广义相对论、宇宙大爆炸，你了解多少？
宇宙大爆炸实际上并不大，甚至都没有“砰！”的一声。实际上，创造了宇宙和宇宙中所有事物这件事和大多数人，或者至少是非物理学家的想象相比，是非常不同的。甚至于“大爆炸”这个名字的提出，也是由于一个科学家在这个概念首次提出时便不喜欢而精心准备的一次贬低。他更倾向于接受宇宙一直处于更加有尊严的、基本不变的恒定状态当中的观点。
但是这个名字流传下来了，并且随之而来的是人们对于宇宙的完全错误的印象：宇宙是大爆炸产生的；宇宙如今因为其中的物体像被引爆的炸弹碎片一样被甩得四分五裂而在不断膨胀。
事实上，这幅关于大爆炸（我们沿用这个名字）的直观图像的每个基本方面都是不正确的。想要知道了解其中的原因，你需要理解爱因斯坦的广义相对论，或者至少对它有个大概的认识。这听起来可能有点吓人，但广义相对论是20世纪最具革命性的科学进步，我们都应该在世纪结束前对它有所了解。
毕竟，爱因斯坦提出相对论也有82年了，在这期间，大量的实验证不断证实着这个理论的准确性，因此现在已经明确成为了我们理解中立如何运作的首要指南。此外，它也是大爆炸宇宙学基础的一部分。也正是因为有了广义相对论，我们才能知道大爆炸过去（也是现在，它持续进行中）与爆炸完全不同。
爱因斯坦发展广义相对论是为了使他著名的狭义相对论包含重力的影响。这是个比牛顿更好的解释重力原理的方法。广义相对论（简称GR）就像是一条饥饿的变形虫，同时吸收了爱因斯坦新提出的狭义相对论和牛顿经典力学体系的内容，让我们得以复制这两大理论的所有预测，并且同时将他们扩展到其他陌生的经验领域。其中一个是领域是黑洞。另一个 是宇宙本身的形状与演化。
大爆炸宇宙学认为，宇宙产生于100~200亿年前，从那之后，便从高温稠密的状态逐渐膨胀、冷却，至今仍是无懈可击的。然而，大爆炸宇宙学是脆弱的。它基于广义相对论在时间和空间的巨大尺度上的精确性。广义相对论有多厉害呢？到目前为止，它做出了以下的具体预测：
- 水星的整个轨道由于太阳附近空间呈几何上的弯曲而旋转。“近日点位移”在每个世纪的数量是总所周知的，当时爱因斯坦在1915年对这现象提供了一个完整的解释。
- 在重力作用下，每个频率的光都可以以完全相同的方式弯曲。这在1919年的日食中得到了证实，利用位于太阳附近的恒星发出的可见光；同样在1969-1975年期间，利用类恒星类星体的射电辐射，在太阳附近被观察到也证实了这一点。光的偏转与GR的预测完全一致。
- 强引力场中的时间变缓效应。哈佛大学的罗伯特和乔治在1959年证实了这一点。此外，罗伯特在20世纪60和70年代使用喷气式飞机和卫星上的高进动氢脉泽钟再次证实了这一点。
- 重力质量和惯性质量是完全一致的。最近的一次是在1971年的时候，莫斯科大学的弗拉迪米尔·布拉金斯基证实了广义相对论关于这一点的预测，即和广义相对论所要求的精确值相差在万亿分之一之内。
- 黑洞的存在。尽管自从20世纪70年代黑洞的概念首次为天文学家们所知以来，它们的存在性就一直遭到质疑。直到1992年，天文学界才跨过了接受它们的临界门槛。而且，在那期间，据哈勃空间望远镜的观测结果显示，在银河系附近星系如梅西耶87、梅西耶33和NGC 4261的核心，存在着质量约十亿个太阳质量的巨大的黑洞。
- 重力有它自己的可以携带能量的辐射方式。罗素·胡斯和约瑟夫·泰勒在1975年发现两颗相互绕行的的脉冲星，并在接下来的20年内通过仔细检测其精确的脉冲，证实了这个系统以和广义相对论基于引力辐射的发射所预测的相差在1%之内的速度失去着能量。
- “引磁力”的存在。根据广义相对论的说法，就像电场和磁场是相互联系的一样，一个旋转的物体会产生一种类似磁力的力，叫做“引磁力”。广义相对论中预测，旋转的物体不仅使时间和空间弯曲，也使空间旋转。美国宇航局预计在未来几年内发射一颗名为“引力探测器B”得卫星来检验这种效应是否存在。这无疑是个杀手，因为一旦引磁力没有被发现，广义相对论就会受到致命得伤害即便它已经取得了一连串的成功。
- 宇宙膨胀，空间延伸。埃温德·哈勃在1929探测到的星系衰退证实了这一点。在近一些年份1993年，天文学家肯尼斯·凯勒曼证实：远处射电源的角度大小减小到最小值，然后在更大的距离上增加，这和膨胀空间的预期完全一致。这也是任何其他不包括空间膨胀这一真实物理现象的宇宙模型无法预测的。
