《時間簡史》之讀書筆記——膨脹的宇宙

如果宇宙是靜態的，那麼按照牛頓的萬有引力定律，各天體將在引力作用下相互靠近，宇宙將快速坍縮。但事實並非如此，那麼什麼原因呢？靜態宇宙的觀念，一直維持到了20世紀早期，甚至愛因斯坦於1915年發表其廣義相對論的時候，還堅持靜態宇宙觀點，進而想出一個莫須有的宇宙常數來修正自己的理論。他還引入了一個「反引力」，使宇宙有膨脹傾向，平衡掉了引力引起的坍縮作用，從而維持靜態宇宙。

我們的宇宙到底是不是靜態的呢？事實勝於雄辯。埃德溫哈勃經過持之以恆的觀測，發現大部分星系的光譜都發生紅移，證實了星系正在遠離我們，宇宙正在不斷膨脹。此時，靜態宇宙的觀點不攻自破。哈勃的發現被稱為20世紀最偉大的智慧革命之一。為紀念哈勃的卓越貢獻，美國NASA發射了以其名字命名的太空空間望遠鏡，為我們送回了一幅幅令人嘆為觀止的宇宙圖像。

這裡要介紹一下光譜紅移。光譜紅移的原因是光的多普勒效應。當一個物體快速遠離我們的時候，他發出的光波的頻率不斷減小，波長不斷增大。在可見光的波長範圍內，波長的增大使得光譜顏色向紅色一端移動。這個現象就是光譜紅移。反之，物體向我們移動，則發生光譜藍移。

既然證實了宇宙是膨脹的，那麼接下來物理學家，天文學家的目標就是建立宇宙膨脹的理論，並探索宇宙的起源了。實際上，早在哈勃觀測到宇宙膨脹之前的1922年，弗里德曼就提出了宇宙膨脹模型，並認為宇宙不是靜態的。只不過他的模型直到1935年美國物理學家哈瓦.羅伯遜和英國數學家阿瑟瓦爾克提出類似模型後，才被普遍知道。弗里德曼的宇宙模型中，所有星系一開始都相互離開，直到宇宙膨脹到它的最大尺度，然後被收縮回一點。另外，還有兩種宇宙模型，分別是宇宙開發模型和宇宙平坦模型。前者認為宇宙快速膨脹，引力只能起到較小的阻礙作用，卻遠不能使之停止。後者認為引力吸引剛好和星系的運動平衡。宇宙避免坍縮，而星系的膨脹運動越來越慢。但永遠不會停止。這三種那個模型更能合理的描述我們的宇宙呢？為了找到這個問題的答案，我們必須知道現在的宇宙膨脹速度和他現在的平均密度。前者通過光譜紅移能夠精確測量。但後者，由於可能的「暗物質」「暗能量」的存在，準確測量。但現在的研究結果暗示，更大的可能是宇宙會無限的膨脹下去。不過是不是這樣，我們都無需擔心了，因為即使宇宙坍縮也要百億年之後。雖然宇宙是否無限膨脹還需要進一步證實，但有一個觀點被普遍接受了。那就是宇宙起源於一個密度和曲率無限大的奇點，在這個點上包括廣義相對論在內的任何理論自身都失效了。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。因此，普遍認為時間是從奇點大爆炸開始。

宇宙起源於一個奇點，那麼在宇宙的膨脹過程中，必然存在一個極小極小的時間段，宇宙的尺度也是極小極小的。此時，廣義相對論就不在適合了。這就需要20世紀兩一個偉大的理論——量子力學的小尺度效應。從研究宇宙來看，廣義相對論和量子力學都無法覆蓋整個尺度，前者適用於宇宙大尺度，後者適用於宇宙大爆炸初期的小尺度。

至此，廣義相對論和量子力學理論都出現了，本書的作者霍金即將粉墨登場了。在後面的內容中，霍金會介紹他和彭羅斯的研究成果。

在我們印象中，霍金的形象一直是形容枯槁，萎靡的坐在輪椅上。霍金在書中貼出了他1962年畢業於牛津的照片。讓我們看看這位偉大科學家的另一種形象吧，並記住他結婚是幸福的笑容。

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