宇宙时与膨胀宇宙：时间简说

上面的内容中，我们知道了时间概念和宇宙概念之间具有特殊的密切关系。狭义相对论否定了绝对同时性似乎打破了这一关系，并且也推翻了普适时间的古代概念。爱因斯坦在把广义相对论应用于宇宙论研究时，引进了宇宙时概念。与这一概念相联系的便是均匀空间概念，它由整个宇宙大尺度上的物质分布所确定，其局部不规则性已经被“平滑掉了”。不过，爱因斯坦本人对广义相对论和他的宇宙论之间的关系，并未给出系统的分析，因而产生了一些混乱。

产生混乱的原因是，爱因斯坦是首先提出局部引力理论，后来才提出普遍引力理论。这样，相关的宇宙时空理论就作为他的时—空结构普遍理论的一个实际应用而出现的。相反，我们或许应该取被“平滑掉了”的宇宙作为基本参考架，而把广义相对论视为分析附加在普遍引力场上的局部引力场的基本技术，不管我们在从整体上去研究宇宙时是否被迫保留局部理论的特有性质，问题还是会发生。实际上，爱因斯坦在着手考虑从整体上研究宇宙时，还是决定通过在场方程中引进一个新常数，即所谓的“宇宙常数A”来规范他的理论。

作为引进宇宙常数的结果，爱因斯坦提出了有限均匀的宇宙模型。这是一个球状（或椭球状）空间的静态系统。在爱因斯坦提出这一模型后，爱丁顿立即指出，在爱因斯坦宇宙中，普适时间和普适空间被放到了宇宙学尺度的现象上，但是“相对论却被降为局部现象”。他对爱因斯坦引进宇宙常数这一勉强限制虽然持观望态度，但还是为爱氏引进宇宙时而辩解，并且指出，正如每一个受限制的观测者都有他自己的时空间隔一样，一个随宇宙一道共同扩张的观测者或许也会具有他自己特殊的时空间隔。

在爱因斯坦提出有限均匀静态宇宙模型后不久，荷兰天文学家德·西特（de Sitter）发表了一篇重要文章。在这篇文章中，他求得了一个奇异的结果，即一个真空宇宙不需要拥有闵可夫斯基时空度规。这一发现是爱因斯坦在场方程中引进常数项的直接结果。德·西特取这一常数不是零，而取引力质量m=0，得到了随时间按指数扩张的宇宙模型。

由于爱因斯坦在方程中引进宇宙常数项，按牛顿术语来说，相当于排斥力。在爱因斯坦宇宙中，在每一个点，宇宙排斥力精确地与万有引力相平衡，因此，爱因斯坦宇宙是真正的静态宇宙。德·西特通过取宇宙中物质的平均密度逐渐变小最后为零所消除的正是万有引力，因此最后剩下的只有宇宙排斥效应。所以爱丁顿指出，德·西特宇宙的不变性取决于确定没有物质出现，即“以简单的办法删去进入的可能显现变化的任何东西”，当真实的宇宙既不是完全没有运动，又不是完全真空的时候，问题就来了，“我们将把一个小的运动放入爱因斯坦宇宙的惯性物质，还是将一个小的物质放入德·西特宇宙的最外层？”

从理论观点看，爱丁顿在1930年发现爱因斯坦宇宙模型是不稳定的时候就已经给出了明确的答案：如果它的半径稍有增加，宇宙排斥将超过引力吸引，并且半径将进一步增加。有鉴于此，如果最初时半径缩小一点，则万有引力将大于宇宙排斥力，因而模型将继续缩小。在爱丁顿看来，实际宇宙的历史是由最初的爱因斯坦状态向随后的德·西特状态或零密度状态逐渐过渡的。

爱丁顿的理论研究受哈勃在1929年发布的星系谱线红移经验定律所启发。哈勃假设这些红移象征后退运动的多普勒频移，求得了所谓的哈勃定律：

式中，v为径向速度，r为距离，T0是哈勃时间，它对研究的所有星系都是相同的。在20世纪70年代，人们发现红移在河外星系谱线上占优势，从而导致许多研究者去考虑德·西特宇宙模型。在哈勃定律中，确定河外天体的确切距离比较困难。为了测定T0，必须估计本星系群之外的某些外部星系的距离。利用威尔逊天文台的100英寸望远镜，人们只能检测本星系群中的仙王座变星。在改进了一些星系的距离以后，哈勃发现T0似乎接近于2×109年。(www.xing528.com)

