什麼是廣義相對論「最後的拼圖」？

現代宇宙學認為整個宇宙是由奇點大爆炸和暴脹後產生的，時間和空間也是大爆炸創生的。霍金對大爆炸理論最重要的貢獻是證明了膨脹的宇宙必然始於一個奇點，一個多月前，LIGO國際團隊的科學家發現引力波的消息在各大媒體迅速傳開，引起了網民的廣泛關注，有媒體聲稱，這是第一次切實證明了愛因斯坦於100年前提出的廣義相對論，這種說法並不準確，應當表述為第一次證實了愛因斯坦以廣義相對論為基礎對引力波做出的預測。幾乎所有的媒體聲稱，引力波的發現彌補了愛因斯坦相對論的最後一塊「拼圖」，這種說法未必正確，難以認定引力波就是廣義相對論框架的最後一塊「拼圖」。的確，證實引力波的存在與我們對宇宙的認識有關，產生於大爆炸之後的原初引力波可以告訴我們宇宙形成的奧秘。引力波源於加速運動的質量，例如：超新星的坍塌和黑洞的合併，引力波除了與天體的質量和速度有關以外，還與時空的結構有關。探測到引力波的科學家的確有可能獲得諾貝爾物理學獎。

愛因斯坦將廣義相對論原理應用到宇宙學的研究，可以看成是他的理論預測的最後一塊「拼圖」。愛因斯坦認為宇宙儘管包容萬物，無窮無盡，卻是有界無邊的，可以建立四維封閉的宇宙模型，其中的三維空間世界就像一個球，球面沒有邊界而有面積。現代宇宙學延續了愛因斯坦的「有界無邊」論，伽莫夫的「大爆炸」、阿蘭·古思的「暴脹」、霍金的奇點模型與愛因斯坦的宇宙幾何模型有很多的共同之處，都指明了可觀測宇宙的有限性。目前的科學發現支持宇宙沒有邊界，但是有視界的觀點，例如，二維球面沒有邊界，但是你的視野卻有範圍，存在一個界限。我們的宇宙有這樣一個界限，由於光速有限，宇宙的年齡有限，宇宙的空間在膨脹，我們所能看到的界限大約是半徑460億光年左右的一個球對稱區域，這個區域之外的光沒有傳到地球，我們看不到，這就是宇宙的視界，在宇宙視界之外，空間是否會無限延伸，還是一個他根據奇點定理提出過一個模型，認為宇宙之初沒有時間，只有空間，到後來才有時間，就像北極點上只有南，沒有北一樣。

愛因斯坦廣義相對論的場方程指明了宇宙的膨脹，儘管他相信一個靜態的、不變的宇宙。「有界無邊」的宇宙幾何模型有時也被稱為「西瓜模型」，四維時空中的三維球面.可以指向宇宙的邊緣，但又是不可能的，因為宇宙包容了萬事萬物，然而，宇宙確實存在邊緣，由於宇宙在不斷膨脹，遙遠的某些天體以光的速度遠離我們，並在我們的視野里消失，這一分界線便是「可見」宇宙的邊緣。「有界無邊」宇宙模型存在一些難以回答的問題，諸如：宇宙未創生之前有沒有物質、時間和空間？「界限」以外的世界時什麼？「界限」是怎樣形成的？伸縮性的「界限」如何變化？宇宙的膨脹意味著時空的產生，宇宙的收縮意味著時空的消失嗎？

從辯證法的哲學觀點來看，宇宙是無始無終，無邊無際的，沒有離開物質的時空，也沒有離開時空的物質。兩千多年前,羅馬哲學家盧克萊修曾經指出，「有界」宇宙的概念存在自相矛盾，如果宇宙真的有邊界，那麼一定有什麼東西在它之外。近年的天文觀測表明，宇宙的形狀是扁平的，曲率接近零，宇宙自形成以來一直在不斷擴展。從我們的地球看出去，各個方向上宇宙的結構和平均密度具有一致性，星系以集群的方式在宇宙中構成一張大網，幾乎所有的星系都分布在網上，「網格」的中間幾乎是空的，形成大尺度的「空洞」，在無邊無際的宇宙中，任何一個地方都是宇宙的中心。顯然，近幾年的天文觀測支持了愛因斯坦、伽莫夫和阿蘭·古斯的觀點，我們的天文觀測只能達到可觀測的宇宙，對「宇宙外的宇宙」進行的研究缺少實際觀測的基礎。儘管如此，可觀測宇宙的範圍隨著觀測技術的改進和人類認識能力的提升，會變得越來越大，可能最終證明宇宙是「無邊無界」的，在我們的「小宇宙」之外，還存在一個「大宇宙」，可觀測的宇宙和不可觀測的宇構成了「大宇宙」。

宇宙學既是一個科學問題，也是一個哲學問題，主要的還是一個科學問題。我們主要關注宇宙學的科學意義，在這個基礎上還應理解宇宙學的哲學意義，科學不需要回答，或暫時不需要回答可觀測宇宙以外的問題，而哲學需要思考這些問題，我們觀測不到可觀測宇宙以外的宇宙，不能說明它們不存在，天文學家會漸漸地發現它們的存在，也許我們最終能夠接收「平行宇宙」發出的引力波等等。拿廣義相對論來說，場方程並不能告訴我們目前的宇宙膨脹到什麼時候，什麼時候收縮，膨脹和收縮的「震蕩周期」是多少？不能告訴我們宇宙的時空是平坦的、馬鞍型、圓柱形等怎樣的形狀，如果宇宙收縮到「一個兵乓球」的大小，那麼還能說宇宙是「有界無邊」的嗎？總之，愛因斯坦廣義相對論的最後一塊「拼圖」也許是「有界無邊」的宇宙模型，而不是引力波發現。無論是引力波物理學，還是涉及到有限性和無限性哲學思辨的宇宙模型，人類的認識都沒有到「最後」的時候，愛因斯坦「最後拼圖」的夢想應該是建立「統一場理論」，直到目前為止，科學家還行走在這一未知領域的路上。

2016-4-1

（Gravitational wave is the last piece of pie in general relativity ）

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