宇宙的起源

　　宇宙的起源

　　根據中非Boshongo人的傳說(shuō)，世界太初只有黑暗、水和偉大的Bumba上帝。一天，Bumba胃痛發(fā)作，嘔吐出太陽(yáng)。太陽(yáng)灼干了一些水，留下土地。他仍然胃痛不止，又吐出了月亮和星辰，然后吐出一些動(dòng)物，豹、鱷魚(yú)、烏龜、最后是人。

　　這個(gè)創(chuàng )世紀的神話(huà)，和其它許多神話(huà)一樣，試圖回答我們大家都想詰問(wèn)的問(wèn)題：為何我們在此？我們從何而來(lái)？一般的答案是，人類(lèi)的起源是發(fā)生在比較近期的事。人類(lèi)正在知識上和技術(shù)上不斷地取得進(jìn)步。這樣，它不可能存在那么久，否則的話(huà)，它應該取得更大的進(jìn)步。這一點(diǎn)甚至在更早的時(shí)候就應該很清楚了。

　　例如，按照Usher主教《創(chuàng )世紀》把世界的創(chuàng )生定于公元前4004年10月23日上午9時(shí)。另一方面，諸如山岳和河流的自然環(huán)境，在人的生命周期里改變甚微。所以人們通常把它們當作不變的背景。要么作為空洞的風(fēng)景已經(jīng)存在了無(wú)限久，要么是和人類(lèi)在相同的時(shí)刻被創(chuàng )生出來(lái)。

　　但是并非所有人都喜歡宇宙有個(gè)開(kāi)端的思想。例如，希臘最著(zhù)名的哲學(xué)家亞里士多德，相信宇宙已經(jīng)存在了無(wú)限久的時(shí)間。某種永恒的東西比某種創(chuàng )生的東西更完美。他提出我們之所以看到發(fā)展處于這個(gè)情形，那是因為洪水或者其它自然災害，不斷重復地讓文明回復到萌芽階段。信仰永恒宇宙的動(dòng)機是想避免求助于神意的干涉，以創(chuàng )生宇宙并啟始運行。相反地，那些相信宇宙具有開(kāi)端的人，將開(kāi)端當作上帝存在的論據，把上帝當作宇宙的第一原因或者原動(dòng)力。

　　如果人們相信宇宙有一個(gè)開(kāi)端，那么很明顯的問(wèn)題是，在開(kāi)端之前發(fā)生了甚么？上帝在創(chuàng )造宇宙之前，他在做甚么？他是在為那些詰問(wèn)這類(lèi)問(wèn)題的人準備地獄嗎？德國哲學(xué)家伊曼努爾.康德十分關(guān)心宇宙有無(wú)開(kāi)端的問(wèn)題。他覺(jué)得，不管宇宙有無(wú)開(kāi)端，都會(huì )引起邏輯矛盾或者二律背反。如果宇宙有一個(gè)開(kāi)端，為何在它起始之前要等待無(wú)限久。他將此稱(chēng)為正題。另一方面，如果宇宙已經(jīng)存在無(wú)限久，為甚么它要花費無(wú)限長(cháng)的時(shí)間才達到現在這個(gè)階段。他把此稱(chēng)為反題。無(wú)論正題還是反題，都是基于康德的假設，幾乎所有人也是這么辦的，那就是，時(shí)間是絕對的，也就是說(shuō)，時(shí)間從無(wú)限的過(guò)去向無(wú)限的將來(lái)流逝。時(shí)間獨立于宇宙，在這個(gè)背景中，宇宙可以存在，也可以不存在。

　　直至今天，在許多科學(xué)家的心中，仍然保持這樣的圖景。然而，1915年愛(ài)因斯坦提出他的革命性的廣義相對論。在該理論中，空間和時(shí)間不再是絕對的，不再是事件的固定背景。相反地，它們是動(dòng)力量，宇宙中的物質(zhì)和能量確定其形狀。它們只有在宇宙之中才能夠定義。這樣談?wù)撚钪骈_(kāi)端之前的時(shí)間是毫無(wú)意義的。這有點(diǎn)兒像去尋找比南極還南的一點(diǎn)沒(méi)有意義一樣。它是沒(méi)有定義的。

