威特瑞奇的研究尚未发表在同行审阅的出版物上，《自然》期刊表示宇宙根本没有膨胀——甚至有可能在收缩——的观点已经引起有些专家的重视，例如英国圣安德鲁斯大学研究引力替代理论的宇宙学家赵洪生（HongSheng Zhao）教授。

“我并没有发现威特瑞奇教授的数学处理存在任何瑕疵，20年前曾出现了这个观点的初步版本，我认为探索宇宙膨胀的替代性观点非常迷人，宇宙的进化就像弹钢琴，从低音调逐渐过渡到高音调。”

对于自己的研究标志着两种不同观点的改变，威特瑞奇教授表现出超然甚至是幽默的态度。这两种观点代表了对现实的不同观点：要不就是星系之间的距离在增加，正如传统观点里所描述的，或者原子的大小在缩减从而增加了自身的质量；或者是这两种情况的复杂结合。威特瑞奇的观点的优势之一在于它能够在时间的起始处摈弃奇点，也即物理学原理瓦解的转折点，的物理现象。宇宙大爆炸在遥远的过去里已经变得模糊不清：“宇宙钢琴”的第一个音符太漫长太低沉了。

欧洲核子研究委员会（CERN）的物理学家、英国科学博物馆现代科学的哈里·克里夫（Harry Cliff）认为，粒子质量增加产生的效应类似于时空膨胀，这非常不可思议令人震惊。“利用两种不同的方法思考同一问题往往会引发新的见解，” 克里夫说道。“例如弦理论都是类似这样的‘二元性’，这使得理论学家能够选择使得计算更加简单的观点。”

如果威特瑞奇教授的观点是正确的，它将为思考宇宙的新方式铺平道路。如果幸运的话，我们或可能获得革命性的新观点，正如一个世纪前哈勃提出的观点一样。

霍金的答案

即便到了那个时候，宇宙的演化也没有停止，因为黑洞的生命也不是永恒的。人们刚开始研究黑洞时，认为它是个无比贪婪的家伙，会吃掉落入其魔爪的任何东西，而且一毛不拔，任何形式的能量和物质都逃不出来。后来的研究者改变了这一看法。

谈黑洞的性质就不能不谈到霍金。史蒂芬·霍金1942年1月8号出生于英国的牛津，而300年前的1月8号，恰好是伽利略逝世的那一天。霍金在牛津大学毕业后，到英国的另一所著名大学剑桥大学读研究生。1962年春天的一个下午，他忽然发现自己连系鞋带都很困难。经过医生的诊断，他得了肌萎缩性侧索硬化症，换句话说，是一种不治之症，医生遗憾地告诉他，他的生命还有两年的时光。霍金开始时非常沮丧，同患了绝症的其他人一样，借酒消愁。很快，霍金就从这种状态中摆脱出来，对宇宙命运的关注使他忘记了自己还有多少时光。而上帝似乎也忘记了霍金的人间岁月的长短，任由他的思想在宇宙中遨游。到20世纪70年代初，霍金的双手已基本瘫痪，他不能画图，也不能书写算式。于是他自创了一种研究方法，用思维来画图与计算。他将公式想象为各种图形，在他的思维世界里，通过图形的变化来代替用笔来计算。这种独特的思维方式帮助他发现了黑洞的性质：黑洞的表面积永远不会缩小。不久，他又发现，黑洞并不完全是“黑”的，黑洞的巨大引力能把宇宙中的粒子对（分别带有负能量和正能量的粒子）中的那个带负能量的粒子吸入黑洞，使黑洞的质量减小；而另一个以辐射的形式向外逃逸，从而被外部的观测者发现。这就是黑洞辐射的机制。

霍金的宇宙模型是一个封闭的无边界的有限四维时空，并没有给上帝留出位置。不过罗马教廷仍然推选他作为教廷科学院的院士，因为他支持大爆炸理论，而“支持大爆炸理论的人，都是教会的朋友。”教会甚至要授予霍金一枚奖章。但是霍金对教会审判伽利略还是耿耿于怀，坚持要在领奖前看一眼教会图书馆中保存的审判伽利略的记录。最后，教会让步了。伽利略被宣布无罪。

宇宙膨胀率

美国天文学家首次直接观测到了一颗造父变星的直径变化，从而能直接计算它与地球之间的距离。这将有助于更精确地测量各星系与地球的距离，“校准”宇宙膨胀率。宇宙膨胀率造父变星是亮度会发生周期性变化的一类恒星，北极星就是其中之一。据认为，这类恒星会像做“深呼吸”一样不断膨胀与收缩，产生光变。观测发现，造父变星的光变周期与其真实亮度（绝对光度）有关，因此从地球上观测到的亮度（视星等）同它们与地球的距离相关。如果得知一颗造父变星与地球间的确切距离，利用其它造父变星的视星等与绝对光度数据，就可以推算出这些变星的距离，从而确定它们所在的星系与地球的距离。而星系距离正是计算宇宙膨胀率的基础。但离地球最近的造父变星——北极星离地球也有几百光年，难以用传统的视差法直接测量其距离。以往科学家只能用间接方法估算含有造父变星的星群的距离，进而推断其它星系的距离。美国加州工学院帕洛马天文台的科学家在最新出版的英国《自然》杂志上报告说，他们采用“光学干涉测量”技术，使两台小型望远镜发挥一台大型望远镜的效果，直接观察到了“双子座泽塔”造父变星的膨胀与收缩。“双子座泽塔”是迄今发现的最亮的造父变星之一，离地球约1000光年。利用它的尺寸变化与亮度数据，就能直接计算它与地球的确切距离。在此基础上，科学家可以更精确地计算其它含有造父变星的星系与地球的距离。