量子宇宙论是由著名科学家（ ）提出的。 霍金是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家，他的一生有哪些杰出...

D.霍金

人物简介:

斯蒂芬·威廉·霍金，英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授，当代最重要的广义相对论和宇宙论家，是当今享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最伟大的科学家，还被称为“宇宙之王”。70年代他与彭罗斯一起证明了著名的奇性定理，为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。他还证明了黑洞的面积定理，即随着时间的增加黑洞的面积不减。这很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起。

中文名： 斯蒂芬·威廉·霍金 

外文名： Stephen William Hawking 

国籍： 英国 

出生地： 英国牛津 

 出生日期： 1942年1月8日 

职业： 科学家 

毕业院校： 牛津大学、剑桥大学 

 史蒂芬·威廉·霍金出生于1942年1月8日。毕业于牛津大学和剑桥大学，并获剑桥大学哲学博士学位。他因为在21岁时不幸患上了会使肌肉萎缩的卢伽雷氏症，所以被禁锢在轮椅上，只有三根手指可以活动，1985年，因患肺炎做了穿气管手术，彻底被剥夺了说话的功能，演讲和问答只能通过语音合成器来完成。1973年，他考虑黑洞附近的量子效应，发现黑洞会像黑体一样发出辐射，其辐射的温度和黑洞质量成反比，这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小，而温度却越变越高，最后以爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义，它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。   1974年以后，他的研究转向了量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论，但它的一些特征已被发现。例如，空间－时间在普朗克尺度（10^-33厘米）下不是平坦的，而是处于一种粉沫的状态。在量子引力中不存在纯态，因果性受到破坏，因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。 斯蒂芬·威廉·霍金图集二(20张)  1980年以后，霍金的兴趣转向了量子宇宙论。   2004年7月，他改正了自己原来的“黑洞悖论”观点，信息应该持之以恒。   本书的副题是从大爆炸到黑洞。 斯蒂芬·威廉·霍金认为他一生的贡献是在经典物理的框架里，证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性，黑洞越变越大；但在量子物理的框架里，他指出，黑洞因辐射而越变越小，大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平，而且整个宇宙正是起始于此。   理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化，但就观念而言，现在已经相当完备了。   史蒂芬·威廉·霍金的生平是非常富有传奇性的，在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学家之一，他的贡献是在他20年之久被卢伽雷氏症禁锢在轮椅上的情况下做出的，这是真正的空前绝后。他的贡献对于人类的观念有深远的影响，所以媒介早已有许多关于他如何与全身瘫痪作搏斗的描述。所以说，上帝对每个人都是公平的。他有身体上的缺陷，可头脑聪明的很！尽管如此，译者（吴忠超）之一于1979年第一回见到他时的情景至今还历历在目。那是第一次参加剑桥霍金广义相对论小组的讨论班时，门一打开，忽然脑后响起一种非常微弱的电器的声音，回头一看，只见一个骨瘦如柴的人斜躺在电动轮椅上，他自己驱动着电开关。译者尽量保持礼貌而不显出过分吃惊，但是他对首次见到他的人对其残疾程度的吃惊早已习惯。他要用很大努力才能举起头来。在失声之前，只能用非常微弱的变形的语言交谈，这种语言只有在陪他工作、生活几个月后才能通晓。他不能写字，看书必须依赖于一种翻书页的机器，读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公桌上，然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般地逐页阅读。人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬意。从他对译者私事的帮助可以体会到，他是一位富有人情味的人。每天他必须驱动轮椅从他的家——剑桥西路5号，经过美丽的剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学和理论物理系的办公室。该系为了他的轮椅行走便利特地修了一段斜坡。霍金虽然身残但志不残，非常乐观。   他还证明了黑洞的面积定理。在富有学术传统的剑桥大学，他担任的职务是剑桥大学有史以来最为崇高的教授职务，那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。他拥有几个荣誉学位，是最年轻的英国皇家学会会员。在公众评价中，被誉为是继阿尔伯特·爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家之一。他提出宇宙大爆炸自奇点开始，时间由此刻开始，黑洞最终会蒸发，在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论方面走出了重要一步。   他因患“渐冻症”（肌肉萎缩性侧索硬化症 卢伽雷氏症），禁锢在一把轮椅上达40年之久，他却身残志不残，使之化为优势，克服了残废之患而成为国际物理界的超新星。他不能写，甚至口齿不清，但他超越了相对论、量子力学、大爆炸等理论而迈入创造宇宙的“几何之舞”。尽管他那么无助地坐在轮椅上，他的思想却出色地遨游到广袤的时空，解开了宇宙之谜。   霍金的魅力不仅在于他是一个充满传奇色彩的物理天才，也因为他是一个令人折服的生活强者。他不断求索的科学精神和勇敢顽强的人格力量深深地吸引了每一个知道他的人。患有肌肉萎缩性侧索硬化症的他，近乎全身瘫痪，不能发音，但1988年仍出版《时间简史》，至今已出售逾2500万册，成为全球最畅销的科普著作之一。   他被世人誉为“在世的最伟大的科学家”“另一个爱因斯坦”“不折不扣的生活强者”“敢于向命运挑战的人”“宇宙之王”。   早期   霍金1942年出生于英国牛津，出生当天正好是伽利略逝世300年忌日，父亲法兰克是毕业于牛津大学的热带病专家，母亲伊莎贝尔1930年代于牛津研究哲学、政治和经济。   1942年1月，纳粹德军狂轰滥炸英格兰，伦敦遭受几乎夜夜不停的空袭。这迫使霍金一家搬离海格特的家园，迁到牛津避难。他们在霍金诞生后又回到了伦敦。童年时的霍金，学业成绩并不突出，但喜欢设计极为复杂的玩具，据说他们曾做出一台简单的电脑。   1959年，17岁的霍金入读牛津大学的大学学院攻读自然科学，自称用了很少时间而得到一等荣誉学位，随后转读剑桥大学研究宇宙学，1963年被诊断患有肌肉萎缩性侧索硬化症，即运动神经病，当时医生诊断他只能活两年，他虽然活下来，但在往后数十年逐渐全身瘫痪并失去了说话能力。   霍金曾澄清自己当时并无酗酒，只感到自己有“悲剧性格”，并使自己沉醉于瓦格纳的音乐里。直至他遇上了首任妻子珍·王尔德（Jane Wilde），两人结婚后育有3名子女。23岁时，他获剑桥大学哲学博士学位，留在剑桥大学进行研究工作  2007年4月，霍金在飞机上体验零重力

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以下是我知道的宇宙知识:
目前尚无定论。值得一提的是史蒂芬•霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。比如，我们的地球就是有限而无界的。在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。实际上，我们都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。

怎么理解宇宙比地球多了几维呢?举个例子：一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中，在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，因为我们人类是“三维”的；而对于一个动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了!它消失了。为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里，对“三维”事件是无法清楚理解的。同样的道理，我们人类生活在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。这也正是对于“宇宙是什么样子”这个问题无法解释清楚的原因。

1、均匀的宇宙

长期以来，人们相信地球是宇宙的中心。哥白尼把这个观点颠倒了过来，他认为太阳才是宇宙的中心。地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则镶嵌在天球的最外层上。布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的太阳。

无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。教会支持宇宙有限的论点。但是，布鲁诺居然敢说宇宙．是无限的，从而挑起了宇宙究竟有限还是无限的长期论战。这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢?”这个问题确实不容易说清楚。主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢?”这个问题同样也不好回答。

