爱因斯坦于1915年提出广义相对论后，1917年用它来考察宇宙，建立了现代宇宙学中的第一个宇宙模型。由于当时尚未发现河外星系的普遍退行现象，他的模型是一个有物质无运动的静态宇宙。若假定宇宙中物质的分布松散，解引力场方程可得出爱因斯坦静态宇宙度规如下：

    式中r，θ，φ为球极坐标，t为宇宙时。由此建立的模型是一个有限无边的封闭宇宙，宇宙半径R和宇宙常数Λ的关系是Λ=1/R2.该比例常数很小，在银河系尺度范围可忽略不计。只在宇宙尺度下，Λ才可能有意义，所以叫作宇宙常数。1929年，哈勃发现星系红移的哈勃定律，确定静态宇宙模型与实际不符。因此爱因斯坦多次提出应该取消宇宙常数；但有些学者，如爱丁顿、德西特、泽尔多维奇则认为宇宙常数可能有新的物理意义，不宜轻易抛弃。目前，学者们对宇宙常数的看法并不一致，有的认为是正值；有的认为是负值；有的认为是常数；有的则认为它随时间而变化。但多数倾向于取正值，其物理意义可能代表宇宙真空场的能量－动量张量与可能存在于物质之间的斥力。宇宙空间体积是2π2R3.若用ρ表示宇宙物质平均密度，宇宙总质量就等于2π2R3ρ。

    1948年英国天文学家邦迪（Hermann Bondi）等人也提出的稳恒态宇宙模型。

    1922年，苏联数学家弗里德曼（Friedmann）在解爱因斯坦引力场方程时得到的。在均匀各向同性的宇宙模型中，有罗伯逊－沃尔克度规：

    式中k为空间曲率署符，对于椭圆空间、欧氏空间和双曲空间，分别为+1、0和-1.R（t）称为宇宙距离标度因子。

    当k=+1时，R（t）称为宇宙半径；因为这时我们可以把罗伯逊－沃尔克度规的空间部分当作四维欧氏空间中半径为R（t）的超球面。而当k=0和k=-1时，空间是无限的或开放的，就更谈不上什么半径。然而我们生活在其中的是三维空间或四维空时，四维欧氏空间实际上是不存在的。因此，宇宙半径一词只是对R（t）的几何意义的一种象征性解释。在绝大部分书刊中当提到这一词时，都冠以引号，称作“宇宙半径”。

    在众多的宇宙模型中，目前影响较大的是伽莫夫于1946年创建的热大爆炸宇宙学说。这项研究是核物理与天体物理的结合。他推算出作为大爆炸的遗留物宇宙中应有相当于10K的背景辐射。但他的论据中包含了相当的任意假定，10K误差太大。60年代中期迪克和皮伯斯指出应只有几K.

    二十世纪六十年代初，美国科学家彭齐亚斯和R.W.威尔逊为了改进卫星通讯，建立了高灵敏度的接收天线系统。1964年，他们用它测量银晕气体射电强度时，发现总有消除不掉的背景噪声，他们认为，这些来自宇宙的的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K的热辐射。1965年他们又将其修正为（3.0±1.0）K，并将这一发现公布，为此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。

    微波背景辐射的最重要特征是具有黑体辐射谱，在0.3-75厘米波段，可以在地面上直接测到；在大于100厘米的射电波段，银河系本身的超高频辐射掩盖了来自河外空间的辐射，因而不能直接测量；在小于0.3厘米波段，由于地球大气辐射的干扰，要使用气球、火箭或卫星等空间探测手段才能测量。

    从0.054厘米直到数十厘米波段的测量表明，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的相互作用极小，所以，我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前。

