恢复的宇宙时：德·西特和戈德尔模型的探讨

在早期物理学中，时间是一个普适性概念，任何物理的真实性都是时间状态或层次的线性连续，同时性是绝对的。1905年面世的狭义相对论从大范围时间流逝的物理学思想中否定了这一概念，每一个观测者都认为有他自己的时间状态顺序，没有哪一个观测者拥有表示时间客观流逝的特权。到了20世纪30年代，理论宇宙学家利用与相对论相联系的物理学思想和数学方法，重新引进了爱因斯坦拒绝的普适时间的概念。

英国物理学家、数学家琼斯（J.H.Jeans）在评论这一令人困惑的事实时指出，在1905年以前，科学家和普通人都认为事件的出现以相同方式随时间而推移，在这一方式中，“图案模型被编织成隐现的形象”。不过，爱因斯坦理论已经揭示出过去、现在和将来之间似乎没有绝对的区别，因此，最简单的看法是，图案已经被编织了，并且人们是逐渐意识到它的。在这一“积木式宇宙”中，人类意识降格为一个单纯的记录设备。然而在后来，时间又被恢复为天文学尺度上的客观真实存在，这一传统概念的恢复始于德·西特1917年的工作。他在构造他的宇宙模型时，假定空间与时间之间是对称的，并由此认为，从整体上看宇宙必然是缺乏物质的，后来所有物质密度不为零的宇宙学问题的解，都在时间和空间之间给出了一个真实的区分，人们一旦放弃局部物理学这种区分就重新变得非常明显。

按照琼斯的宇宙学观点，人们不可能不加限制地接受均匀相对运动（狭义相对论）中所有观测者都是均等的观点，也不可能不加限制地接受任意相对运动（广义相对论）中所有观测者都是均等的观点。狭义相对论的时—空只是在不存在引力场的情况下，即宇宙背景可以被认为是有效真实的情况下才是严格可用的抽象概念。同样，在广义相对论中，所有参考系的均等也需要局部引力问题中所假定的那样的真空背景。因此，一旦大范围物质分布（尽管平均密度很低）的存在变成所要研究的问题的本质特征，则必须严格区分参考系和观测者，即要取以它们邻近物质的平均速度运动的那些观测者。在我们已经讨论过的宇宙模型中，所有这些“特权”观测者的地方时间都符合一个叫做“宇宙时”的大尺度时间。因此，有些宇宙学家提出，尽管相对论在局部尺度上是成功的，但在宇宙学尺度上我们是否需要恢复客观的普适时间的传统观念？令人奇怪的是，对于这样的质疑，直到1949年，在数学哲学家戈德尔（K.Godel）提出遵循广义相对论的新的宇宙模型之前，并没有引起爱因斯坦理论支持者的重视。戈德尔承认相对论的假设，相对于运动定理的形式、物质与场的相互作用，所有观测者都是等价的；也不排除这样的可能性，即对于不同的观测者，物质、运动和场在实际世界的特殊排列可能会有更加“自然”或“简单”的形式，但是，与其他一些宇宙学家不同，他不相信与这类特权观测者相联系的局部时间的集合自然地构成为一个普适时间。

戈德尔指出，由于宇宙时定义取决于对宇宙每个区域的物质平均运动的测定，因此，我们只能求得这一概念的近似；精化这个过程以求得一个精密定义当然是可能的，但或许只有引进或多或少的人为因素（例如区域的大小，或计算物质平均运动的权重函数等人为规定）时才有这种可能。因此，宇宙时是否有精密定义，它具有如此大的度规，以至于使人有理由相信这样求得的时间就是真正的时间，这是值得怀疑的。

对于戈德尔的批评，有些宇宙学家作了这样的回答：我们没有关于宇宙时概念的绝对定义，但这并不表示它没有基本的物理学特征；测定宇宙时的困难不应该成为反对它的物理真实性的论据。

戈德尔反对把宇宙时看成是所有宇宙模型的本质特征，其理论基础是他提出的各向均匀同质的宇宙模型。在这一宇宙中，随基本粒子运动的观测者的地方时间，不可能全都符合一个普适时间；后者的存在必须有进一步的假设，即假设与基本粒子相联系的所有观测者都处于各向同性的中心，或球对称中心。因此，在这样的模型中将没有旋转，观测者看到的后退运动可以被想象为一个三维系统，它的方向与惯性运动方向一致，由任意给定点的这些方向的集合就形成一个没有相对旋转的一束锥线。戈德尔把这束锥线称为局部“惯性罗盘”。在他的宇宙模型中，度规可以使带有非零宇宙常数的爱因斯坦场方程得到满足。就静态和空间各向均匀同质来说，戈德尔模型与爱因斯坦模型是相同的，因为他的度规形式给出的时—空是各向均匀同质的，该时—空中的任意2点P和Q都存在从P到Q的自身转换。但是，戈德尔模型又不同于爱因斯坦模型，因为它依赖于一个负的宇宙常数，它也不是各向同性的，存在着物质的绝对旋转。这一模型不可能定义一个绝对的普适时间。(www.xing528.com)

从严格的相对论观点来看，虽然在戈德尔模型中物质的宇宙旋转和宇宙时的存在都是令人困惑的问题，但是戈德尔模型最令人惊奇的特性还是它所蕴涵的时间的性质，因为尽管每一个基本粒子的世界线都是开放的，因而在固定于这样粒子的观测者的经验中，每一个时刻都不会重新出现，但是，可能存在其他闭合的类时线。实际上，如果P和Q是某个基本粒子世界线上2个任意点（瞬间），而且如果P在这条线先于Q，于是便存在一条连接P和Q的类时世界线，在这条世界线上Q先于P。这样，在这一模型中，从理论上说，粒子从它的现在进入过去或将来的任一区域然后又回到出发地的环绕旅行就成为可能！

然而，这一可能性与因果概念相抵触，它意味着人们可以旅行到自己的过去，这是绝对不会发生的。戈德尔本人计算了在自己的模型中进行这样一次完整的在时间上闭环的旅行，所要求的速度至少应该是。

因此，如果我们在初始粗略近似中假定宇宙在大尺度上是均匀同质的，那么能否建立普适的宇宙时概念的关键因素就是宇宙旋转问题。换句话说，就是要求宇宙应该是各向同性的，不存在宇宙旋转。20世纪60年代末发现的“原始火球”对各向同性宇宙假说是一个强有力的支持。射电天文学家彭齐斯（A.A.Penzias）和威尔逊（R.W.Wilson）发现的微波背景辐射，或多或少是各向同性的。普林斯顿大学的迪克（R.H.Dicke）从理论上讨论了各向同性微波背景辐射的存在。

微波背景辐射的基本性质可以从它的光谱黑体特征中表现出来。天文学观测已经证实这些辐射不大可能是由分散辐射源复合辐射产生的。事实上，各向同性非常精密地排除了任何局部辐射源存在的可能性。因为限定在太阳系、银河系甚至超星系内的辐射源不可能对某个局部观测者表现出近于各向同性的辐射。因此，宇宙学家认为，宇宙作为一个整体占支配地位的是均匀同质和各向同性；这一结论是宇宙时存在的强有力的论据。