随着天文观测技术的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒星是遥远的太阳。人们还进一步认识到，银河是由无数个太阳系组成的大星系，我们的太阳系处在银河系的边缘，围绕着银河系的中心旋转，转速大约每秒250千米，围绕银心转一圈约需2.5亿年。太阳系的直径充其量约1光年，而银河系的直径则高达10万光年。银河系由1000多亿颗恒星组成，太阳系在银河系中的地位，真像一粒砂子处在北京城中。后来又发现，我们的银河系还与其他银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为107光年(1000万光年)。目前，望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团存在，这些星系团不再组成更大的团，而是均匀各向同性地分布着。这就是说，在10的7次方光年的尺度以下，物质是成团分布的。卫星绕着行星转动，行星、彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成。有两个太阳的称为双星系，有三个以上太阳的称为聚星系。成千亿个太阳系聚集在一起，形成银河系，组成银河系的恒星(太阳系)都围绕着共同的重心——银心转动。无数的银河系组成星系团，团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。但是，星系团之间，不再有成团结构。各个星系团均匀地分布着，无规则地运动着。从我们地球上往四面八方看，情况都差不多。粗略地说，星系固有点像容器中的气体分子，均匀分布着，做着无规则运动。这就是说，在10的8次方光年(一亿光年)的尺度以上，宇宙中物质的分布不再是成团的，而是均匀分布的。由于光的传播需要时间，我们看到的距离我们一亿光年的星系，实际上是那个星系一亿年以前的样子。所以，我们用望远镜看到的，不仅是空间距离遥远的星系，而且是它们的过去。从望远镜看来，不管多远距离的星系团，都均匀各向同性地分布着。

因而我们可以认为，宇观尺度上(10的5次方光年以上)物质分布的均匀状态，不是现在才有的，而是早已如此。

于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。这条原理说，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。现在看来，宇宙学原理是对的。所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。

2、有限而无边的宇宙

爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响，因而他把注意力放在了天体物理上。他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。

爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个人们完全意想不到的模型。在这个模型中，宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。以往人们认为，有限就是有边，无限就是无边。爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。

一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是有限的。同时它有明显的四条边，因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面爬，无论朝哪个方向爬，都会很快到达桌面的边缘。所以桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四面八方无限伸展，成为欧氏几何中的平面，那么，这个欧氏平面是无限无边的二维空间。

我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为r，那么球面的面积是4πr的2次方，大小是有限的。但是，这个二维球面是无边的。假如有一个小甲虫在它上面爬，永远也不会走到尽头。所以，篮球面是一个有限无边的二维空间。
按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是均匀各向同性的。爱因斯坦认为，这样的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度应该相同，即应该有相同的曲率。由于有物质存在，四维时空应该是弯曲的。三维空间也应是弯的而不应是平的。爱因斯坦觉得，这样的宇宙很可能是三维超球面。三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。通常的球体是有限有边的，体积是4/3πr的3次方，它的边就是二维球面。三维超球面是有限无边的，生活在其中的三维生物(例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物)，无论朝哪个方向前进均碰不到边。假如它一直朝北走，最终会从南边走回来。

宇宙学原理还认为，三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。爱因斯坦觉得其中最简单阶情况就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇宙。这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性，就永远保持均匀各向同性。

爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下，救解广义相对论的场方程。场方程非常复杂，而且需要知道初始条件(宇宙最初的情况)和边界条件(宇宙边缘处的情况)才能求解。本来，解这样的方程是十分困难的事情，但是爱因斯坦非常聪明，他设想宇宙是有限无边的，没有边自然就不需要边界条件。他又设想宇宙是静态的，现在和过去都一样，初始条件也就不需要了。再加上对称性的限制(要求三维空间均匀各向同性)，场方程就变得好解多了。但还是得不出结果。反复思考后，爱因斯坦终于明白了求不出解的原因：广义相对论可以看作万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。要想得出静态宇宙，必须修改场方程。于是他在方程中增加了一个“排斥项”，叫做宇宙项。这样，爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。一时间大家非常兴奋，科学终于告诉我们，宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。看来，关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。

3、膨胀或脉动的宇宙

几年之后，一个名不见经传的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的，但是，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化，分三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。后来，西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后，十分兴奋。他认为自己的模型不好，应该放弃，弗利德曼模型才是正确的宇宙模型。

同时，爱因斯坦宣称，自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的，场方程不应该含有宇宙项，而应该是原来的老样子。但是，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人没有理睬爱因斯坦的意见，继续讨论宇宙项的意义。今天，广义相对论的场方程有两种，一种不含宇宙项，另一种含宇宙项，都在专家们的应用和研究中。

早在1910年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多谱勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，即光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。许多人都有过这样的感受：迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳，远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是声波的多普勒效应，迎面而来的声源发出的声波，我们感到其频率升高，远离我们而去的声源发出的声波，我们则感到其频率降低。

如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应，那么大多数星系都在远离我们，只有个别星系向我们靠近。随之进行的研究发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中(我们银河系所在的星系团称本星系团)。本星系团中的星系，多数红移，少数紫移；而其他星系团中的星系就全是红移了。
1929年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出一条经验规律，河外星系(即我们银河系之外的其他银河系)的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比，所以，上述定律又表述为：河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比：

V＝HD

式中V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。按照哈勃定律，所有的河外星系都在远离我们，而且，离我们越远的河外星系，逃离得越快。

哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以这样解释，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动，因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。

哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不过，如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢?一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节。另一个可能是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，所以大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律终于被大量实验观测所确认。

4、宇宙有限还是无限

现在，我们又回到前面的话题，宇宙到底有限还是无限?有边还是无边?对此，我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探讨这一问题。

满足宇宙学原理(三维空间均匀各向同性)的宇宙，肯定是无边的。但是否有限，却要分三种情况来讨论。

如果三维空间的曲率是正的，那么宇宙将是有限无边的。不过，它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙，这个宇宙是动态的，将随时间变化，不断地脉动，不可能静止。这个宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸、膨胀。此奇点的物质密度无限大、温度无限高、空间曲率无限大、四维时空曲率也无限大。在膨胀过程中宇宙的温度逐渐降低，物质密度、空间曲率和时空曲率都逐渐减小。体积膨胀到一个最大值后，将转为收缩。在收缩过程中，温度重新升高、物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大，最后到达一个新奇点。许多人认为，这个宇宙在到达新奇点之后将重新开始膨胀。显然，这个宇宙的体积是有限的，这是一个脉动的、有限无边的宇宙。

如果三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的(宇宙中有物质存在，四维时空是弯曲的)，那么这个宇宙一开始就具有无限大的三维体积，这个初始的无限大三维体积是奇异的(即“无穷大”的奇点)。大爆炸就从这个“无穷大”奇点开始，爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点，而是发生在初始三维空间的每一点。即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上。这个“无穷大”奇点。温度无限高、密度无限大、时空曲率也无限大(三维空间曲率为零)。爆炸发生后，整个“奇点”开始膨胀，成为正常的非奇异时空，温度、密度和时空曲率都逐渐降低。这个过程将永远地进行下去。这是一种不大容易理解的图像：一个无穷大的体积在不断地膨胀。显然，这种宇宙是无限的，它是一个无限无边的宇宙。

三维空间曲率为负的情况与三维空间曲率为零的情况比较相似。宇宙一开始就有无穷大的三维体积，这个初始体积也是奇异的，即三维“无穷大”奇点。它的温度、密度无限高，三维、四维曲率都无限大。大爆炸发生在整个“奇点”上，爆炸后，无限大的三维体积将永远膨胀下去，温度、密度和曲率都将逐渐降下来。这也是一个无限的宇宙，确切地说是无限无边的宇宙。

那么，我们的宇宙到底属于上述三种情况的哪一种呢?我们宇宙的空间曲率到底为正，为负，还是为零呢?这个问题要由观测来决定。

广义相对论的研究表明，宇宙中的物质存在一个临界密度ρc，大约是每立方米三个核子(质子或中子)。如果我们宇宙中物质的密度ρ大于ρc，则三维空间曲率为正，宇宙是有限无边的；如果ρ小于ρc，则三维空间曲率为负，宇宙也是无限无边的。因此，观测宇宙中物质的平均密度，可以判定我们的宇宙究竟属于哪一种，究竞有限还是无限。

