范式下进行假想的“膨胀橡皮宇宙实验”(ERSU)。为帮助思考，我们用第七 章引人的两种不同的规察者：普通的在家的“观察者”（他以和我们一样的方 式看遥远的事物)和假想的游荡“探索者”（他以无限的速度漫游，在零宇 宙时间中穿过宇宙)。这些实验中的探索者才真的像是从外面俯瞰ERSU的我 们。我们的实验说明了很多问题，如均匀膨胀、宇宙时间、星系退行、膨胀 的速度一距离关系、哈勃红移定律等。这些实验表明，星系并不是在空间远 去，而是在膨胀的空间中静止。难怪遥远星系远离我们的速度会超过光速。 退行速度不是我们熟悉的普通速度。膨胀的测量需要引进共动坐标、坐标距 离、标度因子、哈勃项和减速项，我们要说明宇宙是如何根据标度因子随时 间的变化而分类的。 第15章红移 来自遥远星系的光会因宇宙膨胀而红移。这种宇宙学红移不同于多普勒 红移和引力红移，它是辐射在穿过膨胀空间时拉长了波长而产生的。空间膨 胀了，波长拉长了，宇宙学红移就这么简单。也有几个红移的疑问。最奇怪 6的问题是一些普及读物的错误：它们没能区分宇宙学红移和多普勒红移。多 普勒效应意味着星系在空间里飞速退行，我们可以用狭义相对论解释宇宙。 这是非常危险的解释，会给理解现代宇宙学带来无限混乱。它在退行速度等 于光速的地方划定一个宇宙学边缘。我们的讨论强调两个概念：首先，退行 是空间膨胀的结果（星系在膨胀的空间几乎是静止的）；第二，宇宙学红移是 光和其他形式的辐射在穿过膨胀空间时将波长拉伸的结果。现在清楚了，正 因为这个，我们以前才坚持说空间和时间是物理真实的（这是广义相对论的 精髓)，而且包含在宇宙中；宇宙不是在空间膨胀，而是包含膨胀的空间。 第16章牛顿宇宙学 牛顿通过假定宇宙是完全均匀的而解决了引力之谜（或宇宙力的纷争）。在 一定的极限条件下，牛顿理论的结果与广义相对论是相同的。借助牛顿思想， 我们讨论了宇宙动力学，它说明了引力与A力是如何决定宇宙膨胀的。我们还 要解释为什么一定条件下的牛顿理论能给出和广义相对论一样的宇宙学结果。 第17章宇宙盒子 宇宙所有位置在宇宙学时间的每个瞬间都相似，这个原理有着深远的意 义。在同一时刻比较，遥远区域与我们本地区域处于相同状态，通过研究一 个样本区域的历史，我们]就能发现宇宙的很多东西。这就是“果壳里的宇宙” 的基本思想。我们假定宇宙的某个部分封闭在一个假想的宇宙盒子里，盒子 6宇宙学
有完全反射的壁，并且和宇宙一同膨胀。盒子里面发生的事情与外面是完全 相同的。从宇宙学尺度看，宇宙盒很小，因而我们假定它是欧几里得空间， 可以用寻常实验室的物理学定律来研究不同形式的宇宙学现象。宇宙学盒子 是很有用的探索工具，如果没有它，我们很难处理某些问题，如宇宙熵和宇 宙学尺度的能量不守恒。 第18章多样的宇由 过去人们提出过很多宇宙学理论，它们多数在今天只有历史意义了。我 们要考察各种形式的“宏图”（宇宙学模型)，如爱因斯坦、德西特、弗里德 曼和弗里德曼一勒梅特等宇宙模型。这些模型可以分为静态的、爆炸的、鸣 咽的和振荡的。还有其他的分类方法。在这个宇宙图景的大画廊中，爱因斯 坦提出的A力增添了很多花样。我们从这个宇宙学超市中挑选并考察米尔恩 (Milne)的运动学宇宙、稳恒态宇宙和处于压缩、拉伸和动荡中的宇宙。我 们也考虑暴胀、混沌和反混沌，讨论标量-张量理论的“梦机器”；宇宙学家 通过调节它的控制按钮，将一个宇宙转化为无限多个不同的宇宙。 第19章观测宇宙学 我们先考虑本地观察，然后考虑中等距离的观察，最后考虑宇宙学距离 的观察。本地观察限于太阳系、银河系和本星系群，距离不超过几百万光年。7 它们确定距离阶梯的第一级，决定物质的分布和密度、恒星和星系的年龄 (从而确定宇宙年龄下限)、化学元素丰度、源于早期宇宙的背景辐射（揭示 银河系的特殊运动)，揭示某些问题的宇宙学信息，如重子的密度和宇宙背景 辐射的性质。 中等距离的观察主要限于本超星系团（室女座），延伸几亿光年。它们仪 探测哈勃球以内的东西，不延伸到哈勃流。它们确定星系的结构、分布和运 动、扩大的距离尺度、近似形式的红移距离和速度一距离定律，给出某些 问题的宇宙学信息，如宇宙年龄、重子密度、密度参数和哈勃项的近似值。 宇宙学距离的观察深人哈勃流，那里的红移一距离关系不再是线性的。 我们通过比较邻近和遥远的天文学系统来构建宇宙演化的历史。在这幅世界 图景里，我们（在观察者的向后光锥上)看到的景象必然向前投射到世界图 景上（那里的红移~距离关系仍然是线性的）。这种投影过程使宇宙学参数的 确定大为复杂了，我们还远未获得满意的哈勃项的数值、密度参数、退行项、 宇宙学项和曲率常数。 第20章早期字宙 1965年发现的宇宙背景辐射为宇宙早期历史的大爆炸提供了确凿的证据。 导引7
