为何我们在此？我们从何而来？ (1人在浏览)

[何家大少]

　　霍金：宇宙起源像沸水里的泡泡

　　作者：2006年06月20日 11:37 出处： 北京晨报


　　演讲一小时，准备一个月，霍金用电脑合成音说――

　　“为何我们在此？我们从何而来？”昨天，科学家斯蒂芬・霍金在人民大会堂提出了这两个最根本的思考人类与宇宙的问题，他为6300名听众作了一场超级科普报告《宇宙的起源》，介绍了自己对宇宙的理解。

　　规模最大的物理讲座

　　昨天上午11时30分，当主持人念到霍金的名字时，期待已久的听众立刻报以长达十几秒的热烈掌声。置身轮椅的霍金在主席台右侧刚一现身又引来长达三四十秒的掌声。有大约300来名按捺不住的观众立刻从座位上起身，拥到主席台前举起相机。十几分钟后，会议主持人才好不容易将大家劝回座位。

　　被誉为“当代爱因斯坦”的霍金，向北京数以千计的观众讲解了宇宙的起源，这是迄今为止世界上规模最大的一次理论物理讲座。

　　演讲一小时 准备一个月

　　“Can you hear me?(能听见我说话吗？)”演讲正式开始前，霍金用特有的嗓音“说”了第一句话。电脑合成的男中音清晰、柔和、连贯，如果没有亲眼目睹，没有谁会相信这些话是合成出来的。

　　昨天的演讲是事先录制好的，一个小时的演讲却花了霍金一个月时间来准备。他的学生告诉记者，虽然霍金的特制轮椅十分智能，但由于这个机器可供选择的单词太多，如果想从里面选出自己想说的话仍然十分费时，“每输入一个单词都要花费上几分钟。”

　　霍金式 幽默 为宇宙起源“进牢笼”

　　霍金先是以一则中非的上帝创世纪的 神话开始了《宇宙的起源》的演讲。他说，根据中非的传说，世界最初只有黑暗、水和伟大的Bumba上帝。有一天，Bumba胃痛发作，先后呕吐出太阳、土地、月亮、鳄鱼p乌龟和人。

　　“但是希腊哲学家亚里士多德相信宇宙并没有开端，而是已经存在了无限久。”霍金在把亚里士多德、康德、爱因斯坦等人的观点说了一个遍以后，开始陈述他自己的观点。

　　霍金说，宇宙自发创生有一点像气泡在沸水中的形成。“宇宙的起源有点像沸水里的泡泡，许多小泡泡出现，然后消失。这就是宇宙的膨胀和坍缩。之前有很多宇宙都消失了，当这些小泡泡膨胀到一定的尺度，可以安全地逃避坍塌时，就形成了我们今天的宇宙。”

　　“我暗自庆幸，梵蒂冈教皇没有看到我发表的一篇论文正好提出了宇宙如何起始。否则我就像伽利略那样被交给宗教裁判厅了。”霍金幽默地说。此时他的演示文稿中出现了自己被囚禁在牢笼中的一张照片，在场的学者和学生发出了会心的笑声。

　　霍金的疑问 宇宙会再次坍缩吗？

　　“宇宙最终会再次坍缩吗？”霍金在演讲最后也提出了自己尚未找到答案的难题。他说，我们已经取得的一些伟大成功，并不能解决一切难题。根据观察，宇宙膨胀在长期变缓之后，目前已再次加速。理论目前还不能理解这一点。因此，我们对宇宙的未来还无法确定。它会继续无限膨胀下去，还是最终会再次坍缩？这还是一个未解决的问题。

　　晨报记者 王大鹏/文

 

[ai神@落花流水]

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[何家大少]

　　霍金简史


　　霍金，英国理论物理学家，世界公认的引力物理科学巨人，是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。霍金在剑桥大学任牛顿曾担任过的卢卡逊数学讲座教授之职，他的黑洞蒸发理论和量子宇宙论不仅震动了自然科学界，并且对哲学和宗教也有深远影响。

　　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。1973年，他考虑黑洞附近的量子效应，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。他的目标是解决从牛顿以来一直困扰人类的“第一推力”问题。

　　霍金的宇宙模型是一个封闭的无边界的有限的四维时空不需要上帝的第一推力，宇宙的演化完全取决于物理定律。霍金患有严重的肌萎缩性脊髓侧索硬化症，行动困难，而竟能在物理学上作出突出贡献，因此倍受尊重。1974年，当选为英国皇家学会最年轻的会员。

　　霍金简历：

　　1942年1月8日：出生于英国牛津,这一天刚好是伽利略300年的忌日。

　　1963年：被诊断出患肌萎缩性侧索硬化症。这种病在英国被称作运动神经细胞病，在美国被叫做卢伽雷氏症。

　　1965年：霍金得到剑桥凯尔斯学院的一份研究奖学金。

　　1965年7月：霍金和简结婚。他们的第一个儿子罗伯特出生于1967年，女儿露西出生于1970年，而第二个儿子提莫西出生于1979年。1985年他更几乎完全丧失了生活和语言能力，当时医生曾宣布他最多活两年，

　　1973年：首部著作《空时的大型结构》出版。

　　1974年：宣布发现黑洞辐射，成为英国皇家学会会员。此后他的研究转向量子引力论。

　　1979年：《广义相对论评述：纪念爱因斯坦百年诞辰》出版。

　　1980年以后：他的兴趣转向量子宇宙论。

　　1981年：无边界构想《超时空和超引力》出版。

　　1985年：实行气管造口手术失去语言能力，使用带语音合成器的计算机。

　　1988年：《时间简史：从大爆炸到黑洞》出版，获沃尔夫基金奖。至今销售2500万册。

　　1993年：《黑洞与婴儿宇宙及其它论文》出版。

　　来源： 人民网 2002-08-15 14:41 /编辑： 李强

 

[何家大少]

　　霍金：让思想在宇宙的最深处飞扬


　　一个瘦的出奇、全身瘫痪的天才，他的身体无力地蜷缩在轮椅里，思想却在宇宙的最深处飞扬，穿越时间与空间，追寻宇宙的尽头，探索黑洞的隐秘──这就是史蒂芬・霍金，被称为“当今爱因斯坦”的思想家、物理学家。

　　没有哪一位科学家的著作能像《时间简史》那样成为发行量上千万，全世界平均每500个人就拥有一册的畅销书。在西方，没有读过《时间简史》甚至会被认为是没受过教育。它的作者，就是这位从21岁起身患卢伽雷氏症，除了思想，只能支配三根手指、必须依靠机器才能与人交流的科学巨人。

　　霍金是最早用广义相对论推演宇宙演变的科学家之一，他关于“宇宙起源于大爆炸，并将终结于黑洞”的论断已被科学界广泛接受。时间、空间的历史与未来，就是他的研究对象。

　　在他之前，没有人能解释在宇宙“大爆炸”之前发生过什么事情。霍金以他的研究解释了形成行星和星系的物质如何被创造，以及宇宙为何能够永远膨胀下去、而不会在“大坍塌”中崩溃，从而创立了“开放性膨胀”理论。这是目前对广义相对论和量子理论所不能解释的宇宙现象最好的解答。

　　但是，霍金没能获得诺贝尔奖，因为获此奖项的一个最基本条件就是――需要证据证明。人类目前所掌握的技术，还不能使我们发现“霍金辐射”的存在。正如为爱因斯坦赢得诺贝尔奖的是光电效应理论，而不是他的相对论，尽管相对论和M理论已经被学术界广泛接受，但是因为缺少“实证”，相对论只能是存在于数学公式上的理论，而M理论也仅仅是一种“思想”。

　　这是“科学”和“思想”的碰撞。思想要超前，科学要实证，这些都没有错，经过实证考验的思想才能成为科学；缺少了思想，科学也难以获得进步。

　　既然思想催生科学，那就让思想在宇宙的最深处飞扬！

 

[何家大少]

　　霍金讲演录


　　以前我的声音模糊到这种程度，做讲演和学术报告不得不通过另一个人，通常是我的一名能理解我的研究生，他宣读我的讲稿。然而，1985年我动了一次手术后，完全丧失了讲话能力。我在一段时间内没有任何交流手段。后来，人们为我安装了一个计算机系统和高质量的语言合成器。使我惊讶的是，我发现自己成为一位成功的公众演讲家。我喜欢解释科学和回答问题。我知道还有许多改善的余地，但我希望正在改善的过程中。只要读完它，你就能判断我是否在改善。
　　我不同意这样的观点，说宇宙是神秘的，它是某种人们可有直觉却永远不能完全分析和理解的东西。我觉得，将近四百年前由伽利略创始而由牛顿发扬光大的科学变革证明这咱看法是站不住脚的。他们指出，至少宇宙中的某些领域不是为所欲为的，它们被精确的科学定律所制约。之后的岁月里，我们已经把伽利略和牛顿的业绩推广到宇宙中几乎每一领域。我们现在拥有了制约我们日常经验的任何事物的数学定律。我们成功的标志之一便是，我们现在必须耗费几十亿美元建造庞大的机器，用于把粒子加速到这样高的能量，我们尚未知道这么高能量粒子碰撞时会发生什么。在地球上正常情况下不会发生这样高的粒子能量，所以花费大量金钱去研究它们似乎显得有些学究气。但是，它们会发生在早期宇宙中，所以要理解我们和宇宙如何开始，就必须找出在这些能量下会发生什么。

　　我们对于宇宙还有大量无知或不解之处。但是我们过去尤其是一百年内所取得的进步，足以使人相信，我们能够完全理解宇宙。我们不会永远在黑暗中摸索。我们会在宇宙的完整理论上取得突破。在那种情形下，我们就真正成为宇宙的主宰。

　　文中的科学文章是基于这样的信念，即宇宙由秩序所制约，我们现在能部分地，而且在不太远的将来能完全地理解这种秩序。也许这种希望只不过是海市蜃楼；也许根本就没有终极理论，而且即便有我们也找不到。但是努力寻求完整的理解总比对人类精神的绝望要好得多。

　　史蒂芬・霍金
　　1993年3月31日

 

[何家大少]

　　宇宙的起源


　　史蒂芬．霍金（剑桥大学卢卡斯数学教授）

　　按：著名物理学家、剑桥大学卢卡斯数学教授霍金首度访问香港，并于昨日（2006年6月15日）在香港科技大学以“宇宙的起源”为题发表英文演说，以下为演辞的中译全文。翻译者是霍金的“徒弟”吴忠超，他于1984年获剑桥大学博士学位，亦是霍金《时间简史》中译本的译者。

　　中非Boshongo人有个传说：世界太初只有黑暗、水和伟大的Bumba上帝。某天，Bumba胃痛发作，呕吐出太阳。水有部分被太阳蒸发，留下土地。他的胃痛未止，又陆续吐出了月亮和星辰，然后吐出动物，例如豹、鳄鱼、乌贼，最后是人。

　　宇宙从何而来？由神创论到自在永有

　　这个创世纪式的神话和其他神话一样，都试图回答大家的诘问：为何我们在此？我们从何而来？一般的答案是，人类起源应是比较近期的事：人类正在知识上和技术上不断地取得进步，因此，它不可能存在了很久，否则，人类的进步应该更大一些。这一点甚至在更早的时候就应该很清楚了。

