數千年前，我們的詩(shī)人屈原就問(wèn)了一大堆問(wèn)題：
宇宙的起源是什么，
宇宙的起源與演化是誰(shuí)為背后推手？宇宙命運的歸宿又在哪里？
我們所在的世界從何而來(lái)?這也許是人類(lèi)最古老的問(wèn)題。無(wú)論是宗教、哲學(xué)還是科學(xué)，都試圖回答這個(gè)問(wèn)題。在知識蒙昧的時(shí)代，人們把世界的創(chuàng )生歸結為神的創(chuàng )造。而今天，科學(xué)已成為主流文化，人們擺脫了超自然的思維方式，轉而以科學(xué)的方法探索宇宙起源的問(wèn)題。正如愛(ài)因斯坦在《物理學(xué)的進(jìn)化》一書(shū)中所做的比喻一樣，用科學(xué)的方法探索宇宙的起源，就如同進(jìn)行推理探案，這是一個(gè)驚險而新奇的過(guò)程。
對于宇宙，我們可以測量它，分析它，甚至開(kāi)發(fā)它；但我們不知道宇宙到底是什么，它是如何開(kāi)始的，他開(kāi)始的動(dòng)因是什么，它的最終結局又會(huì )是怎樣的。這些開(kāi)天辟地的問(wèn)題一直伴隨著(zhù)人類(lèi)。
首先要明確宇宙的定義?！巴艁?lái)今謂之宙，四方上下謂之宇?！倍鶕掇o?！方忉?zhuān)^宇為空間的總稱(chēng)，所謂宙為時(shí)間的總稱(chēng)。也就是說(shuō)宇宙是指空間和時(shí)間，并沒(méi)有指存在于空間和時(shí)間中的其他物質(zhì)?？臻g和時(shí)間都是看不見(jiàn)摸不著(zhù)嗅不出的虛無(wú)東西，但它們確確實(shí)實(shí)存在著(zhù)。宇宙有多大？年齡有多大？這些問(wèn)題都是因地球人類(lèi)長(cháng)期生活在一個(gè)局限的空間和時(shí)間下形成的一種意識。如果我們想一想世界上有誰(shuí)能說(shuō)出一個(gè)最大的數或最小的數，我們就能從這個(gè)“固步自封”的思想中獲得解放。作為虛存在的宇宙，就像世界上沒(méi)有一個(gè)最大的數一樣，它的空間是無(wú)限大，年齡也是無(wú)限大。因此，宇宙也就不存在什么宇宙之外，宇宙也沒(méi)有過(guò)去和未來(lái)，宇宙也根本不存在起源和結束：虛存在的宇宙是永恒的，包括過(guò)去、現在和未來(lái)。
宇宙大爆炸
現在科學(xué)界所公認的宇宙起源理論，當然是“大爆炸理論”。這個(gè)理論本身就是科學(xué)推理的一個(gè)結果。由于這個(gè)理論得到了許多天文學(xué)觀(guān)測結果的支持，因而現在成為宇宙起源的主流思想。那么，這個(gè)理論到底說(shuō)的是什么呢?
所謂大爆炸理論，就是認為宇宙起源于一次“大爆炸”。這只是一個(gè)形象的說(shuō)法，并不同于我們通常意義上理解的爆炸。宇宙大爆炸理論有一個(gè)基本的出發(fā)點(diǎn)，那就是相信宇宙在不斷地演化，而且具有一個(gè)起點(diǎn)。那么，這個(gè)起點(diǎn)是什么樣子的呢?