哈勃星系距离尺度在20世纪50年代得到了相当大的改进，人们发现所有星系的距离，包括本星系群中的星系的距离都被过低地估计了，其原因主是要对仙王座变星距离估计的误差太大。20世纪50年代末，桑达格（A.Sandage）发现，哈勃选取的本星系群外的亮星实际上是辉光氢气，即天文学家们所称的HⅡ区，它们比哈勃假定要亮许多，因而他由此推求的本星系群外部星系的距离必须再增大5～10倍。经过仔细分析，桑达格提出T0=1.9×1010年。

虽然有不少研究者从其他方面寻求河外星系谱线红移解释，但是在天文学家中几乎普遍认为，红移是由以多普勒效应为基础的后退现象引起的。就是说，河外星系团正在由本星系向外“流出”，流出的速度正比于它们的距离。这种扩张被认为是一种普遍现象，从任意星系团都可以观测到。这表明，人们不应该视我们的本星系为宇宙的唯一中心，其他星团正从这一中心后退，宇宙正在向外扩张。

宇宙扩张的发现是人类宇宙概念的划时代的革命。在这里，我们的兴趣主要在于它对人类时间概念的影响。我们在前面已经提到“时间起点”问题，它源于宇宙扩张假说。在我们进一步研究这个问题之前，如果我们要放弃宇宙作为一个整体是静态的假说，我们还必须考虑出现其他各种理论的可能性。

就作为整体的物质和空间的关系而言，在近代自然科学中基本上存在2种空间理论。一是以莱布尼兹为代表的“相关”理论，认为各物质客体之间的相互关系是通过空间相联系的。另一个则是牛顿的“绝对”理论。牛顿认为，空间在本质上区别于物质，它以其自身价值而存在，因而是绝对的。尽管这一理论带有17世纪剑桥柏拉图哲学的基本特征，但它并没有得到像洛克这样的哲学家的支持。牛顿通过著名的水桶实验试图证明旋转运动是绝对的。他把绝对空间与惯性系的类型联系起来，这种类型的惯性系规定了所有固定方向的汇聚点，即所谓的“惯性罗盘”。因此他所建立的只是宇宙中的基本方向。这些方向由物质的初始分布和初始运动决定，并与宇宙扩张（或收缩）和谐共存。按照“绝对”理论，这种扩张将使物质宇宙扩张进入外部虚空空间，就像气体扩散到周围真空中一样。按照“相关”理论，宇宙外部没有任何东西，甚至连真空空间都没有，它的扩张只是简单的作为一个整体的宇宙关系尺度向线性维数的变化。

宇宙扩张思想提出以后，如何构造宇宙模型，出现了2种不同的数学方法：空间扩张方法和运动学方法。习惯上，人们把它们称为2种不同的数学模型。虽然这2种模型之间存在密切关系，但它们之间有着极其重要的哲学差别。空间扩张方法是空间概念关系的自然伴随物；而运动学方法与绝对空间思想联系在一起。因此，在一种情况下是空间的运动，而在另一种情况下是在空间中的运动，即在前一种情况下，空间是所有物质的参考架，而这个参考架在扩张；而在后一种情况下，注意力集中在基本粒子的运动类型上，而不是在空间的结构上。

不管哪种方法，它们都遵循这样的假说，即在充分伸展的宇宙的每一个区域都存在一定的平均物质运动。在这一区域中，个别宏观物体的实际运动相对于该平均运动的偏离都比较小（与光速相比），而且不是系统偏离。基本粒子因此被定义为这样的粒子：它具有该平均运动且拥有该区域物质总量的质量。与这一基本粒子相联系的便是时—空参考架，它可以被看成是该区域所有宏观物体的基本参考架，与基本参考架相联系的本征时间起着该区域平均地方时的作用，人们称它为宇宙时。这样称谓的原因有二：首先，在通常考虑的均匀同质的宇宙模型中，它起普适时间的作用，就像爱因斯坦宇宙和德·西特宇宙度规中的时间坐标；其次，在每一个区域，它也可以被看成是宇宙基本节律的时间尺度。实际上，由于个别运动、地方引力场等影响，这些自然钟会受到一定的干扰；但在原理上，这些干扰可以通过统计平均而被“烫平”，因此，宇宙时本质上是一个统计概念，就像气体的温度那样。