　　例如，按照Usher主教的说法，《创世纪》把世界创生定于西元前4004年10月23日上午9时。另一方面，诸如山岳和河流的自然环境，在人的生命周期里改变甚微。所以人们通常把它们当作不变的背景。要么作为空洞的风景已经存在了无限久，要么是和人类在相同的时刻被创生出来。

　　但是并非所有人都喜欢宇宙有个开端的思想。例如，希腊最著名的哲学家亚里士多德，相信宇宙已经存在了无限久的时间。某种永恒的东西比某种创生的东西更完美。他提出我们之所以看到发展处于这个情形，那是因为洪水或者其他自然灾害，不断重复令文明回复到萌芽阶段。

　　信仰永恒宇宙的动机是想避免求助于神意的干涉，以创生宇宙并启始运行。相反地，那些相信宇宙具有开端的人，将开端当作上帝存在的论据，把上帝当作宇宙的第一原因或者原动力。

　　如果人们相信宇宙有一个开端，那么很明显的问题是，在开端之前发生了什么？上帝在创造宇宙之前，有何事可做？是否在为问些这类问题的人准备地狱？德国哲学家康德十分关心宇宙有没有开端。他觉得，不管宇宙有无开端，都会引起逻辑矛盾或者二律背反。如果宇宙有一个开端，为何在它起始之前要等待无限久？他将此称为正题；另一方面，如果宇宙已经存在无限久，为什么它要花费无限长的时间才达到现在这个阶段。他把此称为反题。无论正题还是反题，康德，甚至几乎所有人，都是基于“时间是绝对”的假设。也就是说，时间从无限的过去向无限的将来流逝。时间独立于宇宙，在这个背景中，宇宙可以存在，也可以不存在。

　　追问“宇宙开端前的时间”无意义

　　直至今天，在许多科学家的心中，仍然保持这样的图景。然而，1915年爱因斯坦提出他的革命性的广义相对论。在该理论中，空间和时间不再是绝对的，不再是事件的固定背景。相反地，它们是动力量，宇宙中的物质和能量确定其形状。它们只有在宇宙之中才能够定义。这样，谈论宇宙开端之前的时间是毫无意义的。这有点儿像去寻找比南极还南的一点没有意义一样。它是没有定义的。

　　如果宇宙随时间本质上不变，正如20世纪20年代之前一般认为的那样，就没有理由阻止在过去任意早的时刻定义时间。人们总可以将历史往更早的时刻延展，在这个意义上，任何所谓的宇宙开端都是人为的。于是，情形可以是这样，这个宇宙是去年创生的，但是所有记忆和物理证据都显得它要古老得多。这就产生了有关存在意义的高深哲学问题。

　　我将采用所谓的实证主义方法来对付这些问题。在这个方法中，其思想是，我们按照我们构造世界的模型来解释自己感官的输入。人们不能询问这个模型是否代表实在，只能问它能否行得通。首先，如果按照一个简单而优雅的模型可以解释大量的观测；其次，如果这个模型作出可被观察检验，也可能被证伪，这个模型就是一个好模型。

　　根据实证主义方法，人们可以比较宇宙的两个模型。第一个模型，宇宙是去年创生的，而另一个是宇宙已经存在了远为长久的时间。一对孪生子在比一年前更早的时刻诞生，已经存在了久于一年的宇宙的模型能够解释像孪生子这样的事物。

　　另一方面，宇宙去年创生的模型不能解释这类事件，因此第二个模型更好。人们不能诘问宇宙是否在一年前确实存在过，或者仅仅显得是那样。在实证主义的方法中，它们没有区别。

　　哈勃发现星系远离宇宙正在膨胀

　　在一个不变的宇宙中，不存在一个自然的起始之点。然而，20世纪20年代当哈勃在威尔逊山上开始利用100英寸的望远镜观测时，情形发生了根本的改变。

　　哈勃发现，恒星并非均匀地分布于整个空间，而是大量地聚集在称为星系的集团之中。

　　哈勃测量来自星系的光，进而能够确定它们的速度。他预料向我们飞来的星系和离我们飞去的星系一样多。这是在一个随时间不变的宇宙中应有的。但是令哈勃惊讶的是，他发现几乎所有的星系都飞离我们而去。此外，星系离开我们愈远，则飞离得愈快。宇宙不随时间不变，不像原先所有人以为的那样。它正在膨胀。星系之间的距离随时间而增大。

　　宇宙膨胀是20世纪或者任何世纪最重要的智力发现之一。它转变了宇宙是否有一个开端的争论。如果星系现在正分开运动，那么，它们在过去一定更加靠近。如果它们过去的速度一直不变，则大约在150亿年之前，所有星系应该一个落在另一个上。这时刻是宇宙的开端吗？

　　许多科学家仍然不喜欢宇宙具有开端。因为这似乎意味着物理学崩溃了。人们就不得不去求助于外界的作用，为方便起见，可以把它称作上帝，去确定宇宙如何起始。因此他们提出一些理论。在这些理论中，宇宙此刻正在膨胀，但是没有开端。其中之一便是邦迪、高尔德和霍伊尔于1948年提出的稳恒态理论。

　　在稳恒态理论中，其思想是，随着星系离开，由假设中的在整个空间连续创生的物质形成新的星系。宇宙会永远存在，而且在所有时间中都显得一样。这最后的性质从实证主义的观点来看，作为一个可以用观测来检验的明确预言，具有巨大的优点。在马丁．赖尔领导下的剑桥射电观测天文小组在20世纪60年代早期调查了弱射电源。这些源在天空分布得相当均匀，表明大部分源位于银河系之外。平均而言，较弱的源离得较远。

　　稳恒态理论预言了源的数目对应于源强度的图的形状。但是观测表明，微弱的源比预言的更多，这表明在过去源的密度较高。这就和稳恒态理论的任何东西在时间中都是不变的基本假设相冲突。由于这个，也由于其他原因，稳恒态理论被抛弃了。

　　还有另一种避免宇宙有一开端的企图是，建议存在一个早先的收缩相，但是由于旋转和局部的无规性，物质不会落到同一点。相反，物质的不同部分会相互错开，宇宙会重新膨胀，这时密度保持有限。

　　两位俄国人利弗席兹和哈拉尼科夫实际上声称，他们证明了，没有严格对称的一般收缩总会引起反弹，而密度保持有限。这个结果对于马克思主义列宁主义的唯物辩证法十分便利，因为它避免了有关宇宙创生的难以应付的问题。因此，这对于苏联科学家而言成为一篇信仰的文章。

　　奇点时间开端

　　当利弗席兹和哈拉尼科夫发表其断言时，我是一名21岁的研究生，为了完成博士论文，我正在寻找一个问题。我不相信他们所谓的证明，于是就着手和罗杰．彭罗斯一起发展新的数学方法去研究这个问题。我们证明了宇宙不能反弹。如果爱因斯坦的广义相对论是正确的，就存在一个奇点，这是具有无限密度和无限时空曲率的点，时间在那里有一个开端。

　　在我得到第一个奇点结果数月之后，即1965年10月，人们得到了确认宇宙有一个非常密集开端的思想的观察证据，那是发现了贯穿整个空间的微弱的微波背景。这些微波和你使用的微波炉的微波是一样的，但是比它微弱多了。它们只能将薄饼加热到摄氏负270.4度，甚至无法将薄饼解冻，更不用说烤熟它。实际上你自己就可以观察到这些微波。把你的电视调到一个空的频道去，在荧幕上看到的雪花的百分之几就归因于这个微波背景。早期非常热和密集状态遗留下的辐射是对这个背景的仅有的合理解释。随着宇宙膨胀，辐射一直冷却下来，直至我们今天观察到它的微弱的残余。

　　虽然彭罗斯和我自己的奇性定理预言，宇宙有一个开端，这些定理并没有告诉宇宙如何起始。广义相对论方程在奇点处崩溃了。这样，爱因斯坦理论不能预言宇宙如何起始，它只能预言一旦起始后如何演化。人们对彭罗斯和我的结果可有两种态度。一种是上帝以我们不能理解的原因选择宇宙的启始方式。这是教宗若望．保禄二世的观点。在梵蒂冈的一次宇宙论会议上，这位教宗告诉代表，宇宙起始之后，研究它是可以的。但是他们不应该探究起始的本身，因为这是创生的时刻，这是上帝的事体。我暗自庆幸，他没有意识到，我在会议上发表了一篇论文，刚好提出宇宙如何起始。我可不想像伽利略那样被递交给宗教裁判厅。

　　微观尺度还看量子理论

　　对我们结果的另外解释，这也是得到大多数科学家赞同的解释。这个结果显示，在早期宇宙中的非常强大的引力场中，广义相对论崩溃了，必须用一个更完备的理论来取代它。因为广义相对论没有注意到物质小尺度结构，而后者是由量子理论制约的，所以人们预料总要进行这种取代。在通常情况下，因为宇宙的尺度和量子理论的微观尺度相比较极为巨大，所以是否取代无所谓。但是当宇宙处于普朗克尺度，也就是一千亿亿亿亿分之一米时，这两个尺度变成相同，必须考虑量子理论。

　　为了理解宇宙的起源，我们必须把广义相对论和量子理论相结合。里察．费曼对历史求和的思想似乎是实现这个目标的最佳方法。费曼是一位多姿多彩的人物。他在帕沙迪那的脱衣舞酒吧里敲小鼓，又是加州理工学院卓越的物理学家。他提议一个系统从状态A到状态B经过所有可能的路径或历史。

　　每个路径或者历史都有一定的振幅和强度。而系统从A到B的概率是将每个路径的振幅加起来。存在一个由蓝干酪制成月亮的历史。但是其振幅很低。这对于老鼠来说不是一个好消息。

　　宇宙现在状态的概率可将结局为这个状态的所有历史叠加得到。但是这些历史如何起始的呢？这是一个改头换面的起源问题。是否需要一个造物主下达命令，宇宙如此这般起始呢？还是由科学定律来确定宇宙的初始条件呢？

　　事实上，即便宇宙的历史回到无限的过去，这个问题仍然存在。但是如果宇宙只在150亿年前起始，这个问题就更加急切。询问在时间的开端会发生什么，有点像当人们认为世界是平坦的，询问在世界的边缘会发生什么一样。世界是一块平板吗？海洋从它边缘上倾泻下去吗？我已经用实验对此验证过。我环球旅行过，我并没有掉下去。

　　正如大家知道的，当人们意识到世界不是一块平板，而是一个弯曲的面时，在宇宙的边缘发生什么的问题就被解决了。然而，时间似乎不同。它显得和空间相分离。像是一个铁轨模型。如果它有一个开端，就必须有人去启动火车运行。

　　摆脱时间开端的问题

　　爱因斯坦的广义相对论将时间和空间统一成时空。但是时间仍然和空间不同，它正像一个通道，要么有开端和终结，要么无限地伸展出去。然而，詹姆．哈特尔和我意识到，当广义相对论和量子论相结合时，在极端情形下，时间可以像空间中另一方向那样行为。这意味着，和我们摆脱世界边缘的方法类似，可以摆脱时间具有开端的问题。

