很清楚,關於在任何方向上宇宙都顯得是一樣的假設實際上是不對的。例如,正如我們所看到的,我們星係中的其他恒星形成了橫貫夜空的叫做銀河係的光帶。但是如果看得更遠,星係數目就或多或少顯得是同樣的。所以假定我們在比星係間距離更大的尺度下來觀察,而不管在小尺度下的差異,則宇宙確實在所有的方向看起來是大致一樣的。
在很長的時間裏,這為弗利德曼的假設——作為實際宇宙的粗糙近似提供了充分的證實。
但是,近世出現的一樁幸運的事件所揭示的事實說明了,弗利德曼假設實際上異常準確地描述了我們的宇宙。
1965年,美國新澤西州貝爾電話實驗室的阿諾?彭齊亞斯和羅伯特?威爾遜正在檢測一個非常靈敏的微波探測器時(微波正如光波,但是它的頻率隻有每秒100億次振動的數量級),他們的檢測器收到了比預想的還要大的噪聲。彭齊亞斯和威爾遜為此而憂慮,這噪聲不像是從任何特別方向來的。首先他們在探測器上發現了鳥糞並檢查了其他可能的故障,但很快就排除了這些可能性。他們知道,當探測器傾斜地指向天空時,從大氣層裏來的噪聲應該比原先垂直指向時更強,因為光線在沿著靠近地平線方向比在頭頂方向要穿過更厚的大氣。然而,不管探測器朝什麼方向,這額外的噪聲都是一樣的,所以它必須是從大氣層以外來的,並且在白天、夜晚、整年,也就是甚至地球繞著自己的軸自轉或繞太陽公轉時也是一樣的。這表明,這輻射必須來自太陽係以外,甚至星係之外,否則當地球的運動使探測器指向不同方向時,噪聲必須變化。事實上,我們知道這輻射必須穿過我們可觀察到的宇宙的大部分,並且由於它在不同方向都一樣,至少在大尺度下,這宇宙也必須是各向同性的。現在我們知道,不管我們朝什麼方向看,這噪聲的變化總不超過萬分之一。這樣,彭齊亞斯和威爾遜無意中極其精確地證實了弗利德曼的第一個假設。
大約同時,在附近的普林斯頓的兩位美國物理學家,羅伯特?狄克和詹姆士?皮帕爾斯也對微波感興趣。他們正在研究喬治?伽莫夫(曾為亞曆山大?弗利德曼的學生)的一個見解:早期的宇宙必須是非常密集的、白熱的。狄克和皮帕爾斯認為,我們仍然能看到早期宇宙的白熱,這是因為光是從它的非常遠的部分來,剛好現在才到達我們這兒。然而,宇宙的膨脹使得這光被如此厲害地紅移,以至於現在隻能作為微波輻射被我們所看到。正當狄克和皮帕爾斯準備尋找這輻射時,彭齊亞斯和威爾遜聽到了他們所進行的工作,並意識到,自己已經找到了它。為此,彭齊亞斯和威爾遜被授予1978年的諾貝爾獎(狄克和皮帕爾斯看來有點難過,更別提伽莫夫了!)現在初看起來,關於宇宙在任何方向看起來都一樣的所有證據似乎暗示,我們在宇宙的位置有點特殊。特別是,如果我們看到所有其他的星係都遠離我們而去,那似乎我們必須在宇宙的中心。然而,還存在另外的解釋:從任何其他星係上看宇宙,在任何方向上也都一樣。我們知道,這正是弗利德曼的第二個假設。我們沒有任何科學的證據去相信或反駁這個假設。我們之所以相信它隻是基於謙虛:因為如果宇宙隻是在我們這兒看起來各向同性,而在宇宙的其他地方並非如此,則是非常奇異的!在弗利德曼模型中,所有的星係都直接相互離開。這種情形很像一個畫上好多斑點的氣球被逐漸吹脹。當氣球膨脹時,任何兩個斑點之間的距離加大,但是沒有一個斑點可認為是膨脹的中心。並且斑點相離得越遠,則它們互相離開得越快。類似地,在弗利德曼的模型中,任何兩個星係互相離開的速度和它們之間的距離成正比。所以它預言,星係的紅移應與離開我們的距離成正比,這正是哈勃所發現的。盡管他的模型的成功以及預言了哈勃的觀測,但是直到1935年,為了響應哈勃的宇宙的均勻膨脹的發現,美國物理學家哈瓦?羅伯遜和英國數學家阿瑟?瓦爾克提出了類似的模型後,弗利德曼的工作在西方才被普遍知道。
雖然弗利德曼隻找到一個模型,其實滿足他的兩個基本假設的共有三種模型。在第一種模型(即弗利德曼找到的)中,宇宙膨脹得足夠慢,以至於在不同星係之間的引力使膨脹變慢下來,並最終使之停止。然後星係開始相互靠近,宇宙開始收縮。圖3.2表示隨時間增加兩個鄰近的星係的距離的變化。剛開始時距離為零,接著它增長到最大值,然後又減小到零;在第二類解中,宇宙膨脹得如此之快,以至於引力雖然能使之緩慢一些,卻永遠不能使之停止。圖3.3表示此模型中的鄰近星係的距離隨時間的變化。剛開始時距離為零,最後星係以穩恒的速度相互離開;最後,還有第三類解,宇宙的膨脹快到足以剛好避免坍縮。正如圖3.4所示,星係的距離從零開始,然後永遠增大。然而,雖然星係分開的速度永遠不會變為零,這速度卻越變越慢。
