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茶余饭后聊聊科学（4）

Mew2
[个人文集]

加入时间: 2004/02/14
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标题: 茶余饭后聊聊科学（4） (667 reads) 时间: 2003-3-14 周五, 下午6:42

作者：Mew2 在寒山小径发贴, 来自 http://www.hjclub.org

振作一下精神回到科普这个话题上来。上回讲到我们这个宇宙从观测的角度来

说是有限的，这一回谈谈宇宙的历史。

谈历史之前，有必要谈谈时间这个概念。时间在物理上的定义并不比常人的感

受更高明，常人的经验是，时间在流动着，有别于空间。空间的概念也很直观，

在空间中有一些东西，要标明这些东西在哪里，我们要作记号。物理上，可以

用数字作为记号，而每个物体或者点需要至少三个数字来标志，这就是说我们

的空间是三维的。前面已经说过，常人经验中的三维就是前后、左右、上下。

每一个维度在两边都无限延伸，可以用实数来表示。那么三维的意思是我们空

间中每一个点必须用三个实数来表示。时间在感觉上虽然有别于空间，同样也

是用一个实数来标志，简单的就是昨天几点几分，明天几点几分。一般人的聪

明程度和过去的大哲学家如康德一样，觉得时间是独立于空间的。当然康德本

人是个天文学家，想到时间有起始和终结的可能。物理上，我们用运动这个概

念来定义时间。没有运动，也就没有了时间，假定一切是静止的，包括人的吃

饭穿衣思维都没有了，钟也不转了，当然就无从谈时间。所以时间是运动的一

个性质，我们可以用时钟来标志时间，恰恰因为时钟本身就是一种运动。

在相对论中，时间和空间一样，定义都是用物理操作的办法。这样定义出的时

空居然有令人意想不到的联系，例如在两个相对运动的参照系中，两个事件发

生的空间距离和时间间隔可以完全不一样，物理的定义给出反直觉的结果。而

过去一些哲学家脑袋中的符合直觉的所谓先验空间和时间，反而是虚幻的东西。

正因为物理学的进步不断告诉我们哲学家的想象力的贫乏，我从此不相信任何

研究先验理论的人，包括大部份哲学家，一部份政治家，一部份经济学家。

宇宙学的研究表明，时间也许在将来是无限的，在过去却不是，有一个起点，

就是大爆炸的那一点。在大爆炸之前，已经没有了时间的可操作的定义，从而

“大爆炸之前”这个概念是错误的，如同第二个时间维度一样错误。没有了操

作上的定义，也就没有了矛盾。

时间也是一个相对的概念，很象苏东坡先生在《赤壁赋》中所说“盖将自其变

者而观之，而天地曾不能一瞬；自其不变者而观之，则物与我皆无尽也”，强

调一个变字。用物理手段可以测量到的最小时间，是一个不稳定粒子的寿命，

大概是一秒的10的负25方，真可以说是一瞬了。这个寿命和人类的寿命比起来，

差了10的34次方倍。我们再看长时间的标度，海枯石烂，不会比地球的年龄更

长，地球存在了46亿年，和一个人的寿命差了一亿倍。但人和最短寿的粒子比，

差了远远不止一亿倍，所以苏轼的话似乎应当这么说，以变者相对而观之，则

物与我皆无尽也，这里变者是那个可怜的粒子。

宇宙的寿命，相对于地球来说，也没有长得太多，最近的数据表明，大概是140

亿年左右。地球年龄的测定是依靠同位素的丰度，而宇宙的年龄是如何测出来

的呢？这个问题我们暂时不回答，先大致回顾一下上世纪宇宙学的发展史。

宇宙学类似考古学，实验的唯一手段是研究化石。可以说，哈勃红移关系也是

一种化石，因为我们看到的遥远的天体是许多年前的情形。除了天体以外，宇

宙中还有各种不同形式的物质，其中最重要的大概是宇宙微波背景辐射。

我们说过，现在的宇宙在膨胀。引力理论告诉我们，宇宙过去也一直是膨胀的，

那么过去的物质密度就应当比现在高，如果能量不会无中生有的话。当物质的

密度很高时，所有的物质形式都处于一个热平衡状态，宇宙有一个温度。随着

宇宙的膨胀，温度降低，渐渐地一部份粒子和另一部份粒子不再发生足够的相

互作用，开始有各自的温度。我们叫这种现象为脱耦。光也有一个与物质脱耦

的时间，那个时候温度大概是三千度，时间大约是大爆炸发生后十万年左右。

自那以后，光几乎不再和其它任何物质发生关系，自身独立地演化。演化到今

天，温度就很低了，大约是2.7度（绝对温度，即零下270摄氏度），对应的光

的波长是一个厘米，所以叫微波辐射。

微波背景辐射是1964年被彭齐亚斯和威尔逊完全意外地发现的。他们当时为了

改进通讯雷达，测量来自银晕的气体辐射，结果发现有一种干扰无论如何调节

方向都无法消除，说明这种辐射噪声不是来自于某些天体，而是无所不在。

微波背景辐射有一个非常均匀的特征，说明应当是宇宙的早期化石，因为宇宙

只有在很早的时候才会很均匀，现在我们看到的宇宙在超星系团的尺度上已经

非常不均匀了。的确，早在上世纪四十年代，伽莫夫、海尔曼和阿尔法已经预

言了微波背景辐射，而比较精确的温度预言狄基和皮帕尔斯作出的。

彭齐亚斯和威尔逊由此获得1978年度诺贝尔物理奖，这是宇宙学观测中的第一

个奖。宇宙学理论方面的发展在过去半个世纪是惊人的，但还没有一个理论家

获奖，有人说，这大概和祖师爷爱因斯坦没有因此获奖有关。当然，哈勃也没

有获得诺奖。

图片说明：

宇宙微波背景辐射强度之全天图。红色、绿色与蓝色约略分别代表高于、等于

及低于全天之平均温度 2.73 K，其相对于平均之标准差约为十万分之一 K。

这是目前全世界解析度最高之电脑模拟图，具有约六百万个画素，由台大物理

系吴俊辉经由超级电脑制作。

作者：Mew2 在寒山小径发贴, 来自 http://www.hjclub.org

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