第三章 宇宙的膨脹

廣義相對(duì)論被物理學(xué)家們認(rèn)為是世界上最美的理論之一,它可以被歸納為一個(gè)優(yōu)美的方程。盡管我們一直避免在本書(shū)中涉及數(shù)學(xué)公式,但由于這一方程是如此重要,我們還是在圖3—1中給出了這個(gè)被稱(chēng)為愛(ài)因斯坦方程的具體形式。(它實(shí)際上是10個(gè)分量方程的組合形式,方程中的下標(biāo)——希臘字母　和　——代表的是空間和時(shí)間的方向。)通過(guò)這幾個(gè)簡(jiǎn)單的式子,宇宙的演化規(guī)則被優(yōu)雅地呈現(xiàn)在我們面前。

上述簡(jiǎn)潔而優(yōu)美的愛(ài)因斯坦方程,把對(duì)時(shí)空的詳細(xì)描述——在哪里以哪種方式彎曲——與物質(zhì)和能量的分布緊密地聯(lián)系在一起。方程左邊描繪的是一張關(guān)于時(shí)空的地形圖。如果我們知道怎樣閱讀這樣一張地圖,就可以找到時(shí)空的丘陵和山谷,確定陡坡的斜率,并規(guī)劃出我們?cè)谟钪嬷械男谐獭６匠痰挠疫厔t負(fù)責(zé)描述所有物質(zhì)和能量的詳細(xì)位置。

因此,把上述數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)換為語(yǔ)言,愛(ài)因斯坦方程代表的實(shí)際意義即

時(shí)空曲率物質(zhì)和能量的分布

簡(jiǎn)而言之,這個(gè)方程告訴我們,空間會(huì)由于物質(zhì)和能量的存在而發(fā)生彎曲;而物質(zhì)和能量又在彎曲的空間中運(yùn)動(dòng)。

為了理解這個(gè)方程對(duì)時(shí)空的刻畫(huà),我們不妨做一個(gè)直觀(guān)的類(lèi)比,并想象一個(gè)無(wú)限大的橡膠膜。當(dāng)然在此之前,我們必須了解這個(gè)類(lèi)比有如下一些局限性。首先,時(shí)空至少有四個(gè)維度,即三維空間加一維時(shí)間(有些亞原子尺度的理論,如弦或超弦理論,會(huì)討論10維或11維的時(shí)空,但這里我們只討論日常經(jīng)驗(yàn)中的四維時(shí)空),而橡膠膜只有兩個(gè)維度(忽略其厚度)。其次,從外面看,橡膠膜是處于一個(gè)更高的三維空間中,因此我們有可能從上面或下面跳出這層薄膜。但在談?wù)撚钪鏁r(shí)這是不可能的——時(shí)空就是所有的一切,我們無(wú)法脫離它而存在。最后,在橡膠膜的模型中,膜上物體所受到的引力會(huì)把膜向下拉扯(朝向地球中心),而時(shí)空的形變卻不存在這樣一個(gè)特殊的方向。盡管有這些不同,橡膠膜模型仍不失為一個(gè)非常有用的類(lèi)比。在它的幫助下,我們能?chē)L試著用自己只習(xí)慣觀(guān)察和理解三維空間(有一個(gè)完全獨(dú)立的時(shí)間概念)的大腦,去理解更復(fù)雜的宇宙圖像。