大爆炸釋疑

趙崢，1967年畢業(yè)于中國科技大學(xué)物理系，1981年于北京師范大學(xué)天文系獲碩士學(xué)位，1987年于布魯塞爾自由大學(xué)獲博士學(xué)位。曾任北京師范大學(xué)研究生院副院長，物理系主任，中國引力與相對論天體物理學(xué)會理事長，中國物理學(xué)會理事。現(xiàn)為北京師范大學(xué)物理系教授，理論物理博士生導(dǎo)師、教育學(xué)博士生導(dǎo)師。

在哈勃定律、氦豐度和微波背景輻射3個觀測證據(jù)的支持下，大爆炸模型被學(xué)術(shù)界普遍接受了。不過，人們還有不少疑問。一個常常碰到的問題是“在大爆炸發(fā)生之前，宇宙是什么樣子？”這個問題的提出，源于一種誤解，以為在大爆炸之前時間已經(jīng)存在。實(shí)際上，在大爆炸之前根本沒有時間，時間是從大爆炸那一刻，與物質(zhì)一起從無到有創(chuàng)生出來的。

有人會想，科學(xué)家真聰明啊，居然會想出時間是創(chuàng)生出來的，在創(chuàng)生那一刻（即大爆炸開始的那一刻）之前，根本不存在時間。也就是說，對于那一刻，不存在以前。其實(shí)，認(rèn)為在創(chuàng)世那一刻之前不存在時間，時間是和萬物一起創(chuàng)生出來的，這并不是科學(xué)家首先提出的，而是神學(xué)家首先想出來的。

中世紀(jì)的時候，一些對《圣經(jīng)》和基督教有懷疑的人，特別是一些反對基督教的人，常常會向主教、神父們提一些怪問題，用難為神職人員的方式表達(dá)自己對宗教的懷疑和反對。有的人故作天真地向主教、神父發(fā)問：“上帝在創(chuàng)造世界之前，他在干什么呢？”這可是個不好回答的問題，圣經(jīng)上沒有說，胡亂答一下又會被抓住其他的辮子。

這時，一位杰出的神學(xué)家、思想家圣·奧古斯丁想出了這個聰明的答案：上帝處在時間之外，他在創(chuàng)造世界的同時創(chuàng)造出時間，創(chuàng)世之前根本沒有時間，所以也就不存在以前。

今天，科學(xué)家們沿用了圣·奧古斯丁的觀點(diǎn)，把他的這一思想用到了科學(xué)的宇宙論之中。

現(xiàn)代宇宙學(xué)認(rèn)為，大爆炸發(fā)生之前，不僅沒有時間，也沒有空間。空間是和時間、物質(zhì)一起在大爆炸中從無到有創(chuàng)生出來的。

一提到大爆炸宇宙學(xué)，許多人頭腦中會有這樣的圖像：他們以為在“爆炸”發(fā)生前，已經(jīng)存在空間和時間。所謂大爆炸，就是在空間某一處有一塊高密度的物質(zhì)爆炸了，或者完全無中生有地在空間某一點(diǎn)崩出物質(zhì)來了。那里密度和壓強(qiáng)都很大，周圍一無所有的空間則密度為零。然后物質(zhì)在空間中擴(kuò)散開來，逐漸充滿整個宇宙，空間各處的密度和壓強(qiáng)也趨于相等。按照這樣的圖像，時間、空間先于物質(zhì)而存在，而且大爆炸發(fā)生在空間的某一點(diǎn)，那一點(diǎn)就是大爆炸的中心（見圖1的上圖）。這種圖像是錯誤的。

正確的圖像如圖1的下圖所示，在大爆炸之前沒有空間，空間和時間都是與物質(zhì)一起從爆炸中創(chuàng)生出來的。因?yàn)楸òl(fā)生前根本不存在空間，所以大爆炸沒有中心，此后的宇宙膨脹也沒有中心。創(chuàng)生之后，空間不斷膨脹，物質(zhì)的密度隨著空間膨脹而降低，但對于任何一個確定的時刻，空間各點(diǎn)的密度都是相等的，物質(zhì)始終均勻地分布著。

有人用膨脹的氣球說明宇宙膨脹。如圖2所示，一個小孩在吹氣球。氣球的球面代表一個二維空間，上面的墨水點(diǎn)就好比一個個星系。氣球膨脹時，生活在任何一個墨水點(diǎn)上的二維生物，都會覺得其他的墨水點(diǎn)（星系）在遠(yuǎn)離自己。我們的三維空間膨脹與氣球面所示的二維空間的膨脹完全類似。這個圖像很好地比喻了宇宙膨脹，直觀地告訴我們，膨脹沒有中心，或者說空間的任何一點(diǎn)都是膨脹的中心。

