Page 276 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

开来的，好像爆炸一样，初始宇宙的体积极小，温度极高，随着宇宙体系不断地膨胀，温度
从高到低，物质从密到稀，物质结构从简单到复杂，一直演化到今天。热大爆炸宇宙理论把
化学元素的形成和演化同宇宙演化的动力学联系起来,用核物理的成果充实了广义相对论宇
宙模型的几何框架。1965 年，3K 微波背景辐射的发现证实了宇宙在大爆炸以后曾经存在过
热动平衡状态。宇宙中占质量 25%的氦丰度由观测所得的数据同热宇宙初期氦元素形成的理
论推算值是一致的。由此，宇宙膨胀、微波背景辐射以及原初元素丰度构成了大爆炸理论的
三大观测支柱,使其成为被广泛认可的标准宇宙学模型。
凭借标准宇宙模型，相对论宇宙观得以确立，有限无界的动态宇宙观念逐渐深入人心，
这是对牛顿以来的无限宇宙论的重大冲击。根据标准的大爆炸宇宙模型，宇宙是有限的，而
有限的宇宙显然不存在奥柏斯佯谬和西利格佯谬。但是，大爆炸宇宙模型也存在自身的难题，
譬如奇点疑难、正反物质不对称疑难、暗能量和暗物质疑难等等。从广义相对论来说，爱因
斯坦基本方程在时间零点（t=0）处有一个奇点，这是一个时空曲率趋向无穷大的发散点，
方程于此处无解，所以这个方程在大爆炸起始点不适用，从广义相对论基本方程解出来的都
是起始点以后的情况，我们无法从这个方程倒推时间零点或比零点更小的时间，也就是说，
我们还无法了解宇宙究竟是怎样创生的，这就是所谓奇点疑难。按照大爆炸宇宙模型，宇宙
诞生之初曾经产生等量的物质与反物质，但是，现在的宇宙几乎全部由物质构成，反物质难
见踪影，这种正反物质的不对称是如何形成的呢?另外，人们通常认为，大爆炸发生之后，
在万有引力的作用下，过去宇宙膨胀的速度一定比现在膨胀的速度要大，而未来的膨胀速度
应比现在的速度要小，然而，1998 年美国的两个研究小组的观察结果表明，我们的宇宙现
在并不处在大爆炸宇宙模型所预言的减速膨胀之中，而是在加速膨胀。为了解释这一现象，
科学家引进了“暗能量”的观念，并推测它应当具有和爱因斯坦引入的宇宙项或真空能量密
度同样的排斥作用，但对暗能量的物理实质和来源，却还没有人说得清楚。至于暗物质疑难，
我们在第十章曾经详细讨论过，已知暗物质实际上是不可观察的非线性物质，所有暗物质现
象不过是物质运动的某种非线性效应。
从地平说到地圆说，从地心说到日心说，从古代的有限宇宙论，到近代的无限宇宙论，
再到现代的有限无界宇宙论，人类的宇宙观经历了多次嬗变，逐步摆脱了宗教的羁绊，近代
以来主要由科学来主导。科学的宇宙观是发展的宇宙观，问题和挑战永远不会完结，而正是
在不断解决问题和克服挑战中，我们才有可能逐步接近真理，揭示宇宙的奥秘。
二、标准宇宙模型
标准宇宙模型起源于爱因斯坦的广义相对论。当爱因斯坦用广义相对论对宇宙进行考查
时，他发现宇宙是不稳定的，为了使宇宙中物质不会被引力吸引而聚到一起，他假定了“宇
宙学常数Λ”的存在，并将广义相对论方程写成
1
R  g R  8 GT  g （14.1）

2   
Λ等效地导致一种物质间的相互排斥，从而保证宇宙能保持静态，并使方程有一个静态解。
1922 年，弗里德曼对宇宙求解广义相对论的基本方程，得到了膨胀宇宙的解。他舍弃
了宇宙学常数Λ，并假设宇宙是均匀各向同性的，这一假设被称为宇宙学原理，根据这一原
理，无论在哪个星系中，对宇宙的观察结果都相同，于是我们就可以根据在地球上的观测来
分析宇宙在大范围的结构。由爱因斯坦引力场方程可以给出宇宙标度因子所满足的方程

3
R
d  c 2 R 3   Pd   （14.2）

 R  2 8 G kc 2
    （14.3）


 R  3 R 2

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