大爆炸釋疑

趙崢，1967年畢業于中國科技大學物理系，1981年于北京師范大學天文系獲碩士學位，1987年于布魯塞爾自由大學獲博士學位。曾任北京師范大學研究生院副院長，物理系主任，中國引力與相對論天體物理學會理事長，中國物理學會理事。現為北京師范大學物理系教授，理論物理博士生導師、教育學博士生導師。

在哈勃定律、氦豐度和微波背景輻射3個觀測證據的支持下，大爆炸模型被學術界普遍接受了。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存在。實際上，在大爆炸之前根本沒有時間，時間是從大爆炸那一刻，與物質一起從無到有創生出來的。

有人會想，科學家真聰明啊，居然會想出時間是創生出來的，在創生那一刻（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，認為在創世那一刻之前不存在時間，時間是和萬物一起創生出來的，這并不是科學家首先提出的，而是神學家首先想出來的。

中世紀的時候，一些對《圣經》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、神父發問：“上帝在創造世界之前，他在干什么呢？”這可是個不好回答的問題，圣經上沒有說，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，他在創造世界的同時創造出時間，創世之前根本沒有時間，所以也就不存在以前。

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

現代宇宙學認為，大爆炸發生之前，不僅沒有時間，也沒有空間。空間是和時間、物質一起在大爆炸中從無到有創生出來的。

一提到大爆炸宇宙學，許多人頭腦中會有這樣的圖像：他們以為在“爆炸”發生前，已經存在空間和時間。所謂大爆炸，就是在空間某一處有一塊高密度的物質爆炸了，或者完全無中生有地在空間某一點崩出物質來了。那里密度和壓強都很大，周圍一無所有的空間則密度為零。然后物質在空間中擴散開來，逐漸充滿整個宇宙，空間各處的密度和壓強也趨于相等。按照這樣的圖像，時間、空間先于物質而存在，而且大爆炸發生在空間的某一點，那一點就是大爆炸的中心（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一起從爆炸中創生出來的。因為爆炸發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。創生之后，空間不斷膨脹，物質的密度隨著空間膨脹而降低，但對于任何一個確定的時刻，空間各點的密度都是相等的，物質始終均勻地分布著。

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，上面的墨水點就好比一個個星系。氣球膨脹時，生活在任何一個墨水點上的二維生物，都會覺得其他的墨水點（星系）在遠離自己。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都是膨脹的中心。

哈勃認為，哈勃定律描述的宇宙學紅移是多普勒效應的表現。此后許多年，人們也一直認為宇宙學紅移屬于多普勒效應。然而近年的研究表明，宇宙學紅移其實不屬于多普勒效應。

多普勒效應是空間本身不變化，光源相對于觀測者運動而造成的。而宇宙學紅移則是空間本身膨脹造成的，作為光源的遠方星系，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中的格點表示。從圖3的右圖可以看出，星系與地球沒有做相對運動，只是格子變大了，因而它們的距離在拉開。

圖3左圖表示的是假設宇宙學紅移是多普勒效應的情況。空間本身沒有膨脹，格點距離沒有拉大，遠方星系在遠離地球“運動”。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，已經增大了，已經發生了紅移。如果這個圖像是正確的，那么位于星系另一側的外星人將看到星系向它們飛來，光譜線應該發生藍移。如果真是這種情況，四面八方的遠方星系，不可能在我們看來都表現出紅移，除非我們這里是膨脹的中心。然而上文已經談到，宇宙的膨脹沒有中心，認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，紅移沒有產生。波長是在空間膨脹（格點間距離增大）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的。另外，按照這一正確圖像，位于星系另一側的外星人也將看到紅移，位于宇宙中任何一處的人，都會看到遠方星系均發生紅移。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生藍移的星系，它們的藍移確實是多普勒效應造成的。本星系群中的星系圍繞共同的質心轉動，向我們銀河系飛來的星系，表現出多普勒效應的藍移，做遠離我們運動的星系，表現出多普勒效應的紅移。

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

由于空間膨脹是廣義相對論的結論，是時空彎曲的一種動力學效應，所以宇宙學紅移本質上屬于“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，那我們就根本發現不了宇宙膨脹了。圖4上圖描述的就是這種情況。當然，這是錯誤的。

真實情況如圖4下圖所示，在宇宙誕生初期，的確所有的物質包括基本粒子都在膨脹。但是當宇宙膨脹到一定程度時，物質問萬有引力的吸引效應開始發揮作用，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，我們人體、我們的尺子，也都不再膨脹。不過各星系團（群）之間的引力效應不能阻止“團”間距離的拉大，所以各星系團仍在相互遠離，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現宇宙在膨脹。

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