此外，还有另一个判据，那就是减速因子。河外星系的红移，反映的膨胀是减速膨胀，也就是说，河外星系远离我们的速度在不断减小。从减速的快慢，也可以判定宇宙的类型。如果减速因子q大于1/2，三维空间曲率将是正的，宇宙膨胀到一定程度将收缩；如果q等于1/2，三维空间曲率为零，宇宙将永远膨胀下去；如果q小于1/2，三维空间曲率将是负的，宇宙也将永远膨胀下去。

表3列出了有关的情况：

表3

宇宙中物质密度 红移的减速因子 三维空间曲率 宇宙类型 膨胀特点

ρ＞ρc q＞1/2 正 有限无边 脉动

ρ＝ρc q＝1/2 零 无限无边 永远膨胀

ρ＜ρc q＜1/2 负 无限无边 永远膨胀

我们有了两个判据，可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了。观测结果表明，ρ＜ρc，我们宇宙的空间曲率为负，是无限无边的宇宙，将永远膨胀下去!不幸的是，减速因子观测给出了相反的结果，q＞1/2，这表明我们宇宙的空间曲率为正，宇宙是有限无边的，脉动的，膨胀到一定程度会收缩回来。哪一种结论正确呢?有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠，推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了，如果找到这些暗物质，就会发现ρ实际上是大于ρc的。另一些人则持相反的看法。还有一些人认为，两种观测方式虽然结论相反，但得到的空间曲率都与零相差不大，可能宇宙的空间曲率就是零。然而，要统一大家的认识，还需要进一步的实验观测和理论推敲。今天，我们仍然肯定不了宇宙究竟有限还是无限，只能肯定宇宙无边，而且现在正在膨胀!此外，还知道膨胀大约开始于100亿-200亿年以前，这就是说，我们的宇宙大约起源于100亿-200亿年之前。

5、爱因斯坦宇宙模型

根据物理理论，在一定的假设前提下提出的关于宇宙的设想与推测，称为宇宙模型。

著名科学家爱因斯坦于1915年建立了广义相对论的物理理论。这一理论认为，宇宙中没有绝对空间和绝对时间，无论是空间和时间都不能与物质隔开来，空间和时间均受物质影响；引力是空间弯曲的效应，而空间弯曲是由物质存在决定的。爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究，1917年发表了《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文，他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙，建立起一种宇宙模型。
当时科学家普遍认为宇宙是静止的，不随时间变化的。虽然在几年前，美国天文学家斯里弗已发现了河外星系的谱线红移(显然这是对静止宇宙的挑战)，但由于当时正值第一次世界大战，这一消息并没有传到欧洲。因此，爱因斯坦也和大多数科学家一样，认为宇宙是静态的。爱因斯坦想从引力场方程着手，得出一个宇宙是静态的、均匀的、各向同性的答案。但他得到的解是不稳定的，表明全间和距离不是恒定不变的，而是随时变化的。为了得到一个空间是稳定的解，爱因斯坦人为地在引力场方程中引入一个叫做“宇宙常数”的项，让它起斥力的作用。爱因斯坦得出一个有限无边的静态宇宙模型，称为爱因斯坦宇宙模型。为了便于理解，可把它比喻为三维空间中的一个二维球面：球面的面积是有限的、但沿着球面没有边界，也无中心，球面保持静态状态。几年以后，爱因斯坦得知河外星系退行，宇宙是膨胀的消息后，非常后悔在自己的模型中加了一个宇宙常数项，称这是他一生中犯的最大错误。
最新发现：银河系奇异恒星的伴星现身

科学家利用NASA的远紫外谱仪探索卫星首次探测到船底座伊塔星(Eta Carinae)的伴星。船底座伊塔星是银河系中最重最奇异的星体，座落在离地球7500光年船底座，在南半球用肉眼就可以清楚的看到。科学家认为船底座伊塔星是一个正迅速走向衰亡的不稳定恒星。
长期以来，科学家们就推断它应该存在着一颗伴星，但是一直得不到直接的证据。间接的证据来自其亮度呈现的规则变化。科学家发现船底座伊塔星在可见光，X-射线，射电波和红外线波段的亮度都呈现规则的重覆模式，因此推测它可能是一个双星系统。最有力的证据是每过5年半，船底座伊塔星系统发出的X-射线就会消失约三个月时间。科学家认为船底座伊塔星温度太低，本身并不能发出X-射线，但是它以每秒300英里的速度向外喷发气体粒子，这些气体粒子和伴星发出的粒子相互碰撞后发出X-射线。科学家认为X-射线消失的原因是船底座伊塔星每隔5年半就挡住了这些X-射线。最近一次X-射线消失开始于2003年6月29日。

科学家推断船底座伊塔星和其伴星的距离是地球到太阳之间的距离的10倍，因为它们距离太近，离地球又太远，无法用望远镜直接将它们区分开。另外一种方法就是直接观测伴星所发出的光。但是船底座伊塔星的伴星比其本身要暗的多，以前科学家曾经试图用地面望远镜和哈勃望远镜观测，但都没有成功。

美国天主教大学的科学家罗辛纳. 而平(Rosina Iping)及其合作者利用远紫外谱仪卫星来观测这颗伴星，因为它比哈勃望远镜能观测到波长更短的紫外线。它们在6月10日，17日观测到了远紫外线，但是在6月27日，也就是在X-射线消失前的两天远紫外线消失了。观测到的远紫外线来自船底座伊塔星的伴星，因为船底座伊塔星温度太低，本身不会发出远紫外线。这意味着船底座伊塔星挡住了X-射线的同时也挡住了伴星。这是科学家首次观测到船底座伊塔星的伴星发出的光，从而证实了这颗伴星的存在。

有三个太阳的恒星
据新华社14日电 据14日出版的《自然》杂志报道，美国天文学家在距离地球149光年的地方发现了一个具有三颗恒星的奇特星系，在这个星系内的行星上，能看到天空中有三个太阳。
美国加州理工学院的天文学家在该杂志上报告说，他们发现天鹅星座中的HD188753星系中有3颗恒星。处于该星系中心的一颗恒星与太阳系中的太阳类似，它旁边的行星体积至少比木星大14%。该行星与中心恒星的距离大约为800万公里，是太阳和地球之间距离的二十分之一。而星系的另外两颗恒星处于外围，它们彼此相距不远，也围绕中心恒星公转。

银河系中的星系多为单星系或双星系，具有三颗以上恒星的星系被称为聚星系，不太多见。

恒星并不是平均分布在宇宙之中，多数的恒星会受彼此的引力影响，形成聚星系统，如双星、三恒星，甚至形成星团，及星系等由数以亿计的恒星组成的恒星集团。

天文学家发现宇宙中生命诞生是普遍的现象

近日美国宇航局寻找地球以外生命物质存在证据的科研小组研究发现，某些在实际生命化学反应中起到至关重要作用的有机化学物质，普遍存在于我们地球以外的浩瀚宇宙中。研究结果表明，在宇宙深处存在生命物质、或者有孕育生命物质的化学反应发生，这在浩瀚的宇宙中是一种普遍现象。
上述研究来自“美国宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)”的一个外空生物科研小组。在该小组工作的科学家道格拉斯-希金斯介绍时称：“根据科研小组最新的研究结果显示，一类在生物生命化学中起至关重要作用的化合物，在广袤的宇宙空间中广泛而且大量地存在着。” 作为该外空生物学研究小组的主要成员之一，道格拉斯-希金斯以第一作者的身份将他们的最新研究成果撰文发表在10月10日出版的《天体物理学》杂志上。
希金斯在描述其研究结果时介绍：“利用美国宇航局斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)最近的观测结果，天文学家在我们所居住的银河系内，到处都发现了一种复杂有机物‘多环芳烃’(PAHs)存在的证据。但是这项发现一开始只得到天文学家的重视，并没有引起对外空生物进行研究的天体生物学家们的兴趣。因为对于生物学而言，普通的多环芳烃物质存在并不能说明什么实质问题。但是，我们的研究小组在最近一项分析结果中却惊喜的发现，宇宙中看到的这些多环芳烃物质，其分子结构中含有‘氮’元素(N)的成分，这一意外发现使我们的研究发生了戏剧性改变。”
该研究小组的另一成员，来自美国宇航局艾姆斯研究中心的天体生物学家路易斯-埃兰曼德拉说：“包括DNA分子在内，对于大多数构成生命的化学物质而言，含氮的有机分子参与是必须的条件。举一个含氮有机物质在生命物质意义上最典型的例子，象我们所熟悉的叶绿素，其对于植物的光合作用起着关键作用，而叶绿素分子中富含这种含氮多环芳烃(PANHs)成分。”
据介绍，在科研小组的研究工作中，除了利用来自斯皮策望远镜得到的观测数据外，科研人员还使用了欧洲宇航局太空红外天文观测卫星的观测数据。在美国宇航局艾姆斯研究中心的实验室中，研究人员对这类特殊的多环芳烃，利用红外光谱化学鉴定技术对其分子结构和化学成分进行了全面分析，找到其中氮元素存在的证据。同时科学家利用计算机技术对这些宇宙中普遍存在的含氮多环芳烃，进行了红外射线光谱模拟分析。
路易斯-埃兰曼德拉同时还表示：“除去上述分析结论以外，更加富有戏剧性的发现是，在斯皮策太空望远镜的观测中还显示出，在宇宙中一些即将死亡的恒星天体周围，环绕其外的众多星际物质中，都大量蕴藏着这种特殊的含氮多环芳烃成分。这一发现从某种意义上似乎也告诉我们，在浩瀚的宇宙星空中，即使在死亡来临的时候，同时也孕育着新生命开始的火种。”

