第9章 膨胀的宇宙(2)
坍缩时,其中的粒子可以不都碰撞,而是相互离得很近飞过然后又离开,产生了现在的宇宙膨胀。那么何以得知这实际的宇宙是否从大爆炸起始的呢?利弗席兹和哈拉尼可夫所做的,是去研究大体和弗里德曼模型相像的宇宙模型,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相互离开,这样的模型也可以从一个大爆炸开始。但是他们宣称,这只在某些例外的模型中仍然可能发生,那里所有星系都以正确的方式运动。他们论证道,似乎没有大爆炸奇点的类弗里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,在实际上并没有过大爆炸。

  然而,他们后来意识到,存在更为广泛的具有奇点的类弗里德曼模型,那里的星系不必以任何特别的方式运动。所以,他们在1970年撤回了自己的主张。

  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一定有过大爆炸或时间的开端?对于这个问题,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个事实,他证明了,坍缩的恒星在自己的引力作用下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,所以物质的密度和时空的曲率变成无限大。换言之,人们得到了一个奇点,它被包含在一个叫做黑洞的时空区域中。

  彭罗斯的结果乍看起来只适用于恒星,它并没有涉及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,当彭罗斯在创作他的定理之时,我还是一名研究生,正在尽力寻求一个完成博士论文的问题。两年之前我即被诊断得了肌萎缩性(脊椎)侧索硬化症,通常又称为卢伽雷病或运动神经细胞病,并且得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,我没有糟糕到那种程度。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·瓦尔德订婚了。但是为了结婚,我需要一份工作;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定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里德曼模型,这定理的条件仍然成立。彭罗斯定理已经指出,任何坍缩星必定终结于一个奇点;其时间颠倒的论证则是,任何类弗里德曼膨胀宇宙一定是从一个奇点开始。为了技巧上的原因,彭罗斯定理需要宇宙在空间上是无限的条件。于是,在实质上,我能用它来证明,只有当宇宙膨胀得快到足以避免重新坍缩时(因为只有那些弗里德曼模型才是空间无限的),才一定存在一个奇点。

  在随后的几年中,我发展了新的数学技巧,从用于证明奇点一定发生的定理中除去了这个和其他技术上的条件。最后的结果是1970年彭罗斯和我的合作论文。那篇论文最后证明了,假定广义相对论是正确的,而且宇宙包含着我们观测到的这么多物质,则过去一定有过一个大爆炸奇点。我们的工作遭遇到许多的反对,部分来自苏联人,由于他们对马克思主义科学决定论的信仰;另一部分来自某些人,他们认为整个奇点的观念是不一致的,并糟蹋了爱因斯坦理论的完美。然而,人实在不能辩赢数学定理。所以我们的工作最终被广泛接受,现在几乎每个人都假定宇宙是从一个大爆炸奇点起始的。颇具讽刺意味的是,现在我改变了想法,试图去说服其他物理学家,事实上在宇宙的开端并没有奇点——正如我们将要看到的,