| 词条 | 开放宇宙 |
| 释义 | § 星系 开放宇宙 浑天说和盖天说是中国传统上对宇宙的两种看法，但这两种说法所指的天--现代所说的宇宙--不过是地球表面的一小块地方和在这片地方上的天空及天空中的一切。 希腊人最早意识到了我们脚下所站立的地方是一个球，甚至还测出了地球的真实大小，而且认识到了日月星辰不受其他事务影响在天空中独立的移动。但是他们认为这些东西都浮在一个透明的球壳上，而恒星是在最外面的球壳上的背景。一直到了183x年，第一次测定了恒星与地球的距离后才对恒星间距离尺度有了认识。 离我们最近的恒星，距离有4.4光年，而周边恒星的平均距离，是7.6光年。恒星的分布看起来并不是各个地方都一样的，在一个横断天空的环形条带中恒星多得多，显得十分拥挤，它们的光融成一体，形成一条白雾状的亮带，我们称它为银河，在其他的天区里，恒星就要少得多了。19世纪，人们意识到了，许多的恒星聚集在一个形如凸透镜的空间中，它阔而扁，中间厚边缘薄。现在的研究让我们知道这个透镜状的恒星集团直径有十万光年，包括3000亿颗恒星，恒星平均质量大约为太阳的一半。现在，这个恒星集团被称为银河系。 1917年美国在加利福尼亚的威尔逊山上安装了当时最大最好的一台望远镜（口径100英寸合2.54米，到现在，中国最大的望远镜不过只有 2米）。利用它，美国天文学家哈勃辨认出了仙女座星云边缘处的单颗恒星，由此认定它是一个象银河系一般大小的恒星集团，这是第一个被确认的，银河系外的星系。 现在知道仙女座星系距我们230万光年，而且在任何一个方向上，百亿光年或更远的范围内，还有着为数众多的其他星系。整个宇宙是个大的星系集团，，这些星系在宇宙空间中均匀分布，每个星系都含有几十亿直到几万亿颗恒星。而彼此距离较近的星系一般会结为星系团，它们靠相互间的引力维系在一起。比如我们所在的星系和仙女座星系以及大小麦哲伦云和二十来个其他星系（除了仙女座星系和我们，别的都很小）组成了本星系团。天空中能看到其他的星系团，有些要大得多，比如后发座有一个星系团，距我们1.2亿光年，大约有一万个星系。整个宇宙，大约有10亿星系团，平均每个星系团有100个星系。 § 膨胀着的宇宙 开放宇宙 星系虽然十分遥远，但是分析从那里来的光线，还是可以了解到它们的一些情况。 从任何一个物体发出的可见光都是由各种长短的能为我们的眼睛所感知的波长组成的，有些仪器能将这些波长分类，从最短到最长展宽为一条色带，这色带叫做光谱。比如，彩虹就是天然光谱。 把星光分解成光谱，会发现缺少某些波长的光，它们是被恒星上层大气的冷气体吸收掉了，在光谱条带中就表现为暗线。每一种原子只能吸收特定波长的光，因此根据这些暗线我们就可以获得关于目标的化学组成的资料。 1842年，奥地利物理学家多普勒证明：如果一个物体发出固定波长的声音，那当物体离我们远去时声音波长会变长，当朝我们接近时声音波长会变短。 1848年法国物理学家斐索把这个原理应用于光。根据这种效应，恒星发出的光波，当它运动着离开时波长会变长，光谱中的暗线也是如此，会朝光谱红端移动（红移）。当向着我们运动的时候，波长变短，就是蓝（紫）移了。 测量一颗恒星的光谱上特定暗线的位置，还能知道它运动的速度，这是因为运动速度与暗线移动距离相关，速度越大移动距离越大。1868年，第一次被应用在天狼星上，测出它正离我们远去。