本年度最大科学突破:宇宙正膨胀 发现暗能量

通过分析星系团(图中左侧的点)，斯隆数字天空观测计划天文学家确定，暗能量正在驱动着宇宙不断地膨胀。

据英国《卫报》报道，证实宇宙正在膨胀是本年度最重大的科学突破。

报道说，近73％的宇宙由神秘的暗能量组成，它是一种反重力。在19日出版的美国《科学》杂志上，暗能量的发现被评为本年度最重大的科学突破。通过望远镜，人类在宇宙中已经发现近2000亿个星系，每一个星系中又有约2000亿颗星球。但所有这些加起来仅占整个宇宙的4％。

现在，在新的太空探索基础上，以及通过对100万个星系进行仔细研究，天文学家们至少已经弄清了部分情况。约23％的宇宙物质是“暗物质”。没有人知道它们究竟是什么，因为它们无法被检测到，但它们的质量大大超过了可见宇宙的总和。而近73％的宇宙是最新发现的暗能量。这种奇特的力量似乎正在使宇宙加速膨胀。英国皇家天文学家马丁•里斯爵士将这一发现称为“最重要的发现”。

这一发现是绕轨道运行的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和斯隆数字天文台（SDSS）的成果。它解决了关于宇宙的年龄、膨胀的速度及组成宇宙的成分等一系列问题的长期争论。天文学家现在相信宇宙的年龄是137亿年

史蒂芬·霍金的《时间简史》自1988年首版以来的岁月里,已成为全球科学著作的里程碑.它被翻译成40种文字,销售了近1000万册,成为国际出版史上的奇观.该书内容是关于宇宙本性的最前沿知识,但是从那以后无论在微观还是宏观宇宙世界的观测技术方面都有了非凡的进展.这些观测证实了霍金教授在该书第一版中的许多理论预言,其中包括宇宙背景探险者卫星（COBE）的最近发现,它在时间上回溯探测到离宇宙创生的30万年之内,并显露了他所计算的在时空结构中的涟漪.
　　为了把许多观测揭示的新知识,以及他最新的研究纳入该书.霍金教授为这一增订版准备了新的前言,全面更新了原书的内容,而且还新增加了一章,有关虫洞和时间旅行的激动人心的课题.
　　尽管霍金教授的著述极为清晰而机智,有些读者仍然觉得难以掌握复杂的概念.为了使读者加深理解,本版还增加了240多幅彩色插图,包括卫星图像和照片.这些都应归功于诸如哈勃空间望远镜和电脑三维和四维实体成像等技术进步之赐.详细的插图说明使读者能体验到星系际太空的广漠、黑洞的奇妙性质以及物质和反物质碰撞的粒子物理的微观世界.
　　作为一本飨以读者宇宙学的最新理解的经典著作,《时间简史》插图本是探索时间和空间核心秘密的引人入胜的故事.内容简介史蒂芬·霍金生于1942年,他的生日恰好与伽利略去世的纪念日是同一天.他现任剑桥大学卢卡斯数学系教授教席（这一职位曾由艾萨克·牛顿担任）.他被誉为继爱因斯坦后最杰出的理论物理学家.他于1993年出版了《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》.这本书是理论物理学方面的经典著作,其中的内容已被许多科学论文和书籍引用.
史蒂芬·霍金的《时间简史》自1988年首版以来的岁月里,已成为全球科学著作的里程碑.它被翻译成40种文字,销售了近1000万册,成为国际出版史上的奇观.该书内容是关于宇宙本性的最前沿知识,但是从那以后无论在微观还是宏观宇宙世界的观测技术方面都有了非凡的进展.这些观测证实了霍金教授在该书第一版中的许多理论预言,其中包括宇宙背景探险者卫星（COB.
作者简介史蒂芬·霍金出生于1942年,他的生日恰好是伽利略逝世三百年忌日.他现任剑桥大学卢卡斯数学教授(这一教席曾由艾萨克·牛顿所任).他广被推崇为继爱因斯坦后最杰出的理论物理学家.他的其他两部主要著作是《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》和《果壳中的宇宙》. 目录前言
第一章 我们的宇宙图像
第二章 空间和时间
第三章 膨胀的宇宙
第四章 不确定性原理
第五章 基本粒子和自然的力
第六章 黑洞
第七章 黑洞不是这么黑的
第八章 宇宙的起源和命运
第九章 时间箭头
第十章 虫洞和时间旅行
第十一章 物理学的统一
第十二章 结论
阿尔伯特·爱因期坦
伽利略·伽利雷
艾萨克·牛顿 媒体评论走近霍金
　　宇宙论是一门既古老又年轻的学科.作为宇宙里高等生物的人类不会满足于自身的生存和种族的绵延,还一代代不懈地探索着存在和生命的意义.但是,人类理念的进化是极其缓慢和艰苦的.从亚里士多德——托勒密的地心说到哥白尼——伽利略的日心说的演化就花了2000年的时间.令人吃惊的是,尽管人们知道世间的一切都在运动,只是到了20世纪20年代因哈勃发现了红移定律后,宇宙演化的观念才进入人类的意识.人们甚至从来没有想到过宇宙还会演化.牛顿的万有引力定律表明,宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态.即使在爱因斯坦的广义相对论中,情况也好不到哪儿去,为了得到一个稳定的宇宙模型,他曾将宇宙常数引进理论中.他们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型.可见,宇宙演化的观念并不是产生于这些天才的头脑之中.
　　可以公平地说,哈勃的观测标志着现代宇宙论的诞生.哈勃发现,从星系光谱的红移可以推断,越远的星系以越快的速度离开我们而去,这表明整个宇宙处于膨胀的状态.从时间上倒溯到过去,估计在100亿到2O0亿年前曾经发生过一桩开天辟地的大事件,即宇宙从一个极其紧致极热的状态中大爆炸而产生.伽莫夫在1948年发表的一篇关于热大爆炸模型的文章中作出了一个惊人的预言,早期大爆炸的辐射仍残存在我们周围,不过由于宇宙膨胀引起的红移,其绝对温度只余下几度左右.在这种温度下,辐射是处于微波的波段.然而,在1965年彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前,人们并不认真对待此预言.
　　一般认为,爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论.在经典广义相对论的框架里,霍金和彭罗斯证明了,在很一般的条件下,时空一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点.在奇点处,所有定律以及可预见性都失效.奇点可以看成空间时间的边缘或边界.只有给定了奇点处的边界条件,才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化.由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给定,所以宇宙的命运就操纵在造物主的手中.这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题
　　如果时空没有边界,则就不必劳驾上帝进行第一推动了.这只有在量子引力论中才能做到.霍金认为宇宙的量子态是处于一种基态,可把时空看成一个有限无界的四维面,正如地球的表面一样,只不过多了两维而已.宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的不确定性原理所允许的最小起伏.从一些简单的模型计算可得出和天文观测相一致的推论,如星系、恒星等等的成团结构,大尺度的各向同性和均匀性,时空的平性,即空间基本上是平坦的,并因此才使得星系乃至生命的发展成为可能,还有时间的方向箭头等等.霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学.它是一个自足的理论,即在原则上,单凭科学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来.
　　本书作者是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家.20世纪70年代他和彭罗斯一道证明了著名的奇性定理,为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖.他还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减.这很自然使人将黑洞的面积和热力学的嫡联系在一起.1973年,他考虑黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像黑体一样发出辐射.其辐射的温度和黑洞质量成反比,这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小,而温度却越变越高,它以最后一刻的爆炸而告终.黑洞辐射的发现具有极其基本的意义,它将引力、量子力学和统计力学统一在一起.
　　1974年以后,他的研究转向量子引力论.虽然人们还没有得到一个成功的理论,但它的一些特征已被发现.例如,时空在普郎克尺度（10-33厘米）下不是平坦的,而是处于一种泡沫的状态.在量子引力中不存在纯态,因果性受到破坏,因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次.
　　1980年以后,他的兴趣转向量子宇宙论.
　　本书的副标题是从大爆炸到黑洞.霍金认为他一生的贡献是,在经典物理的框架里,证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性,黑洞越变越大；但在量子物理的框架里,他又指出,黑洞国辐射而越变越小,大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平,而且整个宇宙正是起始于此.
　　理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化,但就观念而言,现在已经相当完备了.
　　霍金的生平是非常富有传奇性的.在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之一,他的贡献是在他20年之久被卢伽雷病禁铜在轮椅上的情况下做出的,这真正是空前的.因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响,所以媒介早已有许多关于他如何与全身瘫痪作搏斗的描述.尽管如此,译者之一于1979年第一回见到他时的情景至今还历历在目.那是第一次参力.剑桥霍金广义相对论小组的讨论班时,门打开后,忽然脑后响起一种非常微弱的电器的声音,回头一看,只见一个骨瘦如柴的人斜躺在电动轮椅上,他自己驱动着电开关.译者尽量保持礼貌而不显出过分吃惊,但是他对首次见到他的人对其残废程度的吃惊早已习惯.他要用很大努力才能举起头来.在失声之前,只能用非常微弱的变形的语言交谈,这种语言只有在陪他工作、生活几个月后才能通晓.他不能写字,看书必须依赖于一种翻书页的机器,读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公桌上,然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般地逐页阅读.人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬意.每天他必须驱动轮椅从他的家——剑桥西路5号,经过美丽的剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学和理论物理系的办公室.该系为了他的轮椅行走便利特地修了一段斜坡.
　　在富有学术传统的剑桥大学,他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职务,那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡斯数学教授.
　　本书译者之一曾受教于霍金达4年之久,并在他的指导下完成了博士论文.从他对译者私事的帮助可以体会到,他是一位富有人情味的人.此书即是受霍金之托而译成中文,以供占人类五分之一的人口了解他的学说.