    微波背景辐射的另一特征是具有极高的各向同性。这具有两方面的含义：①小尺度上的各向同性：在小到几十弧分的范围内，辐射强度的起伏小于0.2-0.3%；②大尺度上的各向同性：沿天球各个不同方向，辐射强度的涨落小于0.3%.各向同性说明，在各个不同方向上，各个相距非常遥远的天区之间，应当存在过相互联系。微波背景辐射的发现被认为是二十世纪天文学的重大成就，它对现代宇宙学产生的深远影响，可以与河外星系的红移的发现相并论。

    目前的看法认为背景辐射起源于热宇宙的早期。这是对大爆炸宇宙学的强有力支持。

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    当代物理学家说：宇宙从大爆炸中诞生。

    梵蒂冈说：大爆炸理论符合圣经。

   史蒂芬。霍金说：大爆炸和黑洞是不可避免的宇宙奇点。

    史蒂芬。霍金说：黑洞并不黑，它不仅看得见，而且是白炽的。

    史蒂芬。霍金说：在经典物理框架中，黑洞越变越大，但在量子物理框架中，黑洞因辐射而越变越小。

    史蒂芬。霍金说：大爆炸到黑洞的周而复始，便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。因而上帝对宇宙的贡献消
失殆尽。

    史蒂芬。霍金与照顾他十几年并且笃信天主教的妻子离婚。

    有人说史蒂芬。霍金是继爱因斯坦之后最伟大的天才，也有人说他是疯子。

    史蒂芬。霍金是谁？

    （二）史蒂芬。霍金

    史蒂芬。霍金是英国理论物理学家，他的生日是1942年1 月8 日，这一天刚好是伽利略三百周年的忌日。1959
年，17岁的霍金开始就读与牛津，并在剑桥跟随导师邓尼斯。西阿玛作博士论文。

    然而就在这时，霍金被诊断患上一种叫做" 肌肉萎缩性侧面硬化症" 的疾病，这种病至今仍不能治愈乃至于控
制它。史蒂芬。霍金最终只能永远坐在轮椅上并且失去了语言能力，一切生活完全依靠他的妻子简。瓦尔德照顾。

    但这位据称全身只有三个手指能动的残疾人，却依靠惊人的毅力，完成了一系列惊人的关于大爆炸和黑洞的理
论，对量子物理作出了巨大的贡献，将宇宙伟大而神秘的背景展现给世人。他被广泛尊崇为继爱因斯坦之后最杰出
的科学家。1974年，霍金被授予" 剑桥卢卡逊数学教授" 一职。

    在就职典礼上，霍金十分费力地将名字签在名册上，而这本名册最前页的签名便是- 伊萨克。牛顿。

    霍金对物理学的毕生贡献便是证明了，在经典物理的框架中，大爆炸和黑洞是不可避免的，黑洞将越变越大；
而在量子物理的框架中，黑洞却因为辐射越变越小。大爆炸和黑洞奇点不仅被量子效应所抹平，而且宇宙正是起始
于此。霍金对科普的贡献则在于，他写了一部脍炙人口的读物- 《时间简史》，该书荣登畅销书榜达一百多周，先
后被译成三十三种文字，售出五百五十万册以上。

    本文将以《时间简史》为主线，介绍史蒂芬。霍金的学说。(待续

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    在公元前340 年，古希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中，阐述了以下观点：一、月食是由于地球的
影子投到月球上所致。

二、由于月食时看到的地球的影子总是圆的，可以推断地球应该是一个球体，而不是圆盘状。三、地球是宇宙
的中心。太阳、月亮、行星和其它恒星分别附在八个天球上，以完美的圆形轨道绕地球旋转。

    基督教将亚里士多德的理论完全接纳，认为与《圣经》的宇宙观一致，符合上帝创世的理论。这个宇宙模型的
最大优点，就是在最外层的恒星天球之外，为天堂和地狱留出了空间。

    1514年，教士尼古拉。哥白尼提出了" 日心说" ，认为太阳静止地位于宇宙的中心，而地球和其它的行星围绕
着太阳作圆周运动。由于害怕教会的迫害，哥白尼只能秘密地传播他的学说。后来，伽利略观测木星时，发现木星
的几个行星围绕着木星旋转，这表明其它星球不一定围绕着地球旋转。继而开普勒修正了哥白尼的理论，用椭圆轨
道取代了圆周轨道，使其很好的符合观测结果。他们的公开支持，最终宣告了亚里士多德学说的终结。