以后测得的大量数据表明，它们有的在向我们而来，有的在离我们而去，这结果是理所应当的，因为银河系是一个整体，它既没有朝我们运动也没有背离我们而去。 1912年美国天文学家斯莱弗开始系统测定个星系的谱线移动，但结果显示，除了本星系团以外的星系，表现出了惊人的一致性。不论哪种场合这些星系的光都只表现出红移，无一例外的离我们远去，而且速度非常高。离得近的也有几百千米每秒。1929年，哈勃证明，退行速度与距离成正比，如果甲离我们的距离是乙的三倍，那它的退行速度也是三倍于乙。 为什么所有的星系都离开我们而去？为要解释这种现象而又不认为我们所在的本星系团有什么不同的地方，只需要承认宇宙在膨胀，所有相邻星系团之间的距离在不断增加就行了。也就是说从任何一个星系团里望去，所有其他星系团都在做退行，而速度根距离成正比。 § 收缩宇宙 开放宇宙 爆炸以来，宇宙已经膨胀了150亿年，但我们不能单凭宇宙现在正在膨胀就断言它将永远膨胀下去，这取决于宇宙的引力大小。 “逃逸速度”，指的是离开一个物体，挣脱它的引力束缚所需要的速度。对于宇宙来说，它也有一个逃逸速度。各星系团在引力作用下相互吸引，但在大爆炸的力的作用下它们在反抗引力，向四外运动。这意味着可以靠引力拉力去减慢这种膨胀，一点一点的作用，最终有可能停止膨胀。一旦膨胀停止，各星系团就会在引力作用下聚拢，从而出现收缩宇宙。然而由于星系团之间运动的越来越远，引力随距离增大而减弱的特性会表现出来，使星系团之间的引力越来越弱。如果膨胀足够快就会无法制止膨胀。防止膨胀停止所需的最小速度就是宇宙的逃逸速度。 如果各星系团以大于这个速度的膨胀速度分离，宇宙就会一直膨胀，直到热寂，这就是开放宇宙的结局。如果膨胀速度小于逃逸速度，膨胀会逐渐停止，宇宙最终会实现收缩，重新形成宇宙蛋，以后，再在一次新爆炸中炸开，这就是一个闭合宇宙。现在的问题集中于，宇宙膨胀速度是否超过逃逸速度。 逃逸速度取决于各星系团间彼此引力的大小，这又取决于各星系团的质量和距离，为了计算方便，假定所有物质均匀散布于整个宇宙。计算结果显示，密度如果大约相当于我们教室的空间内有1000个氢原子，就能保证宇宙是闭合的。然而实际测量显示宇宙平均密度只有上面的百分之一，这样的结果远不能使宇宙收缩，宇宙是开放的，将一直膨胀到热寂。 如果对宇宙平均密度有绝对把握，结果就是如此。然而，在计算物质时我们只计算了星系的质量，位于星系外围和星系之间的稀疏的尘埃、气体和恒星，没什么可靠的测量方法，它们几乎完全不可见。然而世界上任何东西小的一定比大的数量多，很有可能大大低估了它们的值。 1977年哈佛研究人员通过x射线研究，报告说发现有迹象表明一些星系团周围恒星和尘埃组成的晕圈拥有的质量高达包含在内的星系团内星系质量的5- 10倍，这种晕圈如果普遍存在，就极大的增加了宇宙质量，使开放宇宙变的不大可能。此外在对星系团的研究中，发现如果只计算星系团各成员星系的质量，那它们的引力无法把它们维持在一起，显然，星系外的质量没有计算进去，而它可能要大得多才能保证星系团的存在。总之目前证据暂时有利于开放宇宙，但闭合宇宙的可能性在不断的变大。 但一个收缩宇宙会最终重现低熵宇宙蛋，这意味着抵触了热力学第二定律，这如何解释？ 热力学第二定律，不过是普通经验的推广，我们观察到无论条件如何，第二定律似乎从未被违反，由此下结论说，第二定律不可能被违反。