德·西特的宇宙论

德·西特的宇宙论

让我们首先看看这两种宇宙论本质上的差别。

爱因斯坦的宇宙论设想宇宙的大小由构成宇宙的物质总量决定。如果首先假设一个宇宙已确定，这个宇宙包括一定数量的物质，这些物质遵循某种自然法则，那么宇宙就必须马上调整自身的大小去容纳全部这些物质。或者，假设宇宙的大小和自然法则已经确定，那么创造一定数量的符合严格意义的物质就必不可少了。如果我们把以上所说的与德·西特的宇宙论相比，并允许德·西特的宇宙论有更大的发挥自由，那么德·西特的宇宙论就更复杂些。在自然法则被确定后，宇宙的大小有多种情况的可能性仍然存在，这个宇宙可容纳任何数量有限的物质。从严格的科学观点看，爱因斯坦的宇宙论比德·西特的宇宙论的臆想成分要少；进一步说，爱因斯坦的宇宙论在简单性上更有优势。

另一方面，这一简单性存在着一定价值。前面已经讲过，空间和时间作为相等的单独实体是整个相对论的基石。爱因斯坦的宇宙论的简单性在于当我们把宇宙看作一个整体时，这两个相等的单独实体就消失了。

设想是这样的：当一个人的经验被限制在宇宙中的一小部分时，空间和时间是分辨不清的；当一个人能在整个空间和时间上往返时，空间和时间就分得清清楚楚。如果这个设想有缺陷，缺陷到底有多大？现在还弄不清楚。真实的空间和真实的时间是明显可辨的，甚至即使我们否认两者的存在，它们在假设的模型中仍然清晰可辨。当空间和时间被分解成不同类型的实体，当宇宙被我们用大标尺观测时，什么样的进展才能被称得上是宇宙学上的突破呢？从某种程度上我们已经知道，因为在此之前，我们已开始用大标尺进行宇宙观测了。

这最后的问题不管怎样去回答，德·西特的宇宙论不仅在宇宙的局部，而且在宇宙的整体中都坚持了空间和时间是两个相等的单独实体，从而可能避免各种责难。当然，也可以这样理解：一光年等同于年，前面已解释过的相等的单独实体，在正式表达中仍然可以使用。甚至在德·西特的宇宙论中，也没有假设一光年（9.46万亿公里）和12个月是相等的。虽然爱因斯坦相对论的主要理论在很大程度上已被观察到的事实所证实，但是相对论中关于宇宙的部分却没能预测一些特定现象，也不能指导直接观测。相反，德·西特的宇宙学说预测了一些特定现象。例如，所有远处天体的光谱必定红移，红移数量由天体的距离决定。一些特定光源发出的光波在宇宙的远处比近处运行慢，这些远近不同的光源发出的光波相互振动，就产生了空间和时间这两个相等的单独实体；我们所处的时间长河比任何地方的时间长河转动得都快得多。初听起来，德·西特的宇宙论似乎自相矛盾，实际上，实践检验证明它不矛盾，而是德·西特没有把我们重新带回地球中心。因为他指出，遥远星球的居民同样会发现地球上的原子比他们自己星球上的原子运动得要慢。用广义相对论中度量、空间和时间的概念，这个矛盾就能够完全解决。

光谱线红移是由距离改变而产生的这一提法是德·西特宇宙学说所特有的。运动物体的光谱一定会显示物体运动的结果，如果某一物体背向地球退行，它的光谱就会朝红端外移。以上这些是德·西特提出的，它被所有的宇宙学家认同，它丰富了谱线红移理论。在德·西特的宇宙论中，两个天体的位移不是完全独立的，近天体趋向朝远天体更远的方向运动的特点是宇宙中的一个本质特征。在“德·西特宇宙”中，天体在时间长河中漂流并逐渐相互远离。这就好像将一捆稻草扔进河里，它们在河中漂动并逐渐散开。

所以，在德·西特的理论中，光谱线朝红端外移不能被仅仅解释为是天体运动的证据或是天体距离远近的证据，而只能是两者的结合。这并不意味着我们根据观测到的天体谱线位移而推算出星系体系中的恒星的运动速度是完全错误的。除非天体的距离远近形成了可被观察到的宇宙射线的一部分，单独由天体距离远近而产生的可观察到的天体位移是不存在的。