D.霍金

D

量子宇宙论的”宇宙从无创生”相关问题~

以下是我知道的宇宙知识:
目前尚无定论。值得一提的是史蒂芬•霍金的观点比较让人容易接受：宇宙有限而无界，只不过比地球多了几维。比如，我们的地球就是有限而无界的。在地球上，无论从南极走到北极，还是从北极走到南极，你始终不可能找到地球的边界，但你不能由此认为地球是无限的。实际上，我们都知道地球是有限的。地球如此，宇宙亦是如此。

怎么理解宇宙比地球多了几维呢?举个例子：一个小球沿地面滚动并掉进了一个小洞中，在我们看来，小球是存在的，它还在洞里面，因为我们人类是“三维”的；而对于一个动物来说，它得出的结论就会是：小球已经不存在了!它消失了。为什么会得出这样的结论呢?因为它生活在“二维”世界里，对“三维”事件是无法清楚理解的。同样的道理，我们人类生活在“三维”世界里，对于比我们多几维的宇宙，也是很难理解清楚的。这也正是对于“宇宙是什么样子”这个问题无法解释清楚的原因。

1、均匀的宇宙

长期以来，人们相信地球是宇宙的中心。哥白尼把这个观点颠倒了过来，他认为太阳才是宇宙的中心。地球和其他行星都围绕着太阳转动，恒星则镶嵌在天球的最外层上。布鲁诺进一步认为，宇宙没有中心，恒星都是遥远的太阳。

无论是托勒密的地心说还是哥白尼的日心说，都认为宇宙是有限的。教会支持宇宙有限的论点。但是，布鲁诺居然敢说宇宙．是无限的，从而挑起了宇宙究竟有限还是无限的长期论战。这场论战并没有因为教会烧死布鲁诺而停止下来。主张宇宙有限的人说：“宇宙怎么可能是无限的呢?”这个问题确实不容易说清楚。主张宇宙无限的人则反问：“宇宙怎么可能是有限的呢?”这个问题同样也不好回答。

随着天文观测技术的发展，人们看到，确实像布鲁诺所说的那样，恒星是遥远的太阳。人们还进一步认识到，银河是由无数个太阳系组成的大星系，我们的太阳系处在银河系的边缘，围绕着银河系的中心旋转，转速大约每秒250千米，围绕银心转一圈约需2.5亿年。太阳系的直径充其量约1光年，而银河系的直径则高达10万光年。银河系由1000多亿颗恒星组成，太阳系在银河系中的地位，真像一粒砂子处在北京城中。后来又发现，我们的银河系还与其他银河系组成更大的星系团，星系团的直径约为107光年(1000万光年)。目前，望远镜观测距离已达100亿光年以上，在所见的范围内，有无数的星系团存在，这些星系团不再组成更大的团，而是均匀各向同性地分布着。这就是说，在10的7次方光年的尺度以下，物质是成团分布的。卫星绕着行星转动，行星、彗星则绕着恒星转动，形成一个个太阳系。这些太阳系分别由一个、两个、三个或更多个太阳以及它们的行星组成。有两个太阳的称为双星系，有三个以上太阳的称为聚星系。成千亿个太阳系聚集在一起，形成银河系，组成银河系的恒星(太阳系)都围绕着共同的重心——银心转动。无数的银河系组成星系团，团中的各银河系同样也围绕它们共同的重心转动。但是，星系团之间，不再有成团结构。各个星系团均匀地分布着，无规则地运动着。从我们地球上往四面八方看，情况都差不多。粗略地说，星系固有点像容器中的气体分子，均匀分布着，做着无规则运动。这就是说，在10的8次方光年(一亿光年)的尺度以上，宇宙中物质的分布不再是成团的，而是均匀分布的。由于光的传播需要时间，我们看到的距离我们一亿光年的星系，实际上是那个星系一亿年以前的样子。所以，我们用望远镜看到的，不仅是空间距离遥远的星系，而且是它们的过去。从望远镜看来，不管多远距离的星系团，都均匀各向同性地分布着。

因而我们可以认为，宇观尺度上(10的5次方光年以上)物质分布的均匀状态，不是现在才有的，而是早已如此。

于是，天体物理学家提出一条规律，即所谓宇宙学原理。这条原理说，在宇观尺度上，三维空间在任何时刻都是均匀各向同性的。现在看来，宇宙学原理是对的。所有的星系都差不多，都有相似的演化历程。因此我们用望远镜看到的遥远星系，既是它们过去的形象，也是我们星系过去的形象。望远镜不仅在看空间，而且在看时间，在看我们的历史。

2、有限而无边的宇宙

爱因斯坦发表广义相对论后，考虑到万有引力比电磁力弱得多，不可能在分子、原子、原子核等研究中产生重要的影响，因而他把注意力放在了天体物理上。他认为，宇宙才是广义相对论大有用武之地的领域。