　　假定宇宙的开端正如地球的南极，纬度取代时间的角色。宇宙就在南极作为一个起始点。随着往北运动，代表宇宙尺度的常纬度的圆就膨胀。诘问在宇宙开端之前发生了什么是没有意义的问题。因为在南极的南边没有任何东西。

　　时间，用纬度来测量，在南极处有一个开端。但是南极和其他的点非常相像。至少我听别人这么讲的。我去过南极洲，没有去过南极。

　　同样的自然定律正如在其他地方一样，在南极成立。长期以来，人们说宇宙的开端是正常定律失效之处，所以宇宙不应该有开端。而现在，宇宙的开端由科学定律来制约，所以反对宇宙有开端的论证不再成立。

　　詹姆．哈特尔和我发展宇宙自发创生的图景有一点像泡泡在沸腾的水中形成。

　　其思想是，宇宙最可能的历史像是泡泡的表面。许多小泡泡出现，然后再消失。这些对应于微小的宇宙，它们膨胀，但在仍然处于微观尺度时再次塌缩。它们是另外可能的宇宙，由于不能维持足够长的时间，来不及发展星系和恒星，更不用说智慧生命了，所以我们对它们没有多大兴趣。然而，这些小泡泡中的一些会膨胀到一定的尺度，到那时可以安全地逃避坍缩。它们会继续以不断增大的速率膨胀，形成我们看到的泡泡。它们对应于开始以不断增加的速率膨胀的宇宙。这就是所谓的暴胀，正如每年的价格上涨一样。

　　通货膨胀的世界纪录应归一战以后的德国。在18月期间价格增大了1000万倍。但是，它和早期宇宙中的暴胀相比实在微不足道。宇宙在比一秒还微小得多的时间里膨胀了10的30次方倍。和通货膨胀不同，早期宇宙的暴胀是非常好的事情。它产生了一个非常巨大的均匀的宇宙，正如我们观察到的。然而，它不是完全均匀的。在对历史求和中，稍微具有无规性的历史和完全均匀和规则历史的概率几乎相同。因此，理论预言早期宇宙很可能是稍微不均匀的。这些无规性在从不同方向来的微波背景强度上引起小的变化。利用MAP(微波各向异性)卫星已经观察到微波背景，发现了和预言完全一致的变化。这样，我们知道自己正在正确的道路上前进。

　　早期宇宙中的无规性，意味着在有些区域的密度，比其他地方的稍高。这些额外密度的引力吸引使这个区域的膨胀减缓，而且最终能够使这些区域坍缩形成星系和恒星。请仔细看这张微波天图。它是宇宙中一切结构的蓝图。我们是极早期宇宙的量子起伏的产物。上帝的确在掷骰子。

　　始于爆炸止于黑洞

　　在过去的百年间，我们在宇宙学中取得了惊人的进步。广义相对论和宇宙膨胀的发现，粉碎了永远存在并将永远继续存在的宇宙的古老图像。取而代之，广义相对论预言，宇宙和时间本身都在大爆炸处起始。它还预言时间在黑洞里终结。宇宙微波背景的发现，以及黑洞的观测，支持这些结论。这是我们的宇宙图像和实在本身的一个深刻的改变。

　　虽然广义相对论预言了宇宙来自于过去一个高曲率的时期，但它不能预言宇宙如何从大爆炸形成。这样，广义相对论自身不能回答宇宙学的核心问题，为何宇宙如此这般。然而，如果广义相对论和量子论相合并，就可能预言宇宙是如何起始的。它开始以不断增大的速率膨胀。这两个理论的结合预言，在这个称作暴胀的时期，微小的起伏会发展，导致星系、恒星以及宇宙中所有其他结构的形成。对宇宙微波背景中的小的非均匀性的观测，完全证实了预言的性质。这样，我们似乎正朝着理解宇宙起源的正确方向前进，尽管还有许多工作要做。当我们通过精密测量太空船之间距离，进而能够检测到引力波，就会打开极早期宇宙的新窗口。引力波从最早的时刻自由地向我们传播，所有介入的物质都无法阻碍它。与此相比较，自由电子多次地散射光。这种散射一直进行到30万年后电子被凝结之前。

　　尽管我们已经取得了一些伟大成功，并非一切都已解决。我们观察到，宇宙的膨胀在长期的变缓之后，再次加速。对此理论还不能理解清楚。缺乏这种理解，对宇宙的未来还无法确定。它会继续地无限地膨胀下去吗？暴胀是一个自然定律吗？或者宇宙最终会再次塌缩吗？新的观测结果，理论的进步正迅速涌来。宇宙学是一个非常激动人心和活跃的学科。我们正接近回答这古老的问题：我们为何在此？我们从何而来？

 

[何家大少]

　　宇宙的起源

　　郭传杰　选自《青年科学向导》总第4期

　　在茫茫宇宙中，我们人类居住的星球叫地球。地球是太阳系中9个行星之一。太阳位于太阳系中心，半径为70万千米，表面温度达到6000度，是由其中心发生激烈的核聚变而产生的，这也是我们赖以生存的光、热源。太阳目前年龄约50亿年，寿命大约100亿年，正处在中年时期。它周围的9个行星依次是：水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。地球与太阳间的平均距离约1.5亿千米,光从太阳到地球约需8分钟。
　　太阳是银河系中的2000颗恒星之一。银河系形状如同一个中央突起、四周扁平的旋转大铁饼，大约2.5亿年旋转一周。其发光部分直径约7万光年，最大厚度达1万光年。银河系的大家族中，除2000亿颗恒星外，还有气体及尘埃组成的叫作星云的团块。
　　在银河系之外，还有类似银河系的上10亿个巨大的星系。夏夜晴空之时，人的肉眼可见的最远天体-仙女座星系，就是其中之一，它距银河225万光年。星系在宇宙中的分布是不均匀的，有的成双，有的成群，大的星系团甚至包括成百上千个星系。用功能最强大的射电望远镜，可以观测到150亿-200亿光年距离的遥远星系。这就是我们的宇宙。
　　宇宙是永恒存在还是不断演化的？有没有起源和终结？这是自古至今，人们一直感兴趣的问题。其实，在人类历史上,各种文明都曾有过自己的宇宙观。 在当代，占主导地位的看法是：我们的宇宙诞生于150亿-200亿年前的一次大爆炸，爆炸之后，物质的各种成份组合、演化，逐步形成星系团，这就是所谓的"大爆炸宇宙论"。
　　这种奇妙的观点是怎样提出的呢？1929年，著名的天文学家哈勃研究一些星系的光谱时，发现大多数天体的光谱都出现红移现象。根据光学知识，这意味着被观测的星体远离我们而去。进一步研究证明，星体离我们越远，飞离的速度越快，距离每增100万光年，飞离的速度增加每秒15千米。这一关系称为哈勃定律。据此的明显推论是：宇宙中的星体在彼此远离,宇宙正在膨胀之中。
　　如果说星系目前在彼此远离，那么同样会有另一个推论：在过去的某一时刻，各星系应是彼此聚集在一起的。用哈勃定律不难算出：那个最密集的起点时刻大约在距今150亿-200亿年之间。
　　1964年，贝尔实验室的彭齐亚斯和威尔逊用卫生星探测天线，发现宇宙到处都弥漫着微波波段的电磁辐射，与温度在3K的物体发出的电磁波长一样。这一发现给宇宙大爆炸学说以巨大支持，因此打开了研究宇宙整体物理演化过程的大门，是研究爆炸后1秒内宇宙状态的天文学家与研究高能世界的粒子物理学家实现了成功的联手会合。当然，由于这一领域的研究挑战性极强，难度极大，许多结果还处于理论预测或假设阶段，所有的结果都待于进一步研究发展。

 

[何家大少]