第一類弗利德曼模型的奇異特點是,宇宙在空間上不是無限的,並且是沒有邊界的。
引力是如此之強,以至於空間被折彎而又繞回到自身,使之相當像地球的表麵。如果一個人在地球的表麵上沿著一定的方向不停地旅行,他將永遠不會遇到一個不可超越的障礙或從邊緣掉下去,而是最終走到他出發的那一點。第一類弗利德曼模型中的空間正與此非常相像,隻不過地球表麵是二維的,而它是三維的罷了。第四維時間的範圍也是有限的,然而它像一根有兩個端點或邊界即開端和終端的線。以後我們會看到,當人們將廣義相對論和量子力學的測不準原理結合在一起時,就可能使空間和時間都成為有限的、但卻沒有任何邊緣或邊界。
一個人繞宇宙一周最終可回到出發點的思想是科學幻想的好題材,但實際上它並沒有多大意義。因為可以指出,一個人還沒來得及繞回一圈,宇宙已經坍縮到了零尺度。
你必須旅行得比光波還快,才能在宇宙終結之前繞回到你的出發點——而這是不允許的!
在第一類弗利德曼模型中,宇宙膨脹後又坍縮,空間如同地球表麵那樣,彎曲後又折回到自己。在第二類永遠膨脹的模型中,空間以另外的方式彎曲,如同一個馬鞍麵。
所以,在這種情形下空間是無限的。最後,在第三類剛好以臨界速率膨脹的弗利德曼模型中,空間是平坦的(所以也是無限的)。
但是究竟可用何種弗利德曼模型來描述我們的宇宙呢?宇宙最終會停止膨脹並開始收縮或將永遠膨脹嗎?要回答這個問題,我們必須知道現在的宇宙膨脹速度和它現在的平均密度。如果密度比一個由膨脹率決定的某臨界值還小,則引力太弱不足於將膨脹停住;如果密度比這臨界值大,則引力會在未來的某一時刻將膨脹停止並使宇宙坍縮。
利用多普勒效應,可由測量星係離開我們的速度來確定現在的宇宙膨脹速度。這可以非常精確地實現。然而,因為我們不是直接地測量星係的距離,所以它們的距離知道得不是非常清楚。所有我們知道的是,宇宙在每10億年裏膨脹5%至10%。然而,我們對現在宇宙的平均密度測量得更不準。我們如果將銀河係和其他所有能看到的星係的恒星的質量加起來,甚至是按對膨脹率的最低的估值而言,其質量總量比用以阻止膨脹的臨界值的1%還少。然而,在我們以及其他的星係裏應該有大量的“暗物質”,那是我們不能直接看到的,但由於它的引力對星係中恒星軌道的影響,我們知道它必定存在。況且人們發現,大多數星係是成團的。類似地,由其對星係運動的效應,我們能推斷出還有更多的暗物質存在於這些成團的星係之間。將所有這些暗物質加在一起,我們仍隻能獲得必須用以停止膨脹的密度的十分之一。然而,我們不能排除這樣的可能性,可能還有我們未能探測到的其他的物質形式幾乎均勻地分布於整個宇宙,它仍可以使得宇宙的平均密度達到停止膨脹所必要的臨界值。所以,現在的證據暗示,宇宙可能會無限地膨脹。
但是,所有我們能真正了解的是,既然它已經膨脹了100億年,即便如果宇宙還要坍縮,則至少要再過這麼久才有可能。這不應使我們過度憂慮——到那時候。除非我們到太陽係以外開拓殖民地,人們早由於太陽的熄滅而死亡殆盡!
所有的弗利德曼解都具有一個特點,即在過去的某一時刻(約100到200億年之前)鄰近星係之間的距離為零。在這被我們稱之為大爆炸的那一時刻,宇宙的密度和空間——時間曲率都是無窮大。因為數學不能處理無窮大的數,這表明廣義相對論(弗利德曼解以此為基礎)預言,在宇宙中存在一點,在該處理論自身失效。這正是數學中稱為奇點的一個例子。事實上,我們所有的科學理論都是基於空間——時間是光滑的和幾乎平坦的基礎上被表述的,所以它們在空間——時間曲率為無窮大的大爆炸奇點處失效。這表明,即使在大爆炸前存在事件,人們也不可能用之去確定之後所要發生的事件,因為可預見性在大爆炸處失效了。正是這樣,與之相應的,如果我們隻知道在大爆炸後發生的事件,我們也不能確定在這之前發生的事件。就我們而言,發生於大爆炸之前的事件不能有後果,所以並不構成我們宇宙的科學模型的一部分。因此,我們應將它們從我們模型中割除掉,並宣稱時間是從大爆炸開始的。