在宇宙的起點(diǎn)，也可以說(shuō)是宇宙的零點(diǎn)，此時(shí)的宇宙沒(méi)有時(shí)間，沒(méi)有空間，沒(méi)有任何現在能看到的天體，只是一種溫度和密度都無(wú)限高的真空狀態(tài)。這就是宇宙的起點(diǎn)。那么有人會(huì )問(wèn)，在這之前，宇宙是什么狀態(tài)呢?我們現在只能說(shuō)，因為沒(méi)有時(shí)間，所以不存在“之前”的概念，因而不存在這個(gè)問(wèn)題。那么，時(shí)間是怎么產(chǎn)生的呢?時(shí)間是隨著(zhù)宇宙爆炸而產(chǎn)生的。宇宙從這個(gè)起點(diǎn)開(kāi)始，一瞬間就發(fā)生了急劇的暴漲。就是這個(gè)暴漲產(chǎn)生了時(shí)間、空間和物質(zhì)。從這個(gè)暴漲開(kāi)始，宇宙才逐漸演化，成其為今天人們看到的宇宙的樣子。
對于初次接觸大爆炸理論的人來(lái)說(shuō)，有人也許會(huì )覺(jué)得荒誕不經(jīng)。人類(lèi)千萬(wàn)年以來(lái)，都生活在生機盎然的地球上，白天有輝煌的太陽(yáng)，夜晚有璀璨的星辰，怎么能想到，這個(gè)看似妙趣橫生的世界，其誕生之初竟然是這么機械，這么了無(wú)趣味?？茖W(xué)所提供的這個(gè)宇宙誕生的圖像就是這樣。相對于“開(kāi)天辟地”和“上帝創(chuàng )世”的神話(huà)傳說(shuō)，宇宙大爆炸的過(guò)程顯得非常單調和乏味。那么，為什么這一理論成為科學(xué)界所公認的理論呢。正如前文所說(shuō)，因為它得到了科學(xué)觀(guān)測的支持。
科學(xué)證據何在? 1929年，美國天文學(xué)家哈勃提出了哈勃定律。根據長(cháng)期的天文觀(guān)測，他發(fā)現，星系的紅移量與星系間的距離成正比。這就是哈勃定律。根據這一定律，人們可以推導出，所有的星系都在互相遠離；而且，距離地球越遠的星系運動(dòng)速度越快。這一發(fā)現在當時(shí)就引起了轟動(dòng)。也就是說(shuō)，如果逆著(zhù)時(shí)間把星系現在的運動(dòng)向前追溯，那么，在一百億和二百億年前之間的某一時(shí)刻，所有的星系似乎都應該聚合在一起，而形成一個(gè)點(diǎn)，這就是宇宙的起點(diǎn)。
1962年，通過(guò)大量的觀(guān)測，科學(xué)家們發(fā)現在天空的各個(gè)方向上，都能夠均勻地探測到X射線(xiàn)。隨后，在1965年，人們又發(fā)現了來(lái)自太空的微波輻射，同樣是在天空各個(gè)方向上均勻分布的，而且不論在哪個(gè)方向上，其均勻程度都令人稱(chēng)奇。這就是所謂的宇宙微波背景輻射。微波背景輻射無(wú)處不在。在生活中，我們都有這樣的經(jīng)驗：如果沒(méi)有電視信號，就會(huì )在電視屏幕上看到雪花般閃爍的圖像。造成這種圖像的部分原因就是無(wú)處不在的微波背景輻射。
微波背景輻射是20世紀天文學(xué)最重大的發(fā)現之一。而更令人稱(chēng)奇的是，早在之前的20世紀40年代，宇宙微波背景輻射居然已經(jīng)被俄裔美籍物理學(xué)家伽莫夫所預言，因為宇宙微波背景的存在是宇宙大爆炸理論的一個(gè)直接推論。這樣一來(lái)，由物理學(xué)家伽莫夫等人提出的宇宙大爆炸學(xué)說(shuō)，就立刻成為科學(xué)界最關(guān)注的宇宙起源理論。
疑點(diǎn)重重
其實(shí)，早在1927年，比利時(shí)數學(xué)家勒梅特就提出類(lèi)似的觀(guān)點(diǎn)。他認為，最初宇宙的物質(zhì)集中在一個(gè)超原子的“宇宙蛋”里，經(jīng)過(guò)一次開(kāi)天辟地般的大爆炸，宇宙中的物質(zhì)分裂成無(wú)數碎片，形成了今天的宇宙。這一原始的想法經(jīng)過(guò)不斷修正，形成了今天的大爆炸理論。而伽莫夫的貢獻在于，他描畫(huà)了宇宙爆炸之后的整個(gè)演化過(guò)程，即宇宙后來(lái)形成各種星球和星系的整個(gè)過(guò)程。
在宇宙起源問(wèn)題上，愛(ài)因斯坦也作出了很大的貢獻。他根據自己的理論提出了宇宙方程式。這個(gè)方程式表述了這樣一幅宇宙演化的圖像：宇宙是從由微觀(guān)粒子構成的高溫高密度均勻氣體演化而來(lái)的，現在的宇宙當中的物質(zhì)形態(tài)和天體結構都是演化的產(chǎn)物。愛(ài)因斯坦用物理學(xué)推進(jìn)了普通大眾對宇宙的認識。但是有一點(diǎn)不能不提，在這個(gè)宇宙大爆炸的那個(gè)時(shí)刻，由于宇宙所處的特殊狀態(tài)，人們現在所掌握的所有物理定律在這種條件下都失效了。那是一個(gè)什么狀態(tài)呢，現在還沒(méi)有答案。
關(guān)于宇宙大爆炸，人們所能知道的就是：宇宙在急速膨脹的同時(shí)，溫度在不斷降低，由于溫度降低，宇宙的狀態(tài)發(fā)生了變化，從誕生最初的第1秒到100秒的時(shí)間內，宇宙產(chǎn)生了基本的原子核，即氫核與氦核，然后再繼續進(jìn)行輕核的合成。當然，這些都只是科學(xué)的推斷。事實(shí)上，大爆炸理論從產(chǎn)生之初，就一直接受各種質(zhì)疑，至今未休。宇宙大爆炸理論面臨的難題還有，如果宇宙無(wú)限膨脹下去，最后的結局如何呢?這個(gè)問(wèn)題和宇宙起源的問(wèn)題一樣，也是科學(xué)的終極難題。
英國著(zhù)名物理學(xué)家霍金一生貢獻于理論物理學(xué)的研究，卻在客觀(guān)上試圖解答關(guān)乎人類(lèi)的哲學(xué)問(wèn)題，這使他獲得了遠超越于一名科學(xué)家所能得到的關(guān)注。6月19日上午，他在人民大會(huì )堂作了題為《宇宙的起源》的演講。演講追述了霍金視野中人類(lèi)關(guān)于“宇宙起源”的爭論和研究歷程，希望正如霍金所說(shuō)――“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)？”