然而，我们有一件事实无法忽视，就是我们毫无例外的，是在一个膨胀宇宙中进行各种试验、观测。由此，至多只能说热力学第二定律在膨胀宇宙中不可能被违反。 单凭我们的观测与实验，关于熵与一个收缩宇宙间是什么关系什么也不能确定。完全可以假定，当宇宙膨胀减慢时熵增加的趋势慢慢减弱，而宇宙压缩时，熵减少的趋势占优势。这样，可以认为在一个闭合宇宙中，熵在宇宙膨胀中会逐渐增加，在热寂前，很可能发生逆转，宇宙将收缩，熵在收缩阶段逐渐减小。由于目前确定的宇宙质量很小，假使它增长到能保证闭合宇宙，也只是够数而已。这意味着宇宙膨胀和收缩都会以缓慢的速度变化，是一个长久的过程。 目前生活的宇宙，还处在比较短暂的快速膨胀期，宇宙膨胀速度还较快，对应的，还将出现一个快速收缩期，每个时期只有几百亿年。两个时期之间，将是一个漫长的实际上静止的时期。 § 结构模型 开放宇宙 弗里德曼宇宙模型的一个解。在宇宙学原理这一前提下，解爱因斯坦引力场方程，得宇宙的动态时空度规： `ds^2=R^2(t)[{dr^2}/{1-kr^2}+r^2(d\\theta^2+sin^2\\thetad\\varphi^2)]-c^2dt^2` 式中r，θ，$\\varphi$为球极坐标，t为宇宙时，k为空间曲率署符，R(t)为宇宙距离标度因子，它随时间变化的规律可以用来描述宇宙的过去历史和未来演化趋势。令$\\dotR$和$\\ddotR$分别表示R对宇宙时间的一次变率和二次变率。定义哈勃常数$H_0=\\dotR//R$，减速因子$q_0=-R\\ddotR//\\dotR^2$。若取H0=50公里/（秒·百万秒差距），宇宙常数Λ=0，当减速因子q0=1/2、空间曲率为零时，宇宙物质有一临界密度ρc=4.7×10克/厘米。倘若目前的宇宙物质平均密度ρ0≤ρc，即0≤q0≤1/2，宇宙将永远膨胀下去。由此算出k=-1或0，即对应于三维双曲空间或平直空间。在此种宇宙中，光线永远回归不到“原处”，这就是开放宇宙模型。 假如ρ0＞ρc，则q0＞1/2，宇宙的膨胀将逐渐减慢，终于停止。由此算出k=+1，即对应于三维球面空间。在这种宇宙中，光线有可能返回到“原处”，因此称闭合宇宙模型，也称胀缩宇宙模型。根据目前的观测资料，从不同的途径求出的减速因子各不相同。按宇宙物质平均密度的观测值，得ρ0＜ρc，即q0＜1/2，宇宙是开放的；按星系的哈勃图，q0＞1/2，宇宙是闭合的或胀缩的。这个矛盾目前尚未解决。[1] § 普利高津的“开放宇宙” 普利高津的“开放宇宙” “开放宇宙”是科学哲学家波普尔（1902－1994）的核心理念，由此他又得出为人们所熟悉的“开放社会”的思想（这个逻辑顺序是重要的，但由于《开放宇宙》推迟了近30年才出版，读者似乎只记住了政治哲学著作《开放社会 》）。而普利高津（1917－2003，也译作普里戈金）是一位非平衡态热力学、统计力学、复杂性科学的呐喊者，一位对自然哲学倾注了极大热情的当代科学家，一位对不可逆、时间之矢几乎着了魔的当代的赫拉克利特、“浑沌鉴赏家”（《湍鉴》作者的评语）、“古代阿尔戈英雄”。普利高津与“开放宇宙”有关系吗？联系紧密，只不过少有人关注。 波普尔与普利高津，都试图使日常生活的经验世界与当代科学的理念世界协调起来，在此他们都选择了以日常生活经验为基础，坚定相信“生活世界”的可靠性，为此而向以科学为基础的形而上学观念发起了挑战。