    1687年，伊萨克。牛顿出版了举世闻名的《原理》。在书中提出了著名的万有引力定律。《原理》一书解决了
物体如何在空间和时间中运动的问题。

    人们利用他的理论，甚至可以精确地计算星球运行的轨道。

    但是问题又出现了。根据万有引力定律，星球间总是相互吸引的，它们似乎不能保持大尺度上的相对静止，而
终将落到一起。牛顿也意识到了这点，他解释说：如果有限颗行星分布在一个有限的区域中，这种情形的确会发生。

    但如果存在无限颗行星，均匀的分布在无限的空间，这种情形就不会发生，因为这时引力分布是均匀的，不存
在任何一个使它们聚集的中心。

    其实这是我们所经常遇到的一个理论陷阱。实际上在一个无限的宇宙中，每一颗恒星都可以看作是一个中心，
因为在它的每个方向上都有无限多颗恒星。正确的方法应该是：先考虑有限空间的情形，恒星会坍塌到一起。在这
个区域外均匀地加上更多的恒星。按照牛顿定律，这些加上的恒星对原先的区域没有什么影响，所以恒星还是会落
到一起。我们任意地加上更多的星体，愿意加多少都可以，它们总是会坍缩到一点。换言之，宇宙的局部区域总是
不均匀的，应该出现局部性的坍缩，并且这种趋势会逐渐扩大。而观测到的结果并不存在这种情形。

    于是我们遇到了一个不小的问题：无限静态的宇宙不存在！(待续)

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    1781年，哲学家伊曼努尔。康德在他的里程碑式的著作《纯粹理性批判》中，深入的辨析了宇宙在时间上有无
开端、空间上有无极限的问题，他称这个问题是纯粹的二律背反（即矛盾）。他论证道：如果宇宙没有开端，则任
何事件前都必有无限的时间，这是荒谬的；而如果宇宙有一个开端，那么宇宙开端前是什么时间呢？康德认为正反
两方面都存在令人信服的论据。事实上他的论证基于了一个隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间都可
以无限地倒溯回去。但即将谈到的大爆炸学说将让我们理解：在宇宙开端之前的时间概念是没有意义的。

    （五）宇宙在膨胀

    20世纪的天文学家们利用恒星的光谱来研究恒星。由于每一种元素都有其特定的吸收谱线，使科学家们得以从
恒星光谱分析出恒星的组成元素及温度。科学家们在研究这些光谱时发现了一个奇特的现象：所有光谱的线族都向
光谱的红端移动了相同多的量。这意味着什么呢？

    我们都有如下的经验，当鸣笛疾驶的汽车朝我们开过来的时候，笛声是高亢刺耳的；当车远离时，声调则变得
低沉，这是因为声音的频率变高和变低所造成的。这个描述速度与频率之间关系的多普勒效应是不难理解的。光是
电磁波，低频率出现在光谱的红端，而高频率在蓝端。光谱向蓝端移动，表明我们接收到的恒星的光波频率变高，
这意味着恒星在向我们而来；如果光谱红移，则说明恒星离我们远去。

    这里不得不提到一位伟大的人物——埃得温。哈勃。1924年，他通过观测证明了我们的星系并不是唯一的星系，
他还算出了星系间的距离。

    在做了大量的观测之后，他对这些星系的光谱进行了分类和统计。人们预料会发现与红移一样多的蓝移光谱，
然而，哈勃的发现令所有的人跌破了眼睛——几乎所有的星系光谱都是红移的，而且红移的量也极有规律，与星系
离开我们距离的平方成正比。也就是说，星系离开我们远去的速度与离开我们的距离成正比。星系越远，则离开我
们的速度就越快。