　　如果宇宙隨時(shí)間本質(zhì)上不變，正如20世紀20年代之前一般認為的那樣，就沒(méi)有理由阻止在過(guò)去任意早的時(shí)刻定義時(shí)間。人們總可以將歷史往更早的時(shí)刻延展，在這個(gè)意義上，任何所謂的宇宙開(kāi)端都是人為的。于是，情形可以是這樣，這個(gè)宇宙是去年創(chuàng )生的，但是所有記憶和物理證據都顯得它要古老得多。這就產(chǎn)生了有關(guān)存在意義的高深哲學(xué)問(wèn)題。我將采用所謂的實(shí)證主義方法來(lái)對付這些問(wèn)題。在這個(gè)方法中，其思想是，我們按照我們構造世界的模型來(lái)解釋自己感官的輸入。人們不能詢(xún)問(wèn)這個(gè)模型是否代表實(shí)在，只能問(wèn)它能否行得通。首先，如果按照一個(gè)簡(jiǎn)單而優(yōu)雅的模型可以解釋大量的觀(guān)測；其次，如果這個(gè)模型作出可能被觀(guān)察檢驗，也可能被證偽的明確預言，這個(gè)模型即是一個(gè)好模型。

　　根據實(shí)證主義方法，人們可以比較宇宙的兩個(gè)模型。第一個(gè)模型，宇宙是去年創(chuàng )生的，而另一個(gè)是宇宙已經(jīng)存在了遠為長(cháng)久的時(shí)間。一對孿生子在比一年前更早的時(shí)刻誕生，已經(jīng)存在了久于一年的宇宙的模型能夠解釋像孿生子這樣的事物。

　　另一方面，宇宙去年創(chuàng )生的模型不能解釋這類(lèi)事件，因此第二個(gè)模型更好。人們不能詰問(wèn)宇宙是否在一年前確實(shí)存在過(guò)，或者僅僅顯得是那樣。在實(shí)證主義的方法中，它們沒(méi)有區別。

　　在一個(gè)不變的宇宙中，不存在一個(gè)自然的起始之點(diǎn)。然而，20世紀20年代當埃德溫.哈勃在威爾遜山上開(kāi)始利用100英寸的望遠鏡進(jìn)行觀(guān)測時(shí)，情形發(fā)生了根本的改變。哈勃發(fā)現，恒星并非均勻地分布于整個(gè)空間，而是大量地聚集在稱(chēng)為星系的集團之中。

　　哈勃測量來(lái)自星系的光，進(jìn)而能夠確定它們的速度。他預料向我們飛來(lái)的星系和離我們飛去的星系一樣多。這是在一個(gè)隨時(shí)間不變的宇宙中應有的。但是令哈勃驚訝的是，他發(fā)現幾乎所有的星系都飛離我們而去。此外，星系離開(kāi)我們越遠，則飛離得越快。宇宙不隨時(shí)間不變，不像原先所有人以為的那樣。它正在膨脹。星系之間的距離隨時(shí)間而增大。

　　宇宙膨脹是20世紀或者任何世紀最重要的智力發(fā)現之一。它轉變了宇宙是否有一個(gè)開(kāi)端的爭論。如果星系現在正分開(kāi)運動(dòng)，那么，它們在過(guò)去一定更加靠近。如果它們過(guò)去的速度一直不變，則大約150億年之前，所有星系應該一個(gè)落在另一個(gè)上。這個(gè)時(shí)刻是宇宙的開(kāi)端嗎？

　　許多科學(xué)家仍然不喜歡宇宙具有開(kāi)端。因為這似乎意味著(zhù)物理學(xué)崩潰了。人們就不得不去求助于外界的作用，為方便起見(jiàn)，可以把它稱(chēng)作上帝，去確定宇宙如何起始。因此他們提出一些理論。在這些理論中，宇宙此刻正在膨脹，但是沒(méi)有開(kāi)端。其中之一便是邦迪、高爾德和霍伊爾于1948年提出的穩恒態(tài)理論。

　　在穩恒態(tài)理論中，其思想是，隨著(zhù)星系離開(kāi)，由假設中的在整個(gè)空間連續創(chuàng )生的物質(zhì)形成新的星系。宇宙會(huì )永遠存在，而且在所有時(shí)間中都顯得一樣。這最后的性質(zhì)從實(shí)證主義的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，作為一個(gè)可以用觀(guān)測來(lái)檢驗的明確預言，具有巨大的優(yōu)點(diǎn)。在馬丁.萊爾領(lǐng)導下的劍橋射電觀(guān)測天文小組，在20世紀60年代早期對弱射電源進(jìn)行了調查。這些源在天空分布得相當均勻，表明大部分源位于銀河系之外。平均而言，較弱的源離得較遠。

