編者按
《最初三分鐘：關于宇宙起源的觀點》是科普讀物的里程碑之作，由1979年諾貝爾物理獎得主、美國物理學家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）在1977創(chuàng)作，是最早關于探討宇宙起源的代表作品，與《時間簡史》、《物種起源》等著作共同被評為“改變世界的25本科普書”。該書講述了宇宙形成初期的一些基本理論，至今仍影響著人類對宇宙世界的探索發(fā)現。
作為物理學和宇宙學領域的權威，溫伯格向世人描繪了一幅令人震撼的宇宙起源圖，宇宙在最初0.01秒、1秒、1分鐘或最初一年，是什么樣子？早期宇宙在某時刻的溫度、密度和化學成分如何？在書中，溫伯格對宇宙學進行了總結和展望，同時以他深邃的洞見和卓越的學識，激發(fā)著越來越多的人探索宇宙的熱情。
本文節(jié)選自史蒂文·溫伯格著《最初三分鐘：關于宇宙起源的觀點》第二章，該書已在賽先生書店上架，點擊文章底部“閱讀原文”購買此書。
撰文
史蒂文·溫伯格
根據這半個世紀的觀測結果通常得出這樣的結論，即星系正在退行，離我們而去，速度與距離成正比（至少當速度不太接近光速時）。當然，正如我們在探討宇宙學原理時已經強調的那樣，這并不意味著我們在宇宙中處于任何特殊的受寵或遭冷落的位置；任意一對星系正以與其間隔成正比的相對速度分離開來。對哈勃原始結論所作出的最重要的修改是對銀河外距離尺度的修訂：部分原因是由于沃爾特·巴德和其他人重新驗證萊維特·沙普利造父變星的周期-光度關系，現在人們預估的遙遠星系的距離比哈勃時代所認為的距離要大10倍左右。因此，現在人們認為，哈勃常數僅為15千米/ 秒/ 百萬光年。
這些對宇宙的起源意味著什么？如果星系正迅速分離，那它們一定曾經距離非常近。具體地講，如果它們的速度保持不變，那么，任意一對星系到達它們現在間隔所需的時間，恰好是它們之間的當前距離除以相對速度所得出的數值。但對于與當前間隔成正比的速度來說，這個時間對任意一對星系都是一樣的——它們在過去的同一時刻一定也曾密不可分！假設哈勃常數為15千米/秒/百萬光年，那么, 星系開始分離以來的時間就是100萬光年除以15km/s，或200億年得出的數值。我們應把通過這種方式計算得出的“年齡”稱為“特征膨脹時間”；它僅僅是哈勃常數的倒數。宇宙的實際年齡其實小于特征膨脹時間，因為正如我們所看到的一樣，星系并不是以不變速度運行的，相反，由于受到相互引力的影響，速度會逐漸減慢。因此，如果哈勃常數為15千米/秒/百萬光年，那宇宙年齡一定小于200億光年。
有時，我們只是簡要進行總結，宇宙規(guī)模在不斷擴大。這并不意味著宇宙的規(guī)模一定有窮，盡管這很有可能。之所以這樣說，是因為在任何一個特定時刻，任意一對典型星系之間的間隔都按照相同的分數增加。在任何一個間隔非常短，星系速度幾乎保持不變的間隔時間范圍內，如果用一對典型星系的相對速度乘以實耗時間，或者根據哈勃定律，用哈勃常數乘以間隔再乘以時間，即可得出一對典型星系之間的間隔增加值。但這樣的話，間隔的增加值與間隔本身之間的比率就是哈勃常數乘以實耗時間最終得出的乘積，這對任意一對星系來說都是一樣的。例如，在1%特征膨脹時間間隔期間（哈勃常數的對等物），每對典型星系的間隔都會增加1%；也就是說，宇宙的規(guī)模是按照1%增加的。
我不想給人留下這樣一種印象，好像所有人都同意紅移這種解釋方式。實際上，我們并沒有觀測到正迅速遠離我們而去的星系；能夠確定的是，它們光譜中的線向紅端偏移，即向較長的波長偏移。有些著名天文學家懷疑紅移是否與多普勒偏移或宇宙膨脹有關。海耳天文臺的霍爾頓·阿普就曾強調指出，天空中存在這樣一些星系群，它們的紅移與其他星系群不同；如果這些星系群代表鄰近星系真實的物理關系，那么，它們幾乎不可能擁有總體不同的速度。另外，1963年，馬頓·施密特還發(fā)現，某些貌似恒星的物體卻有著巨大的紅移，有時竟超過了300% ！如果這些“類星體”如它們的紅移所顯示的那樣遙遠，那它們所發(fā)出的能量必定是異常巨大，所以才會如此明亮。最后想說的是，在這樣遙遠的距離確定速度和距離之間的關系實非易事。