　　宇宙的起源


　　宇宙起源的问题有点像这个古老的问题：是先有鸡呢，还是先有蛋。换句话说，就是何物创生宇宙，又是何物创生该物呢？也许宇宙，或者创生它的东西已经存在了无限久的时间，并不需要被创生。直到不久之前，科学家们还一直试图回避这样的问题，觉得它们与其说是属于科学，不如说是属于形而上学或宗教的问题。然而，人们在过去几年发现，科学定律甚至在宇宙的开端也是成立的。在那种情形下，宇宙可以是自足的，并由科学定律所完全确定。 　　[14]作者注：此文发表于1987年6月在剑桥举行的为纪念牛顿《原理》出版三百周年的引力三百年的会议上。
　　关于宇宙是否并如何启始的争论贯穿了整个有记载的历史。基本上存在两个思想学派。许多早期的传统，以及犹太教、基督教和伊斯兰教认为宇宙是在相当近的过去创生的。（十七世纪时邬谢尔主教算出宇宙诞生的日期是公元前4004年，这个数目是由把在旧约圣经中人物的年龄加起来而得到的。）承认人类在文化和技术上的明显的进化，是近代出现的支持上述思想的一个事实。我们记得那种业绩的首创者或者这种技术的发展者。可以如此这般地进行论证，即我们不可能存在了那许久；因为否则的话，我们应比目前更加先进才对。事实上，圣经的创世日期和上次冰河期的结束相差不多，而这似乎正是现代人类首次出现的时候。
　　另一方面，还有诸如希腊哲学家亚里斯多德的一些人，他们不喜欢宇宙有个开端的思想。他们觉得这意味着神意的干涉。他们宁愿相信宇宙已经存在了并将继续存在无限久。某种不朽的东西比某种必须被创生的东西更加完美。他们对上述有关人类进步的诘难的回答是：周期性洪水或者其他自然灾难重复地使人类回到起始状态。
　　两种学派都认为，宇宙在根本上随时间不变。它要么以现在形式创生，要么以今天的样子维持了无限久。这是一种自然的信念，由于人类生命――实际上整个有记载的历史是如此之短暂，宇宙在此期间从未显著地改变过。在一个稳定不变的宇宙的框架中，它是否已经存在了无限久或者是在有限久的过去诞生的问题，实在是一种形而上学或宗教的问题：任何一种理论都能对此作解释。1781年哲学家伊曼努尔・康德写了一部里程碑式的、也是非常模糊的著作《纯粹理性批判》。他在这部著作中得出结论，存在同样有效的论证分别用以支持宇宙有一个开端或者宇宙没有开端的信仰。正如他的书名所提示的，他是简单地基于推理得出结论，换句话说，就是根本不管宇宙的观测。毕竟也是，在一个不变的宇宙中，有什么可供观测的呢？
　　然而在十九世纪，证据开始逐渐积累起来，它表明地球以及宇宙的其他部分事实上是随时间而变化的。地学家们意识到岩石以及其中的化石的形成需要花费几亿甚至几十亿年的时间。这比创生论者计算的地球年龄长得太多了。由德国物理学家路德维希・玻尔兹曼提出的所谓热力学第二定律还提供了进一步的证据，宇宙中的无序度的总量（它是由称为熵的量所测量的）总是随时间而增加，正如有关人类进步的论证，它暗示宇宙只能运行了有限的时间，否则的话，它现在应已退化到一种完全无序的状态，在这种状态下万物都处于相同的温度下。
　　稳恒宇宙思想所遭遇到的另外困难是，根据牛顿的引力定律，宇宙中的每一颗恒星必须相互吸引。如果是这样的话，它们怎么能维持相互间的恒定距离，并且静止地停在那里呢？
　　牛顿晓得这个问题。在一封致当时一位主要哲学家里查德・本特里的信中，他同意这样的观点，即有限的一群恒星不可能静止不动，它们全部会落到某个中心点。然而，他论断道，一个无限的恒星集合不会落到一起，由于不存在任何可供它们落去的中心点。这种论证是人们在谈论无限系统时会遭遇到的陷阱的一个例子。用不同的方法将从宇宙的其余的无限数目的恒星作用到每颗恒星的力加起来，会对恒星间是否维持恒常距离给出不同的答案。我们现在知道，其正确的步骤是考虑恒星的有限区域，然后加上在该区域之外大致均匀分布的更多恒星。恒星的有限区域会落到一起，而按照牛顿定律，在该区域外加上更多的恒星不能阻止其坍缩。这样，一个恒星的无限集合不能处于静止不动的状态。如果它们在某一时刻不在作相对运动，它们之间的吸引力会引起它们开始朝相互方向落去。另一种情形是，它们可能正在相互离开，而引力使这种退行速度降低。
　　尽管恒定不变的宇宙的观念具有这些困难，十七、十八、十九甚至二十世纪初期都没有人提出过，宇宙也许是随时间演化的，不管是牛顿还是爱因斯坦都失去了预言宇宙不是在收缩便是在膨胀的机会。因为牛顿生活在观测发现宇宙膨胀以前的二百五十年，所以人们实在不能责备他。但是爱因斯坦应该知道得更好。他在1915年提出的广义相对论预言宇宙正在膨胀。但是他对稳恒宇宙是如此之执迷不悟，以至于要在理论中加上一个使之和牛顿理论相调和并用于抗衡引力的因素。
　　1929年埃德温・哈勃的宇宙膨胀的发现完全改观了有关其起源的讨论。如果你把星系现在的运动往时间的过去方向倒溯，它们在一百亿和二百亿年前之间的某一时刻似乎应该重叠在一起，在这个称为大爆炸奇点的时刻，宇宙的密度和时空的曲率应为无穷大。所有的已知的科学定律在这种条件下都失效了。这对科学是一桩灾难。科学所能告诉我们的一切是：宇宙现状之所以如此是因为它过去是处于那种形态。但是科学不能解释为何它在大爆炸后的那一瞬间是那个样子的。
　　这样，许多科学家对此结论感到不悦就毫不足怪了。为了避免存在大爆炸奇点以及由此引起的时间具有开端的结论，人们进行了若干尝试。其中一种称为稳恒态理论。它的思想是，随着星系互相分离而去，由连续产生的物质在星系之间的空间中形成新的星系。这样宇宙就多多少少以今日这样的状态不但已经存在了，而且还将继续存在无限长时间。
　　为了使宇宙继续膨胀并创生新物质，稳恒态模型需要修改广义相对论。但是所需要的产生率非常低：大约为每年每立方公里一个粒子，这不会和观测相冲突。该理论还预言了，星系和类似物体的平均密度不但在空间上而且在时间上必须是常数。然而，由马丁・赖尔和他的剑桥小组进行的银河系外射电源的普查显示，弱源的数目比强源的数目多得多。人们可以预料，弱的源在平均上讲应是较遥远的。这样就存在两种可能性：或许我们正位于宇宙中的一个强源不如平均源频繁的区域；或者过去的源的密度更高，光线在离开这些源向我们传播时旅行了更遥远的距离。这两种可能性没有一种和稳恒态理论相协调，因为该理论预言射电源密度不仅在空间上而且在时间上必须为常数。1964年阿诺・彭齐亚斯和罗伯特・威尔逊发现了从比我们的银河系遥远得多的地方起源的微波辐射背景，这是对该理论的致命打击。它具有从一个热体发射出的辐射的特征谱，尽管在这种情形下热这个字根本不适合，因为其温度只不过比绝对零度高2.7度而已。宇宙是一个既寒冷又黑暗的地方！稳恒态理论中没有一种产生具有这种谱的微波的合理机制，所以稳恒态理论难逃被抛弃的命运。
　　1963年两位俄国科学家欧格尼・利弗席兹和伊萨克・哈拉尼科夫提出另一种思想，企图用来避免大爆炸奇性。他们说，只有当星系直接相互接近或离开时，它们才会在过去的一个单独的点上相重叠，才导致无限密度状态。可惜的是，星系还多少具有一些侧向速度，宇宙早斯就可能存在过这样的一种收缩相，这时，星系虽然曾经非常靠近过，却能设法避免互相撞击。然后宇宙会继续重新膨胀，而不必通过一种无限的密度的状态。
　　当利弗席兹和哈拉尼科夫提出其设想时，我正是一名研究生，亟需一个问题以完成博士论文。因为是否有过大爆炸奇点的问题对于理解宇宙的起源关系重大，所以它引起了我的兴趣。我和罗杰・彭罗斯一道发展了一套数学工具，用以处理这个以及类似的问题。我们指出，如果广义相对论是正确的，任何合理的宇宙模型都必须起始于一个奇点。这就表明，科学能够预言，宇宙必须有一个开端，但是它不能够预言宇宙应如何启始的：正因为如此，人们必须求助于上帝。
　　审察人们对奇性看法的变化是十分有趣的。当我还是一名研究生时，几乎没人认真地看待之。现在，作为奇性定理的一个结果，几乎无人不信宇宙是从一个奇点起始的，物理定律在该处失效。然而，现在我认为，虽然存在奇点，物理定律仍能确定宇宙是如何起始的。
　　广义相对论是一种被称为经典的理论。也就是说，它没有顾及这个事实，即粒子不具备精确定义的位置和速度，由于过于力学的不确定性原理位置和速度在小范围内被"抹平"，不确定性原理不允许我们同时既测量位置又测量速度。因为在正常情形下时空的曲率在和粒子位置的不确定性相比较时非常大，这些对我们没什么影响。然而奇性定理指出，在现在的宇宙膨胀相的开端，时空被高度地畸变，并且具有很小的曲率半径。不确定原理在这种情形下变成非常重要。这样，广义相对论因预言奇性而导致自身的垮台。为了讨论宇宙的开端，我们需要一种结合广义相对论和量子力学的理论。