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)，和其他許多神話(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主教的說(shuō)法，《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)。
很多人從最開(kāi)始就不喜歡宇宙有個(gè)開(kāi)端的思想
他們相信，時(shí)間是絕對的，獨立于宇宙
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他自然災害，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)生了什么？上帝在創(chuàng )造宇宙之前，他在做什么？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，為什么它要花費無(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。
愛(ài)因斯坦提出廣義相對論
時(shí)間和空間只有在宇宙之中才能夠定義
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。
哈勃發(fā)現星系正飛離我們而去
說(shuō)明宇宙在膨脹
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，則大約在150億年之前，所有星系應該一個(gè)摞在另一個(gè)上。這個(gè)時(shí)刻是宇宙的開(kāi)端嗎？
穩恒態(tài)理論與觀(guān)測沖突
宇宙反彈理論并不成立
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?賴(lài)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圓的形狀。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)，也由于其他原因，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。
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。
奇性定理預言宇宙有其開(kāi)端
微波背景的發(fā)現證明了這一點(diǎn) 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)空的頻道去在屏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?保羅教皇的觀(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。我可不想像伽利略那樣被遞交給宗教裁判廳。
廣義相對論崩潰了必須考慮量子理論 對我們結果的另外解釋?zhuān)@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)由藍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。
時(shí)間開(kāi)端的問(wèn)題得到解決
南極的南邊沒(méi)有任何東西，宇宙的開(kāi)端由科學(xué)定律來(lái)制約 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)生什么，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)生什么一樣。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)生什么的問(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)生了什么是沒(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。但是南極和其他的點(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他地方一樣，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。
宇宙自發(fā)創(chuàng )生的圖景
像是泡泡在沸水中形成 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個(gè)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)。
“上帝的確在擲骰子”
我們是極早期宇宙量子起伏的產(chǎn)物 早期宇宙中的無(wú)規性，意味著(zhù)在有些區域的密度，比其他地方的稍高。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他結構的形成。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。
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)？ 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)？
人類(lèi)對宇宙起源的認識過(guò)程在遠古，我們的祖先就對世界充滿(mǎn)了好奇，他們那時(shí)也許就在思考：我們從哪里來(lái)，將到哪里去？我們的家園――地球是從何而來(lái)，它有著(zhù)怎樣的奧秘？至今這一問(wèn)題仍是困擾科學(xué)家乃至哲學(xué)家的重要問(wèn)題.
