厛兲甴掵2020.07.27 回答

現代宇宙學家們為作出回答也奮鬥了好幾十年。對於科普作家來說，宇宙學的一個誘人之處乃是其前沿領域中有那麼多的問題都很容易表述。而量子電子學、脫氧核糖核酸定序、神經生理學或者純數學的前沿論題，要把專家們的問題翻譯成大眾化的日常語言那真是談何容易。

熱力學第二定律告訴我們，宇宙必定有一個高度有秩序的起始點。第一定律則告訴我們，宇宙不可能自己開始。從這兩條基本原則出發，我們已經能推斷出宇宙是由一個來自宇宙之外的、高於自然規律的即超過自然和想要創造出深不可測秩序的實體所創造的。

愛因斯坦的廣義相對論為我們指明瞭這一創造事件。弄懂愛因斯坦的廣義相對論公式所要求的數學知識，只有極少數的人具備。有一則自20年代就開始流傳的故事講到，一位記者問相對論專家阿瑟？愛丁頓在世界上是不是真的只有三個人能懂愛因斯坦的理論。在較長的沉思之後，愛丁頓最後終於回答道：“我剛才正在努力地想那第三個人是誰。”

就當前的目的而言，關於廣義相對論我們要說的主要有兩點：一是它所提出的所有可驗證的預測都被證明是正確的；二是廣義相對論公式意味著宇宙不可能是靜態的，而肯定是不斷膨脹或收縮的。甚至艾薩克？牛頓也知道，他的引力定律意味著宇宙中的每一個恆星都應該是相互吸引的，直至整個宇宙都結合到一起。而且，牛頓也曾在四個維度座標方面做過工作：三個空間座標和一個時間座標。愛因斯坦則認識到了時間座標與其它三個座標之間相互依賴的關係。

1692年，劍橋學者R？R？本特里寫信給牛頓，指出根據牛頓的引力定律宇宙中的所有恆星最終必須相互吸到一塊而形成一個大火球。對此，牛頓回信說：

……如果太陽及其行星以及宇宙中的物質在整個空間是均衡分佈的，每一個粒子對所有其它粒子都有一種內在的引力，而且這些物質所分佈的空間是無限的話，那麼在該空間之外的物質藉助其引力將會向空間之內的所有物質靠近，最終會落在整個空間的中央並由此形成一個很大的球狀物。

牛頓就此而提出宇宙必須是無限的，而且所有恆星必須是均等地相互分開的。然而他很快又意識到，這一解決辦法極端地不穩定，因為任何恆星之間的均衡距離稍有偏差就會導致造成整個宇宙崩潰的連鎖反應。當然，牛頓從來沒有意識到宇宙還有透過膨脹以對抗會將宇宙拉到一起的引力的可能性。

牛頓曾經指出，當一個物體處於運動狀態時，其運動與任何觀察者的運動成相對關係。例如，當坐在馬車內的乘客在車內擲球時，對於該乘客而言此球可能只跑了2英尺遠。但對於站在路旁看馬車跑過去的人來說，此球可能跑了20英尺遠，因為馬車的運動距離也必須加到球的運動距離上。

愛因斯坦也指出，當一個物體處於運動狀態時，它的運動時間與任何觀察者的運動成相對的關係。因為對任何觀察者來說，光總是以同樣的速度運動的，而不管觀察者的運動速度或方向如何。換句話說，假如你想計算打在馬車前面的手電光的運動速度，你可能希望在正常的光速上加進馬車的運動速度。然而與球的運動所不同的是，對乘客和看著馬車跑過去的人來說，光具有以同樣的速度運動的古怪特性。

時間的相對性在物體的運動速度接近於光速時變得特別值得注意：以接近光速的速度旅行的宇航員每經歷一天，對地球上的人來說就是一年（儘管由於難以達到這一速度，使得這種說明只具有理論意義）。而且由於質量與能量之間的關係，對於地球上的觀察者來說，在宇航員的旅行速度更接近於光速之時，其體重看起來會在增加而其身高會沿運動方向變小。

對於物體在高速運動條件下所產生的這種不同尋常的現象的描述，被稱為狹義相對論，它是愛因斯坦在1905年發表的理論。該理論提出了空間—時間的概念，表述的是空間和時間是如何彼此關聯的。廣義相對論（發表於1915年）表述的空間—時間特性清楚地解釋了引力的作用。愛因斯坦推測，引力不可能是即刻對遠距離物體產生作用的實際吸引力，因為狹義相對論指出沒有什麼物體的運動速度會比光速更快。相反，引力是質量對空間一時間產生影響的後果。大質量的物體應該明顯地“彎曲”靠近它的空間，並“放慢”任何靠近它的觀察者的時間。

這樣，我們就弄清了太陽的引力作用不是拖著行星的吸引力，而是由於太陽的質量彎曲了它周圍的空間，從而迫使每一顆行星選擇的都是在彎曲空間中最可能直的運動軌道。

至於大質量物體應當能放慢其近旁觀察者的時間的預言，早在1962年就得到了完全的證實。當時，人們在放置於水塔頂端和底端的非常準確的鐘表之間發現了時間差。鐘錶越靠近地球，時間就走得越慢，因為這裡的地球引力作用更大一些。這一結果與廣義相對論的預測是嚴格一致的。史蒂芬？霍金對人造衛星目前是如何依賴於這種經常性預測來修正它們的精確導航系統做了描述：“如果誰忽視了廣義相對論的預測，那麼他所計算的衛星位置將會誤差幾英里！”

