霍金死后三大奇怪事（宇宙的奥秘）

神话传说与科学

千百年来，在中华民族流传着盘古开天地的神话。

很久很久以前，天地一片混沌，分不清哪儿是天，哪儿是地，盘古便沉睡其间。有一天，盘古醒来，感到十分气闷。于是，他大吼一声，双手擎起了天，双脚踏实了地。后来，又逐渐有了山川万物。这是我们的祖先通过观察、想象、又经过多少代的流传而形成的故事。

随着历史发展，观察仪器和手段的进步使科学家得到关于宇宙的更接近实际的看法。

我国东汉时代的科学家张衡发明的浑天仪反映了当时人们的天地观：大地如鸡蛋黄，天空如蛋壳，日月星辰在天穹上运动。所以，人们才看到，太阳每天从东方升起，越过天空，到西方落下。

浑天仪

这种混天说实际上是一种地心说。西方中世纪盛行的地心说的大意是，地球位于宇宙的中心，日月星辰都环绕地球运动。

15世纪波兰天文学家哥白尼提出了日心说：不是太阳绕着地球旋转，而是地球绕着太阳旋转，绕行一周的时间是一年。表面上看到的太阳升落的原因是地球在自转，自转一周要一天。

日心说是天文学上一场革命性变化。它开辟了科学发展的新阶段。

今天我们知道，除了地球绕着太阳旋转之外，还有八颗星星绕着太阳旋转。我们把它们叫做行星。依照距离太阳的近远，它们分别是水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星和冥王星。地球在金星和火星之间。在火星和木星之间还有一个小行星带，其中有成千上万颗小行星。大行星往往还有卫星绕其旋转。月亮就是地球的卫星。它绕地球一周要用一个月少一点的时间。在各行星之间还有许多彗星穿行。太阳和它的行星、彗星、卫星等构成了太阳系。

太阳系

20世纪20年代，科学家发现，许多星系都正在远离我们而去；60年代，科学家又发现了宇宙背景辐射。为了解释这些观测事实，科学家逐渐形成了一个较为成熟的理论，这就是所谓的标准模型。

标准模型

通过观测，人们已经知道，我们所看到的宇宙目前正在膨胀着。再从宇宙学原理出发，根据引力场方程，就可以解得宇宙物质运动发展的情况。它确实是膨胀的，与天文观测的事实一致。取得了很大的成功。因此叫做标准模型。

标准模型的成功，在于它给出了一个膨胀的宇宙，与天文观测一致。物理学的理论必须与实验或观测一致。否则，理论本身再完美，理论的提出者再有名，一段时间内拥护者再多，它也无法逃避被淘汰的命运。历史上的地心说、以太说等事例不胜枚举。今后，这样的事还会不断发生。这就是物理学前进的基本模式。

关于标准模型，还有一系列问题。其中包括大众最感兴趣的一个话题——时间。

1、时间不可逆与因果律

因果律是自然界中最普遍的规律。没有父母的结合，就不会有子女的出世。这是一个人人尽知的道理。没有阳光、水等，植物就不会生长……这些是生物界因果律的常见的例子。没有外力，物体就会保持其原有的静止或匀速直线运动状态。这是牛顿第一定律，也是因果律在物理学界的一个例子。在化学界……总之，因果律的例子是随手可以拈来的。简单地说，有因才有果，没有因就没有果；因在前，果在后。决不可能倒过来。子女不可能出生在父母出世之前；果不可能结在花开之前；物体运动状态的改变不可能发生在外力施加之前……

因果律生动地反映了时间的不可逆性。物体在某时刻的运动状态是其在此时刻之前的运动状态以及与其它物体相互作用的结果。而后者是前者的因。在诸多的因中，有的对这个果起主导作用，有的起次要作用。人在每一时刻的状态都是之前时间的作为以及周围环境的果。自然，这个情况比物体运动复杂多了。

因果律是自然科学的基础。物理学通过方程表达某（些）因与某(些)果之间的联系，从而由某个因可以预先知道一系列的果。比如，通过牛顿引力定律（方程）和某彗星目前的运动形态（因）而预先知道它将来的情况（果）。医学通过探索致病的因而达到治病救人的目的……没有因果律就没有自然科学。

总而言之，因果律是不能违反的，时间是不可逆的。

但是，在标准模型的时空框架内，时间与空间的地位完全等同。时间的不可逆性是要靠人为地来保持的。

所以，在讨论和应用标准模型时，要特别注意。只注意防止时间倒流比较困难。因为时间是物质运动的持续性，所以它依赖物质的运动形态。不同运动形态的物质有不同的时间，需要经常协调，时间的先后不容易始终控制得正确。

通过注意不违反因果律可以比较好地解决这个问题。

2、时空隧道

在许多动画片中，都可以看到类似的如下情节：主角（或者与他的伙伴一起）通过一个神奇的门，立刻（或者很快）就来到相距极为遥远、时代也相差许多的另一个世界。这就是人们熟知的时空隧道。它如果只出现在动画片所表现的神话故事当中，则完全不必大惊小怪。神话本来就是可以随意想象的。

但是，有的相当有影响的科学家在世界著名的学术刊物上发表论文来讨论这种手段。这就不能不让人认真对待了。现在让我们从科学的角度对时空隧道做一些讨论。

（1）时空隧道赖以存在的第四维空间或第五维时空没有事实根据。

（2）"回到过去"违反因果律。

（3）弯曲封闭的四维时空是时空隧道的理论根据。将时间与空间完全等同看待，理论本身并不禁止时间反转。据分析，引力和膨胀等都需要第四维空间。这些正是时空隧道的存在基础。

3、时间无起点

按照标准模型，我们的宇宙始于一场大爆炸。并将那一时刻定为时间的起点。但是，实际上时间不应该有起点。理由如下：

（1）因果律告诉我们，任何一个因总是另一个（或一些）因的果。例如，任何一对父母总是其自身父母的子女；任何一粒种子必然是一株植物的果实，或者是其根、茎、叶、细胞；物理上，某物体的某个状态一定是该物体前一状态和各种因素作用的结果。所以说，对于任何一个状态，人们都要探寻其成因。就拿宇宙大爆炸来说，人们也要问：大爆炸为什么会发生？找到了大爆炸的原因，就会多少了解大爆炸之前的物质形态和运动情况。也就是说，大爆炸并不是时间的起点。

（2）能量守恒定律是从未找到过违反事例的最普遍的规律。它表明，物质的运动是不灭的。运动是永恒的，自然不应该有起点。

本文由李文超摘编自张邦固著《宇宙奥秘》（第二版），内容略有删减改动。

ISBN：978-7-03-045817-9

《宇宙奥秘》（第二版）用通俗简洁的语言介绍了宇宙整体的运动、观测宇宙大小的方法和表明星系退行的观测证据，以及作为大爆炸火焰遗迹的宇宙微波背景辐射的基本特征；简单介绍了关于宇宙的理论，这些理论的成功与不足；本书后半部分还介绍了作者近年来的工作，说明宇宙未来会收缩，计算了宇宙年龄和下一次宇宙大爆炸的时间。最后，本书设想了人类躲避宇宙收缩的一些可能方法。

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