主题：【评论】霍金的宇宙 -- 不爱吱声

基于这样的考虑，爱因斯坦又提出了一个重要观点，认为所有的非惯性系也都是等价的。在这样一种认识的基础上，爱因斯坦又提出了广义相对论。但是，爱因斯坦在他的广义相对论中，进一步思考引力的本质是什么。爱因斯坦发现，引力可以看做时空在物质作用下发生的弯曲效应。

　　另外，还在19世纪后期，美国物理学家迈克尔逊和莫霄就以实验证明了真空中光速的不变性，即不管在什么参考系中光都有相同的传播速度。而根据爱因斯坦的狭义相对论，这种光速不变性是理所当然的。由于光速不变，光速就把时间和空间联系了起来，因为光速乘以时间，就是空间的距离，两者之间有着确定的对应关系。于是，可以把时间看做空间的三维之外的第四维，把时间和空间合起来构成四维的时空。爱因斯坦的广义相对论，就是关于四维时空结构的理论。

　　1929年，美国天文学家哈勃和他的同事发现，我们的宇宙正在膨胀。在宇宙膨胀发现以后，人们于是就认识到时间也许确实有个起点。既然宇宙中星系之间的距离由于宇宙的膨胀在不断增大，那么反过来，在过去的某个时间，这些星系似乎应该靠在一起，甚至只是一个点，宇宙就是从这个点开始膨胀的。

　　比利时天文学家勒梅特从这样的考虑出发，提出了宇宙开始于一次“原始火球”的大爆炸学说。这次大爆炸，就是时间的起点。那时候时间为零，宇宙间所有物质集中在一个点，这个点的大小为零，也就是说那时候空间的大小也为零。因此，这个点的物质密度应该是无限大。

　　彭罗斯和霍金证明，广义相对论确实能够预言宇宙开始于大爆炸，即时间有个起点。广义相对论还预言，当物质密集到一定程度，会形成一个所谓“黑洞”，黑洞的引力无比强大，以至光都不能克服它的引力逃逸出来。因此，黑洞存在一个“视界”，视界内的情况我们用任何办法都不可能看到。视界内的物质集中于一个大小为零的点，那里的物质密度是无限大。彭罗斯和霍金证明，时间在那里将达到终点。

　　在时间的起点和终点，空间为零，物理定律在这种情况下将不复成立。物理学家当然不能接受这种情况，因此把这样的点称为奇点。据此，物理学家认为，我们所能观测到的宇宙不但在大的方向是有限的，而且在小的方向也是有限的，当小到一定程度时，我们就没有办法准确地观测它们的物理状况，这称为不确定性原理。这个小的方向的时间极限，称为普朗克时间，它等于5.4×10的负44次方秒(即略大于万亿亿亿亿亿分之五秒)。最小的空间距离极限称为普朗克长度，等于1.6×10的负35次方米(即不到千亿亿亿亿分之二米)。当小到接近这样的极限时，广义相对论的引力理论将不再适用，需要代之以量子引力理论。依靠尚在发展完善之中的量子引力理论，物理学家有可能避免遇到奇点的尴尬。

　　“要理解宇宙的起源，我们需要一个量子引力理论”

　　宇宙大爆炸理论认为，整个宇宙都聚集成一个单一的点，即大爆炸的奇点。从这一点产生了从无到有的过渡，形成了我们所描绘的宇宙。

　　物理学家认为，奇点并不是幻想的产物。他们借助黑洞对奇点的概念进行解释。当一颗具有足够大质量的恒星到了生命的最后时期，由于万有引力作用而发生坍缩时就形成了黑洞。黑洞巨大的引力使得其周围的空间弯曲，以至于物质极度收缩：邻近的恒星也被吸了进来，最终成千上万颗恒星都被卷入这宇宙的旋涡之中，于是就产生了一个具有巨大质量的集合体。物理学家将这个集合体视为大爆炸奇点的模式。

　　我们不妨静下心来，一同领略――

　　有限的宇宙

　　放眼向宇宙望去，我们看到的是无数发出亮光的星星和由它们组成的一个个星系。星星的寿命是有限的，虽然很多恒星的寿命可以长达100亿年甚至更长。可是，如果宇宙在空间上和时间上都是无限的，那么，只要恒星永远存在，世代更替，即老的恒星熄灭了，又有新的恒星诞生。于是，在任何时候，在无限的宇宙中就会有无限多颗恒星。假定这些恒星在大尺度上分布是均匀的(这基本上已被天文观测所证实)，无限多颗恒星就会布满整个天空。也就是说，即使在夜间，整个天空都会与白天一样明亮。这当然与事实不符。

　　这个矛盾，首先由德国的奥伯斯在1826年提出，所以称为“奥伯斯佯谬”。它说明，宇宙要么在空间上有尽头，要么在时间上有起点。至少，对于我们生活其中的宇宙是如此。

　　其实，只要宇宙在时间上有个起点，那么，由于光速的有限性，它在真空中的传播速度等于30万千米／秒，于是我们看到的宇宙就必定有个尽头，这就是我们所说的可见宇宙。比如说，按照天文学最新的测定结果，我们的宇宙的年龄为150亿年。那么我们能够看到的最远天体，离开我们的距离就是150亿光年，也就是光在150亿年中通过的路程，再远的就看不到了。

　　从牛顿到爱因斯坦的时空变换

　　1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出了他有名的万有引力定律。它使人们认识到了支配宇宙中天体运动的力量就是无所不在的万有引力。但是，牛顿的哲学思想，尚停留在人们对生活在其中的宏观世界的直观的思考之上。这种思考认为宇宙是无限的，在空间上无限延伸，在时间上无始无终：物质只是占有空间，空间是立体的，本身无形状可言，在几何上可以用一个三维直角坐标系来表达：时间的进程无论在什么地方都一样，与物质的运动无关。这样的宇宙，可以称做绝对宇宙。

　　牛顿把作匀速直线运动的参考系叫做惯性参考系。1905年，爱因斯坦在他的论文中提出，所有的惯性参考系都是等价的，也就是说，一切物理定律在惯性参考系中都同样适用，具有相同的形式。爱因斯坦的观点是正确的，因为人们不能在任何一个惯性参考系内部(也就是说，不参照这个参考系外部的物体)用任何物理定律去发现这个参考系与静止的参考系有什么差别。正是在这种认识的基础上，爱因斯坦建立了狭义相对论。

　　那么，如果我们处在一个非惯性参考系中，又如何呢?非惯性参考系的运动具有一定的加速度，可是，这种加速度可以被看作是一种重力(即万有引力)。例如，我们在电梯中，当电梯加速下降或者减速上升时，我们会感到身体有些轻飘飘的，重量似乎减小了。我们在电梯中不看外面的参照物，并不知道电梯在加速还是减速，只感到重力在变化。