廣義相對論的正確性在準確解釋牛頓定律所不能解釋的水星軌道的一次不正常情況時，馬上得到了驗證。當其它兩項預言也得到證實時，證明該理論正確的證據就越發地多了：恆星的光在經過大質量的太陽之時會發生彎曲，其光頻率會在引力場中發生改變。1919年，在西非普林西比島上觀測日全食時，阿瑟？愛丁頓爵士第一個觀察到了恆星光經過太陽時的彎曲現象，儘管該結果並不是太精確。天文學家瓦爾特？亞當斯後來又在白矮星天狼星B座觀察到了曾經預言過的光波偏移現象。今天的測量已經表明，廣義相對論預測的準確性可以達到小數點後面的五位數，和測量技術所能達到的程度一樣地準確。

愛因斯坦的公式表明，假如宇宙中有足夠的不太分散的質量的話，那麼宇宙的質量實際上將能導致所有的空間向它彎曲，直至整個宇宙都“閉合”起來。這很像牛頓的宇宙中所有物體都將會聚在一起從而變成一箇中心質量的想法。另一方面，假如宇宙的密度低到某一臨界值，那麼愛因斯坦公式則意味著宇宙中的所有物體將會彼此越分越遠。這樣宇宙將會不斷膨脹並會在時間上變慢。

愛因斯坦認為，應不惜一切代價避免對爆炸的這種描述，因為不論是膨脹的還是縮小的宇宙都不符合宇宙是靜態和永恆的這一常識性科學觀點。因此，在1917年的一篇題為“對廣義相對論的宇宙學思考”的文章中，他選擇了不相信促使他匯出他的公式的邏輯並提出了他的著名的“宇宙常量”。提出這一奇怪的力量是為了補償引力的不足和增加遠距離物體間的引力，因此，它與物理學中的其它已知力量皆不同。而且，它還必須達到一個十分精確的程度才能保持宇宙的穩定：要在宇宙開始膨脹與開始縮小變成一次“大壓榨”之間取得完美的平衡。

1922年，前蘇聯數學家亞歷山大？弗裡德曼在愛因斯坦對靜態宇宙的證明中發現了一個代數錯誤。在糾正了該錯誤並拋棄了愛因斯坦的宇宙常量之後，弗裡德曼發現愛因斯坦的“靜態宇宙”竟成了不可能的事。宇宙必須或者是開放式的或者是封閉式的，即或者是膨脹的或者是縮小的。

經過前幾年的獨立努力，荷蘭天文學家威廉姆？德西特也為愛因斯坦的要求宇宙一直膨脹下去的公式找到了一種甚至是帶有宇宙常量的解法。英國天文學家阿瑟？愛丁頓獨立地發現了即使帶著宇宙常量，愛因斯坦所取得的平衡也是一個“不穩定”的平衡——它與將宇宙送入膨脹或崩潰狀態的平衡點稍有偏離。

愛因斯坦後來曾為將他著名的附加因素引入他的理論而責備自己，他稱增加該宇宙常量為：“我一生中最大的失誤。”從此之後，愛因斯坦不但撰文論述需要一個起始點，而且表明自己的心願就是要“知道上帝是如何創造世界的”。

這樣，特別是從20世紀60年代初期開始，當用一次又一次的測試來精確測定廣義相對論的預測效力成為可能之時，科學已經從堅持永恆宇宙觀的立場轉而堅持宇宙是有起始點的，而這一點正是廣義相對論所明確預測過的。

談天說地2019.07.23 回答

看了你的描述，我覺得我很有幸能成為天文系的學生。作為一個狂熱天文愛好者，我能理解你的心情。

國內的天文整體環境不好，你這樣可能不被你身邊的人理解，你的追求會遇到很多阻力，如果你能出國的話，國外會好一些，但是如果你只是勉強出國的話，外國並不容易生存，謀生的壓力恐怕根本不允許你實現你的夢想。

還有你要知道，愛因斯坦和霍金都是名牌大學物理系畢業的，他們的數學和物理功底都非常紮實，不客氣地說，業餘人士研究天文前沿只是很多無知人士的夢。如果你真的有足夠的決心和毅力，就去找數學物理書看，從高等數學看起，從力學、電磁學這些基礎物理書看起，把這些書看懂，你才有資格開始。

如果你沒有這個決心，或者連這個第一步都實現不了，我覺得你還是做一個業餘天文愛好者比較好，實際上，這樣的人很多，國外更多，他們對流星、變星、小行星的監測，都是對天文學發展的貢獻。而且，作為一種健康的業餘愛好，也是對生活的一種調劑。另外，業餘天文做得好的話，也可以出名。像發現池谷-張彗星的張大慶，工作跟天文根本不著邊，但是他的發現，獲得了全世界的認可，也是為國爭光。

可能我說的話有些不妥，希望能對你有幫助。