宇宙时空结构的演化

王正行

爱因斯坦说，当数学规则与实际联系时，它们就不确定;而当它们确定时，就与实际无关。这里说的实际，也就是物理。

换句话说，一旦涉及物理，就会出现不确定，从这种不确定中会产生新的物理。

对于宇宙的思考，可以追溯到人类文明的早期：华夏有阴阳五行、天人合一，古印度有释迦牟尼大千世界，古希腊有亚里士多德的《论天》，还有《圣经》里的《创世記》。伽利略和牛顿确立了必须用观测与实验来检验对自然的逻辑思考，于是近代科学诞生，迄今才三百多年。

理论必须和实验观测相结合，这是近代科学的核心理念。李政道先生曾提出物理学家两定律：没有实验物理学家，理论物理学家就会漂浮不定;没有理论物理学家，实验物理学家就会犹豫不决。

在理论与实验结合的原则引领下，近代科学在20世纪初叶出现了两次重大变革：一次是从牛顿绝对时空观到相对论时空观的转变;一次是从拉普拉斯决定论因果观到量子力学统计性因果观的转变。

这两大变革的发展一直延续至今，并且体现在近代宇宙论的发展之中，涉及宇宙时空结构的演化和宇宙诞生发展的推动两个方面。

由于广义相对论的观测效应极其精细，二战之后电子技术的飞速发展，才使近代宇宙论进入高速发展期，成为20世纪下半叶以来最受瞩目的新兴基础学科之一，出现了许多面向一般读者的普及读物。

美国国家科学院院士、普林斯顿大学教授莱曼·佩奇的这本《宇宙小史》着重分析了宇宙时空结构的演化，涉及时空观念的转变和物质观念的发展。

牛顿时空观把空间想象为一个空空如也、固定不变的真空容器，用来装载各种物质器物，而把时间当作这些器物在此真空容器中演绎变化的历程。这是根植于我们日常生活经验的一种直觉的观念，很容易为一般读者所接受。

狭义相对论根据光速不变的假设，推导出“同时”具有相对性——在车上看是同时发生的两件事，在地上看并不同时。这与我们的日常生活经验不同，在当时的欧洲民众中就引起了轰动，使爱因斯坦成了妇孺皆知的人物。

而广义相对论进一步根据惯性质量与引力质量相等的假设，推导出时空与物质有关，随物质的分布与运动而改变，这就更进一步颠覆了我们的日常生活经验，更难为大众所接受。

凭什么是这样的，请拿出证据来！佩奇在本书中着重分析的就是宇宙时空结构如何演变的观测证据，以及这些证据所表明的宇宙物质形态与结构的情形——时空与物质是互为因果的。

本书正文部分有五章，另有四个附录。第一章介绍了宇宙的尺寸、膨胀、年龄等常识;第二章介绍了宇宙微波背景、物质、暗物质和宇宙学常数，以及宇宙结构的形成和演化过程;第三章专门分析宇宙微波背景，这是对宇宙观测的一个主要方面;第四章分析了现在理论上的标准宇宙模型;第五章探讨了当今宇宙学研究的几个前沿领域，这里面最有意思也最不清楚的是作为宇宙结构最大成分的宇宙学常数。

狭义相对论假设空间与时间并不是独立无关的，三维空间与一维时间互相关联构成四维时空。广义相对论进一步假设四维时空并不平直，而是弯曲的，弯曲的程度取决于物质的时空分布和运动：时空弯曲的几何，联系于物质的分布和运动。写成方程，就是几何的数学量联系于物质的物理量。

爱因斯坦说，当数学规则与实际联系时，它们就不确定;而当它们确定时，就与实际无关。这里说的实际，也就是物理。换句话说，一旦涉及物理，就会出现不确定，从这种不确定中会产生新的物理。当时对物理的认识主要是万有引力，所以把这个方程叫作爱因斯坦引力场方程。近代宇宙论分析的就是这里面的物理。

最初的物理，只想到万有引力来自物质的质量，认为这是决定时空弯曲和宇宙结构的主要成分。而只有引力的体系不可能静止，为使宇宙静止和稳定，还要引入新的物理，所以爱因斯坦在方程中又加了只与时空有关的一项，叫作宇宙项，比例常数就叫宇宙学常数。

当时人们觉得这一项的作用很小，甚至可以略去。但是随着实际观测的进行，发现由原子、分子构成的可见物质的作用很小，只占大约5%，还必须有大约25%看不见的“暗物质”，而其余大约70%是宇宙学常数项的贡献，又作“暗能量”。

这个当初爱因斯坦都想略去的宇宙学常数，竟然成了支配整个宇宙的主要成分。此外，为改善微波通信而于1965年偶然被发现的宇宙微波背景，虽然所占份额很小，但却是观测早期宇宙及其结构分布的重要手段。

这就是佩奇这本书中说的现代宇宙学关注的宇宙微波背景、物质、暗物质和宇宙学常数四大部分。

爱因斯坦还说过：逻辑上简单的东西，当然不一定就是物理上真实的东西;但是物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。这就涉及广义相对论的逻辑与数学结构，超出了一本普及读物的范围。

佩奇的这本书，基本上不用数学公式，尽量避免使用专业术语，使用了许多浅显和接近日常生活的比喻，语言生动活泼。但是正如他所说的，还是对读者的知识水平和兴趣程度做出了更高的预期，读者如果有一定的知识水平，并且对他的讲解有很大兴趣，就可以从他的叙述与解说中获得更多知识。

当然，正像他在第五章最后的小结中所说，对于那些凝望深空的人来说，发现了新事物，产生了新想法，就是最好的兴奋剂。开卷有益，只要认真地看，就会有所收获。