數學證明是否定的。為了驗證數學證明的正確性,C-144飛機又於1977年7月在華盛頓和新西蘭的克裏斯特奇之間進行了兩次飛行,實測結果同樣表明鍾速與它所在處的緯度無關。
由此可見,任何一個偉大的科學家,在他們創立新科學理論的時候,不可避免地會受到當時技術條件的限製。後來的探索者有責任根據自己的實踐對這些理論加以檢驗,或揚棄、或繼承、或修正,切不可迷信。
逐漸減慢的引力時鍾
自然界中有4種基本力在起作用。它們是:引力、電磁力、核力和在原子衰變時出現的弱作用力。
引力是牛頓發現的,但打開引力秘密大門的卻是愛因斯坦。愛因斯坦在廣義相對論中指出:在宇宙中充滿著引力波,它是在物體周圍產生的空間彎曲取波動形式以光速傳播的一種現象。這是一個頗為深奧的問題,自提出以來雖然過去了半個多世紀,但仍然吸引著許多物理學家的興趣。1938年,英國物理學家狄拉克,以及美國物理學家迪克在對愛因斯坦的引力理論作了若幹修改以後,先後提出了引力減弱的假說。根據這個假說,引力常數G正在緩慢減小,相對於電常數,大約每年減小1×10-11。
引力真的在減弱嗎?
這又是一個需要實驗才能回答的問題。原子鍾出現以後,有人提出用原子鍾和“引力時鍾”對比,可以直接測定引力的這種減小。
原子鍾利用原子內電子震動來代替一般時鍾的擺。決定電子振動周期大小的作用力是該原子內電子與原子核之間的電磁力。電磁力是恒定的,因此原子鍾的速率不會變化。
所謂引力時鍾就是人造衛星。引力時鍾的速率可以根據人造衛星繞地球一圈的周期計算出來。當引力減弱時,這個周期就會增大,這就表明引力時鍾的速率變慢了。如果引力真的隨時間的增加而逐漸減弱的話,引力時鍾也將隨之逐漸減慢。將原子鍾和引力時鍾的速率在幾年當中進行持續對比,原則上就可以驗證引力減弱的假說是否正確。
當然,這還隻是一種設想。隨著原子鍾質量的不斷提高,以及對於人造衛星運動規律的深入了解,我們相信作出這類驗證的日子不久就會到來。
時間有無開頭和終結
時間的開頭和終結是什麼意思?宇宙是無限的還是有限的?你所說的宇宙又指什麼?這些問題解決了,第三個問題的答案也就清楚了。
時間是物質運動和變化的一種形式。問時間有無開頭和終結,相當於問物質的運動和變化有無開頭和終結。事實上,許多世紀以來,這個問題一直強烈地吸引著人們,從奧古斯汀到康德,他們都曾有過論述。到了近代,隨著數學、物理學和天文學的發展,這些問題又被某些自然科學家賦予了新的可說是稀奇古怪的形式。為方便起見,讓我們先從“時間的終結”談起。
在很久以前,自信解開了時間單向性之謎的玻爾茲曼又從熱力學原理出發,把宇宙的終結(因而也就是時間的終結)設想成為整個宇宙達到最大熵的階段。他推想,在將來某個不確定的時候,宇宙間將沒有什麼東西會比另外一些東西更冷或者更熱,最慢的放射性元素都將衰變為穩定元素,恒星會輻射完它們的能量;使嚴寒的星際空間一部分一部分地變暖起來。地球及其姐妹星--月球的旋轉會由於宇宙塵埃的摩擦而減慢,最終將脫離其軌道而掉向太陽,人類本身也便隨之毀滅。在“燒盡”了的宇宙之中便不再有賴以觀測和測量時間的物質運動。在這個時候,時間將達到終結,這就是所謂的“熱寂說”。
那麼,“這個時候”究竟在什麼時候到來呢?
玻爾茲曼本人沒有給出具體期限。後來,支持他的學術觀點的物理學家計算了鉛”的衰變周期,得到“時間終結”到來的大概日期是:14×120年。他們說;鉛204的半衰期是14×1017年,如果這個數字是正確的,假定它又是經過1000次這樣衰變後成為穩定元素,那麼就有
14×1017×1000=14×1020年。
這是以鉛在衰變中不轉變為其他物質為前提推出的結論。這當然是一種非同尋常的主張。非同尋常的主張必須要有非同尋常的證據,否則難以令人置信。可惜,這些物理學家拿不出任何證據能證明鉛不會轉變成其他物質。因此,如其說這種計算是科學,倒不如說是一種想入非非。
到了20世紀,由於天文觀測技術的進步,高能天體物理學蓬勃發展,人們對於“宇宙中的神秘島”--黑洞有了較多的了解。於是,有些宇宙學家便由黑洞的研究成果,重新提出時間終結問題。他們說,時間的終結在於黑洞之中!
現在說到黑洞,也許大家不再覺得它新鮮了。這不是說它的問題已經完全解決,恰恰相反,關於黑洞的問題愈來愈多,舊的固然未能完全解決,新的問題亦有待科學家深入研究。總的來說,黑洞的研究目前仍處於開始階段。
黑洞在宇宙中,就好像地球上傳聞已久的百慕大三角地帶,在一般人的心目中是神秘、可怕的。從一些簡短報導中,我們知道它是宇宙中體積很小的特殊天體,是由一些質量很大的天體演化而成的。它擁有一個封閉的視界(或稱疆界),不停地吞噬它周圍的物質,就連光輻射也難幸免,但視界以內的任何物質卻跑不到外麵去。科學家們推測說,一個巨大星球枯竭、坍縮時,表麵重力增加,周圍時空劇烈畸變,最後淪為一點,即所謂“宇宙奇點”--黑洞。時間同其他物質一樣,也有一個奇點,達到這個奇點便告終結。這個奇點不是別的,正是黑洞。黑洞代表著時間的終結或時間的疆界。越過這條疆界,我們這個宇宙的時間概念便不能應用。
如果時間有終結,那麼人們自然要問它有起點嗎?起點又在哪裏?