　　那种理论便是量子引力论。我们尚未知道正确的量子引力论应采取的准确形式。我们此刻所拥有的最佳候选者是超弦理论，但它仍有许多未解决的困难。然而，人们可以期望，任何有前途的理论都应具有的某些特征。其中之一便是爱因斯坦的思想，引力效应由被物质和能量所弯曲甚至卷曲的时空来体现。物体在弯曲空间中沿着最接近于直线的轨迹运行。然而，由于时空是弯曲的，所以它们的路径就显得是弯折的，正如同被引力场所弯折了似的。
　　另一种在这个终极理论中可以预料的要素是里查德・费因曼的设想，即量子理论可以表达成"对历史的求和"。该思想可以最简单的形式表达成，每颗粒子在时间中走过任何可能的路径或历史。每一路径或历史具有依其形状而定的概率。为了使这种思想可行，人们必须考虑在虚时间里发生的历史，而不是在我们感觉生活于其中的实时间里发生的历史。虚时间听起来有点像是科学幻想的东西，其实它是定义得很好的数学概念。它在某种意义上可被认为是和实时间成直角的时间方向。人们把所有具有某种性质的粒子历史，譬如讲在某些时刻通过某些点的历史的概率加起来。然后应把这结果延拓到我们在其中生活的实的时空中去。这不是量子力学的最熟知的手段，但它给出和其他方法得到的相同结果。
　　在量子引力的情形下，费因曼的对历史求和的思想牵涉到对宇宙的不同的可能的历史，也就是对不同的弯曲时空的求和。这些代表了宇宙和它之中的任何东西的历史。人们必须指明，在对历史的求和中，应包括哪些种类的弯曲空间。这种空间种类的选取确定了宇宙处于什么状态。如果定义宇宙状态的弯曲空间种类包括具有奇性的空间，则该理论就不能确定这类空间的概率。相反的，它们必须以某种任意的方法被赋予概率。这意味着科学不能预言时空的这类奇性历史的概率。这样，它就不能预言宇宙应如何运行。然而，宇宙可能处于由只包括非奇性弯曲空间的求和所定义的状态。在这种情形下，科学定律就把宇宙完全确定，人们就不必吁求宇宙之外的某物来确定宇宙如何启始。由只对非奇性历史的求和确定宇宙的状态有点像一名醉汉在灯柱之下找他的钥匙：这儿也许不是他遗失之处，但是这儿是他可能找到的仅有的地方。类似的，宇宙也许不处于由对非奇性历史求和定义的状态，但这是科学能预言宇宙应当什么样子的仅有的状态。
　　1983年詹姆・哈特尔和我提出，宇宙的状态应由对一定种类历史的求和给出。这类历史由没有奇性的，而且具有有限尺度却没有边界或边缘的弯曲空间组成。它们像是地球的表面，只不过多了两维。地球的表面具有有限的面积，但是它不具有任何奇性、边界或边缘。我曾经用实验验证过这一点。我作过环球旅行，而没有落到外面去。
　　哈特尔和我所做的设想可以被重新表达成：宇宙的边界条件是它没有边界。只有当宇宙处于这个无边界状态时，科学定律自身才能确定每种可能历史的概率。因此，只有在这种情形下，已知的定律才会确定宇宙应如何运行。如果宇宙处于任何其他的状态，则历史求和中的弯曲空间的种类就要包括具有奇性的空间。人们必须求助于已知科学定律以外的某种原理，才能确定这种奇性历史的概率。这种原理就会是外在于我们宇宙的某种东西。我们不能从我们宇宙之中将其推导出来。而另一方面，如果宇宙是处于无边界状态，在原则上，我们就能在不确定性原理容忍的限制之内完全确定宇宙应如何运行。
　　如果宇宙处于无边界状态，那对于科学而言就太好了，但是我们如何才能知道事情究竟是否如此呢？其答案是，无边界设想对宇宙应如何运行作出了明确的预言。如果这些预言不与观测相符合，则我们就能得出结论说，宇宙不处于无边界状态。这样，在哲学家卡尔・波普定义的意义上说，无边界设想是一种好的科学理论：它可被观测证伪。
　　如果观测不与预言相符合，我们就知道在可能历史的种类中必须有奇性。然而，这就大致上是我们知道的一切。我们不能计算出这种奇性历史的概率，因此我们不能预言宇宙应如何运行。有人也许会认为，如果不可预见性只发生在大爆炸处，那不会太碍事，那毕竟是一百亿或二百亿年以前的事。但是，如果可预言性在大爆炸的非常强引力场中失效，那么只要恒星坍缩它也会失效。这种事件仅在我们的银河系中每周就会发生几次。我们的预言能力甚至按照天气预报的标准来说也是非常差劲的。
　　当然，人们还会说，我们根本不必在乎发生在一颗遥远恒星处的可预言性的失效。然而，在量子理论中任何不被实际上禁止的东西都能够并将要发生。这样，如果可能历史的种类中包括奇性空间的话，这些奇性可在任何地方发生，而不仅在大爆炸处以及坍缩星之中。这意味着，我们不能预言任何东西。反过来说，我们能够预言事件的这一事实是反对奇性并赞同无边界设想的实验证据。
　　那么无边界设想为宇宙做出什么预言呢？第一个预言是，因为宇宙的所有可能的历史在广延上都是有限的，所以人们用来作为时间测度的任何量都必须有一个最大值和一个最小值。这样宇宙就有一个开端和一个终结。在实时间中的开端即是大爆炸奇点。然而在虚时间中这个开端就不再是奇点。相反的，它有点像地球的北极。如果人们把地球表面的纬度当作时间的类似物，则可以说地球的表面从北极开始。然而，北极是地球上完全普通的一点。它没有任何特殊之处，同样的定律在北极正如同在地球上的其他地方同样地成立。类似的，我们用来标志作"在虚时间内宇宙的启始"的事件是时空中的一个通常的点，正如其他的点那样。科学定律在开端处正如在其他地方一样成立。
　　人们从和地球表面的类比，也许会预料到，正如北极和南极相似一样，宇宙的终结会和开端相类似。然而，北南二极是对应于虚时间中的宇宙历史的开端和终结。如果人们把对历史求和的结果从虚时间向实时间延拓，就会发现宇宙在实时间中的开端和它的终结可以非常不同。
　　约纳逊・哈里威尔和我对无边界条件的含义作过一个近似计算。我们把宇宙当作一个完全光滑和均匀的背景来处理，在这个背景上存在密度的小微扰。宇宙在实时间中从非常小的半径开始膨胀。最初的这种膨胀被称作暴涨，也就是说，宇宙尺度在比一秒还要短暂非常多的每一时间间隔中得到加倍，这正如在某些国家中每一年价格都要加倍一样。第一次世界大战后的德国也许创下了通货膨胀的世界纪录，一捆面包的价格在几个月的时间内从一个马克涨到一百万马克。但是没有任何东西可与似乎在极早期宇宙发生过的暴涨相比拟，宇宙尺度在一秒的极微小的部分时间内至少增加了一百万亿亿亿倍。这当然是发生在当局政府之前的事。
　　暴涨在如下意义上来说，是件好事，它产生了一个在大尺度上光滑而均匀的宇宙，而且这个宇宙以刚好避免坍缩的临界速度膨胀。它还能在相当严格的意义上把宇宙的所有内容从无中创生出来，这是暴涨的又一好处。当宇宙像北极那样的一个单独点时，它不包含有任何东西。然而，在我们可观测到的宇宙部分至少有十的八十次方颗粒子。所有这些粒子从何而来呢？其答案是，相对论和量子力学允许物质从能量中以粒子反粒子对的形式创生出来。那么能量又是从何而来以创生物质呢？其答案是，它是从宇宙的引力能中借来的。宇宙亏欠了极大数量的负引力能的债务，它刚好和物质的正能量相平衡。其结果便是凯恩斯经济学的胜利：一个充满物质的、充满活力的正在膨胀的宇宙。引力能的债务只有在宇宙终结时才能偿付清。
　　早期宇宙不能是完全均匀一致的，因为否则的话就会违反量子力学的不确定性原理。相反的，必须存在对均匀密度的一些偏差。无边界设想意味着，这些密度差别是从它们的基态开始，也就是说，它们是和不确定性原理相一致的尽可能的小。然而，这些差别在暴涨时被放大了。在暴涨时期结束之后，留下的宇宙是一些地方比另一些地方膨胀得稍快一些。在膨胀稍慢的区域，物质的引力吸引使膨胀进一步减慢。该区域最终会停止膨胀，并且收缩形成星系和恒星。这样，无边界设想可以解释我们四周看到的所有复杂结构。然而，它没有给宇宙作出单独的预言。相反地，它预言整整一族可能的历史，每一个历史都具有自己的概率。也许可能有这样的历史，工党在上次英国竞选中取胜，虽然这种概率很小。
　　无边界设想对于上帝在宇宙事务中的作用含义极其深远。人们现在广泛接受，宇宙按照定义很好的定律演化。这些定律可能是上帝钦定的，但是他似乎不去干涉宇宙去违反这些定律。然而，直到不久以前，人们都认为这些定律不能适用于宇宙的开初。那就要依赖上帝去旋紧发条，并让宇宙顺着他的意愿的方式去运行。这样，宇宙的现状是上帝对初始条件选择的结果。
　　然而，如果某种像无边界设想的东西是正确的话，则情况就会大大改观。在那种情形下，物理定律甚至也适用于宇宙的开端，这样上帝就没有选取初始条件的自由。当然他在选取宇宙要服从的定律上仍然具有自由。然而，这里并没有许多选择的余地。也许只存在很少数目的定律，这些定律是自洽的，并能导致像我们自己这么复杂的生物的存在，他能询问什么是上帝的性质。
　　甚至即使只存在唯一的一族可能的定律，它也只不过是一族方程。究竟是什么东西将生命之火赋予这些方程，使之产生一个受它们制约的宇宙呢？难道终极的统一理论是如此之咄咄逼人，以至于其自身的实现成为不可避免？虽然科学能解决宇宙如何启始的课题，它仍然无法回答这个问题：为何宇宙必须存在？我对此没有答案。

