時間,在宇宙理論上是個什麼概念?

自然花開自然香


時間,在哲學上,是個哲學問題,在物理學上,包括在宇宙學上,是個物理學問題。


1988年,霍金出版了他的《時間簡史》。這本書立即成了名著。就象當初愛恩斯坦發表他的《相對論》受到追捧一樣,這本書受到追捧,霍金也以此成了明星理論物理學家。霍金在他的書中,他沒有對時間理念解釋,他仍然是沿用物理學上傳統的時間理念,將時間作為一個物理量,也就是作為物理學上計算上運用到的一個量,對時間應用的分析。他解釋的不是時間本身,而是運用時間,解釋宇宙。他的宇宙思想,是宇宙大爆炸學說。他對時間的理念,仍然是延續愛因斯坦那代科學家們對時間的理念。愛因斯坦那代科學家們對時間的理念,是將時間作為物理學上的一個物理量,就如把空間作為一個物理量一樣,是一個用在計算上的一個量這樣的概念。

1905年,愛因斯坦發表了關於運動物質中電磁現象的論文,提出了“狹義相對論”。十年之後,又提出了“廣義相對論”。在愛因斯坦的理論中,兩個物體間相互作用,並不象牛頓所描述的那樣是彼此直接產生引力,而是由每個物體對周圍的時空產生影響,它們在時空中造成凹陷或扭曲,一個物體經過另一個物體的旁邊路徑就會受到扭曲而偏向,這就好像是物質相互吸引一樣。他的理論中,有一個“時空”概念。但他是對“時空”量的運用,而不是對“時間”內涵的解釋。在他看來,時間是與物質並行的一個量,物質在特定的時間裡,是在一個特定的空間上。

牛頓之後,人們認為宇宙在時間上和空間上是無限的,宇宙中的物質是無限的。這樣,根據牛頓的萬有引力定律,無限多的物質,會有無限大的萬有引力。那麼,有著無限多物質的宇宙,在萬有引力的作用下,遲早會使得宇宙中的全部物質,最後都凝聚到一起。這與現實觀察到的宇宙是矛盾的。這是牛頓宇宙學上一個矛盾結點。愛因斯坦認為,可以用非歐幾何裡的彎曲空間來解決這個問題。古希臘數學家歐幾里德建立了一套系統的幾何學理論。在他的理論裡面,有一個第五公設,也就是平直公設,即任意一個三角形,內角之和都是180°。凡是符合這個歐幾里德平直公設的空間,就稱為平直空間。後來,到了19世紀初,以德國數學家高斯、匈牙利數學家鮑耶和俄羅斯數學家羅巴切夫斯基為主的一些人認為,除了平直空間之外,沒有第五公設的非平直空間,在邏輯上是可能的。在這樣的空間中,三角形的內角之和未必是180°。描述這種空間的幾何學,就稱為非歐幾何。愛因斯坦利用非歐幾何中的彎曲時空來解決牛頓宇宙學上那個矛盾結點。

1917年,愛因斯坦提出了一個球型宇宙模型,這個模型是一個球面,整體上是一個閉合空間。在愛因斯坦的宇宙模型裡,加進了一個“宇宙學常數”,引進斥力這一個數。引力和斥力保持平衡,就維繫宇宙空間的永恆靜止。愛因斯坦的這一宇宙模型,是一個靜態的宇宙。俄國的數學家和物理學家阿歷克謝·弗裡德曼反對宇宙靜態的說法。他認為宇宙存在膨脹和收縮的可能,如果假定空間有最大的對稱性,那麼,三維空間的幾何,只有三種可能,一個是歐幾里德空間,也就是平直時空,一種是愛因斯坦模型空間,也就是閉合時空,還有一種,是類似馬鞍型的雙曲面空間,也就是開放時空。1927年,比利時天文學家勒梅特發表了廣義相對論方程的解,指出宇宙是在膨脹,最初起源於一個“原始原子”的爆炸。他提出了一個宇宙模型。勒梅特提出他的這些思想時,他是比利時一所大學的教授,33歲,與弗裡德曼沒有交集。在宇宙膨脹這一觀點上,他們倆是不謀而合。兩年後,哈勃發現了哈勃定律,在觀測上給了他們宇宙膨脹觀點一個支持。

1929年,哈勃發現,大部分星系的光譜所發生的紅位移現象中,距離越遠的星系紅移量越大。這就意味著所有的星系,不僅在遠離我們,而且,離得越遠的星系,遠離的速度也越快。哈勃根據星系光譜的紅移數據,計算出星系退行速度與星系的距離的比值,是一個常數。星系退行速度與星系距離的這種正比例關係,就被稱為哈勃定律。這一發現,為弗裡德曼和勒梅特的膨脹宇宙模型提供了觀測依據。為此,愛因斯坦認為自己失敗,後悔在他的場方程裡引進“宇宙學常數”。

哈勃的觀測證實了宇宙膨脹。用觀測數據所支持的這種膨脹宇宙,與人們想象的那個無限和永恆的宇宙完全不同。既然宇宙是在膨脹,那麼在數學邏輯上,倒推過去,又會發生什麼呢?這就好比所有的星系在時空中逆行,它們是越來越靠近。這樣,如果不斷溯源下去,越早期的宇宙就會越小了,那麼,總會有某個時刻,宇宙回縮到不能再回縮的一個狀態。在勒梅特那裡,這個狀態是“原始原子”。因不能再回縮了,這個狀態下物質是最緻密的。這個時刻點,便是宇宙的起點,也就是宇宙的誕生點。這個就是宇宙大爆炸學說的起源。

基於宇宙膨脹回縮這種推論,從現在,往上溯回,追溯到宇宙起點,這個時間,就為宇宙年齡。當時,哈勃計算,得到的宇宙年齡是約20億年。但是呢,當時的地質學家根據古老的岩石測出的地球年齡,不少於40億年。這個證據證明宇宙膨脹說法是錯誤的。大爆炸學說受到質疑。現在計算宇宙年齡,仍然是哈勃當年的那種計算方法,就是基於光譜,根據紅位移數據,按照宇宙膨脹回溯這一思路,計算宇宙年齡。只是儀器要精密了,要測得準了,看得遠了。現在得出的數據是約137億年。

1952年,弗裡德曼的學生伽莫夫修改了弗裡德曼勒梅特宇宙模型,發展了宇宙大爆炸學說。自此之後,大爆炸學說是宇宙學上的主流思想了。霍金的思想,是延續和發現大爆炸學說。在霍金這裡,時間概念得到進一步的深化。他甚至提出“時光機”理念。

從愛因斯坦到霍金,宇宙學這一路發展過來,都是將時間作為一種與物質平行的東西而存在的。是計算上的一個“量”。沒有對“時間”概念本身的解釋。這種時間概念是物理學性的。


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