確實(shí)是這樣.從有文字記載的時(shí)期起，人類(lèi)就已經(jīng)對這一問(wèn)題表現出了濃厚的興趣，而且，對這一問(wèn)題的探求欲望變得越來(lái)越強烈了.
三國時(shí)期徐整所著(zhù)的《三五歷記》中的一則神話(huà)故事《盤(pán)古開(kāi)天地》有這樣的描述：未有天地時(shí)，混沌狀如雞子.盤(pán)古生其中一萬(wàn)八千歲，天地開(kāi)辟.陽(yáng)清為天，陰濁為地.天每日升高一丈，地每日下沉一丈，盤(pán)古在中間每日長(cháng)一丈.這樣過(guò)了一萬(wàn)八千年，變得天高地深，天地間九萬(wàn)里.
故事把宇宙說(shuō)成是源自于一次奇妙的大爆炸.果真如此嗎？讓我們從人類(lèi)認識宇宙的過(guò)程談起.
日心說(shuō)和地心說(shuō)之爭 公元前5世紀，愛(ài)琴海中的薩默斯島上誕生了一位數學(xué)天才畢達哥拉斯，他從球形是最完美的幾何形體的角度出發(fā)，認為大地是球形的，且所有天體亦是如此.他又由此推斷，地球的外面是空氣和云，再往外是太陽(yáng)、月亮和行星，它們都在圓形軌道上繞地球做勻速圓周運動(dòng)，最外層是永不熄滅的天火.
公元140年，埃及的希臘裔天文學(xué)家托勒密，據此提出了完整的地心說(shuō).在這個(gè)體系中，將人們能清晰地看到的七個(gè)天體：太陽(yáng)、月亮、金星、木星、土星、水星、火星，按照不同的軌道半徑排列，且都是從東方升起，從西方落下.對一些和這個(gè)體系相悖的現象，也都經(jīng)特別的處理，使其能得到合理的解釋.
人們對這種天體運行現象的起因百思不得其解，從而認為是上帝的“原始推動(dòng)力”造成的.
16世紀時(shí)，波蘭天文學(xué)家哥白尼，在經(jīng)過(guò)大量的觀(guān)察和縝密思考、研究的基礎上，認為宇宙是簡(jiǎn)單、和諧的，提出了日心說(shuō)理論，即太陽(yáng)是宇宙的中心，包括地球在內的行星都是圍繞太陽(yáng)旋轉的.這一理論模型很好地解釋了地心說(shuō)所不能解釋的現象.科學(xué)家開(kāi)普勒還在前人觀(guān)測、整理的資料的基礎上，提出了天體沿橢圓軌道運行的觀(guān)點(diǎn)，打破了天體只能沿圓周軌道運行的傳統說(shuō)法.
1609年，望遠鏡剛問(wèn)世.大科學(xué)家伽利略用自制的望遠鏡第一次觀(guān)察天體便有了重大發(fā)現：原來(lái)太陽(yáng)上有黑子；月球上有環(huán)形山和峽谷；水星、火星、木星都有衛星……
但這些發(fā)現，都和宗教的說(shuō)法產(chǎn)生了很大的分歧，而被教廷稱(chēng)為“邪說(shuō)”，很多擁護日心說(shuō)的科學(xué)家受到了迫害：伽利略被終身軟禁，布魯諾被活活燒死……
但科學(xué)是壓不垮的.大科學(xué)家牛頓發(fā)明了用反射鏡制作望遠鏡的方法，從而為建造大型望遠鏡進(jìn)行天體觀(guān)測鋪平了道路.他提出的萬(wàn)有引力定律，更是能為維系天體繞日運行作出了合理的解釋.天文學(xué)家哈雷用幾何方法推算出了測地球和太陽(yáng)間距離的方法，與此同時(shí)，他還借助萬(wàn)有引力理論準確預測了一顆彗星（后被稱(chēng)為哈雷彗星）光臨地球的時(shí)間.