普利高津则更进一步，还向过去的以及当代的科学发起猛烈进攻。 普利高津与20世纪非平衡热力学、非线性科学同步成长，前者深深留下他的足迹，后者也帮助他理清了思路、增强了论证能力。波普尔与普利高津相似之处在于，都不遗余力地用非线性动力学的新进展为自己的自然哲学信念作论证，强烈反对宿命论、“科学”决定论，从而鼓吹世界是开放的、未来是未给定的、时间箭头是真实存在的，虚幻的不是常识而恰好是近代牛顿式自然科学。 普利高津以一生的努力在探索不同于牛顿力学也不同量子力学的新科学（或者叫“第二种科学”），他清楚地表述过：“科学和物理学远未完成，而不像有些理论物理学家希望我们去相信的那样”（《未来是定数吗？》，第12页），相反，他认为“我们还只是处在开端”。 他获得了1977年的诺贝尔化学奖，应当算是相当成功了，但也有人说他，“自高自大，其实对自然科学并没有什么具体的贡献，他只不过是重复了别人的实验并夸大了其哲学意义；因而，同其他诺贝尔奖获得者相比，普利高津应该是最不够格的一个”。这一评论并非全然出于嫉妒，据我读研究生时阅读的大量自然科学文献的经验来判断，上述批评竟然不是全无道理的。问题可能出在标准上，什么是好科学什么是优秀的科学？诺贝尔奖评选推崇的是什么科学？归纳起来看，诺奖评委通常会选择那种还原论科学认可的干净利落的硬结果，以此标准评价普利高津其成果确实不够“硬”。此外，他是一个极善于合作的人（不仅仅与化学、物理领域的学者合作），他一生发表的大部专著和论文都是与他人合作的，他的工作中也大量吸收了他人的成果，这一点也会引出不同的解释。按我的观点，普利高津也许不该获得那种诺贝尔奖。并非他的工作不重要，而是因为“范式”不同。 普利高津虽然在其普利高津学派中树立了绝对光辉的形象，但在整个科学界他的理念并未成为主流，这是容易猜到的。即使在他后半生全力以赴的混沌与复杂性科学领域，一些曾经从他那里汲取过营养和教益的年轻人，也“极少对普利高津表示赞扬”。可以说，在自然科学领域，他的成功与他的失意难分上下。相反，普利高津在人文社会科学领域（如科学哲学与科学史领域），甚至在交叉科学领域，却取得了绝对的成功。从托夫勒为其《从混沌到有序》撰写的前言可见一斑。 普利高津实事求是地断定，千百年来的人类的日常生活经验对于创立新科学有关键性的作用，“生活世界”包含着新科学的种子。在普利高津的科学探索（及其哲学解释）中可以时时感受到“回到事物本身”的强烈愿望。现象学哲学家胡塞尔在《欧洲科学危机和超验现象学》中认定科学的“危机”表现为科学丧失生活意义，并把此危机的根源追溯到“伽利略对自然的数学化”。作为一种思想史的追踪，胡的工作是没问题的、清晰的，但是把那样一种历史事实与当今的结局之间作一种因果性的甚至必然性的联系，可能又落入了“历史决定论”的套路。数学化也不必然导致目前这种形式的科学危机。历史发展的每一阶段都有分岔，都可能有不止一种选择。伽利略的数学化，对今日的还原论的、几何式的自然理解方式，负有一定的责任，但是原则上可以对自然进行不同的数学化，因为可以发明不同的数学（这一点从非欧几何出现开始，已经越来越明显地被认可）。普利高津没有一味地诋毁数学本身的过错（胡塞尔当然也没有，只是他对问题的定位不够精确），而是努力尝试发明新的数学工具，建构新的自然模型。