最遥远的恒星的光谱有规则的位移确实被观测到了，但是这些恒星的数量非常有限。只有当我们观测遥远的河外星系物质时，我们才可能观测到这一结果。遥远星云的光谱一致地朝红端位移这一现象，现在仍然是天文学中的一大难解之谜。观察到的天体位移并不小，大部分位移显示的速度超过了1000英里/秒。在距离为2000万光年以外的N.G.C.7619黯淡星云的光谱位移显示的相应速度为2 350英里/秒。许多这样的星体位移速度都超过了1000英里/秒，我们把这些速度称为飞速周转率。德·西特的理论认为，几乎所有的河外星云都正在以可怕的、不可想象的速度远离我们而去。德·西特的理论包括以下观点：在德·西特所认为的宇宙中，星云在飞快地离我们远去，这是星云所固有的特性。如果我们不接受德·西特这一观点，我们就很难再根据他的理论提出更具简单性的观点，也就不能假设星云都有很高的位移速度。

对遥远星云光谱显示出的巨大位移现象，德·西特的理论至少作过两次解释，在没有其他理论能解释这些现象的情况下，德·西特宇宙论的正确性被认为是一种可信的假说是自然的。如果我们暂且接受这个宇宙论，那么每一个被观测到的光谱线的移动一定由以下两部分的总和构成：一个是由星云退行产生的，另一个是由星云距离的或远或近产生的。

在德·西特宇宙论中隐含了这样的假设：在时间的起点，一个星云和另一个星云之间的距离比现在它们相互之间的距离要近得多，并且星云仅遵循其发散运动的固有趋势；或者进一步说，是在流动的时间长河中遵循其发散运动的固有趋势。在任何情况下，最远的星云都将以最快的速度退行，并且显示出其退行速度与它们距离我们远近成正比例关系。哈勃先生的初步研究表明，总体上最远星云的光谱位移最大，光谱位移大小大致与星云距我们地球远近成正比例关系。如果我们认为所观测到的光谱位移完全是星云退行的结果，那么我们就能计算出宇宙的半径大约是20亿光年，或者说是我们可观测到的最远星云距离的14倍。宇宙的半径如此之大，由星云的距离远近而产生的光谱巨大位移在这里已变得微乎其微。所以，光谱位移几乎完全由星云的高速退行造成的这一假设，似乎得到了证明。如果可观测到的星云光谱的位移与星云距离我们地球的远近严格成正比例关系，我们将对所观测到的现象得到如下一种解释：我们所居住的德·西特宇宙的半径大约是20亿光年。

这就绘出了一个简单的、激动人心的宇宙图景。但是还有很多理由可以证明这一假设是不正确的。首先，假如我们认为星云光谱的红移现象只是由星云高速退行而产生的结果，那么星云的运行速度和星云的距离我们地球的远近就确实没有正比例关系。麦哲伦星云的距离是10万光年，它的退行速度大约是150英里/秒，而最近的两个星云距离大约是100万光年，逼近地球的速度都大约是200英里/秒。无论我们怎样解释光谱红移现象，这两个星云都一定是以非常惊人的速度逼近我们的地球。如果光谱红移仍被看成是星云退行造成的，我们就可以根据星云退行开始发生的时间计算出时间长度。而事实上，这段时间长达数十亿年，根本就不可计数。所以我们尚可这样猜测恒星的年龄：恒星的生命不是数十亿年，而是数万亿年。如果假设星云的运动仅仅是由于星云的散射造成的，那么恒星必定是生存在星云散射之前的更大的生存圈中。除非提出新的观点，否则要人们接受这样一种假说是很不可能的。

当然，我们必须坦率地承认，我们对恒星年龄的估计可能需要加以修正。事实上，它们是在以下的假定条件下计算出来的，即满足德·西特宇宙的膨胀类型没有出现过。如果不仅仅星云，而且恒星在时间的起点时都是紧紧聚在一起的，那么我们对恒星年龄的估计显然是偏短了。虽然这出乎我们的预料，甚至感到难以想象，恒星的年龄竟然会比我们估计的还要长。不管怎样，我们仍可试图获得这样一幅宇宙蓝图：设想在数万亿年以前，宇宙是由密度极大的物质构成的，这时宇宙的空间相当小，然后宇宙开始膨胀，且越变越大。这样的假说完全不能说明最近星云向地球逼近运行的现象。这一假说又衍生出其他一些没有意义的现代天文学假说。对此，我们不打算在这里过多地讨论。