隨著(zhù)這些研究手段、方法的進(jìn)步和科學(xué)證明，地心說(shuō)逐漸被世人所摒棄.日心說(shuō)雖然有著(zhù)很大的局限性，但和地心說(shuō)相比，卻使人類(lèi)對宇宙的認識向前跨了一大步.
對恒星的研究 科學(xué)家經(jīng)過(guò)長(cháng)期不懈的研究，發(fā)現我們看到的天上的銀河，是由數以十億計的恒星組成的，我們的太陽(yáng)系只是處于銀河系的一個(gè)不起眼的小角落中.其他的恒星有很多比太陽(yáng)大很多倍，只是因為過(guò)于遙遠，所以我們看起來(lái)亮度不大.
1923年，科學(xué)家哈勃用大型天文望遠鏡觀(guān)測到了銀河系外由無(wú)數恒星組成的星云，使人們的視野拓展開(kāi)來(lái)，也使人們知道，在銀河系之外，宇宙中還存在著(zhù)大量的星系和由星系組成的星團，有的星系比銀河系不知大多少倍！
通過(guò)對恒星發(fā)出的光譜的研究，人們還發(fā)現：太陽(yáng)與天穹上的無(wú)數恒星是一樣的，主要由氫和氦等元素構成.它們發(fā)出的能量是由原子核聚合時(shí)發(fā)生的聚變反應產(chǎn)生的（其原理和氫彈爆炸一樣）.
人們原以為恒星在天上的位置是恒定不變的（所以命名為恒星），但1718年哈雷的科學(xué)觀(guān)測表明，恒星也是在運動(dòng)著(zhù)的.后來(lái)科學(xué)家發(fā)現它們除了在橫向上有小的偏移，在視向（即沿我們視線(xiàn)方向）上也有較大的運動(dòng)跡象，且是在離我們遠去.離我們遠去的證據是它們發(fā)出的光發(fā)生了“紅移”.
我們會(huì )聽(tīng)到一輛鳴笛駛來(lái)的汽車(chē)發(fā)出的音調變高，而駛離我們時(shí)音調又會(huì )變低.物理學(xué)家多普勒注意到了這一現象的規律并進(jìn)行了深入研究，人們稱(chēng)這一現象為多普勒頻移現象.
同理，恒星只有在離我們遠去時(shí)，所發(fā)出光的頻率會(huì )變低，光的顏色在光譜中向紅光靠近，故稱(chēng)為紅移.
紅移現象表明了遙遠的恒星或星系在離我們遠去.科學(xué)家通過(guò)觀(guān)測和計算，還證明了它們離我們遠去的速度越來(lái)越快.
大爆炸理論的形成 紅移現象表明：宇宙在膨脹之中.
人們不禁要問(wèn)，如果將這一結論向回反推，即時(shí)間向后回溯，宇宙是從什么狀態(tài)開(kāi)始膨脹的？按這種推論，最初應該是一個(gè)點(diǎn)！果真如此嗎？人們對此一直莫衷一是.
有意思的是，這一結果和本文開(kāi)頭提及的神話(huà)故事《盤(pán)古開(kāi)天地》類(lèi)似：“雞子”大小的點(diǎn)演變出了廣袤無(wú)垠的宇宙.
以沙伊爾、哈勃、霍金為代表的科學(xué)家認為，宇宙最初只是聚在一個(gè)點(diǎn)（奇點(diǎn)），它曾經(jīng)是如此的熾熱、微小和致密.因為突然發(fā)生了大爆炸，繼而產(chǎn)生了宇宙中的天體、再形成了地球上的萬(wàn)物.由這一觀(guān)點(diǎn)構成的理論體系，稱(chēng)為“大爆炸”理論.
