二、大爆炸宇宙学的理论基础

1. 宇宙学原理

从能代表宇宙特征的大尺度上看,从整体上看,宇宙是均匀的,是各向同性的。宇宙没有中心,在任何一个典型星系上的观测者所得到的宇宙规律是一样的,即在任何典型星系上,同一时刻、沿任何方向应看到同样的宇宙。这称为宇宙学原理。

宇宙学原理所说的是在宇宙的大尺度上、整体上宇宙物质的分布是均匀的和各向同性的,这既不排斥宇宙物质随时间的演化,也不排斥宇宙各处细节上结构的差异和多样性。

这个认识是来之不易的。在相当长的年代里,人类曾经把自己和地球看作是宇宙的中心,太阳和其他一切天体都在围绕地球运行。为改变这种错误观点,哥白尼、伽利略等伟大科学家遭受迫害。

实际上,太阳也不是宇宙的中心,它在银河系中只是一颗普普通通的恒星,它与其他恒星一起,在围绕银河系的中心转动。

同样,银河系也不是宇宙的中心,它在宇宙中只是一个普普通通的星系。许许多多星系组成了几乎均匀的宇宙。哪一个星系都不是宇宙的中心,宇宙根本就没有中心。

自从1914年发现星系光谱线红移以来,特别是1929年发现了哈勃定律以来,充分表明宇宙是膨胀的,并且现在还在继续膨胀着。这种膨胀同样是没有中心的,只是宇宙空间的增大,星系间距离的增大。

2. 爱因斯坦宇宙和弗里德曼宇宙

广义相对论是爱因斯坦于1916年创立的,它是研究时间、空间、物质和引力的理论,它认为,时间和空间都不能离开物质而独立存在,不是物质处在时空中,而是物质具有时空的广延性,有时空就有物质。同时,只要有物质,就存在引力场,而引力场的存在导致了时空的弯曲,时空的弯曲程度决定于引力场的大小。一个物体以引力作用于另一个物体,使另一个物体开始运动,而在广义相对论看来,这个物体由于具有一定质量而使时空弯曲了,处于这个弯曲时空的另一个物体自然要运动。

爱因斯坦在创立了广义相对论之后,就马上把它运用到宇宙的研究中,提出了有限无界的宇宙模型。譬如大家将一个球体的二维球面看作是整个宇宙,显然,球面的总面积是有限的,但却没有边界,球面上各点的地位是等同的,都不是中心,也没有中心。所以爱因斯坦宇宙是有限的、无界的和没有中心的。不过真正的爱因斯坦宇宙是三维的,应该在四维球体的三维球面上考虑问题,但是有限、无界和无中心的情形是相同的。

爱因斯坦宇宙是一个静态的宇宙,因为这个宇宙的几何性质是不随时间变化的。但是爱因斯坦宇宙的一个严重缺点是它的不稳定性:一旦受到某种扰动,使宇宙略微变小一点,宇宙中的所有物体之间的距离将随之缩小,引力将相应增大,致使宇宙进一步收缩,并一直收缩下去;反之,一旦受到某种扰动,使宇宙略微变大一点,宇宙中的所有物体之间的距离将随之增大,引力将相应减小,致使宇宙进一步膨胀,并一直膨胀下去。所以说爱因斯坦宇宙是不稳定的。为了得到稳定的静态宇宙,爱因斯坦在他的引力场方程中加进了一个被称为宇宙项的常数项。后来的理论和观测表明,宇宙不是静态的,而是处于膨胀之中的,宇宙项的引入是不必要的,这被爱因斯坦本人自责为一生中最大的错误。

尽管如此,爱因斯坦创立的广义相对论为现代宇宙学的发展奠定了坚实的基础,爱因斯坦宇宙为宇宙学的研究开辟了崭新的道路。

1922年弗利德曼(A.Friedmann, 1888-1925)假设宇宙在膨胀,从而求出了不带宇宙项的爱因斯坦引力场方程的通解,得到了一个膨胀的、有限无界的宇宙模型,这就是弗利德曼宇宙模型。在这个模型中,宇宙在膨胀,星系与星系之间的距离在增加,并且相互分离的速度随着距离的增加而增大,也就是星系之间的分离速度与它们之间的距离成正比。1927年勒梅特利(G.Lemaitre)指出,当时已经发现的星系光谱线红移,意味着星系在远离银河系而退行,这可能就是宇宙膨胀的表现。1929年哈勃定律的发现完全证实了这些预见。弗利德曼宇宙模型也称为弗利德曼-勒梅特利宇宙模型,是现代宇宙学的基础。

       
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