    人们惊讶地发现：宇宙在膨胀！

    星系相对于地球的远离速度是如此的完美，以致于地球似乎又成了宇宙的中心，难道我们又退回到亚里士多德
的理论了吗？其实不然。首先我们通过计算可以得出，物质的密度与距离的尺度无关，天体在大尺度上的分布非常
均匀，天文观测也越来越证明了这一点。其次，通过伽利略变换（不同坐标系之间运动的变换）不难得出，在宇宙
的任何一点都会看到，其它的星体在离该点远去，并且远去的速度和距离的平方成正比。这就象一个吹涨的气球，
球上的任意两点都在相互离去，并且两点间的距离越大，它们彼此远去的速度就越快，但没有任何一点可以看作是
膨胀的中心，事实上膨胀是非常均匀的。因此我们得出：" 在宇宙中没有特殊的位置。每一个观察者看到的现象都
是一样的。" 这被称作" 哥白尼原理".

态的宇宙。这个理论在以后被爱因斯坦称为是" 一生中最不可原谅的错误".

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实际上，对于光不能象对待普通物体那样考虑，因为普通物体在上抛的过程中速度逐渐变慢，并最终落回地面，
而光是以不变的速率前进的。因此必须以广义相对论的观点重新解释黑洞现象，也就是：

    光由于强大的引力场造成的空间——时间扭曲，而被强烈地折弯并回到星体表面，不能从其表面逃逸。

    黑洞是一个空间——时间区域，它的最外围是光所能从黑洞向外到达的最远距离，这个边界称为“事件视界”。

    它如同一个单向的膜，只允许物质穿过视界并落到黑洞里去，但没有任何物质能够从里面出来！

    那么黑洞是如何形成的呢？让我们先从恒星的生命周期说起。宇宙早期的星云物质——绝大部分是氢的极其稀
薄的气体——由于自身的引力作用而收缩成恒星。由于收缩过程中气体原子相互碰撞的频率和速度越来越高，导致
气体温度上升并最终使恒星发光。当温度如此之高，以致于氢原子碰撞后不再离开而是聚合成氦，这被称为“热核
聚变”。聚变释放出的巨大能量使恒星气体的压力进一步升高，并达到足以平衡恒星内部引力的程度，于是恒星的
收缩停止下来，并在相当长的时间里稳定地燃烧。当恒星耗尽了这些氢之后，由于核反应的减弱而开始变冷，恒星
气体的压力不足以抵抗自身引力的而导致恒星重新开始收缩。恒星中的氦元素发生聚变形成碳或氧之类较重的元素。

    但这一过程并没有释放太多的能量，恒星继续收缩。

    诺贝尔奖得主，印度裔美籍科学家强德拉塞卡在1928年指出，由于“泡利不相容原理”（在同一轨道不存在两
个运动状态完全相同的粒子）的作用，当恒星进一步缩小时，物质粒子靠得非常近并且必须严格地遵守不相容原理，
因而粒子之间发散的趋势平衡了恒星自身的引力，使恒星不再缩小。如果这个不相容原理引起的排斥力是电子间产
生的，那么恒星将坍缩成为一颗半径为几千英里，密度为每立方英寸几百吨的冷恒星——“白矮星”。科学家们已
经观测到大量的白矮星。坍缩的另一种形式为“中子星”——它上面的的电子早已被引力拉到质子上，因此这种恒
星全部由中子组成，并靠中子间不相容原理引起的排斥力抗衡自身引力以维持“体形”。它们的半径只有10英里左
右，密度为每立方英寸几亿吨。中子星同样已经为观测所证实。

    强德拉塞卡同时计算出，当恒星质量大于太阳质量的一倍半时，即使不相容原理也无法阻挡恒星的继续坍缩，
恒星将无休止的收缩，直至体积为零！此时的物质密度和空间——时间曲率将无穷大。所有的科学定律将在此失效。

