现代物理科学的宇宙观

《天文学概论》

论文

题目：现代物理科学的宇宙观

学 院：应用物理与材料学院

专 业：电子信息工程（半导体绿色光源）

成 绩：______________________________ _

现代物理科学的宇宙观

现代宇宙学说建立和发展于20世纪，现代物理学科以自己的语言解读了宇

宙的发展历程。以相对论、量子论为基础的现代科学的形成，并动摇了牛顿以来

占主导地位的经典物理理论，进一步使人们认识到宇宙是一个处在演变之中的复

杂巨系统。现在人们普遍接受的是大爆炸宇宙论。霍金的量子宇宙论使宇宙论发

展为一门成熟的科学。

霍金的量子宇宙观从量子物理学中得到很多启示。量子物理学是20世纪与

相对论并肩崛起的又一场物理学的重大变革。由于在宇宙早期，整个宇宙非常小，

它处于量子状态，因此必须考虑量子效应。至此，霍金走上了探索广义相对论与

量子力学的综合之路。

霍金把广义相对论和量子理论结合起来，提出了无边界宇宙模型。霍金把量

子论引入到极早期宇宙学中。这是在近十年建立起来的量子宇宙学得出了一个惊

人的结论。霍金认为：“奇点定理的真正重要性在于，它指出重力场必然会强到

不能无视量子重力效应的程度。”这意味着在研究宇宙的极早期行为中不考虑量

子效应是不允许的。然而，相对论与量子力学是极其不协调的，分别处在物理学

的两极。相对论用来处理大尺度的空间结构，它坚持严格的因果决定论。而量子

力学则用来处理微观粒子的小尺度结构，得到的结论是统计性的。根据测不准原

理，自小于10秒和10秒的范围内，即在普朗克时空尺度内，根本就没有钟

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和尺子能加以测量，时空概念也就失去其普通的物理意义，因而必须转换时空观。

由此，霍金和詹姆·哈特尔一起引入了虚时间概念，提出了无边界宇宙模型。霍

金指出，一个合理的宇宙解所应满足的边界条件是：宇宙是无边界的。不过，我

们应注意“无边”不同于“无限”，宇宙的三维空间是无边的，而它的时间（实

时间）却是有始的。从几何上说，一个无边界的四维宇宙相当于一个四维超球面，

正如地球的表面一样，只不过多了两维而已。量子宇宙学是自洽的和自足的。霍

金和他指导的博士吴忠超先生证明了在无边界假设条件下，宇宙必须从零动量态

向三维几何态演变，于是经典奇性被量子效应所抹平。宇宙的演化服从科学定律

表明理论的自洽性，而宇宙的无边界表明宇宙的自足性。

霍金相信宇宙是可以认识的，是可以完全被理解的。霍金认为宇宙的演化完

全取决于物理定律。即在原则上，单凭科学定律我们便可以将宇宙的一切都预言

出来。1985年，霍金根据无边界宇宙模型，对极早期的宇宙状态做了描述和语

言，指出：“那是一个各项同性的、均匀的、具有微小微扰的膨胀宇宙。我们可

以在微波背景的起伏中观察到这些微扰的谱频和统计”。霍金的理论引起了巨大

的轰动。霍金的宇宙学又论证了时间是有开端的。他指出：“从爱因斯坦广义相

对论可推断出，宇宙必须有个开端，并可能有个终结。”在论述中，不乏辩证唯

物论味道，霍金进一步打破了长期以来关于宇宙既无开端也无终端的传统学说，

肯定了宇宙有开端，也应有终结。我们称宇宙起源于“奇点”。奇点在任何物理

理论中都是一个大灾难，奇点告诉我们，在我们对自然界的描述中，我们已犯了

一个极大的错误。宇宙在时间的起点或经典宇宙模型中的初始奇点处经受了一次

从无到有，从不存在到存在的量子创生。经典宇宙学的奇点性原来意味着宇宙从

“无”到“有”的量子创生。霍金希望存在宇宙终极理论，并乐观的追求这理论。

他说：“我不同意这样的观点，说宇宙是神秘的，是某种人们可有直觉但却永远

不能完全分析和理解的东西。„„我们对于宇宙还有大量无知和不解之处。但是

我们过去尤其是一百年内所取得的进步，足以使人相信，我们能够完全理解宇宙。”

霍金量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论称为一门成熟的科学。

宇宙的每一时刻都是新的。我们已经意识到我们生活在一个不断发展的宇宙

故事当中。人类在无穷的相对真理的长河中不断探索，不断进步，不断逼近终极

的绝对真理，但是不会走到尽头，也不可能预言宇宙的一切。霍金在追求宇宙终

极理论的同时，也冷静的认识到，我们不可能穷尽对宇宙的完全认识。霍金说：

“即使我们发现了一套完整的统一理论，这并不表明我们能够一般地预言事件。

主要是由于两点，第一，我们无法避免不确定原理给我们的预言能力设立的极限。

第二，除了非常简单的情况，我们无法准确解出这理论的方程。即使我们找到了

基本定律的完整集合，但在未来的岁月里，仍然存在更好的近似方法，使我们能

够在复杂而现实的情形下，对可能出现的结果，赋有预见与智慧的完成挑战性任

务。”