爱因斯坦1915年发表广义相对论，1917年就提出一个建立在广义相对论基础上的宇宙模型。这是一个人们完全意想不到的模型。在这个模型中，宇宙的三维空间是有限无边的，而且不随时间变化。以往人们认为，有限就是有边，无限就是无边。爱因斯坦把有限和有边这两个概念区分开来。

一个长方形的桌面，有确定的长和宽，也有确定的面积，因而大小是有限的。同时它有明显的四条边，因此是有边的。如果有一个小甲虫在它上面爬，无论朝哪个方向爬，都会很快到达桌面的边缘。所以桌面是有限有边的二维空间。如果桌面向四面八方无限伸展，成为欧氏几何中的平面，那么，这个欧氏平面是无限无边的二维空间。

我们再看一个篮球的表面，如果篮球的半径为r，那么球面的面积是4πr的2次方，大小是有限的。但是，这个二维球面是无边的。假如有一个小甲虫在它上面爬，永远也不会走到尽头。所以，篮球面是一个有限无边的二维空间。
按照宇宙学原理，在宇观尺度上，三维空间是均匀各向同性的。爱因斯坦认为，这样的三维空间必定是常曲率空间，也就是说空间各点的弯曲程度应该相同，即应该有相同的曲率。由于有物质存在，四维时空应该是弯曲的。三维空间也应是弯的而不应是平的。爱因斯坦觉得，这样的宇宙很可能是三维超球面。三维超球面不是通常的球体，而是二维球面的推广。通常的球体是有限有边的，体积是4/3πr的3次方，它的边就是二维球面。三维超球面是有限无边的，生活在其中的三维生物(例如我们人类就是有长、宽、高的三维生物)，无论朝哪个方向前进均碰不到边。假如它一直朝北走，最终会从南边走回来。

宇宙学原理还认为，三维空间的均匀各向同性是在任何时刻都保持的。爱因斯坦觉得其中最简单阶情况就是静态宇宙，也就是说，不随时间变化的宇宙。这样的宇宙只要在某一时刻均匀各向同性，就永远保持均匀各向同性。

爱因斯坦试图在三维空间均匀各向同性、且不随时间变化的假定下，救解广义相对论的场方程。场方程非常复杂，而且需要知道初始条件(宇宙最初的情况)和边界条件(宇宙边缘处的情况)才能求解。本来，解这样的方程是十分困难的事情，但是爱因斯坦非常聪明，他设想宇宙是有限无边的，没有边自然就不需要边界条件。他又设想宇宙是静态的，现在和过去都一样，初始条件也就不需要了。再加上对称性的限制(要求三维空间均匀各向同性)，场方程就变得好解多了。但还是得不出结果。反复思考后，爱因斯坦终于明白了求不出解的原因：广义相对论可以看作万有引力定律的推广，只包含“吸引效应”不包含“排斥效应”。而维持一个不随时间变化的宇宙，必须有排斥效应与吸引效应相平衡才行。这就是说，从广义相对论场方程不可能得出“静态”宇宙。要想得出静态宇宙，必须修改场方程。于是他在方程中增加了一个“排斥项”，叫做宇宙项。这样，爱因斯坦终于计算出了一个静态的、均匀各向同性的、有限无边的宇宙模型。一时间大家非常兴奋，科学终于告诉我们，宇宙是不随时间变化的、是有限无边的。看来，关于宇宙有限还是无限的争论似乎可以画上一个句号了。

3、膨胀或脉动的宇宙

几年之后，一个名不见经传的前苏联数学家弗利德曼，应用不加宇宙项的场方程，得到一个膨胀的、或脉动的宇宙模型。弗利德曼宇宙在三维空间上也是均匀、各向同性的，但是，它不是静态的。这个宇宙模型随时间变化，分三种情况。第一种情况，三维空间的曲率是负的；第二种情况，三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的；第三种情况，三维空间的曲率是正的。前两种情况，宇宙不停地膨胀；第三种情况，宇宙先膨胀，达到一个极大值后开始收缩，然后再膨胀，再收缩……因此第三种宇宙是脉动的。弗利德曼的宇宙最初发表在一个不太著名的杂志上。后来，西欧一些数学家物理学家得到类似的宇宙模型。爱因斯坦得知这类膨胀或脉动的宇宙模型后，十分兴奋。他认为自己的模型不好，应该放弃，弗利德曼模型才是正确的宇宙模型。

同时，爱因斯坦宣称，自己在广义相对论的场方程上加宇宙项是错误的，场方程不应该含有宇宙项，而应该是原来的老样子。但是，宇宙项就像“天方夜谭”中从瓶子里放出的魔鬼，再也收不回去了。后人没有理睬爱因斯坦的意见，继续讨论宇宙项的意义。今天，广义相对论的场方程有两种，一种不含宇宙项，另一种含宇宙项，都在专家们的应用和研究中。

早在1910年前后，天文学家就发现大多数星系的光谱有红移现象，个别星系的光谱还有紫移现象。这些现象可以用多谱勒效应来解释。远离我们而去的光源发出的光，我们收到时会感到其频率降低，波长变长，并出现光谱线红移的现象，即光谱线向长波方向移动的现象。反之，向着我们迎面而来的光源，光谱线会向短波方向移动，出现紫移现象。这种现象与声音的多普勒效应相似。许多人都有过这样的感受：迎面而来的火车其鸣叫声特别尖锐刺耳，远离我们而去的火车其鸣叫声则明显迟钝。这就是声波的多普勒效应，迎面而来的声源发出的声波，我们感到其频率升高，远离我们而去的声源发出的声波，我们则感到其频率降低。

如果认为星系的红移、紫移是多普勒效应，那么大多数星系都在远离我们，只有个别星系向我们靠近。随之进行的研究发现，那些个别向我们靠近的紫移星系，都在我们自己的本星系团中(我们银河系所在的星系团称本星系团)。本星系团中的星系，多数红移，少数紫移；而其他星系团中的星系就全是红移了。
1929年，美国天文学家哈勃总结了当时的一些观测数据，提出一条经验规律，河外星系(即我们银河系之外的其他银河系)的红移大小正比于它们离开我们银河系中心的距离。由于多普勒效应的红移量与光源的速度成正比，所以，上述定律又表述为：河外星系的退行速度与它们离我们的距离成正比：

V＝HD

式中V是河外星系的退行速度，D是它们到我们银河系中心的距离。这个定律称为哈勃定律，比例常数H称为哈勃常数。按照哈勃定律，所有的河外星系都在远离我们，而且，离我们越远的河外星系，逃离得越快。

哈勃定律反映的规律与宇宙膨胀理论正好相符。个别星系的紫移可以这样解释，本星系团内部各星系要围绕它们的共同重心转动，因此总会有少数星系在一定时间内向我们的银河系靠近。这种紫移现象与整体的宇宙膨胀无关。

哈勃定律大大支持了弗利德曼的宇宙模型。不过，如果查看一下当年哈勃得出定律时所用的数据图，人们会感到惊讶。在距离与红移量的关系图中，哈勃标出的点并不集中在一条直线附近，而是比较分散的。哈勃怎么敢于断定这些点应该描绘成一条直线呢?一个可能的答案是，哈勃抓住了规律的本质，抛开了细节。另一个可能是，哈勃已经知道当时的宇宙膨胀理论，所以大胆认为自己的观测与该理论一致。以后的观测数据越来越精，数据图中的点也越来越集中在直线附近，哈勃定律终于被大量实验观测所确认。