然而，有一種獨立的方法可以確認星系是否真的像紅移所顯示的那樣，正在分離開來。我們已經看到，關于紅移的這種解釋說明宇宙膨脹開始于不到200億年前。因此，如果我們能夠找到任何其他證據證明宇宙的確那么老，那它基本上就得到了證實。實際上，有很多證據可以證明我們的星系為100～150億歲。我們是根據地球上相對豐富的各種放射性同位素（尤其是鈾同位素、U-236 和U-238）以及恒星演化的計算結果進行預估的。當然，我們并沒有發(fā)現放射率或恒星演化速度與遙遠星系的紅移之間存在直接關系，因此我們可以假設，根據哈勃常數推斷出的宇宙年齡的確代表著一個真正的開始。
在這方面，回顧一下歷史是非常有意思的。在20世紀30—40 年代，人們認為哈勃常數要大得多，約為170千米/秒/百萬光年。如果是這樣的話，那按照我們之前的推理，宇宙的年齡應為100萬光年除以170km/s 得出的數值，即約為20 億歲，如果我們將引力制動考慮在內，那么, 通過這種方式得出的宇宙的年齡還要更小一些。但自從拉瑟福德勛爵研究放射現象以來，眾所周知，地球的年齡要比這大得多，目前，人們普遍認為地球的年齡約為46 億歲！地球的年齡不太可能比宇宙還要大，因此，天文學家不得不懷疑，紅移是否真的能夠告訴我們宇宙的年齡。在20 世紀30~40年代，一些最有見地的天文學思想即起源于這一明顯的悖論，其中或許還包括恒穩(wěn)態(tài)理論。20 世紀50 年代，銀河外距離尺度膨脹了10 倍，從而消除了年齡悖論，或許這正是大爆炸宇宙學作為一個標準理論出現的基本前提。
我們在這里一直描述的宇宙畫面，是一個不斷膨脹的星系群。迄今為止，光僅僅起著“恒星信使”的作用，傳遞星系距離和速度信息。但是，早期宇宙的情況卻大相徑庭；正如我們所看到的那樣，當時宇宙的主要組成成分是光，而普通物質僅起著點綴作用，其作用甚至可以忽略不計。因此，我們需要重新說明迄今為止所了解的紅移在膨脹宇宙中對光波行為的影響，這對以后還是有用的。
假設一個光波在兩個典型星系之間傳播。兩個星系之間的間隔等于光的傳播時間與光速的乘積，而兩個星系之間的間隔在光傳播過程中的增加值等于光的傳播時間與星系相對速度的乘積。當我們計算間隔的分數增加值時，用間隔的平均值除以間隔的增加值，結果發(fā)現光的傳播時間被抵消了；這兩個星系（因此也是任何其他典型星系）在光的傳播時間內的間隔分數增加值等于星系相對速度與光速之間的比率。但正如我們之前所看到的那樣，該比率同樣適用于在光的傳播過程中光波波長的分數增加值。因此，當宇宙發(fā)生膨脹時，任何一條光線的波長增加值均與兩個典型星系之間的間隔成正比。我們可以認為，波峰是被宇宙的膨脹“拉”得間隔越來越遠。盡管我們的論點應用得非常嚴格，它僅適用于短的傳播時間，但如果我們將一系列傳播過程匯總在一起，即可得出結論，即情況大致都是相同的。例如，當我們觀測星系3C295，發(fā)現其光譜中的波長比光譜波長標準表中的波長大46%時，可以認為宇宙現在比光離開3C295 時大了46%。
至此，我們已論述了被物理學家稱為“運動”的物質，對運動作了描述，而沒有考慮支配運動的那些力量。但是，若干世紀以來，物理學家和天文學家也曾試圖理解宇宙的動力學。這樣就不可避免地需要研究兩個天體間的唯一一種作用力，即引力的宇宙作用。
或許正如人們所認為的那樣，第一個解決了這個問題的人是伊薩克·牛頓。在與劍橋古典主義者理查德·本特利的一封著名的通信中，牛頓承認，如果宇宙物質平均分布在有窮的區(qū)域中，那它們都會向中心墜落，“并在那里形成一個巨大的球形質量?！绷硪环矫?，如果物質平均分散在無窮的空間中，那它們就沒有中心可以墜落?；蛟S在這樣的情況下，它們能夠收縮成無數的團，分散在宇宙中；牛頓指出，這有可能就是太陽和恒星的起源。