　　[14]作者注：此文发表于1987年6月在剑桥举行的为纪念牛顿《原理》出版三百周年的引力三百年的会议上。


　　关于宇宙是否并如何启始的争论贯穿了整个有记载的历史。基本上存在两个思想学派。许多早期的传统，以及犹太教、基督教和伊斯兰教认为宇宙是在相当近的过去创生的。（十七世纪时邬谢尔主教算出宇宙诞生的日期是公元前4004年，这个数目是由把在旧约圣经中人物的年龄加起来而得到的。）承认人类在文化和技术上的明显的进化，是近代出现的支持上述思想的一个事实。我们记得那种业绩的首创者或者这种技术的发展者。可以如此这般地进行论证，即我们不可能存在了那许久；因为否则的话，我们应比目前更加先进才对。事实上，圣经的创世日期和上次冰河期的结束相差不多，而这似乎正是现代人类首次出现的时候。
　　另一方面，还有诸如希腊哲学家亚里斯多德的一些人，他们不喜欢宇宙有个开端的思想。他们觉得这意味着神意的干涉。他们宁愿相信宇宙已经存在了并将继续存在无限久。某种不朽的东西比某种必须被创生的东西更加完美。他们对上述有关人类进步的诘难的回答是：周期性洪水或者其他自然灾难重复地使人类回到起始状态。
　　两种学派都认为，宇宙在根本上随时间不变。它要么以现在形式创生，要么以今天的样子维持了无限久。这是一种自然的信念，由于人类生命――实际上整个有记载的历史是如此之短暂，宇宙在此期间从未显著地改变过。在一个稳定不变的宇宙的框架中，它是否已经存在了无限久或者是在有限久的过去诞生的问题，实在是一种形而上学或宗教的问题：任何一种理论都能对此作解释。1781年哲学家伊曼努尔・康德写了一部里程碑式的、也是非常模糊的著作《纯粹理性批判》。他在这部著作中得出结论，存在同样有效的论证分别用以支持宇宙有一个开端或者宇宙没有开端的信仰。正如他的书名所提示的，他是简单地基于推理得出结论，换句话说，就是根本不管宇宙的观测。毕竟也是，在一个不变的宇宙中，有什么可供观测的呢？
　　然而在十九世纪，证据开始逐渐积累起来，它表明地球以及宇宙的其他部分事实上是随时间而变化的。地学家们意识到岩石以及其中的化石的形成需要花费几亿甚至几十亿年的时间。这比创生论者计算的地球年龄长得太多了。由德国物理学家路德维希・玻尔兹曼提出的所谓热力学第二定律还提供了进一步的证据，宇宙中的无序度的总量（它是由称为熵的量所测量的）总是随时间而增加，正如有关人类进步的论证，它暗示宇宙只能运行了有限的时间，否则的话，它现在应已退化到一种完全无序的状态，在这种状态下万物都处于相同的温度下。
　　稳恒宇宙思想所遭遇到的另外困难是，根据牛顿的引力定律，宇宙中的每一颗恒星必须相互吸引。如果是这样的话，它们怎么能维持相互间的恒定距离，并且静止地停在那里呢？
　　牛顿晓得这个问题。在一封致当时一位主要哲学家里查德・本特里的信中，他同意这样的观点，即有限的一群恒星不可能静止不动，它们全部会落到某个中心点。然而，他论断道，一个无限的恒星集合不会落到一起，由于不存在任何可供它们落去的中心点。这种论证是人们在谈论无限系统时会遭遇到的陷阱的一个例子。用不同的方法将从宇宙的其余的无限数目的恒星作用到每颗恒星的力加起来，会对恒星间是否维持恒常距离给出不同的答案。我们现在知道，其正确的步骤是考虑恒星的有限区域，然后加上在该区域之外大致均匀分布的更多恒星。恒星的有限区域会落到一起，而按照牛顿定律，在该区域外加上更多的恒星不能阻止其坍缩。这样，一个恒星的无限集合不能处于静止不动的状态。如果它们在某一时刻不在作相对运动，它们之间的吸引力会引起它们开始朝相互方向落去。另一种情形是，它们可能正在相互离开，而引力使这种退行速度降低。
　　尽管恒定不变的宇宙的观念具有这些困难，十七、十八、十九甚至二十世纪初期都没有人提出过，宇宙也许是随时间演化的，不管是牛顿还是爱因斯坦都失去了预言宇宙不是在收缩便是在膨胀的机会。因为牛顿生活在观测发现宇宙膨胀以前的二百五十年，所以人们实在不能责备他。但是爱因斯坦应该知道得更好。他在1915年提出的广义相对论预言宇宙正在膨胀。但是他对稳恒宇宙是如此之执迷不悟，以至于要在理论中加上一个使之和牛顿理论相调和并用于抗衡引力的因素。
　　1929年埃德温・哈勃的宇宙膨胀的发现完全改观了有关其起源的讨论。如果你把星系现在的运动往时间的过去方向倒溯，它们在一百亿和二百亿年前之间的某一时刻似乎应该重叠在一起，在这个称为大爆炸奇点的时刻，宇宙的密度和时空的曲率应为无穷大。所有的已知的科学定律在这种条件下都失效了。这对科学是一桩灾难。科学所能告诉我们的一切是：宇宙现状之所以如此是因为它过去是处于那种形态。但是科学不能解释为何它在大爆炸后的那一瞬间是那个样子的。
　　这样，许多科学家对此结论感到不悦就毫不足怪了。为了避免存在大爆炸奇点以及由此引起的时间具有开端的结论，人们进行了若干尝试。其中一种称为稳恒态理论。它的思想是，随着星系互相分离而去，由连续产生的物质在星系之间的空间中形成新的星系。这样宇宙就多多少少以今日这样的状态不但已经存在了，而且还将继续存在无限长时间。
　　为了使宇宙继续膨胀并创生新物质，稳恒态模型需要修改广义相对论。但是所需要的产生率非常低：大约为每年每立方公里一个粒子，这不会和观测相冲突。该理论还预言了，星系和类似物体的平均密度不但在空间上而且在时间上必须是常数。然而，由马丁・赖尔和他的剑桥小组进行的银河系外射电源的普查显示，弱源的数目比强源的数目多得多。人们可以预料，弱的源在平均上讲应是较遥远的。这样就存在两种可能性：或许我们正位于宇宙中的一个强源不如平均源频繁的区域；或者过去的源的密度更高，光线在离开这些源向我们传播时旅行了更遥远的距离。这两种可能性没有一种和稳恒态理论相协调，因为该理论预言射电源密度不仅在空间上而且在时间上必须为常数。1964年阿诺・彭齐亚斯和罗伯特・威尔逊发现了从比我们的银河系遥远得多的地方起源的微波辐射背景，这是对该理论的致命打击。它具有从一个热体发射出的辐射的特征谱，尽管在这种情形下热这个字根本不适合，因为其温度只不过比绝对零度高2.7度而已。宇宙是一个既寒冷又黑暗的地方！稳恒态理论中没有一种产生具有这种谱的微波的合理机制，所以稳恒态理论难逃被抛弃的命运。
　　1963年两位俄国科学家欧格尼・利弗席兹和伊萨克・哈拉尼科夫提出另一种思想，企图用来避免大爆炸奇性。他们说，只有当星系直接相互接近或离开时，它们才会在过去的一个单独的点上相重叠，才导致无限密度状态。可惜的是，星系还多少具有一些侧向速度，宇宙早斯就可能存在过这样的一种收缩相，这时，星系虽然曾经非常靠近过，却能设法避免互相撞击。然后宇宙会继续重新膨胀，而不必通过一种无限的密度的状态。
　　当利弗席兹和哈拉尼科夫提出其设想时，我正是一名研究生，亟需一个问题以完成博士论文。因为是否有过大爆炸奇点的问题对于理解宇宙的起源关系重大，所以它引起了我的兴趣。我和罗杰・彭罗斯一道发展了一套数学工具，用以处理这个以及类似的问题。我们指出，如果广义相对论是正确的，任何合理的宇宙模型都必须起始于一个奇点。这就表明，科学能够预言，宇宙必须有一个开端，但是它不能够预言宇宙应如何启始的：正因为如此，人们必须求助于上帝。
　　审察人们对奇性看法的变化是十分有趣的。当我还是一名研究生时，几乎没人认真地看待之。现在，作为奇性定理的一个结果，几乎无人不信宇宙是从一个奇点起始的，物理定律在该处失效。然而，现在我认为，虽然存在奇点，物理定律仍能确定宇宙是如何起始的。
　　广义相对论是一种被称为经典的理论。也就是说，它没有顾及这个事实，即粒子不具备精确定义的位置和速度，由于过于力学的不确定性原理位置和速度在小范围内被"抹平"，不确定性原理不允许我们同时既测量位置又测量速度。因为在正常情形下时空的曲率在和粒子位置的不确定性相比较时非常大，这些对我们没什么影响。然而奇性定理指出，在现在的宇宙膨胀相的开端，时空被高度地畸变，并且具有很小的曲率半径。不确定原理在这种情形下变成非常重要。这样，广义相对论因预言奇性而导致自身的垮台。为了讨论宇宙的开端，我们需要一种结合广义相对论和量子力学的理论。
　　那种理论便是量子引力论。我们尚未知道正确的量子引力论应采取的准确形式。我们此刻所拥有的最佳候选者是超弦理论，但它仍有许多未解决的困难。然而，人们可以期望，任何有前途的理论都应具有的某些特征。其中之一便是爱因斯坦的思想，引力效应由被物质和能量所弯曲甚至卷曲的时空来体现。物体在弯曲空间中沿着最接近于直线的轨迹运行。然而，由于时空是弯曲的，所以它们的路径就显得是弯折的，正如同被引力场所弯折了似的。
　　另一种在这个终极理论中可以预料的要素是里查德・费因曼的设想，即量子理论可以表达成"对历史的求和"。该思想可以最简单的形式表达成，每颗粒子在时间中走过任何可能的路径或历史。每一路径或历史具有依其形状而定的概率。为了使这种思想可行，人们必须考虑在虚时间里发生的历史，而不是在我们感觉生活于其中的实时间里发生的历史。虚时间听起来有点像是科学幻想的东西，其实它是定义得很好的数学概念。它在某种意义上可被认为是和实时间成直角的时间方向。人们把所有具有某种性质的粒子历史，譬如讲在某些时刻通过某些点的历史的概率加起来。然后应把这结果延拓到我们在其中生活的实的时空中去。这不是量子力学的最熟知的手段，但它给出和其他方法得到的相同结果。
　　在量子引力的情形下，费因曼的对历史求和的思想牵涉到对宇宙的不同的可能的历史，也就是对不同的弯曲时空的求和。这些代表了宇宙和它之中的任何东西的历史。人们必须指明，在对历史的求和中，应包括哪些种类的弯曲空间。这种空间种类的选取确定了宇宙处于什么状态。如果定义宇宙状态的弯曲空间种类包括具有奇性的空间，则该理论就不能确定这类空间的概率。相反的，它们必须以某种任意的方法被赋予概率。这意味着科学不能预言时空的这类奇性历史的概率。这样，它就不能预言宇宙应如何运行。然而，宇宙可能处于由只包括非奇性弯曲空间的求和所定义的状态。在这种情形下，科学定律就把宇宙完全确定，人们就不必吁求宇宙之外的某物来确定宇宙如何启始。由只对非奇性历史的求和确定宇宙的状态有点像一名醉汉在灯柱之下找他的钥匙：这儿也许不是他遗失之处，但是这儿是他可能找到的仅有的地方。类似的，宇宙也许不处于由对非奇性历史求和定义的状态，但这是科学能预言宇宙应当什么样子的仅有的状态。
　　1983年詹姆・哈特尔和我提出，宇宙的状态应由对一定种类历史的求和给出。这类历史由没有奇性的，而且具有有限尺度却没有边界或边缘的弯曲空间组成。它们像是地球的表面，只不过多了两维。地球的表面具有有限的面积，但是它不具有任何奇性、边界或边缘。我曾经用实验验证过这一点。我作过环球旅行，而没有落到外面去。
　　哈特尔和我所做的设想可以被重新表达成：宇宙的边界条件是它没有边界。只有当宇宙处于这个无边界状态时，科学定律自身才能确定每种可能历史的概率。因此，只有在这种情形下，已知的定律才会确定宇宙应如何运行。如果宇宙处于任何其他的状态，则历史求和中的弯曲空间的种类就要包括具有奇性的空间。人们必须求助于已知科学定律以外的某种原理，才能确定这种奇性历史的概率。这种原理就会是外在于我们宇宙的某种东西。我们不能从我们宇宙之中将其推导出来。而另一方面，如果宇宙是处于无边界状态，在原则上，我们就能在不确定性原理容忍的限制之内完全确定宇宙应如何运行。
　　如果宇宙处于无边界状态，那对于科学而言就太好了，但是我们如何才能知道事情究竟是否如此呢？其答案是，无边界设想对宇宙应如何运行作出了明确的预言。如果这些预言不与观测相符合，则我们就能得出结论说，宇宙不处于无边界状态。这样，在哲学家卡尔・波普定义的意义上说，无边界设想是一种好的科学理论：它可被观测证伪。
　　如果观测不与预言相符合，我们就知道在可能历史的种类中必须有奇性。然而，这就大致上是我们知道的一切。我们不能计算出这种奇性历史的概率，因此我们不能预言宇宙应如何运行。有人也许会认为，如果不可预见性只发生在大爆炸处，那不会太碍事，那毕竟是一百亿或二百亿年以前的事。但是，如果可预言性在大爆炸的非常强引力场中失效，那么只要恒星坍缩它也会失效。这种事件仅在我们的银河系中每周就会发生几次。我们的预言能力甚至按照天气预报的标准来说也是非常差劲的。
　　当然，人们还会说，我们根本不必在乎发生在一颗遥远恒星处的可预言性的失效。然而，在量子理论中任何不被实际上禁止的东西都能够并将要发生。这样，如果可能历史的种类中包括奇性空间的话，这些奇性可在任何地方发生，而不仅在大爆炸处以及坍缩星之中。这意味着，我们不能预言任何东西。反过来说，我们能够预言事件的这一事实是反对奇性并赞同无边界设想的实验证据。
　　那么无边界设想为宇宙做出什么预言呢？第一个预言是，因为宇宙的所有可能的历史在广延上都是有限的，所以人们用来作为时间测度的任何量都必须有一个最大值和一个最小值。这样宇宙就有一个开端和一个终结。在实时间中的开端即是大爆炸奇点。然而在虚时间中这个开端就不再是奇点。相反的，它有点像地球的北极。如果人们把地球表面的纬度当作时间的类似物，则可以说地球的表面从北极开始。然而，北极是地球上完全普通的一点。它没有任何特殊之处，同样的定律在北极正如同在地球上的其他地方同样地成立。类似的，我们用来标志作"在虚时间内宇宙的启始"的事件是时空中的一个通常的点，正如其他的点那样。科学定律在开端处正如在其他地方一样成立。
　　人们从和地球表面的类比，也许会预料到，正如北极和南极相似一样，宇宙的终结会和开端相类似。然而，北南二极是对应于虚时间中的宇宙历史的开端和终结。如果人们把对历史求和的结果从虚时间向实时间延拓，就会发现宇宙在实时间中的开端和它的终结可以非常不同。
　　约纳逊・哈里威尔和我对无边界条件的含义作过一个近似计算。我们把宇宙当作一个完全光滑和均匀的背景来处理，在这个背景上存在密度的小微扰。宇宙在实时间中从非常小的半径开始膨胀。最初的这种膨胀被称作暴涨，也就是说，宇宙尺度在比一秒还要短暂非常多的每一时间间隔中得到加倍，这正如在某些国家中每一年价格都要加倍一样。第一次世界大战后的德国也许创下了通货膨胀的世界纪录，一捆面包的价格在几个月的时间内从一个马克涨到一百万马克。但是没有任何东西可与似乎在极早期宇宙发生过的暴涨相比拟，宇宙尺度在一秒的极微小的部分时间内至少增加了一百万亿亿亿倍。这当然是发生在当局政府之前的事。
　　暴涨在如下意义上来说，是件好事，它产生了一个在大尺度上光滑而均匀的宇宙，而且这个宇宙以刚好避免坍缩的临界速度膨胀。它还能在相当严格的意义上把宇宙的所有内容从无中创生出来，这是暴涨的又一好处。当宇宙像北极那样的一个单独点时，它不包含有任何东西。然而，在我们可观测到的宇宙部分至少有十的八十次方颗粒子。所有这些粒子从何而来呢？其答案是，相对论和量子力学允许物质从能量中以粒子反粒子对的形式创生出来。那么能量又是从何而来以创生物质呢？其答案是，它是从宇宙的引力能中借来的。宇宙亏欠了极大数量的负引力能的债务，它刚好和物质的正能量相平衡。其结果便是凯恩斯经济学的胜利：一个充满物质的、充满活力的正在膨胀的宇宙。引力能的债务只有在宇宙终结时才能偿付清。
　　早期宇宙不能是完全均匀一致的，因为否则的话就会违反量子力学的不确定性原理。相反的，必须存在对均匀密度的一些偏差。无边界设想意味着，这些密度差别是从它们的基态开始，也就是说，它们是和不确定性原理相一致的尽可能的小。然而，这些差别在暴涨时被放大了。在暴涨时期结束之后，留下的宇宙是一些地方比另一些地方膨胀得稍快一些。在膨胀稍慢的区域，物质的引力吸引使膨胀进一步减慢。该区域最终会停止膨胀，并且收缩形成星系和恒星。这样，无边界设想可以解释我们四周看到的所有复杂结构。然而，它没有给宇宙作出单独的预言。相反地，它预言整整一族可能的历史，每一个历史都具有自己的概率。也许可能有这样的历史，工党在上次英国竞选中取胜，虽然这种概率很小。
　　无边界设想对于上帝在宇宙事务中的作用含义极其深远。人们现在广泛接受，宇宙按照定义很好的定律演化。这些定律可能是上帝钦定的，但是他似乎不去干涉宇宙去违反这些定律。然而，直到不久以前，人们都认为这些定律不能适用于宇宙的开初。那就要依赖上帝去旋紧发条，并让宇宙顺着他的意愿的方式去运行。这样，宇宙的现状是上帝对初始条件选择的结果。
　　然而，如果某种像无边界设想的东西是正确的话，则情况就会大大改观。在那种情形下，物理定律甚至也适用于宇宙的开端，这样上帝就没有选取初始条件的自由。当然他在选取宇宙要服从的定律上仍然具有自由。然而，这里并没有许多选择的余地。也许只存在很少数目的定律，这些定律是自洽的，并能导致像我们自己这么复杂的生物的存在，他能询问什么是上帝的性质。
　　甚至即使只存在唯一的一族可能的定律，它也只不过是一族方程。究竟是什么东西将生命之火赋予这些方程，使之产生一个受它们制约的宇宙呢？难道终极的统一理论是如此之咄咄逼人，以至于其自身的实现成为不可避免？虽然科学能解决宇宙如何启始的课题，它仍然无法回答这个问题：为何宇宙必须存在？我对此没有答案。