    这就是我们前面所提到的“黑洞奇点”。

    事实上存在着这样一种情形：超过强德拉塞卡极限的恒星在耗尽自己的燃料时，它们可能会在被称为“超新星
爆发”的巨大爆炸中抛出大量的物质，使自己降到极限质量之下从而避免坍缩。但这不可能总是发生，即使总是发
生，那么如果将额外的物质加在白矮星或中子星上，结果又将这样呢？

    科学家们感到震惊，他们无法相信这一理论并对它怀有敌意。他们纷纷撰文试图证明恒星的体积不会收缩到零，
这其中也包括爱因斯坦。

    但是，史蒂芬。霍金和罗杰。彭罗斯于1965和1970年的研究指出，如果广义相对论是正确的话，那么在黑洞中
必然存在着无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这个奇点和大爆炸类似，是一切事件的终结之处，科学定律可
预见性都将失效。

    我们用广义相对论来描述和理解一下黑洞。当恒星坍缩时，恒星发出的光波被强烈的红移。当恒星收缩到它的
临界半径时，它发出的引力场是如此之强，使得光波被散开到无限长的时间间隔内。在黑洞外的观察者则会看到，
恒星发出的光越来越红，越来越淡，最终再也看不到这颗恒星了。这是一个名副其实的黑的“洞”！

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  这个结论最初很难被大多数人所接受。宇宙和时间都有个起点，这不免带有神干涉的色彩。如同牛顿将最初使
星体运动起来的“第一推动”归功于上帝一样，天主教抓住了这个机会，宣布“大爆炸”理论符合圣经。

    许多人为了回避宇宙被创生这一问题，不断地试图寻找稳态宇宙的理论，但几乎每一种新的解释都存在着致命
的问题。越来越多的证据显示，“稳态理论”必须被抛弃！

    如果早期的宇宙物质彼此靠得非常近，那么早期的宇宙应该是异常炽热的。1965年，美国物理学家罗伯特。狄
克和詹姆斯。皮帕尔斯提出，我们应该仍然能看到宇宙早期的白热，那是200 亿年前宇宙炽热的辐射经过了漫长的
旅行，恰好现在才到达地球，只不过由于宇宙的膨胀使这些光波如此厉害地被红移，以致于只能作为微波辐射被我
们观察到。同一时间，在美国新泽西贝尔电话实验室的阿诺。彭其亚和罗伯特。威尔逊正在做一项精密的微波测量
实验。他们接收到的噪声比预想的大许多。他们仔细地排除可能的干扰——包括天线上的鸟粪。他们预料，当探测
器倾斜指向天空时，由于光线穿过了更厚的大气层，就将受到更多的干扰，噪声应比探测器垂直指向天空时更强。

    然而实验发现，无论探测器朝什么方向，这额外的噪声都是一样的。这说明噪声来自大气层以外。这两位科学
家无意中证明了弗利德曼关于在大尺度下宇宙各向同性、异常均匀的假设，而且更大的惊喜还在等着他们。他们听
说了狄克和皮帕尔斯关于早期宇宙辐射的工作，立刻意识到自己已经找到了它——2.7K（绝对温度）的宇宙背景辐
射！

    他们二人也因此摘取了1978年的诺贝尔奖。

    同样在1965年，史蒂芬。霍金后来的合作者，英国物理学家罗杰。彭罗斯证明了，在广义相对论的基础上，由
于自身引力作用而坍缩的恒星的表面积和体积最终将缩小到零，此时物质的密度和空间——时间曲率均为无穷大，
这就是我们以后将要谈到的另一个奇点——黑洞。

    彭罗斯的结果只涉及到了恒星，而并没有涉及大爆炸奇点的问题。正在攻读博士学位的霍金读到了彭罗斯的关
于“任何物体受到引力坍缩必须最终形成一个奇点”的定理，并很快意识到如果将该定理的时间箭头颠倒的话，应
该得出如下结论：“任何类弗利德曼膨胀模型必须从一个奇点开始”。1970年，霍金和彭罗斯两人合作得论文终于
证明了，如果广义相对论是正确的，我们这个膨胀着的宇宙过去必须存在着一个大爆炸奇点！

