宇宙学原理的逻辑关联

 本篇博文打算谈谈在宇宙演化中与宇宙学原理有关的逻辑关联。

     在“物质场能量可从无到有吗？平直时空可变成弯曲时空吗？” 那篇博

文中，我曾分析过: 平直时空（即Minkowski时空）的存在与在时空各点的物

质场之能动张量恒为零互为必要和充分的条件。这也就是说，假如在时空各点，

物质场均不存在，则时空便是平直时空。 可是，由于量子振荡总是存在的，因

之，‘在时空各点，物质场均不存在’在实际上是不可能的；不过，我们不妨在

理论上来讨论这种可能性（这如同在物理学中常常讨论的理想实验）。

     Minkowski时空本身是均匀和各向同性的，这意味着在Minkowski时空的

空间中，各点创生出物质场能量的机率是相等的。因此当物质场能量大量地创

生，宇宙逐渐从混沌状态‘平静’下来之后，则所创生的物质场整体能量在空间

的平均分布也将是均匀和各向同性的。所创生的物质场整体能量反过来又要影响

时空的度规，既然所创生的物质场整体能量在空间的平均分布是均匀和各向同性

的，则度规张量就必然是Robertson-Walker度规

时，宇宙便演化成目前我们所观察到的情况。为什么所创生的物质场整体能量密

度能满足上述关系？这也是由于宇宙学原理，因为上述关系是由宇宙学原理及推

广的爱因斯坦方程导出的，既然所创生的物质场整体能量在空间的平均分布是均

匀和各向同性的，符合宇宙学原理，并且我们采用推 广的爱因斯坦方程作为引

力场方程，理所当然，所创生的物质场整体能量密度便可能满足上述关系。这

也表明，在研究宇宙学时常要考虑宇宙学原理。

 

如果宇宙演化违背宇宙学原理

     现在我们来讨论一下，如果宇宙演化不遵从宇宙学原理，宇宙将呈现什么

情况 ？回答是简单的：物质场整体能量在空间的平均分布将是不均匀和各向异

性的。但要用数学公式来描述物质场整体能量在空间的分布以及时空度规则非常

困难，甚至不可能描述。物质场整体能量在空间的平均分布不均匀和各向异性意

味着：在空间的某些部分物质能量密度大，而另一些部分物质能量密度小，某些

方向和某些点显得比较特殊，等等。要解释这些问题也是非常困难，甚至是不可

能的。

     总起来看，可以得出结论：宇宙学原理反映了宇宙学的一个重要规律: 空间

是均匀和各向同性的；这个原理不仅可以简化宇宙学的讨论，更重要的，是它深

刻地反映了时空与物质关系之间的物理本质。

 

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