 

[何家大少]

　漫谈宇宙的起源和演化

　　陈大路

　　何谓宇宙？《淮南子・齐俗训》说：“往古来今谓之宙，四方上下谓之宇。”宇宙即指空间和时间。如果承认物质世界是运动变化的，那么就应当承认，我们的宇宙――总星系也是有起源和演化的。

　　关于宇宙的起源和演化问题的研究，可以说是从爱因斯坦在1917年发表的《对广义相对论的宇宙考察》一文中提出宇宙空间体积有限但没有边界的宇宙静态模型开始的。20世纪初，宇宙的无限性理论不论是作为一种科学理论，还是哲学上的含义，都已成为定论。人们默认了这样一种宇宙结构图式：宇宙空间是欧几里得几何的三维无限空间，无限多天体就分布在无限的空间之中。爱因斯坦运用广义相对论大胆提出了和上述宇宙模型背道而驰的新模型。他放弃了无限空间的概念，建立了静态有限无边的宇宙模型。他主张宇宙从它的空间广延来说是一个闭合的连续区，好象一个鸡蛋壳。这个连续区的体积是有限的，是一个弯曲的封闭体，因此没有边界，天体就分布在这个封闭体里。爱因斯坦的假说和推论，开创了宇宙学理论的新篇章，由此又产生了多种宇宙模型。

　　1929年，美国天文学家哈勃发现了星系退行速度和离我们的距离成正比，证明了宇宙正在膨胀。1948年，美籍俄国物理学家伽莫夫把基本粒子的研究成果同宇宙膨胀理论联系起来，系统地提出了大爆炸宇宙论，并且预言了大爆炸以后辐射达到热平衡状态，必定残存着背景辐射。这一预言在1964年由美国的彭齐斯和威尔逊所证实。以后，还陆续地提出了另外一些宇宙演化模型。但在现代宇宙学中，对宇宙的起源和演化这一问题的研究，最有影响的还是大爆炸宇宙论。

　　大爆炸宇宙论认为，由于目前还不知的某种物理原因，我们的宇宙起源于一次大爆炸事件。起始时，宇宙的温度极高，达150亿度，相当于目前太阳中心温度的1000倍；密度极大，约为水的1014倍，相当于1立方厘米质量达1亿吨；体积极小，任意两点可以靠得任意近；物质由中子组成。大爆炸后形成“原始火球”，物质四散飞出，宇宙不断膨胀，温度和密度不断下降，物质成份也随之变化。膨胀5分钟以后，当温度降到10亿度时，中子衰变成质子和电子，中子和质子又聚合成氘、氚、氦和更重的元素。半小时后，形成元素的过程结束，宇宙由等离子体组成。等离子体是在高温下被高度电离了的气体，由被电离（电子从原子中跑出来）的离子和自由电子组成。目前，宇宙中的物质有90％以上都是等离子体。2.5亿年后，当温度降到170K，巨大的气状云块―“星系胚”形成。星系就是由这些“星系胚”发展而成的。在这以后由于气体的凝聚又形成了恒星、行星以至出现了生命。宇宙中的一切就是在这种不断膨胀冷却的过程中逐渐演化的。

　　大爆炸宇宙论有哪些观测证据呢？广义相对论指出，光逆着引力方向运动，频率就要减小，波长则相应增长。通过观测发现，河外星系谱线具有普遍性红移现象，这说明河外星系正在作离开我们的运动。也就是说，宇宙现在仍在膨胀着。星系的距离D越远，退行的速度V就越大，且满足哈勃定律V=HD。如果速度不随时间变化，那么，现行观测表明的宇宙年龄1/H在100亿―200亿年内，据此推断宇宙的大小也差不多有200亿光年了。星系的退行是支持大爆炸宇宙论的观测证据之一。

　　从1964年起不断发现，宇宙背景辐射具有理想的黑体谱，一般称为3K微波背景辐射，这正好解释为宇宙早期炽热火球遗留下来的暗淡余光。随着宇宙的膨胀，原始火球的黑体辐射随着温度的降低，势必要拉长波长，进而导致不足3K的微波背景辐射出现。这是证据之二。

　　通过对原始星际气体的比较发现，在银河系和许多河外星系中，轻元素氦和氢的同位素氖相对于氢的数量基本上是均匀分布的，这和许多重元素的非均匀分布形成了鲜明对照。此乃证据之三。对此，大爆炸宇宙论可这样解释：大爆炸最初几分钟内，预期出现的高温高密状态极易导致轻元素的形成；而重元素则是在众多的恒星内核深处合成，直到发生超新星爆发时才大量散布开来，它们相对于氢的数量则是不均匀分布的。

　　用放射性年代学的方法测得月岩和最老的陨石年龄为46亿年；由恒星的演化模型导出的银河系中最老的恒星年龄为150亿年；迄今用各种独立的方法对不同天体测定的时标均在由哈勃定律所确定的宇宙年龄200亿年以内，说明我们的宇宙是有限的。这一事实和大爆炸宇宙论的有限宇宙模型保持一致，为证据之四。

　　60年代用综合孔径射电望远镜进行的大量观测表明，具有星系级能量的暗弱射电源的数目，比射电源空间均匀分布假设所预期的多得多，即射电星系在空间实际上是不均匀分布的。一般说来，射电源愈暗弱，就意味着距离愈遥远，因而我们观测到的就愈是它过去的面貌。由此可以推断：射电星系过去比现在多得多，即射电星系是从较强的源演化成较弱的源的。这一推论和以宇宙演化为中心命题的大爆炸宇宙论相符，成为证据之五。

　　大爆炸宇宙论能较好地解释众多的天文现象，与实际最为接近。但它关于我们的宇宙的起始于一个微点的假设，还未得到证实。还无法解释类星体的红移、大尺度上天体系统分布的成团倾向等现象。除了热爆炸模型外，有人还从各种不同的角度提出了很多模型，如稳恒态模型，物质与反物质模型，等级式模型等，但都没有热爆炸模型更站得住脚。

　　我们的宇宙未来的命运如何？让我们在大爆炸宇宙学的框架中对其进行一番大胆的预测。宇宙中物质之间有引力相互作用，这个引力将使宇宙的膨胀速度逐渐减小。根据计算，如果宇宙中物质密度达到每1万升空间中约有30个质子，即4.7×10-30克/厘米3，也就是所谓的临界密度，宇宙就可能停止膨胀。目前观测到的宇宙物质密度是临界密度的5％，这似乎说明宇宙应该永远膨胀下去。果真如此，宇宙不仅空间将是无限的，其未来的时间也是无限的。对喜欢无限时空的我们，这确是一个令人振奋的好消息。不过对其中的生命来说，这可不太妙了。生命只能在不断膨胀的宇宙的某一阶段生存、繁衍，过了一定时间以后，生命赖以存在条件逐渐消失，生命也将走完自己的路。

　　我们的宇庙已有约200亿岁的高寿。再过50亿年左右，我们的太阳将进入晚年，那里进行核反应的燃料――氢面临枯竭，地球的末日来临了，生命也即将灭绝。只有那些早已飞到其他星球上的人才得以幸免。在宇宙年龄为几百万亿（1014）年时，随着氢元素的减少，宇宙所有的恒星都将进入晚期，靠自身的余热在苟延残喘了。那时，宇宙中的生命将在严寒中搏斗。在宇宙年龄为几十亿亿（1017）年时，除了极少数高级生物，能在死亡的恒星附近制造一些人造天体，靠恒星的余热生存下去外，绝大部分生命将会灭绝。在大约1032年以后，宇宙中所有的质子都要衰变光，这时宇宙中只有光子，中微子、电子、正电子和大量的黑洞，其他物质都不存在了，生命自然也不例外。以后，宇宙将继续膨胀，物质密度将越来越稀薄。直到10100年时，所有黑洞将蒸发光，于是宇宙中只有几种粒子组成的稀薄气体，而且还越来越稀薄，这种过程将一直维持下去，宇宙成了“白茫茫一片太空真干净”。

　　宇宙还有没有其他结局呢？经理论推测，宇宙中还存在许多看不见的物质及多种基本粒子。如果包括这些物质在内，宇宙中物质密度就远远超过临界密度。那么，我们的宇宙也许总有一天会停止膨胀，并在引力作用下收缩起来。我们的膨胀宇宙就变成了坍缩宇宙，所有在膨胀宇宙中出现的事件将逆序重新出现，返老还童也许会成为事实。直到有一天，宇宙中所有物质在强大的引力作用下又聚集在一个极小极小的范围。等到再来一次大爆炸。诞生了下一代宇宙，一切又重新开始。我们的宇宙是有生有死的，整个宇宙系列是不中断的，在时间上是无限的，空间上却是有限的。它是脉动形式：由小变大，又由大变小，无限循环。

　　我们的宇宙未来的命运到底如何？我们的宇宙之外还有没有其他宇宙？其他宇宙的命运如何？无论怎样，我们都不能对前途悲观失望。宇宙的无限奥秘还有待于有志者去努力探索，寻找到解决问题的理想之策。

 

[何家大少]