4、宇宙有限还是无限

现在，我们又回到前面的话题，宇宙到底有限还是无限?有边还是无边?对此，我们从广义相对论、大爆炸宇宙模型和天文观测的角度来探讨这一问题。

满足宇宙学原理(三维空间均匀各向同性)的宇宙，肯定是无边的。但是否有限，却要分三种情况来讨论。

如果三维空间的曲率是正的，那么宇宙将是有限无边的。不过，它不同于爱因斯坦的有限无边的静态宇宙，这个宇宙是动态的，将随时间变化，不断地脉动，不可能静止。这个宇宙从空间体积无限小的奇点开始爆炸、膨胀。此奇点的物质密度无限大、温度无限高、空间曲率无限大、四维时空曲率也无限大。在膨胀过程中宇宙的温度逐渐降低，物质密度、空间曲率和时空曲率都逐渐减小。体积膨胀到一个最大值后，将转为收缩。在收缩过程中，温度重新升高、物质密度、空间曲率和时空曲率逐渐增大，最后到达一个新奇点。许多人认为，这个宇宙在到达新奇点之后将重新开始膨胀。显然，这个宇宙的体积是有限的，这是一个脉动的、有限无边的宇宙。

如果三维空间的曲率为零，也就是说，三维空间是平直的(宇宙中有物质存在，四维时空是弯曲的)，那么这个宇宙一开始就具有无限大的三维体积，这个初始的无限大三维体积是奇异的(即“无穷大”的奇点)。大爆炸就从这个“无穷大”奇点开始，爆炸不是发生在初始三维空间中的某一点，而是发生在初始三维空间的每一点。即大爆炸发生在整个“无穷大”奇点上。这个“无穷大”奇点。温度无限高、密度无限大、时空曲率也无限大(三维空间曲率为零)。爆炸发生后，整个“奇点”开始膨胀，成为正常的非奇异时空，温度、密度和时空曲率都逐渐降低。这个过程将永远地进行下去。这是一种不大容易理解的图像：一个无穷大的体积在不断地膨胀。显然，这种宇宙是无限的，它是一个无限无边的宇宙。

三维空间曲率为负的情况与三维空间曲率为零的情况比较相似。宇宙一开始就有无穷大的三维体积，这个初始体积也是奇异的，即三维“无穷大”奇点。它的温度、密度无限高，三维、四维曲率都无限大。大爆炸发生在整个“奇点”上，爆炸后，无限大的三维体积将永远膨胀下去，温度、密度和曲率都将逐渐降下来。这也是一个无限的宇宙，确切地说是无限无边的宇宙。

那么，我们的宇宙到底属于上述三种情况的哪一种呢?我们宇宙的空间曲率到底为正，为负，还是为零呢?这个问题要由观测来决定。

广义相对论的研究表明，宇宙中的物质存在一个临界密度ρc，大约是每立方米三个核子(质子或中子)。如果我们宇宙中物质的密度ρ大于ρc，则三维空间曲率为正，宇宙是有限无边的；如果ρ小于ρc，则三维空间曲率为负，宇宙也是无限无边的。因此，观测宇宙中物质的平均密度，可以判定我们的宇宙究竟属于哪一种，究竞有限还是无限。

此外，还有另一个判据，那就是减速因子。河外星系的红移，反映的膨胀是减速膨胀，也就是说，河外星系远离我们的速度在不断减小。从减速的快慢，也可以判定宇宙的类型。如果减速因子q大于1/2，三维空间曲率将是正的，宇宙膨胀到一定程度将收缩；如果q等于1/2，三维空间曲率为零，宇宙将永远膨胀下去；如果q小于1/2，三维空间曲率将是负的，宇宙也将永远膨胀下去。

表3列出了有关的情况：

表3

宇宙中物质密度 红移的减速因子 三维空间曲率 宇宙类型 膨胀特点

ρ＞ρc q＞1/2 正 有限无边 脉动

ρ＝ρc q＝1/2 零 无限无边 永远膨胀

ρ＜ρc q＜1/2 负 无限无边 永远膨胀

我们有了两个判据，可以决定我们的宇宙究竟属于哪一种了。观测结果表明，ρ＜ρc，我们宇宙的空间曲率为负，是无限无边的宇宙，将永远膨胀下去!不幸的是，减速因子观测给出了相反的结果，q＞1/2，这表明我们宇宙的空间曲率为正，宇宙是有限无边的，脉动的，膨胀到一定程度会收缩回来。哪一种结论正确呢?有些人倾向于认为减速因子的观测更可靠，推测宇宙中可能有某些暗物质被忽略了，如果找到这些暗物质，就会发现ρ实际上是大于ρc的。另一些人则持相反的看法。还有一些人认为，两种观测方式虽然结论相反，但得到的空间曲率都与零相差不大，可能宇宙的空间曲率就是零。然而，要统一大家的认识，还需要进一步的实验观测和理论推敲。今天，我们仍然肯定不了宇宙究竟有限还是无限，只能肯定宇宙无边，而且现在正在膨胀!此外，还知道膨胀大约开始于100亿-200亿年以前，这就是说，我们的宇宙大约起源于100亿-200亿年之前。

5、爱因斯坦宇宙模型

根据物理理论，在一定的假设前提下提出的关于宇宙的设想与推测，称为宇宙模型。

著名科学家爱因斯坦于1915年建立了广义相对论的物理理论。这一理论认为，宇宙中没有绝对空间和绝对时间，无论是空间和时间都不能与物质隔开来，空间和时间均受物质影响；引力是空间弯曲的效应，而空间弯曲是由物质存在决定的。爱因斯坦将他的理论应用于宇宙研究，1917年发表了《根据广义相对论的宇宙学考察》的论文，他将广义相对论的引力场方程用于整个宇宙，建立起一种宇宙模型。
当时科学家普遍认为宇宙是静止的，不随时间变化的。虽然在几年前，美国天文学家斯里弗已发现了河外星系的谱线红移(显然这是对静止宇宙的挑战)，但由于当时正值第一次世界大战，这一消息并没有传到欧洲。因此，爱因斯坦也和大多数科学家一样，认为宇宙是静态的。爱因斯坦想从引力场方程着手，得出一个宇宙是静态的、均匀的、各向同性的答案。但他得到的解是不稳定的，表明全间和距离不是恒定不变的，而是随时变化的。为了得到一个空间是稳定的解，爱因斯坦人为地在引力场方程中引入一个叫做“宇宙常数”的项，让它起斥力的作用。爱因斯坦得出一个有限无边的静态宇宙模型，称为爱因斯坦宇宙模型。为了便于理解，可把它比喻为三维空间中的一个二维球面：球面的面积是有限的、但沿着球面没有边界，也无中心，球面保持静态状态。几年以后，爱因斯坦得知河外星系退行，宇宙是膨胀的消息后，非常后悔在自己的模型中加了一个宇宙常数项，称这是他一生中犯的最大错误。
最新发现：银河系奇异恒星的伴星现身

科学家利用NASA的远紫外谱仪探索卫星首次探测到船底座伊塔星(Eta Carinae)的伴星。船底座伊塔星是银河系中最重最奇异的星体，座落在离地球7500光年船底座，在南半球用肉眼就可以清楚的看到。科学家认为船底座伊塔星是一个正迅速走向衰亡的不稳定恒星。
长期以来，科学家们就推断它应该存在着一颗伴星，但是一直得不到直接的证据。间接的证据来自其亮度呈现的规则变化。科学家发现船底座伊塔星在可见光，X-射线，射电波和红外线波段的亮度都呈现规则的重覆模式，因此推测它可能是一个双星系统。最有力的证据是每过5年半，船底座伊塔星系统发出的X-射线就会消失约三个月时间。科学家认为船底座伊塔星温度太低，本身并不能发出X-射线，但是它以每秒300英里的速度向外喷发气体粒子，这些气体粒子和伴星发出的粒子相互碰撞后发出X-射线。科学家认为X-射线消失的原因是船底座伊塔星每隔5年半就挡住了这些X-射线。最近一次X-射线消失开始于2003年6月29日。

科学家推断船底座伊塔星和其伴星的距离是地球到太阳之间的距离的10倍，因为它们距离太近，离地球又太远，无法用望远镜直接将它们区分开。另外一种方法就是直接观测伴星所发出的光。但是船底座伊塔星的伴星比其本身要暗的多，以前科学家曾经试图用地面望远镜和哈勃望远镜观测，但都没有成功。