科學家們的簡單回答是:有,這就是宇宙大爆炸。
這些科學家認為,我們的宇宙目前處於膨脹階段。膨脹達到極大值以後,它會發生爆炸,並在宇宙奇點上陷於毀滅,剩下來的僅是一些看不見的黑洞。將劇情倒序,時間的開端就是一場巨大的爆炸--宇宙大爆炸。他們說,大爆炸並不是一次在空洞中發生的爆破,而是時間、空間和所有物質都賴以存身的一種真正的“開天辟地”,也就是時間的源流。
大爆炸已被推斷為宇宙擴張的初始動力。不少科學家喜歡這一理論,認為它較好地解釋了關於宇宙中物質變化和結構的許多已知事實。
但是,這裏存在著一個所謂孩提式的問題。
有個小孩天真地問一位神父:“你說是上帝創造了世界,那麼誰創造了上帝呢?”
今天,同樣有許多科學家,他們並非天真而是嚴肅地問:“誰創造了大爆炸?大爆炸之前又是什麼樣子?”
對於這些問題的回答,或許可以為我們提供一幅更加壯麗的宇宙演化圖像。
時間的最初三分鍾
繼續追溯下去,在宇宙誕生的最初幾分鍾裏是怎樣的景象?
這是天文學家和物理學家們多年來熱烈爭論的問題。諾貝爾獎金獲得者史蒂文·溫伯格為此寫過厚厚的一本書--《最初三分鍾》,詳細描述了大爆炸之後僅僅180秒之內的有趣景象。
拿1秒和宇宙150億年曆史相比,猶如拿一隻蚊子同銀河係的直徑去比大小!
1秒,稍縱即逝。科學家如何能夠重現150億年前那一短暫時刻所發生的種種現象呢?他們所依據的仍舊是“現在”。
現在是通曉過去的鑰匙。可以預言未來的定律同樣也應該能夠重現過去。
科學家們憑借現代有關宇宙物質的物理定律,不僅揭示了宇宙生命還不到1秒時所發生的一切,而且令人驚訝的是,他們竟能追溯卜百億年,再現宇宙形成之初10-43秒時的種種現象!
在大爆炸1秒時,宇宙中的質子和中子結合成原子。先是2個質子和2個中子結合成氦原子核,以後進而合成像鋰那樣稍重一些的元素的原子核。這個時期很短,溫度迅速下降,來不及合成較重的元素。
時間稍微後推,在不到1秒時,宇宙溫度高達100億度,光輻射能量極大,稱為宇宙的輻射時代。
在宇宙時為10-2秒(1/100)時,參與相互作用的主要粒子不是光子,而是電子、U粒子和中微子。這些粒子都是輕子,所以這個時期叫輕子時代。
在輕子時代,宇宙中占統治地位的力是弱相互作用,大量電子和正電子相遇而湮沒,變成光子。
再向後推,在10-6秒即百萬分之一秒時,宇宙溫度為10萬億度,一些質量比電子大的粒子很活躍,宇宙中有大量的質子和中子,還有丌粒子。它們之間的作用是強相互作用,所以叫強子。這個時代也就叫強子時代。
在強子時代,物質的密度很高,處於超密態。超密態物質隨溫度下降發生相變,放出大量熱量。整個宇宙宛如一個小小的燃燒著的火球。
時間越往後推,宇宙越熱。在宇宙時為10-36秒時,溫度高達開氏1028度。這時候正粒子和反粒子相互湮沒而形成光子。
在10-43秒,宇宙溫度為開氏1032度,現在所知道的輕子以及組成強子的誇克大概就是在這時創生的。
在10-43秒之後,宇宙的溫度更高,強烈的輻射會破壞原子,使原子核衰變。在這樣的條件下,我們現在所知的物質是無法存在的,基本粒子本身也會破裂為更基本的組成部分。
再往後去,例如宇宙時為10-44秒的情況,我們就一點也不知道了。
以上是科學家對宇宙大爆炸的最初瞬間直至目前所發生的種種現象的解釋。他們依據的是熱力學原理(即宇宙的半徑每增加一倍,它的絕對溫度便降低到原來的1/2),並通過監測形成宇宙時拋出的微波輻射。他們描繪的這幅圖畫,看來向我們揭示了一條不可抗拒的人類的進化曆程。
宇宙大爆炸產生了形成星係的氣體,星係中的恒星散布出富含各種元素的碎片,然後形成行星,接著就開始了我們人類的進化史。
大爆炸之前是什麼樣子?說實在的,科學家們目前還回答不了這個問題。
當然,有關的猜測很多,而且眾說紛紜,莫衷一是。
其中有一種誘人的說法認為,目前宇宙正在向外擴張,但後退星係的相互作用將使擴張的速度減慢,有可能在最後某一天使它停止,然後便開始一個相反的過程--收縮。收縮伸延下去,又會使宇宙縮聚為一點,出現另一次大爆炸,一切又重新開始。
這意味著,開始了我們這個宇宙的爆炸,是前一次爆炸後的爆炸,我們這個宇宙的結束也將是另一個宇宙的開始。宇宙,看來就像寓言故事中的長生島一樣,它周期性地在燃燒中毀滅,又同時在自己的廢墟中誕生。因此,時間的終結也是開始,宇宙本身就是一具最基本的時鍾,它嘀嘀嗒嗒地記錄著自己擴張和收縮的壯麗周期。
宇宙的這種周期究竟有多長?這又是一個難以想象和難以計算的問題。