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时间简史

一九四七年加默夫(George Gamow)基于哈伯的天文观察,提出“大霹雳理论”(big-bang theory),认为所有的物质与能量皆来自于宇宙诞生之初的大爆炸,在此之前没有时间与空间的概念,这套理论与《圣经》的创世说十分接近。

邦迪(Hermann Bondi)和哥德(Thomas Gold)等人则坚持永恒宇宙的观点,于一九四八年提出“稳态宇宙”(steady state cosmology)模型。这套理论必须解释已知所有元素可以由恒星的生命周期达成循环,无须经由大爆炸的能量生成。霍伊(Fred Hoyle)应用当时核子物理的最新观念,构建了一套相当成功的“元素创造”理论。他认为现今宇宙中所有的元素,都来自宇宙初期的氢元素与氦元素。

稳态宇宙无法解释宇宙初期大量氢元素与氦元素的来源,这个关键问题反而促使大霹雳理论更加成熟。根据加默夫的计算,宇宙初期大量的氢元素与氦元素,必然来自一场大霹雳,而这场爆炸所产生的巨大能量即使经过了数十亿年仍然不会消失,犹如爆炸后的回音一般。

然而,威尔森(Robert W. Wilson)和潘佳斯(Arno Penzias)在一九六五年意外侦测到宇宙的“背景辐射”(back-ground radiation),与加默夫预言的大霹雳回音能量相同,间接证明了大霹雳理论。令人惊讶的是,一九九四年宇宙背景探测卫星COBE对空中各个方向的温度进行测量,发现所有方向的温度都相同,误差小于十万分之一度。如果宇宙来自加默夫所描述的大爆炸,为何会如此均匀?

为了解决大霹雳理论的缺陷,谷史(Alan H. Guth)于一九八O年首先提出“宇宙暴胀理论”,根据谷史的描述,宇宙可以在真空中的某个量子状态诞生,时空规模以指数暴涨,其中一小块区域演化成为今天我们所存在的“可观测宇宙”。虽然谷史的理论成功解释了背景辐射的均匀现象,但是却衍生出无数个无法观测的宇宙。留下宇宙学上最大的难题。

另一方面,惠勒(John A. Wheeler)延伸爱因斯坦广义相对论的研究,预言质量很大的恒星会因为重力而向内崩溃,形成一个连光线都无法逃离的“黑洞”(black hole)。舒瓦兹(Karl Schwarzschild)进一步发现黑洞内部奇异的时空概念,揭开它神秘的面纱。

史蒂芬霍金(Stephen Hawking)与潘洛斯(Roger Penrose)于一九七O年结合大霹雳理论与黑洞理论,在数学上证明将时间的方向逆转,两者所描述的将是同一件事。霍金称“大霹雳”与“黑洞”是广义相对论的两个并存的“奇异点”(singularity)。奇异点究竟是何方神圣?宇宙如何诞生?未来的命运又将如何?在史蒂芬霍金的《时间简史》以及其新书《胡桃里的宇宙》中有极精辟的论述。