我们现在陷入了这样的一种困境。如果我们接受广义相对论的成功，我们就不得不通过它的眼睛来观察世界和宇宙，而且只能通过它的眼睛，因为它是满足所有已知测试的理论。
那么，我们应该如何看待大爆炸呢？我们脑海里关于大爆炸“烟火”的理想图景包含了以下基本元素：
1）既存空间，容纳爆炸的碎片；
2）既存时间，标注爆炸发生时间；
3）从一个中心发射出的爆炸投射物；
4）爆炸发生的确切的时间；
5）引发大爆炸的某个事物。
但是！根据广义相对论，所有这些大爆炸形象化的要素都是完全错误的。
既存空间？
根本不存在的！
广义相对论中的数学明确不模糊地表明，三维空间和其他一切事物都是在“时间零点”由大爆炸本身创造的。然而这是一件奇怪的事儿，因为所有的微粒之间的分离都消失了。这也是我们熟悉的三维空间消失的另一种说法。研究万物理论的各种原型的理论家们只是在一定程度上修正了这一说法。在最初的时刻，宇宙可能以一种几乎不可理解的状态存在：可能存在超过4个维度，又或者根本没有维度。许多关于最初时刻的理论假设都有一个产生了宇宙的“母时空”，但你无法把你的思想同时放在母时空里去观察大爆炸的发生和宇宙里去观察物质的运动。然而这正是焰火表演模型所要求的。
既存时间？
同样根本不存在的！
同样，广义相对论中的数学把时间和空间共同看作为“时空”这个不可分割的物体。在0时刻加上一个时刻，你就得到了时间这个明确定义的量；在0时刻减去一个时刻，这个量在数学上的性质就发生了改变，成为了“虚数”。这是数学上的一个警示，表明在我们所知的时间里发生了一些意想不到的可怕的事情。爱因斯坦有句名言：“时间和空间是我们的思考模式，不是我们生活的条件”。史蒂芬·霍金利用量子引力理论这一羽翼未丰的物理学研究了这种状态的数学，并证实了在大爆炸中，时间以人们能想象到的最彻底的方式被抹杀了。它也许已经被转换成另一个“永恒”的空间维度……数学上似乎是这么说的。
来自同一中心的单个物体？
没有！
广义相对论特别指出，空间不是一个让物质表演舞蹈的的被动舞台，而是演员中的一员。当你把星系和时空放在一起思考，你会得到一个非常不同的答案，如果你把它们分开，这也就是我们本能的反应。弯曲的空间扭曲了粒子的运动路径，有时候还是以非常戏剧化的方式。如果你想登上一艘宇宙飞船试图到宇宙的边缘去探索，很遗憾这是不可能的，因为无论你走了多远或多快，都无法到达宇宙的“边缘”。在一个封闭的宇宙中，你最终会发现自己回到了离开的那个地方。空间的曲率会把你带回来，就像如果你不改变方向地向西一直飞行地球的曲率会把你带回家一样。换句话说，宇宙在空间上没有边界，再远的星星也没有。
作为一种精神支柱，许多人用膨胀的气球比作膨胀的宇宙。从气球表面的任何一个点来看，当给气球充气时，其他的所有的点都从气球上跑开了。气球表面的膨胀是没有一个明确的中心的，刚刚被我们挑选的点就作为大爆炸的中心。这和烟火表演有很大的不同，烟火表演的中心是不断膨胀的煤渣云。但气球的比喻并不完美，因为当观察气球时，我们的有利位置仍然在广义相对论认为的真实宇宙中根本不存在的一个先前就存在的大舞台上。
大爆炸的中心不是一个空间点，而是一个时间点！它是一个独立于气球结构内，在其外面存在于第四维度——时间的中心。无论我们从宇宙空间的哪个地方向遥远星系看去，我们都无法看不到这个点。我们根本就看不见时间！我们只有在回顾悠悠历史长河中所能观察的远古遗物上的古老图像时才能看见它。在这些图像中，我们可以看到宇宙的早期历史发生了巨大的变化，但太空中却没有独特的中心。
在这一点上，常识必须给广义相对论让座。也正是在这一点上，许多非物理学家拒绝这样的客气。谁能责怪它们呢？未来或许还会有更多这样的人呢。
投射物在太空移动？
广义相对论又得出了些令人烦恼的结论。数百万年以来，我们从非洲大陆和其他地方的大草原的经验中了解到——我们可以在空间中移动。当我们沿着高速公路行驶，穿过路边地标之间的距离时，我们绝不会怀疑发生了什么奇怪的事。这种认知原始得让我们不会无端对其生疑。但科学并不是要证实我们的偏见，而是揭示事物的本质。
如果我告诉你，你可以“站着不动”而让空间缩短你的房子和华盛顿纪念碑之间的距离，那会怎样？广义相对论准确地预测了这个新现象，宇宙似乎是我们今天所知道的唯一自然出现的场所。永恒不变的经纬度就像是粘在气球表面的斑点一样，当空间随着时间的推移而膨胀时，星系仍然保持在它们所在的未知。我们没有理由认为可以凭直觉理解这种运动。
