第3章 创世及其缺陷

作为一个科学家，我就是不相信宇宙起源于一场爆炸。

——亚瑟·爱丁顿

弗里德曼的宇宙

在任何人眼中，20世纪20年代初寒冷而充斥着饥民的彼得格勒都不会是下一个宇宙学上的突破即将产生的地方。在经历了6年的战争和十月革命后，彼得格勒大学刚刚复课。一名年轻的、戴着眼镜的教授正在一间冰冷的教室里给一群穿着皮衣戴着皮帽的学生讲课。他的名字叫亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）。他在授课前总是精心准备，并强调数学上的严谨。他所教授的课程包括他的主要专业领域数学和气象学，还有他最近的爱好，也就是广义相对论。弗里德曼着迷于爱因斯坦的理论，并以一贯的热情投入了对这一理论的研究中。“我是个无知的人，”他过去常说，“我什么都不知道。我必须睡得更少，不让自己分心，因为所有这些所谓的‘生活’完全是在浪费时间。”他似乎知道自己只剩下寥寥数年的生命了，却又还有那么多事情要完成。

在掌握了广义相对论中的数学原理后，弗里德曼开始专注于他眼中的核心问题：整个宇宙的结构。他从爱因斯坦的论文中得知，如果没有宇宙学常数，这个理论就不会有静态解。他想知道这个问题到底有什么解决办法。弗里德曼迈出了激进的一步，这使得他名垂青史。循着爱因斯坦的方向，他假设宇宙是同质的、各向同性的和闭合的，具有三维球面的几何结构。但是他打破了静态模型，允许宇宙运动：球体的半径和物质的密度可以随时间而改变。在解除了宇宙必须保持静态的这一限制后，弗里德曼发现爱因斯坦的方程确实有一个解。它描述了一个球状宇宙，从一个点开始，膨胀到某个最大尺寸，然后又缩回到一个点。我们现在称最初的时刻为“大爆炸”，当时宇宙中所有的物质都聚集在一个点上，因此物质的密度是无限大的。随着宇宙的膨胀，密度逐渐减小，然后随着它的再次收缩而增大，在“大挤压”时再次变得无限大，此时宇宙又缩回到一个点。

大爆炸和大挤压分别标志着宇宙的开始和结束。在这两点，由于物质尺寸无限小，密度变得无限大，爱因斯坦场方程中出现的数学量没有确切定义，因此爱因斯坦的理论中所定义的时空无法描述这样的点之前的情形。这样的点被称为时空奇点。

一个二维的球面状宇宙可以被描绘成一个膨胀和收缩的气球（见图3.1）。气球表面的图案代表一个个星系，随着气球的膨胀，星系之间的距离也随之增加。因此，每个星系中的观测者都会看到其他星系不断远离自身。由于引力的作用，膨胀逐渐减慢，并最终停止，宇宙继而开始收缩。在收缩阶段，星系之间的距离将减小，所有的观测者将看到其他星系向他们靠拢。

图3.1 膨胀的和收缩的球状宇宙

问宇宙将膨胀成什么样子是没有多大意义的。我们可以看到气球宇宙向周围的空间膨胀，但这对它内部的居民没有任何影响。他们被限制在气球的表面，因此不知道第三个径向维度的存在。同样，对于封闭宇宙中的观测者来说，三维球面空间就是宇宙中所有的空间，除此之外没有别的空间。

* * *

在发表这些结果后不久，弗里德曼发现了另一类具有不同几何意义的解。在某种意义上，这些解中的空间不会向自己弯曲，而是越弯离自己越远，最终形成一个无限的或者说开放的宇宙。这种类型的空间形状和马鞍（见图3.2）有些相似。

图3.2 开放宇宙的二维模型

弗里德曼发现，在开放宇宙中，任何星系之间的距离也会从奇点时的零距离开始增长。膨胀最初会减慢，但是在这种情况下，引力不足以扭转膨胀的趋势。在后期，星系会以一个接近恒定的速度互相远离。

在开放模型和闭合模型之间的界线上，存在一个平直的、符合欧几里得几何的宇宙。尽管它可以无限膨胀，但随着时间的推移，膨胀的速度会越来越小。

弗里德曼的方案有一个显着的特点是，它在宇宙几何形状与其最终命运之间建立了联系。如果宇宙是闭合的，它一定会重新坍缩；如果宇宙是开放的或平直的，它将永远膨胀下去。弗里德曼并没有在他的论文中偏向任何一种模型。

不幸的是，弗里德曼没有活着看到他的工作成为现代宇宙学的基础。1925年，他因伤寒逝世，享年37岁。弗里德曼的论文虽然发表在德国一家顶级的物理学期刊上，但是几乎没有引起人们的注意。 20世纪30年代，随着哈勃发现宇宙的膨胀，弗里德曼的论文被人们从故纸堆中重新发掘了出来。

创世的时刻

不管弗里德曼得到的解怎么描述宇宙的未来，其中最意想不到的和最有趣的还是最初的奇点，也就是大爆炸的存在。在那里，广义相对论中的数学原理崩溃了。在奇点处，物质被压缩到密度无限大，因此相对论不能用于描述更早的时代。因此，从字面上理解，大爆炸应该被视为宇宙的开始。这就是创世的时刻吗？难道整个宇宙是在有限时间之前的一个奇点中诞生的吗？

对于大多数物理学家来说，这太难以接受了。宇宙这种奇异的快速启动看起来像是神的干预，他们认为这不应该在物理理论中存在。但是，尽管“世界的开端”曾经（而且在很大程度上仍然）令大多数科学家感到不适，但接受它的存在也有一些好处。它有助于解决