    他们的工作遭到了相当多的反对。科学家们不喜欢奇点和宇宙、时间开端的结论。然而情绪毕竟无法胜过数学
定理。随着实验和观测数据的积累，人们越来越清楚地认识到，宇宙在时间上必须有个开端。

    霍金和彭罗斯的研究显示了广义相对论只是一个不完全的部分理论，它无法告诉我们宇宙是如何开始的，并且
开始之前是如何的。奇点定理更进一步显示的是，在极早期的宇宙中曾有过一个时刻，那时宇宙的尺度是如此之小，
以致于人们不得不考虑另一个伟大的部分理论——描述小尺度效应的量子力学。正如霍金自己所说：“现在几乎每
个人都相信宇宙是从大爆炸奇点开始的，而我却改变了想法，并试图说服其他科学家：事实上在宇宙的开端并没有
奇点——只要考虑量子效应，奇异性会消失！”

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宇宙将如何膨胀呢？膨胀下去的结果又将怎样呢？

    1922年，当爱因斯坦仍在努力寻求广义相对论中平衡宇宙收缩趋势的引力常数时，前苏联数学和物理学家弗雷
德曼却在广义相对论的基础上提出两个观点，即不论我们在宇宙中的任何地点观察，也不论我们向宇宙中的任何方
向观察，宇宙看起来都是一样的。他指出，仅从这两个观念出发，我们就应该预料到宇宙不是静态的。他基于此建
立的宇宙模型与后来哈勃的观测完全一致。

    弗雷德曼模型有两个解。一个解是当宇宙膨胀得足够快时，引力仅仅使膨胀变得缓慢一点，而不能使之停止，
宇宙将永远地膨胀下去；另一个解是宇宙膨胀得足够慢，以致于引力使膨胀最终停止，宇宙将收缩，并在星际间的
引力作用下发生大挤压。也可以认为有第三种解，那就是宇宙的膨胀速率刚好快到可以避免坍缩。它与第二类解的
不同之处在于，第三类解的宇宙是平坦的，而第二类解的宇宙是象拱形一样弯曲的。第三类解其实就是第二类解的
特例。这两种解的宇宙，模型都是无限的。

    而在第一类解中，我们看到了奇异性——宇宙在空间上不是无限的，并且是没有边界的。在这里笔者并没有写
错，这种宇宙情形可以用我们的地球来帮助理解。地球的表面是没有边界的，但体积却是有限的，只不过地球表面
是二维的，而宇宙空间是三维的。第一类宇宙模型的引力是如此之强，以致于空间被折弯而绕回到自身。

    这的确是一个科幻小说的好题材，一个人绕宇宙旅行一周后又回到了出发点。然而霍金告诉我们：“这实际上
并没有多大意义，因为一个人还没有来得及绕一圈，宇宙已经坍缩到了零尺度。你必须旅行得比光波还快，才能在
宇宙终结之前回到你的出发点——而这是不允许的！”

    对于时间来说，这类解也是有限的，而且它有开端和终点，如同一条绳子的两端，也就是有边界的。我们在以
后将会看到，当人们将广义相对论与量子力学结合起来的时候，我们就可以将这条绳子的两端连起来，使时间和空
间都成为有限的，并且是无界的。

    那么我们的宇宙符合哪一类解呢？这要由我们目前观测到的宇宙的平均质量密度来决定。我们现在观测到的所
有星体质量的总和尚不到阻止膨胀所需临界质量的1%，即使将那些我们观测不到的星系间的暗物质考虑进去，全部
的质量也未达到停止膨胀所需密度的十分之一。这些结果暗示着，我们的宇宙可能会以当前这种几乎是临界的速率
永远地膨胀下去。

