宇宙時空結構的演化

王正行

愛因斯坦說，當數學規則與實際聯系時，它們就不確定;而當它們確定時，就與實際無關。這里說的實際，也就是物理。

換句話說，一旦涉及物理，就會出現不確定，從這種不確定中會產生新的物理。

對于宇宙的思考，可以追溯到人類文明的早期：華夏有陰陽五行、天人合一，古印度有釋迦牟尼大千世界，古希臘有亞里士多德的《論天》，還有《圣經》里的《創世記》。伽利略和牛頓確立了必須用觀測與實驗來檢驗對自然的邏輯思考，于是近代科學誕生，迄今才三百多年。

理論必須和實驗觀測相結合，這是近代科學的核心理念。李政道先生曾提出物理學家兩定律：沒有實驗物理學家，理論物理學家就會漂浮不定;沒有理論物理學家，實驗物理學家就會猶豫不決。

在理論與實驗結合的原則引領下，近代科學在20世紀初葉出現了兩次重大變革：一次是從牛頓絕對時空觀到相對論時空觀的轉變;一次是從拉普拉斯決定論因果觀到量子力學統計性因果觀的轉變。

這兩大變革的發展一直延續至今，并且體現在近代宇宙論的發展之中，涉及宇宙時空結構的演化和宇宙誕生發展的推動兩個方面。

由于廣義相對論的觀測效應極其精細，二戰之后電子技術的飛速發展，才使近代宇宙論進入高速發展期，成為20世紀下半葉以來最受矚目的新興基礎學科之一，出現了許多面向一般讀者的普及讀物。

美國國家科學院院士、普林斯頓大學教授萊曼·佩奇的這本《宇宙小史》著重分析了宇宙時空結構的演化，涉及時空觀念的轉變和物質觀念的發展。

牛頓時空觀把空間想象為一個空空如也、固定不變的真空容器，用來裝載各種物質器物，而把時間當作這些器物在此真空容器中演繹變化的歷程。這是根植于我們日常生活經驗的一種直覺的觀念，很容易為一般讀者所接受。

狹義相對論根據光速不變的假設，推導出“同時”具有相對性——在車上看是同時發生的兩件事，在地上看并不同時。這與我們的日常生活經驗不同，在當時的歐洲民眾中就引起了轟動，使愛因斯坦成了婦孺皆知的人物。

而廣義相對論進一步根據慣性質量與引力質量相等的假設，推導出時空與物質有關，隨物質的分布與運動而改變，這就更進一步顛覆了我們的日常生活經驗，更難為大眾所接受。

憑什么是這樣的，請拿出證據來！佩奇在本書中著重分析的就是宇宙時空結構如何演變的觀測證據，以及這些證據所表明的宇宙物質形態與結構的情形——時空與物質是互為因果的。

本書正文部分有五章，另有四個附錄。第一章介紹了宇宙的尺寸、膨脹、年齡等常識;第二章介紹了宇宙微波背景、物質、暗物質和宇宙學常數，以及宇宙結構的形成和演化過程;第三章專門分析宇宙微波背景，這是對宇宙觀測的一個主要方面;第四章分析了現在理論上的標準宇宙模型;第五章探討了當今宇宙學研究的幾個前沿領域，這里面最有意思也最不清楚的是作為宇宙結構最大成分的宇宙學常數。

狹義相對論假設空間與時間并不是獨立無關的，三維空間與一維時間互相關聯構成四維時空。廣義相對論進一步假設四維時空并不平直，而是彎曲的，彎曲的程度取決于物質的時空分布和運動：時空彎曲的幾何，聯系于物質的分布和運動。寫成方程，就是幾何的數學量聯系于物質的物理量。

愛因斯坦說，當數學規則與實際聯系時，它們就不確定;而當它們確定時，就與實際無關。這里說的實際，也就是物理。換句話說，一旦涉及物理，就會出現不確定，從這種不確定中會產生新的物理。當時對物理的認識主要是萬有引力，所以把這個方程叫作愛因斯坦引力場方程。近代宇宙論分析的就是這里面的物理。

最初的物理，只想到萬有引力來自物質的質量，認為這是決定時空彎曲和宇宙結構的主要成分。而只有引力的體系不可能靜止，為使宇宙靜止和穩定，還要引入新的物理，所以愛因斯坦在方程中又加了只與時空有關的一項，叫作宇宙項，比例常數就叫宇宙學常數。

當時人們覺得這一項的作用很小，甚至可以略去。但是隨著實際觀測的進行，發現由原子、分子構成的可見物質的作用很小，只占大約5%，還必須有大約25%看不見的“暗物質”，而其余大約70%是宇宙學常數項的貢獻，又作“暗能量”。

這個當初愛因斯坦都想略去的宇宙學常數，竟然成了支配整個宇宙的主要成分。此外，為改善微波通信而于1965年偶然被發現的宇宙微波背景，雖然所占份額很小，但卻是觀測早期宇宙及其結構分布的重要手段。

這就是佩奇這本書中說的現代宇宙學關注的宇宙微波背景、物質、暗物質和宇宙學常數四大部分。

愛因斯坦還說過：邏輯上簡單的東西，當然不一定就是物理上真實的東西;但是物理上真實的東西，一定是邏輯上簡單的東西。這就涉及廣義相對論的邏輯與數學結構，超出了一本普及讀物的范圍。

佩奇的這本書，基本上不用數學公式，盡量避免使用專業術語，使用了許多淺顯和接近日常生活的比喻，語言生動活潑。但是正如他所說的，還是對讀者的知識水平和興趣程度做出了更高的預期，讀者如果有一定的知識水平，并且對他的講解有很大興趣，就可以從他的敘述與解說中獲得更多知識。

當然，正像他在第五章最后的小結中所說，對于那些凝望深空的人來說，發現了新事物，產生了新想法，就是最好的興奮劑。開卷有益，只要認真地看，就會有所收獲。