如果空间是这样延伸的，那么从这一刻到下一刻，全新的数百万立方光年从何而来？广义相对论给出的答案是，它们一直在那儿。为了更好地理解这是怎么发生的，我喜欢把我们宇宙的形状想象成一个“宇宙西瓜”。实际上这只是一个“封闭的”有限宇宙的形状只是一个技术问题。有限的西瓜也比无限的便宜。
广义相对论可以同时预测整个宇宙的过去、现在和未来，并预测它的整个四维形状。如果我们在宇宙时间线的一端切开四维的宇宙西瓜时，我们可以看到大爆炸不久后的三维空间和它所含的物质。在遥远未来的宇宙西瓜的另一端，我们看到了宇宙大收缩前夕的空间和物质的崩溃。但在这两者之间，我们的切片显示了随着空间从一个极端向另一个极端膨胀过程中的空间的形状（封闭的球形空间）和星系的位置（固定的位置）。
作为一个普通的西瓜的特殊的切片，我们可以看到它的肉一直存在于完整的西瓜中。西瓜肉是作为一个连续的介质呈现的，我们不会去问一个特殊切片中的果肉来自西瓜的哪个部分。在宇宙学上，广义相对论要求我们以相同的思维方式去思考三维空间。空间就像西瓜的果肉一样，在四维空间中一直以完整的宇宙形态存在。但也只有在四维空间中，宇宙的完整形态才会显现出来。对于为什么我们的意识坚持每个时刻经历的都是不同的宇宙，这是一个谜。这也是为什么我们最终得出空间从何而来的悖论，实际上根本就不存在悖论。
根据爱因斯坦的理论，空间不是“虚无”的，它只是宇宙引力场的别名。爱因斯坦曾经说过“时空并不是独立存在的，它只是引力场的一种结构性质。” 如果你可以做这样一个实验，用开关把重力关闭，时空就会消失。这是物理学上所知的最后的拆除实验，这类型实验的环境影响是十分值得注意的。
一个时刻的引力场紧接着在下一个时刻又被无数粒子的量子搅动所束缚，这些粒子就像成群的蜜蜂，组成了引力场。在这种泡沫的骚动中，引力场被一个个的量子连接在一起，也可能还有更多其他的元素。也许就是在这里，我们将找到宇宙膨胀和空间延伸的最终起源。我们希望备受期待的万物理论能对此有更多的解释，但要真正检验这一理论，可能需要只停留在我们想象中的技术和人力资源。
宇宙大爆炸有明确的时刻吗？
广义相对论的预测，我们的宇宙是在时间零点从无限密度、零空间的“奇点”生成的，但物理学家们现在有种非常强烈的感觉——这一时刻被任意数量的量子力学效应抹去了，所以我们永远无法得知大爆炸后的前10^43秒的时间。正如格特鲁德·斯泰因在谈到加利福尼亚州奥克兰时所说的那样 “那里没有‘那里（空间）’”，在10^-43秒的时候，大自然可能会告诉我们，在大爆炸之前，“那里也没有‘时候（时间）’”这一时刻消失在一些奇怪的量子迷雾中，并且如史蒂芬·霍金推测的那样，时间实际上可能会被弯曲到一个新的空间维度，甚至在这种状态下都无法定义。普通的相对论无法描述这种情况，只有一些结合相对论和量子力学的未来的结论才能告诉我们更多。
大爆炸的导火线
最后我们来讨论现代宇宙学中最困难的问题。在烟火表演中，我们可以追溯到导致爆炸的所有事件，追溯到制造火药化学家和包裹炸药的人。然而，广义相对论并不能告诉我们导致大爆炸的等类事情。实际上，它最有力的论点之一是——时间本身可能不存在。那么如果我们甚至不能将事件框定为“这是首先发生的……然后是这个……接着是……”，我们该如何讨论或思考引发整个事件的条件或过程呢？着仍是大爆炸的基本奥秘，它似乎顽强地超越了我们创造出的每一种数学描述。
我们所知道的所有逻辑框架都是基于事件或状态链的。我们在物质世界中所有这类链条的经历都被及时安排好了。即使数学和理论告诉我们“大爆炸之前发生了什么”是一个不符合逻辑或不合理的问题，我们仍然坚持认为这是一个向大自然提出的恰当的问题，我们也期待有一个明确的答案。然而，就像我们在本世纪所了解到的物质世界中的许多其他事情一样，当我们探索物质世界的极限时，我们的关于哪些问题应有明确答案的直觉往往是有缺陷的。
我在写这篇文章之前，在航天博物馆看了迄今为止我觉得最好得电影之一——“宇宙之旅”。尽管它以烟火表演的形式展示了宇宙大爆炸，这不要紧。不需要专家就能让大家接受大爆炸是历史上一个壮观的时刻这一事实。令人惊奇的还有，人类的大胆无畏可能已经解开了其中的一些神秘面纱，并揭示了一个比任何人的想象都要陌生得多的宇宙。
尽管如此，在远离我们现在正在探索的更大的物质世界的情况下，我们仍然被千禧年以来积累的直觉所困扰。一切看起来如此陌生、复杂……
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