来源:http://tech.163.com/04/1115/20/158P2D490009rt.html

    应该说后来一切不可思议的变革都是从“光速不变原理”开始的。

首先人们意识到光速是有限的。1676年，丹麦天文学家欧尔。克里斯琴森。麦罗发现，木星的卫星不是以等间
隔的时间从木星背后绕出来，木星由于公转离开地球越远，则时间间隔就越长。他指出，因为木星离开我们越远时，
光从木星发出后到达地球所需的时间就越长。这表明光不是无穷快的。

    将近两200 年之后，英国的物理学家詹姆斯。麦克斯韦于1865年提出著名的“麦克斯韦方程”。这个描述电磁
波的方程成为光传播的真正理论。该理论预言，电磁波应以某一固定的速度运动。但牛顿力学已经摆脱了绝对静止
的观念，速度是相对的，那么光速选择哪个参照物来测量呢？于是人们提出，在真空中存在一种弹性极好的物质—
—“以太”，光是以它为介质传播的。1887年的“麦克尔逊——莫雷实验”却打破了人们的这一假说。这两个人在
地球自转的切线方向和垂线方向上分别对光速进行精确的测量。他们预想切向上测得光速将大于法向上测得的结果，
而结果是这两个光速完全一样。

    这之后，一位叫做阿尔伯特。爱因斯坦的瑞士专利局职员在他的一篇论文中指出，如果人们愿意抛弃绝对时间
的观念，那么整个以太的概念完全是多余的。这一年是1905年，这篇论文就是赫赫有名的“狭义相对论”。爱因斯
坦指出，当光从光源发出后，任何匀速运动的观察者都将测量到同样的光速。光速不变原理使原来人们从未怀疑过
的绝对时间化为乌有，并进而得出运动尺变短，运动钟变慢的推论。

    其实光速不变原理在生活中随处可见，只是人们从未意识到这一点。

    譬如一个人朝我们掷一石块，那么石块离开手时的速率是最快的。如果光速与光源的速率可以叠加的话，石块
出手时的光速应该大于在这之前的光速，因此我们将看到石块先出手，然后才看到投掷的动作。这显然与我们日常
的经验不符。

    至于光速为什么会有这种特性，爱因斯坦在思考了多年后说：“光很奇特，但我们并不必对其穷究，因为它就
是那样一种物质。”

    但狭义相对论与引力理论存在不相协调之处。引力理论指出：物体间的吸引力依赖于它们之间的质量和距离，
这就意味着如果我们移动一个物体，另一个物体所受的引力就会立即改变，这种情形下引力效应就将以无限的速度
传递，而不象狭义相对论所要求的那样，只能低于光速。

    在经过多次失败的尝试之后，爱因斯坦终于提出了革命性的“广义相对论”。

    广义相对论指出，引力不同于其它的力，“它是由于物质质量的存在而发生的空间—时间的扭曲。”例如我们
的地球，在广义相对论看来，它并非是由于引力的作用而沿着椭圆轨道运动，而是沿着弯曲的空间中最接近直线的
被称为“测地线”的轨迹运动。（我们在地面上以直线行走，实际上走的是地球球体表面的一段弧，该弧所在平面
穿过地球球心，这段弧称为测地线。这是地球表面最接近直线的轨迹。）这条轨迹是地球在不平坦的空间—时间中
走过的最短距离。由于太阳质量所引起的空间—时间的弯曲，虽然在四维的空间中地球以直线运动，但我们在三维
的空间中看起来却是沿着一个椭圆周在行进。

    这就好比一架飞机在山区上空飞行，它虽然在三维空间中以直线行进，但它在崎岖的二维地面上的投影却是沿
着弯曲的轨迹运动。同样，光也必须沿着测地线走，它也不能避免被引力场所折弯。在以后讲述大爆炸和黑洞奇点
的章节中，我们将会对此有更深的体会。