　　穩恒態(tài)理論預言了源的數目對應于源強度的圖的形狀。但是觀(guān)測表明，微弱的源比預言的更多，這表明在過(guò)去源的密度較高。這就和穩恒態(tài)理論的任何東西在時(shí)間中都是不變的基本假設相沖突。由于這個(gè)，也由于其它原因，穩恒態(tài)理論被拋棄了。

　　還有另一種避免宇宙有一開(kāi)端的企圖是，建議存在一個(gè)早先的收縮相，但是由于旋轉和局部的無(wú)規性，物質(zhì)不會(huì )落到同一點(diǎn)。相反，物質(zhì)的不同部分會(huì )相互錯開(kāi)，宇宙會(huì )重新膨脹，這時(shí)密度保持有限。兩位俄國人利弗席茲和哈拉尼科夫實(shí)際上聲稱(chēng)，他們證明了，沒(méi)有嚴格對稱(chēng)的一般收縮總會(huì )引起反彈，而密度保持有限。這個(gè)結果對于馬克思主義列寧主義的唯物辯證法十分便利，因為它避免了有關(guān)宇宙創(chuàng )生的難以應付的問(wèn)題。因此，這對于蘇聯(lián)科學(xué)家而言成為一篇信仰的文章。

　　當利弗席茲和哈拉尼科夫發(fā)表其斷言時(shí)，我是一名21歲的研究生，為了完成博士論文，我正在尋找一個(gè)問(wèn)題。我不相信他們所謂的證明，于是就著(zhù)手和羅杰.彭羅斯一起發(fā)展新的數學(xué)方法去研究這個(gè)問(wèn)題。我們證明了宇宙不能反彈。如果愛(ài)因斯坦的廣義相對論是正確的，就存在一個(gè)奇點(diǎn)，這是具有無(wú)限密度和無(wú)限時(shí)空曲率的點(diǎn)，時(shí)間在那里有一個(gè)開(kāi)端。

　　在我得到第一個(gè)奇點(diǎn)結果數月之后，即1965年10月，人們得到了確認宇宙有一個(gè)非常密集開(kāi)端的思想的觀(guān)察證據，那是發(fā)現了貫穿整個(gè)空間的微弱的微波背景。這些微波和你使用的微波爐的微波是一樣的，但是比它微弱多了。它們只能將匹薩加熱到攝氏負270.4度，甚至無(wú)法將匹薩化凍，更不用說(shuō)烤熟它。實(shí)際上你自己就可以觀(guān)察到這些微波。把你的電視調到一個(gè)空的頻道去，在熒幕上看到的雪花的百分之幾就歸因于這個(gè)微波背景。早期非常熱和密集狀態(tài)遺留下的輻射是對這個(gè)背景的僅有的合理解釋。隨著(zhù)宇宙膨脹，輻射一直冷卻下來(lái)，直至我們今天觀(guān)察到它的微弱的殘余。

　　雖然彭羅斯和我自己的奇性定理預言，宇宙有一個(gè)開(kāi)端，這些定理并沒(méi)有告訴宇宙如何起始。廣義相對論方程在奇點(diǎn)處崩潰了。這樣，愛(ài)因斯坦理論不能預言宇宙如何起始，它只能預言一旦起始后如何演化。人們對彭羅斯和我的結果可有兩種態(tài)度。一種是上帝由于我們不能理解的原因，選擇宇宙的啟始方式。這是約翰.保羅教的觀(guān)點(diǎn)。在梵蒂岡的一次宇宙論會(huì )議上，這位教皇告訴代表們，在宇宙起始之后，研究它是可以的。但是他們不應該探究起始的本身，因為這是創(chuàng )生的時(shí)刻，這是上帝的事體。我暗自慶幸，他沒(méi)有意識到，我在會(huì )議上發(fā)表了一篇論文，剛好提出宇宙如何起始。我可不想象伽利略那樣被遞交給宗教裁判廳。

　　對我們結果的另外解釋?zhuān)�這也是得到大多數科學(xué)家贊同的解釋。這個(gè)結果顯示，在早期宇宙中的非常強大的引力場(chǎng)中，廣義相對論崩潰了，必須用一個(gè)更完備的理論來(lái)取代它。因為廣義相對論沒(méi)有注意到物質(zhì)小尺度結構，而后者是由量子理論制約的，所以人們預料總要進(jìn)行這種取代。在通常情況下，因為宇宙的尺度和量子理論的微觀(guān)尺度相比較極為巨大，所以是否取代無(wú)所謂。但是當宇宙處于普朗克尺度，也就是1千億億億億分之一米時(shí)，這兩個(gè)尺度變成相同，必須考慮量子理論。