在我们放弃德·西特宇宙学说之前，先让我们尝试着从另一个极端去检验飞行的结果，并假设光谱红移主要由星云距离远近引起而不是由退行速度产生。当然我们不能假设星云在整个空间没有运动。距离仅能产生谱线红移，但许多星云的光谱朝紫端位移，谱线紫移只能由于星云朝地球前行引起。麦哲伦星云和最近的两个星云离地球非常近，它们的距离很难产生可观测到的谱线位移，所以它们的谱线位移一定是由高速运动产生的，一些是因为前行，一些是因为退行，前行或退行的平均速度是175英里/秒，或者更多。我们可以恰当地假设：所有星云，现在和过去都是在这一规律中任意运行。当空间充满了以这样随意运动的星云，宇宙膨胀的趋势就自动消失了。——伴星趋向于从星系中分离，但这并不是说星系会趋向使自己变成稀松状物质。如果我们现在认为谱线位移仅仅是由距离引起的，那么我们计算出的宇宙半径是8000万光年，或者说甚少比现在所观测到的宇宙大一半。光绕宇宙一周并返回光源点的行程大约要花5亿年。所以假设我们能看到比现在实际上看到的宇宙再远三四倍的话，那么，通过在宇宙中作漫长运行的光，离太阳最近的星云就能被我们观测到。

这些不是不负责任的头脑发热的幻想。这表明，在遥远的宇宙中星云M33和M31的两个暗伴星云（h3433和M83）可能确实是距离我们最近的两个邻居。如果是这样的话，当我们看M33和M31时，我们看见这两个天体的前面部分；当我们用天文望远镜对准相反方向观看h3433和M83时，我们看见这两个天体的后面部分。毫无疑问，这仅仅是一个猜想，而且可能是一个大胆的猜想。但是，天文学中的许多令人震惊的大胆猜想往往被证明是正确的。

在德·西特的宇宙模型里，光以无限的时间绕宇宙运行。光要做如此长距离的环行，以致不能通过观测任何物质的光来发现它们。所以，“德·西特宇宙”的物质密度等于零，它是一个有运动无物质的空虚宇宙。甚至宇宙中只要有一小点物质，光的射线的路径就会在有限的时间里围绕自身，并回到它的起始点。

“德·西特宇宙”中一个星云即使在没有引力作用下，它也不会以固定的速度运动。在这种情况下就产生了一个难题：如果运动仅仅是因为星云旋转变化产生的，那么宇宙半径越小，其旋转变化必然越大。若宇宙的半径仅仅是我们计算出来的8 000万光年，那么这些旋转变化应该大得难以看见。为什么这些星云的实际旋转并没有那么大呢？

如果宇宙的演化真是建立在德·西特的宇宙学说上，那么真理很可能在我们所谈到的这两个极端之间，而且极有可能是前者。我们可以认为，宇宙的半径至少有数亿光年，光绕宇宙一周要花几十亿年的时间。

当然，所有这些关于宇宙结构的讨论在很大意义上是猜测，但得出这样一个受到赞同的一般结论，即使我们不能看见整个宇宙，至少我们能探索宇宙中的相当大的一部分。我们的天文探险家们可能仍没有作环地球航行，他们却可能发现美洲；我们可以大胆设想，甚至我们的下一代就将完成环宇宙飞行，并且正如我们认为地球表面是有限的而不是封闭的，他们将像我们理解地球一样，容易地理解宇宙，并认为宇宙是有限的、不封闭的。

小知识

1903年，威尔伯·莱特和奥维尔·莱特兄弟发明了第一架以内燃机为动力的可操纵的有人驾驶飞机。1903年12月17日，莱特1号飞机开始试飞。在59秒钟内飞行了260米，这是后来得到世界公认的第一次自由飞行的记录。后来，莱特兄弟被誉为航空奠基人。