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开宇宙和闭宇宙


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热大爆炸宇宙模型和其它一些爆炸模型都只描述了宇宙的过去。稳恒态宇宙模型假定宇宙的样子任何时候看起来都和现在一样。真正可能描述宇宙今后发展趋向的还是要看物质与时空的进一步相互作用,也就是爱因斯坦引力场方程的进一步解。物质之间的引力是最终决定宇宙演化去向的唯一作用力。膨胀着的宇宙受引力的制动作用,膨胀速度一定会愈来愈小。速度变化的情况就可以由爱因斯坦场方程中求得解答。按照这个理论的分析计算,宇宙演化的去向有三种可能。第一种可能是:宇宙间的物质相当多,减速效果很明显,经过一段时间之后膨胀速度就会减到零,然后变成收缩,最后又缩成一个点。这种宇宙叫作闭宇宙。第二种可能是:如果宇宙间的物质过分少,减速作用永远不能制止膨胀,就会一直膨胀下去没有尽头。这种宇宙叫作开宇宙。当然还应该有介于两者之间的第三种可能,处于临界状态,膨胀速度

逐渐趋向于零。这种宇宙叫作临界宇宙。以上这三种宇宙都可以采用热大爆炸模型作为它们的过去。从现在观测到的膨胀速度推算,它们开始的时间应该不相同。如果是开宇宙,起点应该最早,临界宇宙次之,闭宇宙的起点最晚。这三种情况又都比按哈勃时间所定的起点要晚。

三种宇宙今后的发展趋势之间的差别比过去演化历史的差别要大得多。开宇宙会一直膨胀下去,永无止境。将来星系之间的距离愈来愈大终至于稀疏到所有星系都成为真正的孤岛,或者最多只有邻近几个星系在相互强引力作用下尚未分离。临界宇宙里星系之间的距离最终会稳定下来。但是从爱因斯坦场方程来看这种状态本身是不稳定的,只要稍有误差或扰动就会变成另两种之一。闭宇宙在达到最大宇宙尺度之后会由膨胀变为收缩,而且收缩的速度越来越大,最后会从相反方向回溯演化的历史进程而变成高温高密的火球,或奇点。

对于闭宇宙还存在另一种可能性,在收缩到火球或奇点之后可能又开始一轮新的大爆炸。甚至可能在现在这次大爆炸以前已经经历过多次,今后还要重复多次。这种宇宙叫做振荡宇宙。当然每次收缩到极小时,过去的一切痕迹都会消失了。字宙对它的上一次轮回没有丝毫记忆。这里虽然说收缩到最后成为奇点,很可能实际上并不形成奇点而是收缩到一定程度后巨大的引力转化为巨大的斥力,又形成新的大爆炸。不过这在目前还只能是猜想。

上面虽然说了几种宇宙,但客观存在的宇宙只可能是其中的一种。从实际观测中判断宇宙类型的努力,到现在还没有得到十分明确的结论。理论计算表明,要使宇宙闭合,现在宇宙的物质密度应该大于 5×10-30 克/厘米 3。然而目前有把握的物质密度,只不过约为此值的 1/10。另外从目前测定氘含量推算出来的结果也倾向于开宇宙。可是从遥远星系和类星体所统计的减速情况来看,又似乎可能是闭宇宙。到 1980 年这个问题的解答里忽然又异峰突起地冒出一个中微子的质量之谜。前面谈到宇宙的物质成分时,都是把光子和中微子看作一类,都按辐射来算,因为按一般理解两者都以光速运动并且都没有静止质量,它们之间的重要差别之一在于和实物粒子的相互作用:光子比较容易受到吸收和散射,而中微子则不大容易和实物粒子相作用。在宇宙演化历史中,宇宙在相当早期就对中微子透明了,直到 3000 开低温以后才对光子透明。如果中微子没有静止质量,这点差别对宇宙演化的影响微乎其微。按计算,到大爆炸初始阶段结束的时候,中微子的总数约为质子、中子和电子总数的 109 倍,到现在每立方厘米里面平均还有几百个,和充满宇宙空间的微波背景辐射光子的数量差不多。1980 年有两组实验显示出中微子可能存在静止质量的迹象,有人估计约为电子质量的十万分之一,有人则估计可能达到电子质量的 2%。不论哪一种估计更正确,只要中微子存在静止质量就是翻天覆地的大事。即使中微子的静止质量只有电子的十万分之一(10-5),宇宙间中微子的质量总和就要高出其它全部物质粒子总和的 5 至 10 倍,因为质子和中子的质量不到电子质量的 2000 倍,而中微子的数量要高出它们 109 倍。这样一来宇宙间的主要物质密度就要由中微子来控制,因此今后宇宙演化的过程就只受中微子左右,实际上过去的历史也应该受到中微子的极大影响。


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