美国天主教大学的科学家罗辛纳. 而平(Rosina Iping)及其合作者利用远紫外谱仪卫星来观测这颗伴星，因为它比哈勃望远镜能观测到波长更短的紫外线。它们在6月10日，17日观测到了远紫外线，但是在6月27日，也就是在X-射线消失前的两天远紫外线消失了。观测到的远紫外线来自船底座伊塔星的伴星，因为船底座伊塔星温度太低，本身不会发出远紫外线。这意味着船底座伊塔星挡住了X-射线的同时也挡住了伴星。这是科学家首次观测到船底座伊塔星的伴星发出的光，从而证实了这颗伴星的存在。

有三个太阳的恒星
据新华社14日电 据14日出版的《自然》杂志报道，美国天文学家在距离地球149光年的地方发现了一个具有三颗恒星的奇特星系，在这个星系内的行星上，能看到天空中有三个太阳。
美国加州理工学院的天文学家在该杂志上报告说，他们发现天鹅星座中的HD188753星系中有3颗恒星。处于该星系中心的一颗恒星与太阳系中的太阳类似，它旁边的行星体积至少比木星大14%。该行星与中心恒星的距离大约为800万公里，是太阳和地球之间距离的二十分之一。而星系的另外两颗恒星处于外围，它们彼此相距不远，也围绕中心恒星公转。

银河系中的星系多为单星系或双星系，具有三颗以上恒星的星系被称为聚星系，不太多见。

恒星并不是平均分布在宇宙之中，多数的恒星会受彼此的引力影响，形成聚星系统，如双星、三恒星，甚至形成星团，及星系等由数以亿计的恒星组成的恒星集团。

天文学家发现宇宙中生命诞生是普遍的现象

近日美国宇航局寻找地球以外生命物质存在证据的科研小组研究发现，某些在实际生命化学反应中起到至关重要作用的有机化学物质，普遍存在于我们地球以外的浩瀚宇宙中。研究结果表明，在宇宙深处存在生命物质、或者有孕育生命物质的化学反应发生，这在浩瀚的宇宙中是一种普遍现象。
上述研究来自“美国宇航局艾姆斯研究中心(NASA Ames Research Center)”的一个外空生物科研小组。在该小组工作的科学家道格拉斯-希金斯介绍时称：“根据科研小组最新的研究结果显示，一类在生物生命化学中起至关重要作用的化合物，在广袤的宇宙空间中广泛而且大量地存在着。” 作为该外空生物学研究小组的主要成员之一，道格拉斯-希金斯以第一作者的身份将他们的最新研究成果撰文发表在10月10日出版的《天体物理学》杂志上。
希金斯在描述其研究结果时介绍：“利用美国宇航局斯皮策太空望远镜(Spitzer Space Telescope)最近的观测结果，天文学家在我们所居住的银河系内，到处都发现了一种复杂有机物‘多环芳烃’(PAHs)存在的证据。但是这项发现一开始只得到天文学家的重视，并没有引起对外空生物进行研究的天体生物学家们的兴趣。因为对于生物学而言，普通的多环芳烃物质存在并不能说明什么实质问题。但是，我们的研究小组在最近一项分析结果中却惊喜的发现，宇宙中看到的这些多环芳烃物质，其分子结构中含有‘氮’元素(N)的成分，这一意外发现使我们的研究发生了戏剧性改变。”
该研究小组的另一成员，来自美国宇航局艾姆斯研究中心的天体生物学家路易斯-埃兰曼德拉说：“包括DNA分子在内，对于大多数构成生命的化学物质而言，含氮的有机分子参与是必须的条件。举一个含氮有机物质在生命物质意义上最典型的例子，象我们所熟悉的叶绿素，其对于植物的光合作用起着关键作用，而叶绿素分子中富含这种含氮多环芳烃(PANHs)成分。”
据介绍，在科研小组的研究工作中，除了利用来自斯皮策望远镜得到的观测数据外，科研人员还使用了欧洲宇航局太空红外天文观测卫星的观测数据。在美国宇航局艾姆斯研究中心的实验室中，研究人员对这类特殊的多环芳烃，利用红外光谱化学鉴定技术对其分子结构和化学成分进行了全面分析，找到其中氮元素存在的证据。同时科学家利用计算机技术对这些宇宙中普遍存在的含氮多环芳烃，进行了红外射线光谱模拟分析。
路易斯-埃兰曼德拉同时还表示：“除去上述分析结论以外，更加富有戏剧性的发现是，在斯皮策太空望远镜的观测中还显示出，在宇宙中一些即将死亡的恒星天体周围，环绕其外的众多星际物质中，都大量蕴藏着这种特殊的含氮多环芳烃成分。这一发现从某种意义上似乎也告诉我们，在浩瀚的宇宙星空中，即使在死亡来临的时候，同时也孕育着新生命开始的火种。”


本年度最大科学突破:宇宙正膨胀 发现暗能量


通过分析星系团(图中左侧的点)，斯隆数字天空观测计划天文学家确定，暗能量正在驱动着宇宙不断地膨胀。


据英国《卫报》报道，证实宇宙正在膨胀是本年度最重大的科学突破。

报道说，近73％的宇宙由神秘的暗能量组成，它是一种反重力。在19日出版的美国《科学》杂志上，暗能量的发现被评为本年度最重大的科学突破。通过望远镜，人类在宇宙中已经发现近2000亿个星系，每一个星系中又有约2000亿颗星球。但所有这些加起来仅占整个宇宙的4％。

现在，在新的太空探索基础上，以及通过对100万个星系进行仔细研究，天文学家们至少已经弄清了部分情况。约23％的宇宙物质是“暗物质”。没有人知道它们究竟是什么，因为它们无法被检测到，但它们的质量大大超过了可见宇宙的总和。而近73％的宇宙是最新发现的暗能量。这种奇特的力量似乎正在使宇宙加速膨胀。英国皇家天文学家马丁•里斯爵士将这一发现称为“最重要的发现”。

这一发现是绕轨道运行的威尔金森微波各向异性探测器（WMAP）和斯隆数字天文台（SDSS）的成果。它解决了关于宇宙的年龄、膨胀的速度及组成宇宙的成分等一系列问题的长期争论。天文学家现在相信宇宙的年龄是137亿年

20世纪70年代他与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理，为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。凭一本薄薄的《时间简史》征服了全世界3000万读者。

史蒂芬·威廉·霍金（Stephen William Hawking，1942年1月8日），ALS患者，英国著名物理学家和宇宙学家。肌肉萎缩性侧索硬化症患者，全身瘫痪，不能发音。霍金的主要研究领域是宇宙论和黑洞，证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理。
提出了黑洞蒸发现象和无边界的霍金宇宙模型，在统一20世纪物理学的两大基础理论——爱因斯坦创立的相对论和普朗克创立的量子力学方面走出了重要一步。霍金是继牛顿和爱因斯坦之后最杰出的物理学家之一，被世人誉为“宇宙之王”。
黑洞理论使量子论和热力学在“霍金辐射”中得到完美统一，而他在20世纪80年代提出的无边界设想的量子宇宙论，解决了困扰科学界几百年的“第一推动”问题。

史蒂芬·威廉·霍金，1942年1月8日—2018年3月14日），出生于英国牛津，英国剑桥大学应用数学与理论物理学系物理学家，著名物理学家、宇宙学家、数学家。
霍金毕业于牛津大学、剑桥大学，1979年至2009年任卢卡斯数学教授，后为荣誉卢卡斯数学教授（牛顿曾任此职，是人类历史上最伟大的教授职位）。
霍金是继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家和当代最伟大的科学家，人类历史上最伟大的人物之一，被誉为“宇宙之王”。他的代表作品有《时间简史》、《果壳中的宇宙》、《大设计》等。


2015年7月20日，史蒂芬•霍金启动了人类历史上规模最大的外星智慧生命的搜索行动。2016年1月，史蒂芬·威廉·霍金获得卢德奖。