来源:http://tech.163.com/04/1115/20/158P2TEC0009rt.html

　　与我们的9大行星所运行的近圆轨道不同，在过去的10年当中所发现的160多个太阳系外的行星大多数都在椭圆轨道中运转，而且被行星环绕的恒星是偏心的——偏离椭圆轨道的轴心，这造成了许多行星与其所围绕着运转的恒星有时候特别遥远，有时候又特别接近。近期发表在英国《自然》杂志上的一篇论文中，美国西北大学的天体物理学家首次利用直接观察获得的证据对于这种太阳系外行星的古怪行为的原因做出了解释。

　　罪魁祸首：行星散射

　　“我们的观察结果显示，‘行星散射（planet-planetscattering，即当两个行星十分接近的时候，由于两颗行星间突然的引力作用所引发的一种弹弓效应）应该是造成仙女座厄普西仑星系中所观察到的行星偏心轨道的原因，”物理学和天文学副教授弗雷德里克。拉西奥说，“我们相信，并非只在厄普西仑星系是如此，在太阳系以外的其它行星体系，作为高度不稳定性的结果，行星散射发生十分频繁。因而，尽管在其它恒星周围存在行星系统的现象十分普遍，但是那些能够支持生命的系统（例如太阳系）必须在很长的时间期限内保持稳定，可能不会如此地普遍。”

　　此次研究所关注的系统由围绕仙女座的恒星厄普西仑运转的3颗巨大的类木行星组成。这是通过多普勒光谱观测（其原理基于行星的存在对恒星的影响。当恒星拥有伴行星时，恒星将绕整个系统的质心做周期性绕转运动，测量恒星光谱谱线振动的多普勒漂移可以获知行星轨道运动）所发现的太阳系外第一个多行星系统。其中一颗为1996年发现的内侧行星。它象是一颗“炙热的木星”，与恒星如此接近，以至于绕轨道运行一周只需几天时间。另外两颗为1999年发现的外侧行星，它们拥有扁长的轨道，而且彼此之间能够产生巨大的影响。科学家们对这一系统已经仔细研究多年。

　　稳定性让太阳系如此独特

　　拉西奥说：“在这个体系中，两颗外侧行星的轨道十分特殊，这让我们迷惑了很长一段时间。”为了更好地理解这种现象，拉西奥和他的同事根据目前的轨道状况开发出了一个精确的行星轨道电脑模型，然后让它们退回到几万年前的样子。他们的分析显示，如果最初稳定的系统突然间被打乱，随着时间的推移系统会像他们所预期地那样变化，但突然间的骚动只会影响到最外侧的行星。

　　研究人员引用了已经脱离了该系统的第4颗行星，指出它一定是由于与一颗外侧行星走得太近，在一次引力争斗中，把那颗外侧行星“踢”进靠恒星更近的轨道，使其成为一颗中间的行星，而自己则被推离了系统。突然间的一“踢”把外侧行星送入了一个椭圆的轨道，而最初，中间的行星是在一个近圆的轨道运行的。随着时间的推移，外侧行星对中间行星的骚扰达到一定的程度，最终会让中间行星的轨道逐渐也变形成一个偏心的轨道，就如我们今天所看到的那样。尽管如此，大约每7000年的时间，中间行星又会逐渐回到近圆轨道。“这就是这种系统的奇特所在，一般来说，两个椭圆轨道之间的引力耦合作用，绝不会让其中的一个回到如此近圆的程度。圆形的轨道是十分特殊的。”拉西奥指出。

　　对于仙女座厄普西仑以及其它太阳系外的行星系统的形成和进化过程的理解对于进一步认识我们所栖身的太阳系的有很大的借鉴意义。

　　拉西奥指出，“这些新发现的系统并没有持续几十亿年都能保持稳定。当他们可能已经形成了一个类似太阳系的体系，经过了一段时间之后，系统的稳定就会受到破坏。就稳定性而言，我们的太阳系的确十分特别。”

来源：http://tech.tom.com/1121/1122/1920/2861/20050421-185010.html

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