　　宇宙的起源

　　[游子吟] 冯秉诚 博士 著

　　虽然起源问题无法直接用科学的方法重演，但科学家们仍在观察、推理的基础上对宇宙的起源提出各种假说。现在，大爆炸论被广泛地接受。李志航博士在《科学对基督教的挑战》和梁斐生博士在《真金不怕洪炉火》两本书中对此都有引人入胜的论述。

　　宇宙不是永恒的

　　十九世纪三十年代初期，德国医生奥伯斯（Olbers）从一个简单的观察中提出宇宙不是处于衡定状态的假说。大家都知道星与星之间的夜空是完全黑暗无光的。奥伯斯首先想到，这说明宇宙中星球的数目是有限的，不能使宇宙的每个角落都发光。其次他假设，由于星球之间的万有引力，星球之间的距离会越来越小；或者由于什么尚不清楚的原因，万有引力会被抵消，使星球间的距离不断加大，即宇宙可能在澎涨。但这种假说未引起当时科学界的注意。

　　本世纪二十年代，美国天文学家观察到了红移现象（redshift）。他们发现距地球很远的星球或星系射到地球的光比主离地球近的星的星光弱而且较偏红色，即偏向可见光中的长波光谱。在声学上有一种现象叫做都普勒转移（ Doppler Shift）：当一个运动物体接近我们时发出的声波频率偏高；当它远离我们而去时发出的声波则偏向低频。一个最常见的例子是，当火车驶进站时，站在月台上的人听到它的鸣笛十分高亢，当它离站驶去时，笛声则变得低沉。因此天文学家们把红移现象解释为：远处射出红光的星球正在以高速度远离地球。

　　几年后，爱因斯坦于1917年发表了著名的普遍相对论，震动了科学界。一些科学家发现相对论的公式包含有宇宙不恒定的结论。但爱因斯坦不同意此见解，他当时以为自己的计算有误差，于是在方程式中又加进一个常数，以抵消宇宙有不断澎涨或收缩的可能性。

　　1931年，美国天文学家哈博（ Edwin Hubble）用当代最大的二百寸天文望远镜惊奇地发现在银河系外还有千千万万个天河系，而且这些天河系明显地不断迅速向外扩张。在事实面前，爱因斯坦承认他在相对论公式中所加的宇宙常数是他一生中最大的失误。尽管他感到有些刺激，并认为不尽合理，仍勉强地接受了“宇宙有个原始的必须性”的假说。由于理论和观察都提供了充分的证据，此后科学界再不怀疑宇宙确实是在澎涨了。

　　大爆炸理论的确立

　　基于宇宙在不断澎涨的事实，早在四十年代，旅美俄裔物理学家伽莫（George Gamow）等科学家就预期说，如果宇宙是由大爆炸产生的，那么原始火球一定会留下某种痕迹，一定可以在太空中找到某些余留的背景微波辐射。当宇宙不断澎涨时，这种幅射波也会跟着澎涨，宇宙的温度也不断下降。他们计算的结果，现在这种幅射所代表的温度是在一-268℃左右。只是，他们的预测并未引起应有的重视。当时，一般实验室没有足够精密的仪器来侦测这种微波。

　　1965年，美国电讯公司的贝尔（ Bell）研究所的两位科学家彭兹雅（Arno Penzias）和威尔逊（Robert Wilson）用一种敏感的天线装置测量银河系的电波时，记录到很多杂音。他们一直以为天线有毛病。但天线经过彻底检查，确保无误后，这些杂音仍然存在，而且从各个方向测量的结果完全一样。这种杂音的强度所代表的温度是-270℃左右。

　　与此同时，以狄克（R．Dicke）为首的美国普林斯顿大学的一群物理学家也在寻找太空微波。他们理论计算的结果是，如果宇宙是由大爆炸而来，其遗留的爆炸微波所代表的温度应是-263℃左右。有趣的是，这两个研究小组并不相通，而且他们都不知道伽莫等人在 1948年所作的计算。一个偶然的机会，他们得知了彼此的研究情况，并认为彭兹雅和威尔逊接收到的杂音正是大爆炸后余留至今的微波幅射！当他们的研究结果在天文物理学报上发表后，引起强烈震动。其他科学家随后所从事的观测和计算，也完全一样。由于这一震惊世界的发现，彭兹雅等获得 1978年诺贝尔奖。

　　此外，根据大爆炸理论，宇宙中最先形成的元素是原子量小于7的元素，主要是氢和氦。氢和氦在宇宙中的比例的理论推算与现今在宇宙中测定的是吻合的。二十年来，物理学家用核子加速器研究不同核子、粒子高速碰撞的结果，用以推测宇宙形成过程中不同核子的比例，其推测结果也与今天实际观测的比例一致。

　　大爆炸理论能合理解释宇宙的澎涨，又有与理论推算相符的直接证据（遗留微波辐射），尽管在细节上还有不少问题，现已成为广泛被接受的关于宇宙起源的热门理论。

　　大爆炸理论的超然性质

　　大爆炸理论的观点、推论和实际观测结果中，包含了许多奇特、不可思议和超越自然律的部分。对此，梁斐生博士在《真金不怕洪炉火》一书中有详尽论述。我这里只简要地举出几点。

　　第一，现在多数宇宙学家都认为，在大爆炸之前，没有能量、物质、时间和空间。可是，如果什么都没有，爆炸怎么会发生呢？而且，宇宙这种“无中生有”的起源是与热力学第一定律不相符的。

　　第二，前面提到，当一个过程处于初始阶段时，冷热不均衡，熵质很低，然后冷热趋于均匀，熵值不断增高。但英国著名天文学家彭罗斯（Rnoger Penrose）却提醒人们，原始爆炸的火球原是处于热澎涨平衡状态，具有极高的熵值。这又是与热力学第二定律尖锐地对立。

　　第三，根据宇宙新澎涨论，在大爆炸发生后的 10E-23（10的-23次方）秒的一瞬间，宇宙澎涨了10倍，其澎涨速度远远地超越了相对论中的光速极限。

　　第四，正如把卫星发射到预定轨道要求精确的火箭发射速度一样，大爆炸后宇宙澎涨的速度快一点、慢一点都不行。科学家们计算后指出，宇宙澎涨的速度超然地精确！

　　第五，现在大多数学者对大爆炸后 10E-50（10的-50次方）秒以后的过程已有不少共识，但对大爆炸后10E-35（10的-35次方）秒之内的情况却根本无法窥测。因为在这段时间内，温度极高，一切自然律都失去了功效。换句话说，宇宙是在超自然的状况中产生的。

　　最后，我们一般人都会认为，如此剧烈的大爆炸的结果，一定是杂乱无章的，就象炸弹的爆炸一样。然而实际情况却大出人的预料。美国太空总署为侦测大爆炸遗留的背景微波幅射而特别发射的卫星于 1989年 11月升空后两年内收集到的资料表明，宇宙每一个方向的背景温度完全一致，只相差万分之一凯尔温度！到 1992年，科学家从该卫星收集到的几亿个测量数据中发现，它们只相差万分之三度！也就是说，大爆炸所产生的微波细浪是出奇地均匀、平滑！然而，从这种极度的均匀状态中又何以能形成各种不同的元素、产生各种不同的星系、星云，形成现在所看到的不均匀的宇宙呢？

　　上述这几点，都是自然律无法解释，人类有限的头脑无法测透的。现在人们普遍接受的关于宇宙起源的大爆炸理论指出，宇宙不是永恒的，宇宙必有一个开始，一个超越自然律的开始。这个结论与进化的模式无法协调，却与神创造宇宙的创造模式完全吻合。

　　宇宙的起源和科学家的信仰

　　我过去以为，我相信现在很多学生、学者仍然以为，科学研究的结果是最客观、可靠的，因为科学家是不偏不倚、完全公正地从实验、观测数据中得出结论的。不幸，事实并非如此。这里姑且不论那些不时被暴光的伪造实验数据的丑闻。对一般科学家而言，由于世界观和信仰不同，在科学研究中总会有意无意地、或多或少地重视或偏爱自己所预期的结果，会接受和坚持那些证据并不十分充分、但符合自己世界观和信仰的假说或理论。真正要做到客观、公正，敢于在真实面前修正自己的观点是相当不容易的。这在宇宙起源的研究中也看得很清楚。

　　不少受人文主义影响的科学家坚持宇宙永恒、自然演化的无神论观点。在红移现象被发现、推测宇宙在不断澎涨的假说提出后不久，爱因斯坦推出相对论。当别人指出相对的公式中含有宇宙澎涨结论时，爱因斯坦不接受，以为自己的计算有误，所以特引进一个宇宙常数以消除宇宙澎涨或收缩的可能性。他这样做并不是因为一时疏忽，而是他不相信宇宙有个开始。以至他最后公开承认失误，接受了宇宙在澎涨宇宙必有个开始后，心里仍感到别扭，他在和朋友的通信中说：“宇宙澎涨之说，对我有点刺激。”“承认这些证据的可能性，似乎不合理。”但这位科学巨匠是值得钦佩的，他毕竟有承认错误的勇气。

　　宇宙澎涨获得充分证据后，伽莫等科学家早在本世纪四十年代就提出大爆炸论的假说，但不受科学界青睬。在四十年代末期一批物理学家提出宇宙衡态论（Qteady State），认为宇宙虽在澎涨，但宇宙可以从一个尚不知晓的地方不断产生新物质（可能是氢），以填补宇宙澎涨后留下的空间，使宇宙的平均密度保持不变。此假说并无充分的事实依据，但因它既能解释宇宙的澎涨这个事实，又表明宇宙不需要有个开始，因此立即获得科学界的广泛支持。可见，世界观有时比事实更重要。

　　现在，大爆炸理论已站住脚跟，衡态论已失去优势。但仍有科学家不愿接受宇宙有个开始的结论。于是又有人提出一种新的假说，循环论（ Oscillating Theory）。这个假说承认宇宙是由大爆炸而来，宇宙在澎涨之中；但由于万有引力，有一天宇宙不再澎涨，进而开始收缩，密度和温度不断增高后，复变成原始火球，于是又发生大爆炸。如此澎涨、收缩，周而复始，所以宇宙仍然没有开始。循环论也并没有什么事实根据/李志航在《科学对基督教的挑战》论及循环论面对两大难题。第一，除非宇宙的物质再增加十倍，否则没有足够的万有引力可以阻止宇宙的澎涨。第二，根据物理学和热力学的理论计算，如果宇宙具有不断澎涨收缩的周期，每一周期中光子对核子的比例会越来越大；如果宇宙无尽地澎涨――收缩循环，今天光子对核子的比例应是无限大，但这显然与事实不符。

　　但也确有不少科学家在研究宇宙起源中进一步认识了神。因发现大爆炸余留的微波幅射而获得诺贝尔奖的彭兹雅（Penzias）就公开表示，圣经的记载和当前天文学的最佳科学佐证不谋而合。当美国著名的Lawrence Berkeley实验室的科学家于1992年发现大爆炸遗留的微波幅射是那样均匀雅致，那样精美绝伦时，他们说这好象是亲眼看到了神一样！神一直借着《圣经》和大自然向人们启示他自己。凡真诚寻求真理的科学家都能认识他。

 

[ai神@落花流水]

long...It's very long.................

 

[猫咪咪~]

谢了.学习中，先顶