在廣義相對論提出之前，人們在研究無窮介質的動力學時，遇到了極大的困難，這嚴重地阻礙了進一步的進展。這里不適合解釋廣義相對論，無論如何，事實證明，它對宇宙學的重要性比人們最初認為的要小。阿爾伯特·愛因斯坦曾使用非歐幾里德幾何理論來解釋引力作為時空曲率效應的原因，僅此一點就足以證明上述內容了。1917年，在愛因斯坦提出廣義相對論一年后，他又試圖為他的方程尋找解法，說明整個宇宙的時空幾何。根據當時流行的宇宙學思想，愛因斯坦非常明確地尋找一種均勻的、各向同性的解法，但很不幸又是靜態(tài)的解法。他并沒有成功。為了獲得一個適合這些宇宙假設的模型，愛因斯坦不得不肢解他的方程，引入了一個項，即所謂的宇宙常數，這極大地損害了原始理論的精確性，但卻有助于平衡大距離內的引力。
愛因斯坦的宇宙模型確實是靜態(tài)的，并沒有作出紅移預測。同一年，即1917年，荷蘭天文學家W. 德西特找到了被修正了的愛因斯坦理論的另一個解法。盡管這個解法看似還是靜態(tài)的，但根據當時流行的宇宙學思想，也是可以接受的，但它有一個非凡的特點，即預測紅移與距離成正比！當時，歐洲天文學家還不知道存在大的星云紅移。但在第一次世界大戰(zhàn)束時，觀測到大紅移的消息從美國傳到了歐洲，德西特的模型立即聲名遠揚。事實上，在1922年，英國天文學家阿瑟·愛丁頓撰寫了第一篇關于廣義相對論的綜合論文，在這篇論文中，他分析了現有的關于德西特模型的紅移數據。哈勃自己也指出，正是德西特模型使天文學家開始關注紅移與距離彼此相依賴的重要性，也許在1929年他發(fā)現紅移與距離成正比關系的時候，這個模型就已經出現在他的腦中了。
在今天看來，如此強調德西特模型的重要性似乎有些不妥。比如，它根本不是一個真正的靜態(tài)模型——它看似靜態(tài)，是因為它引用了一種比較奇特的空間坐標方式，但實際上，在這個模型中，兩個“典型”觀測者之間的距離是隨時間的變化而增加的，也正是這個總體退行產生了紅移。另外，之所以說在德西特模型中，紅移與距離成正比，是因為這個模型符合宇宙學原理，正如我們已經看到的那樣，我們認為在符合宇宙學原理的所有理論中，相對速度和距離均成正比。
無論如何，遙遠星系退行的發(fā)現很快就引起了人們關注均勻的、各向同性的，但非靜態(tài)的宇宙模型。于是，引力場方程已不再需要“宇宙常數”，愛因斯坦開始后悔曾經如此大幅度地修改自己的原始方程。1922年，俄羅斯數學家亞歷山大·弗里德曼找到了愛因斯坦原始方程的基本的、均勻的、各向同性的解法。正是基于愛因斯坦原始場方程的弗里德曼模型，而不是愛因斯坦或德西特模型，為大多數現代宇宙理論提供了數學背景。
弗里德曼模型包括兩種截然不同的類型。如果宇宙物質的平均密度小于或等于某個臨界值，那宇宙必定是無窮的。在這種情況下，當前的宇宙膨脹會一直持續(xù)下去。但如果宇宙物質的密度大于這個臨界值，那物質產生的引力場就會使宇宙彎曲并回到自身；盡管它無邊無際，但卻是有窮的，就像球面那樣（也就是說，如果我們沿直線前行，不會到達宇宙的任何邊緣，而最終只會回到起點）。在這種情況下，引力場會最終強大到一定程度，阻止宇宙繼續(xù)膨脹，并最終塌縮，重新形成無限大的密度。臨界密度與哈勃常數的平方成正比；如果按照當前流行的數值，即15千米/秒/百萬光年，臨界密度等于5×10-30g/cm3 ，或大約每千升空間3個氫原子。
在弗里德曼模型中，任何典型星系的運動都與從地面上向上拋起的石頭運動完全相似。如果石頭拋起的速度足夠快，或地球的質量足夠?。ǘ咂鋵嵤且换厥拢?，那么，石頭就會逐漸降速，但仍會脫離地球，進入無窮的宇宙。這意味著宇宙密度小于臨界密度。但如果石頭拋起的速度不夠快，那它將會上升到最大高度然后回降。這當然意味著宇宙密度大于臨界密度。
這一類比清楚地說明了為什么不可能找到愛因斯坦方程的靜態(tài)宇宙學解法——當我們看到石頭從地面拋起或向地面降落時，也許不以為奇，但我們卻不可能看到石頭懸浮在半空中，靜止不動。這一類比還有助于避免對宇宙膨脹產生一個常見的誤解。星系不是因為某些神秘的力量才迅速分離開來，就像在我們的類比中，拋起的石頭不是受地球的排斥一樣。相反，星系的分離是由于過去發(fā)生的某種類型的爆炸而造成的。