模型，为了实用，也限于时代的认识水平，模型自然要相当地简化，只强调某些方面而有意或无意忽视其他所有方面。但是我们可以建立多种模型，用多种模型，套住大自然，尽可能平衡单个模型的偏执。模型是假说，“假说是网，只有撒网的人才能捕获。[2] § 霍金的开放宇宙新理论 霍金的开放宇宙新理论 20世纪的天文观测表明，宇宙正处于膨胀的演化过程中.在时间上往过去反推，人们估计在100多亿年前宇宙是处于极其紧致极其炽热的所谓大爆炸奇性的状态。宇宙的演化必须服从爱因斯坦引力场方程。但是不同的初始状态会导致不同的演化。大爆炸奇性从何而来或者宇宙从何而来的所谓第一推动问题就摆到了宇宙学家的面前。 80年代初，科学家们提出了所谓的暴涨宇宙模型。在大统一破缺之后，宇宙有一个以指数形式膨胀的阶段。由于这种暴涨，相当任意选取的初始条件都会导致和今天观察到的宇宙大致相等的结果：宇宙是非常平坦的，均匀的，各向同性的，以及宇宙中物质分布的模式，如星系团、星系、恒星和生命形成等等。 但是人们必须为暴涨理论本身选取一些合适的参数。这样宇宙初始条件的选取被转变为这些参数的选择。人们仍然没有彻底解决第一推动的问题，只不过是在一定程度上减弱了这个问题的尖锐性而已真正解决第一推动问题的是霍金提出的无边界条件的量子宇宙论。在他的理论中，宇宙的诞生是从一个欧氏空间向洛氏时空的量子转变，这就实现了宇宙的无中生有的思想。这个欧氏空间是一个四维球.在四维球转变成洛氏时空的最初阶段，时空是可由德西特度规来近似描述的暴涨阶段.然后膨胀减缓，再接着由大爆炸模型来描写.这个宇宙模型中空间是有限的，但没有边界，被称作封闭的宇宙模型。 从霍金1982年提出这个理论之后，几乎所有的量子宇宙学研究都是围绕着这个模型展开。这是因为它的理论框架只对封闭宇宙有效。如果人们不特意对空间引入人为的拓扑结构，则宇宙空间究竟是有限无界的封闭型，还是无限无界的开放型，取决于当今宇宙中的物质密度产生的引力是否足以使宇宙的现有膨胀减缓，以至于使宇宙停止膨胀，最后再收缩回去.这是关系到宇宙是否会重新坍缩或者无限膨胀下去的生死攸关的问题. 可惜迄今的天文观测，包括可见的物质以及由星系动力学推断的不可见物质，其密度总和仍然不及使宇宙停止膨胀的1/10.不管将来进一步的努力是否能观测到更多的物质，无限膨胀下去的开放宇宙的可能性仍然呈现在人们面前。 可以想象，许多人曾尝试将霍金的封闭宇宙的量子论推广到开放的情形，但始终未能成功.今年2月5日，霍金及图鲁克在他们的新论文“没有假真空的开放暴涨”中才部分实现了这个愿望。他仍然利用四维球的欧氏空间，由于四维球具有最高的对称性，在进行解析开拓时，也可以得到以开放的三维双曲面为空间截面的宇宙.这个三维双曲面空间遵循爱因斯坦方程继续演化下去，宇宙就不会重新收缩，这样的演化是一种有始无终的过程。 霍金发表了这论文之后立即得到了国际学术界的反响。之后的20天(即2月25日)，他又写了一篇短文为他的一些计算进行辩护。 封闭宇宙的重新坍缩会把世上的一切再次带回到极高温的大挤压状态。而开放宇宙的无限膨胀的前景也不甚美妙，宇宙将无限冷却下去，迄今没有人设想过如何避免这两种世界末日的来临，因为它将发生于极其遥远的将来。[3] |
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