　　為了理解宇宙的起源，我們必須把廣義相對論和量子理論相結合。里查德.費恩曼對歷史求和的思想似乎是實(shí)現這個(gè)目標的最佳方法。里查德.費恩曼是一位多姿多彩的人物。他在帕沙迪那的脫衣舞酒吧里敲小鼓，又是加州理工學(xué)院卓越的物理學(xué)家。他提議一個(gè)系統從狀態(tài)A到狀態(tài)B經(jīng)過(guò)所有可能的路徑或歷史。

　　每個(gè)路徑或者歷史都有一定的振幅和強度。而系統從A到B的概率是將每個(gè)路徑的振幅加起來(lái)。存在一個(gè)由蘭干酪制成月亮的歷史。但是其振幅很低。這對于老鼠來(lái)說(shuō)不是一個(gè)好消息。

　　宇宙現在狀態(tài)的概率可將結局為這個(gè)狀態(tài)的所有歷史迭加得到。但是這些歷史如何起始的呢？這是一個(gè)改頭換面的起源問(wèn)題。是否需要一個(gè)造物主下達命令，宇宙如此這般起始呢？還是由科學(xué)定律來(lái)確定宇宙的初始條件呢？

　　事實(shí)上，即便宇宙的歷史回到無(wú)限的過(guò)去，這個(gè)問(wèn)題仍然存在。但是如果宇宙只在150億年前起始，這個(gè)問(wèn)題就更加急切。詢(xún)問(wèn)在時(shí)間的開(kāi)端會(huì )發(fā)生甚么，有點(diǎn)像當人們認為世界是平坦的，詢(xún)問(wèn)在世界的邊緣會(huì )發(fā)生甚么一樣。世界是一塊平板嗎？海洋從它邊緣上傾瀉下去嗎？我已經(jīng)用實(shí)驗對此驗證過(guò)。我環(huán)球旅行過(guò)，我并沒(méi)有掉下去。

　　正如大家知道的，當人們意識到世界不是一塊平板，而是一個(gè)彎曲的面時(shí)，在宇宙的邊緣發(fā)生甚么的問(wèn)題就被解決了。然而，時(shí)間似乎不同。它顯得和空間相分離。像是一個(gè)鐵軌模型。如果它有一個(gè)開(kāi)端，就必須有人去啟動(dòng)火車(chē)運行。

　　愛(ài)因斯坦的廣義相對論將時(shí)間和空間統一成時(shí)空。但是時(shí)間仍然和空間不同，它正像一個(gè)通道，要么有開(kāi)端和終結，要么無(wú)限地伸展出去。然而，詹姆.哈特爾和我意識到，當廣義相對論和量子論相結合時(shí)，在極端情形下，時(shí)間可以像空間中另一方向那樣行為。這意味著(zhù)，和我們擺脫世界邊緣的方法類(lèi)似，可以擺脫時(shí)間具有開(kāi)端的問(wèn)題。

　　假定宇宙的開(kāi)端正如地球的南極，其緯度取時(shí)間的角色。宇宙就在南極作為一個(gè)起始點(diǎn)。隨著(zhù)往北運動(dòng)，代表宇宙尺度的常緯度的圓就膨脹。詰問(wèn)在宇宙開(kāi)端之前發(fā)生了甚么是沒(méi)有意義的問(wèn)題。因為在南極的南邊沒(méi)有任何東西。

　　時(shí)間，用緯度來(lái)測量，在南極處有一個(gè)開(kāi)端。但是南極和其它的點(diǎn)非常相像。至少我聽(tīng)別人這么講的。我去過(guò)南極洲，沒(méi)有去過(guò)南極。

　　同樣的自然定律正如在其它地方一樣，在南極成立。長(cháng)期以來(lái)，人們說(shuō)宇宙的開(kāi)端是正常定律失效之處，所以宇宙不應該有開(kāi)端。而現在，宇宙的開(kāi)端由科學(xué)定律來(lái)制約，所以反對宇宙有開(kāi)端的論證不再成立。

　　詹姆.哈特爾和我發(fā)展宇宙自發(fā)創(chuàng )生的圖景有一點(diǎn)像泡泡在沸騰的水中形成。

　　其思想是，宇宙最可能的歷史像是泡泡的表面。許多小泡泡出現，然后再消失。這些對應于微小的宇宙，它們膨脹，但在仍然處于微觀(guān)尺度時(shí)再次坍縮。它們是另外可能的宇宙，由于不能維持足夠長(cháng)的時(shí)間，來(lái)不及發(fā)展星系和恒星，更不用說(shuō)智慧生命了，所以我們對它們沒(méi)有多大興趣。然而，這些小泡泡中的一些會(huì )膨脹到一定的尺度，到那時(shí)可以安全地逃避坍縮。它們會(huì )繼續以不斷增大的速率膨脹，形成我們看到的泡泡。它們對應于開(kāi)始以不斷增加的速率膨脹的宇宙。這就是所謂的暴脹，正如每年的價(jià)格上漲一樣。