我们探索大爆炸，不是通过空间旅行，而是留在原地，回到过去的时间。大 爆炸无处不在，如果宇宙在空间无限延伸，那么大爆炸也一样。当我们走回 过去，宇宙学密度和温度持续增高，几十万年时，宇宙充满了辉煌的光。我 们站在辐射时代的门口。从这个时代开始出现的宇宙背景辐射随着膨胀而冷 却，直到今天我们看到的样子。在宇宙1秒钟时，温度为100亿开尔文，密 度比水重1百万倍，这时我们离开了辐射时代而进人轻子时代的奇妙世界。 一团团电子、μ子和它们的反粒子，为了生存而相互争斗。从这个轻子的战场 上流出一群魔幻的看不见的中微子，永不停息地在宇宙空间游荡。我们继续往 回走，经过重子时代和在强、弱和电磁力作用下相互争斗的物质和反物质。最 后，我们看到宇宙发生相变，通过暴张时代而进人一个由超弱力统治的物质与 反物没有分别的世界。我们的旅行最终在不可逾越的普朗克壁垒面前终止了。 在普朗克时代，宇宙年龄是1043秒，宇宙密度是水密度的10”倍。这时，空间和 时间的量子涨落是宇宙学尺度的，时空形成混乱的不连续的泡沫。 我们从早期宇宙回来，借助我们的时间机器转向未来，来到时间的终点。 我们发现宇宙也许会停止膨胀，然后坍缩，在新的大爆炸中终结；也许会永 远膨胀下去，在长长的一声叹息中消亡。在第一种情形，在宇宙坍缩中，星 8系被挤压在一起，在接下来的大毁灭中，破碎的恒星以接近光的速度穿过空 间。辐射时代的辉煌重新回来了，宇宙也回归到以前的原初状态。在第二种 可能中，星系继续退行，几千亿年之后，一片死寂，没有了生命。在随后的 漫长时间里，恒星系统和星系开始收缩，形成黑洞，粒子逐渐衰变，转化为 辐射。经过无数世代，所有黑洞都蒸发，多数形成低温辐射，宇宙几乎不含 任何物质，只有微弱的辐射越来越微弱。 第21章宇由的视界 我们在宇宙中能看多远？答案依赖于我们要看什么，它们是事件还是世 界线。我们讨论了事件和粒子（或世界线)视界，先在静态的牛顿宇宙中说 明它们的本质，然后在更一般的非静态宇宙模型中讨论。讨论了视界疑难、 视界问题、哈勃球等其他问题，还讨论了光子视界，从我们发出的光子在它 们之外实际上在退行。 第22章暴胀 也许宇宙始于一个极端对称的状态，通过一系列相变转化为低对称的多 样状态。在极早期宇宙中，最初诞生的有磁单极粒子。这些大质量单极子不 会衰变，因此应该还存在着，而且和宇宙背景辐射的光子一样多。暴胀时代 解释了为什么看不见它们。在大统一相变中，超弱力分化为电弱力和强力， 8宇宙学
宇宙处于极端紧张状态。在这个状态下，宇宙以不变的密度剧烈膨胀（或暴 胀)。暴胀不仅解决了磁单极问题，也解决了平直问题和视界问题。但暴胀也 付出了代价：它引出非重子丢失问题。 第23章宇宙数 宇宙常数关系着宇宙的亚原子尺度和宇宙尺度的性质。这些无量纲数字 有着迷人的巧合。我们讨论丛生假说和狄拉克大数假说以及它们与人存原理 的联系。宇宙数字学很早就出现了，阿基米德就在《数沙术》中计算过填充 宇宙所需要的沙粒数。 第24章夜黑 夜黑问题即著名的奥尔伯斯佯谬，出现在16世纪哥白尼革命时期。为什 么夜空是黑的，而没有被数不清的恒星的光芒照亮，困惑着很多科学家，在 宇宙学历史上起着重要的作用。最近许多作者说夜空黑暗是因为宇宙的膨胀。 但这是不对的，因为计算表明，即使我们的宇宙是静态的，夜空仍然是黑的。 宇宙没有包含足够的能量来生成一个明亮的天空。诗人艾伦坡（Edgar Allan Po)预见了正确的回答，开尔文进行了更深人的研究。夜空是黑的，因为星 光招摇的时间太短，还没能以与恒星相平衡的辐射充满宇宙；换句话说，恒 星招摇的时间太短，宇宙还没有囊括足够多的恒星覆盖天空。 第25章宇宙的创生 我们考虑宇宙学中的一些杂题，从早期社会的创世纪神话说起。摩西纪 年确定宇宙创生的时间是五六千年前，在科学与宗教间引发了激烈冲突。我 9 们将宇宙的创生和适应区分为两个独立的问题，并考察现代的神学、人类学、 自发性和自然选择理论，也简单评述了终世论和世界末日理论。 第26章宇宙里的生命 最后一章我们考虑过去和现在的生命起源理论，讨论进化和自然选择的 诸多方面。认识智慧的本质是宇宙学的重要课题，我们将考虑人类是如何获 得大脑的。作为宇宙学家，在我们精心调制的宇宙中，我们感到不得不相信 智慧生命必然存在于众多星系的其他地方。但生命是什么？智慧是什么？在 我们的银河系里有技术高度发达的智慧生命吗？这样那样的问题始终等待这 我们去追寻。 导引9
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