哈勃認(rèn)為，哈勃定律描述的宇宙學(xué)紅移是多普勒效應(yīng)的表現(xiàn)。此后許多年，人們也一直認(rèn)為宇宙學(xué)紅移屬于多普勒效應(yīng)。然而近年的研究表明，宇宙學(xué)紅移其實(shí)不屬于多普勒效應(yīng)。

多普勒效應(yīng)是空間本身不變化，光源相對于觀測者運(yùn)動而造成的。而宇宙學(xué)紅移則是空間本身膨脹造成的，作為光源的遠(yuǎn)方星系，以及觀測者所處的地球，在空間的位置并沒有動。星系與地球在空間的位置，用圖3中的格點(diǎn)表示。從圖3的右圖可以看出，星系與地球沒有做相對運(yùn)動，只是格子變大了，因而它們的距離在拉開。

圖3左圖表示的是假設(shè)宇宙學(xué)紅移是多普勒效應(yīng)的情況。空間本身沒有膨脹，格點(diǎn)距離沒有拉大，遠(yuǎn)方星系在遠(yuǎn)離地球“運(yùn)動”。這時地球上的觀測者會看到紅移，光的波長在離開星系那一刻，已經(jīng)增大了，已經(jīng)發(fā)生了紅移。如果這個圖像是正確的，那么位于星系另一側(cè)的外星人將看到星系向它們飛來，光譜線應(yīng)該發(fā)生藍(lán)移。如果真是這種情況，四面八方的遠(yuǎn)方星系，不可能在我們看來都表現(xiàn)出紅移，除非我們這里是膨脹的中心。然而上文已經(jīng)談到，宇宙的膨脹沒有中心，認(rèn)為我們這里是膨脹中心的想法是荒謬的。

圖3的右圖正確反映了宇宙膨脹。光線在脫離星系時，波長沒有變化，紅移沒有產(chǎn)生。波長是在空間膨脹（格點(diǎn)間距離增大）過程中逐漸拉大的，也就是說，光譜線的紅移是隨著空間膨脹而出現(xiàn)的。另外，按照這一正確圖像，位于星系另一側(cè)的外星人也將看到紅移，位于宇宙中任何一處的人，都會看到遠(yuǎn)方星系均發(fā)生紅移。這正是我們今天觀測到的情況。

需要說明的是，位于我們的本星系群中的那幾個光譜線發(fā)生藍(lán)移的星系，它們的藍(lán)移確實(shí)是多普勒效應(yīng)造成的。本星系群中的星系圍繞共同的質(zhì)心轉(zhuǎn)動，向我們銀河系飛來的星系，表現(xiàn)出多普勒效應(yīng)的藍(lán)移，做遠(yuǎn)離我們運(yùn)動的星系，表現(xiàn)出多普勒效應(yīng)的紅移。

總之，本星系群中的那些河外星系的紅移和藍(lán)移，都是多普勒效應(yīng)的表現(xiàn)。本星系群之外的河外星系都只表現(xiàn)出紅移，而且遵從哈勃定律，離我們越遠(yuǎn)的紅移越厲害，這種宇宙學(xué)紅移，不是多普勒效應(yīng)造成的，而是空間膨脹造成的。

由于空間膨脹是廣義相對論的結(jié)論，是時空彎曲的一種動力學(xué)效應(yīng)，所以宇宙學(xué)紅移本質(zhì)上屬于“引力紅移”。

一個有趣的問題是，既然宇宙在膨脹，我們的銀河系、太陽系、地球，甚至我們自身是否都在膨脹？

如果我們自身隨著宇宙一起膨脹，而且按照相同的比率膨脹，分子、原子都在膨脹，尺子本身也膨脹，那我們就根本發(fā)現(xiàn)不了宇宙膨脹了。圖4上圖描述的就是這種情況。當(dāng)然，這是錯誤的。

真實(shí)情況如圖4下圖所示，在宇宙誕生初期，的確所有的物質(zhì)包括基本粒子都在膨脹。但是當(dāng)宇宙膨脹到一定程度時，物質(zhì)問萬有引力的吸引效應(yīng)開始發(fā)揮作用，所以我們的本星系群不再膨脹，群中的所有星系，包括我們的銀河系也不再膨脹，銀河系中的所有恒星、行星、分子、原子都不再膨脹，我們?nèi)梭w、我們的尺子，也都不再膨脹。不過各星系團(tuán)（群）之間的引力效應(yīng)不能阻止“團(tuán)”間距離的拉大，所以各星系團(tuán)仍在相互遠(yuǎn)離，宇宙仍在膨脹。由于我們自身不再膨脹，尺子不再膨脹，因此我們能夠通過觀測發(fā)現(xiàn)宇宙在膨脹。

本文節(jié)選自上海教育出版社出版的《愛因斯坦與相對論——寫在廣義相對論創(chuàng)建100周年之際》，有刪改。endprint