　　通貨膨脹的世界紀錄應歸一戰以后的德國。在18月期間價(jià)格增大了一千萬(wàn)倍。但是，它和早期宇宙中的暴脹相比實(shí)在微不足道。宇宙在比一秒還微小得多的時(shí)間里膨脹了十的30次方倍。和通貨膨脹不同，早期宇宙的暴脹是非常好的事情。它產(chǎn)生了一個(gè)非常巨大的均勻的宇宙，正如我們觀(guān)察到的。然而，它不是完全均勻的。在對歷史求和中，稍微具有無(wú)規性的歷史和完全均勻和規則歷史的概率幾乎相同。因此，理論預言早期宇宙很可能是稍微不均勻的。這些無(wú)規性在從不同方向來(lái)的微波背景強度上引起小的變化。利用MAP(微波各向異性)衛星已經(jīng)觀(guān)察到微波背景，發(fā)現了和預言完全一致的變化。這樣，我們知道自己正在正確的道路上前進(jìn)。

　　早期宇宙中的無(wú)規性，意味著(zhù)在有些區域的密度，比其它地方的稍高。這些額外密度的引力吸引使這個(gè)區域的膨脹減緩，而且最終能夠使這些區域坍縮形成星系和恒星。請仔細看這張微波天圖。它是宇宙中一切結構的藍圖。我們是極早期宇宙的量子起伏的產(chǎn)物。上帝的確在擲骰子。

　　在過(guò)去的百年間，我們在宇宙學(xué)中取得了驚人的進(jìn)步。廣義相對論和宇宙膨脹的發(fā)現，粉碎了永遠存在并將永遠繼續存在的宇宙的古老圖像。取而代之，廣義相對論預言，宇宙和時(shí)間本身都在大爆炸處起始。它還預言時(shí)間在黑洞里終結。宇宙微波背景的發(fā)現，以及黑洞的觀(guān)測，支持這些結論。這是我們的宇宙圖像和實(shí)在本身的一個(gè)深刻的改變。

　　雖然廣義相對論預言了，宇宙來(lái)自于過(guò)去一個(gè)高曲率的時(shí)期，但它不能預言宇宙如何從大爆炸形成。這樣，廣義相對論自身不能回答宇宙學(xué)的核心問(wèn)題，為何宇宙如此這般。然而，如果廣義相對論和量子論相合并，就可能預言宇宙是如何起始的。它開(kāi)始以不斷增大的速率膨脹。這兩個(gè)理論的結合預言，在這個(gè)稱(chēng)作暴脹的時(shí)期，微小的起伏會(huì )發(fā)展，導致星系、恒星以及宇宙中所有其它結構的形成。對宇宙微波背景中的小的非均勻性的觀(guān)測，完全證實(shí)了預言的性質(zhì)。這樣，我們似乎正朝著(zhù)理解宇宙起源的正確方向前進(jìn)，盡管還有許多工作要做。當我們通過(guò)精密測量空間航空器之間距離，進(jìn)而能夠檢測到引力波，就會(huì )打開(kāi)極早期宇宙的新窗口。引力波從最早的時(shí)刻自由地向我們傳播，所有介入的物質(zhì)都無(wú)法阻礙它。與此相比較，自由電子多次地散射光。這種散射一直進(jìn)行到30萬(wàn)年后電子被凝結之前。

　　盡管我們已經(jīng)取得了一些偉大成功，并非一切都已解決。我們觀(guān)察到，宇宙的膨脹在長(cháng)期的變緩之后，再次加速。對此理論還不能理解清楚。缺乏這種理解，對宇宙的未來(lái)還無(wú)法確定。它會(huì )繼續地無(wú)限地膨脹下去嗎？暴脹是一個(gè)自然定律嗎？或者宇宙最終會(huì )再次坍縮嗎？新的觀(guān)測結果，理論的進(jìn)步正迅速涌來(lái)。宇宙學(xué)是一個(gè)非常激動(dòng)人心和活躍的學(xué)科。我們正接近回答這古老的問(wèn)題：我們?yōu)楹卧诖�？我們從何而�?lái)？