换言之,人们得到了一个奇点,它被包含在叫做黑洞的空间——时间的一个区域中。初看起来,彭罗斯的结果只适用于恒星,它并没有涉及到任何关于整个宇宙的过去是否有个大爆炸奇点的问题。
然而,正当彭罗斯在创造他的定理之时,我是一个正在尽力寻求一个问题可用之完成博士论文的研究生。
两年之前我即被诊断得了ALS病,通常又被称为卢伽雷病或运动神经细胞病,并且我被告知只有一两年可活了。
在这种情况下,看来没有很多必要攻读我的博士学位了——我预料不能活那么久。
然而两年过去了,我没有糟到那种程度。
事实上,我的事情还进行得相当好,还和一个非常好的姑娘简?瓦尔德定婚了。但是为了结婚,我需要一个工作;为了得到工作,我需要一个博士学位。
1965年,我读到彭罗斯关于任何物体受到引力坍缩必须最终形成一个奇点的定理。我很快意识到,如果人们将彭罗斯定理中的时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀,假定现在宇宙在大尺度上大体类似弗利德曼模型,这定理的条件仍然成立。
彭罗斯定理指出,任何坍缩必须终结于一个奇点;其时间颠倒的论断则是,任何类弗利德曼膨胀模型必须从一个奇点开始。为了技巧上的原因,彭罗斯定理需要以宇宙在空间上是无限的为条件。
所以事实上,我能用它来证明,只有当宇宙膨胀得快到足够以避免重新坍缩时(因为只有那些弗利德曼模型才是空间无限的),必须存在一个奇点。
以后的几年中,发展了新的数学技巧,从证明奇性必须发生的定理中除去了这个和其他技术上的条件。
最后的结果是1970年彭罗斯和我的合作论文。
那篇论文最后证明了,假定广义相对论是正确的,宇宙包含着我们观测到的这么多物质,则过去必须有一大爆炸奇点。
我们的工作遭到许许多多的反对,部分来自苏联人,由于他们对科学宿命论的信仰;另一部分来自某些人,他们不喜欢整个奇点的观念,并认为这糟蹋了爱因斯坦理论的完美。然而,人实在不能辩赢数学定理。
所以最终我们的工作被广泛接受,现在几乎每个人都假定宇宙是从一个大爆炸奇点开始的。
颇具讽刺意味的是,现在我改变了想法,试图去说服其他物理学家,事实上在宇宙的开端并没有奇点——正如我们将看到的,只要考虑了量子效应,奇性则会消失。
哈勃关于宇宙膨胀的发现,并意识到我们的行星在茫茫的宇宙中的微不足道,只不过是起点而已。
随着实验和理论证据的积累,人们越来越清楚地认识到,宇宙在时间上必须有个开端。直到1970年,在爱因斯坦的广义相对论的基础上,这才被彭罗斯和我所证明。
这个证明显示,广义相对论只是一个不完全的理论,它不能告诉我们宇宙是如何开始的。
因为它预言,所有包括它自己在内的物理理论都在宇宙的开端失效。
然而,广义相对论宣称自己只是一个部分理论,所以奇点定理真正所显示的是,在极早期宇宙中有过一个时刻,那时宇宙是如此之小,以至于人们不能再不管20世纪另一个伟大的部分理论——量子力学的小尺度效应。
20世纪70年代初期,我们被迫从对极其巨大范围的理论研究转到对极其微小范围的理论研究。
下面在我们进而努力将这两个部分理论结合成一个单独的量子引力论之前,首先描述量子力学这个理论。
7理论宇宙学爱因斯坦首次用引力场方程来研究宇宙的整体,开创了理论宇宙学的新学科。
在他提出“有限无界的静态宇宙”模型时,已经感觉到了“宇宙有引力收缩的趋势,为了不让这个不情愿的趋势破坏了美好的静态,他特别引入了一个反引力的“宇宙常数”以抵消这种引力收缩的趋势,从而人类失去了一项重大的科学预言的机遇。
1929年哈勃观察到星系光谱红移和距离的线性关系,即所谓哈勃定律。
人们把红移归结于宇宙的膨胀,并推论宇宙是由于一百多亿年前的一次大爆炸产生的,产生了标准的大爆炸宇宙学理论。
当爱因斯坦得知了哈勃发现的“宇宙普遍在膨胀”的事实后,爱因斯坦承认自己引出的宇宙常数犯了一个关键性的最大错误。
事实上,爱因斯坦在黑洞问题上最初也由反对意见。
8黑洞描述1916年,史瓦西从爱因斯坦的场方程得出了引力坍缩的解,即描述黑洞的解。
可是爱因斯坦当时却认为物质不可能如此紧致,并著文认为这是荒谬的。
后来的历史证明,黑洞是天体物理中最重要的物体,近年来的天文观测,使人们普遍认为在众多星系的中心都存在着巨大质量的黑洞。9Hubble定律Einstein当初根据他的场方程解出的宇宙是膨胀的,他认为宇宙应该是平直的,所以他人为的加入了一项宇宙学常数项,使得给出的结果是平直的宇宙。
但随着Hubble发现了Hubble定律,证实了宇宙的膨胀,Einstein去掉了这个常数项,并宣称这是他“一生犯的最大的错误”然而今天,科学家重新引入了宇宙学常数项,这和当初Einstein引入以给出平直宇宙模型不同,现在的宇宙学常数项代表了暗能量和暗物质项,当然这也是会影响到宇宙的发展的,但现在这项是有意义的,而不是当初仅仅为了满足个人观念的需要经过多年的观测和研究,人们不仅发现了宇宙在膨胀,而且随着观测手段和工具的日益先进,还发现了宇宙竟然在加速膨胀这似乎意味着有一种反引力的什么作用在其中扮演了重要角色,科学家将这种尚不知道的反引力作用称为“暗能量”。
根据定义,在球体的内部有所以在球外当宇宙半径为a0时,有L=0,当aa0时,则L=L0。
由于退行物体的速度达到光速时,我们就看不见它了*,所以我们观测不到与L0相对应的膨胀。
宇宙常数死而复生——暗能量。
在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦就急急忙忙把他方程中的宇宙常数项去掉了,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”。