根據“大爆炸”理論，爆炸飛出的物質(zhì)在空間相遇，有很多物質(zhì)顆粒因引力作用相互吸引而聚到一起形成巨大的星體，其中的物質(zhì)也因引力的作用而受到極大的壓力，產(chǎn)生極高的溫度，使內部引發(fā)聚變反應，放出巨大的能量.也有大量的物質(zhì)因此被拋射出去，有的又聚合成新的恒星，有的則構成了行星.地球就是這樣的一顆行星.構成地球上萬(wàn)物的物質(zhì)都是這樣來(lái)自于不同的恒星，并由它們孕育了生命.如此說(shuō)來(lái)，我們的身體竟然是由來(lái)自不同恒星的物質(zhì)構成的！
大爆炸理論剛一問(wèn)世，即受到很多科學(xué)家的質(zhì)疑甚至強烈反對，并在科學(xué)界形成了著(zhù)名的“大辯論”.科學(xué)理論要被人們心悅誠服地接受，必須要有證據.那么，證據在哪里呢？如果真的存在大爆炸的話(huà)，應該有其殘留的痕跡甚至殘余物.
上世紀50年代，美國科學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜在調試一組巨大而靈敏的無(wú)線(xiàn)電天線(xiàn)時(shí)，無(wú)論他們采取什么措施，總不能消除其中的噪聲，且這些噪聲在各個(gè)方向上基本相同.科學(xué)家由此敏銳地發(fā)現，這就是大爆炸的殘余物――宇宙微波背景輻射！他們兩人也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎.
當我們打開(kāi)電視機后，在沒(méi)有電視信號時(shí)，屏幕上常會(huì )出現大量“雪花”，其大部分原因是接收到了這種宇宙微波背景輻射所導致的.
又經(jīng)過(guò)大量的天文觀(guān)測和研究，新的證據不斷出現，以愛(ài)因斯坦相對論為基礎奠定的時(shí)空理論，使新出現的很多問(wèn)題得到合理解釋?zhuān)蟊ɡ碚撘惨驯豢茖W(xué)界所廣泛接受，也有一些科學(xué)家因這方面的研究而獲得諾貝爾獎.特別有意思的是，羅馬教廷一反歷史上對日心說(shuō)封殺的態(tài)度，宣布支持大爆炸理論.1975年，教皇還接見(jiàn)了霍金.由此，大爆炸理論得到了宗教界和科學(xué)界的雙重承認！
但對這一問(wèn)題的研究遠沒(méi)有停止.一些問(wèn)題仍然在困擾著(zhù)科學(xué)家.科學(xué)家發(fā)現宇宙膨脹的速度越來(lái)越快，而并非如經(jīng)典理論認為的那樣，會(huì )因引力的作用而減速.于是，科學(xué)家又推算出宇宙中充斥著(zhù)看不到的暗物質(zhì)和暗能量的假說(shuō)：宇宙中只有30%是物質(zhì)，且其中大部分是暗物質(zhì)；宇宙中70%是暗能量.當然，這也需要證據.包括華裔著(zhù)名物理學(xué)家丁肇中在內的眾多科學(xué)家多年來(lái)一直在孜孜不倦地探索著(zhù)……
關(guān)于宇宙起源的探索方興未艾，遠沒(méi)到盡頭.科學(xué)家還在探究更好的研究方法，創(chuàng )建更新的理論體系，建造更大更完美的天文望遠鏡.
國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì )和聯(lián)合國教科文組織，為紀念伽利略首次用望遠鏡進(jìn)行天文觀(guān)測400年，將2009年定為“國際天文年”，主題是“探索我們的宇宙”.希望通過(guò)普及宇宙科學(xué)知識，幫助人們重新認識我們在宇宙中的位置，從而激發(fā)個(gè)人的探索發(fā)現精神.
探索宇宙的起源，可為我們每位少年插上智慧的翅膀，讓我們的理想在廣闊的宇宙中飛翔吧！
不久前，以美國普林斯頓大學(xué)的斯坦哈特教授為首的一批天文學(xué)家，推出了“宇宙無(wú)始無(wú)終”的新理論。他們認為，宇宙既沒(méi)有誕生之日，也沒(méi)有終結之時(shí)，而是在一次又一次的大爆炸中進(jìn)行運動(dòng)，循環(huán)往復，以至無(wú)窮。
其實(shí)，在數年前，就有兩位俄羅斯科學(xué)家提出了“電磁宇宙”理論，其中就包含這方面的總結。2006年7月26日，俄羅斯《獨立報》這樣報道：“當今全球大多數科學(xué)家都認為宇宙是大爆炸的產(chǎn)物。然而，俄羅斯動(dòng)力工程研究所所長(cháng)、技術(shù)科學(xué)博士維塔利?瓦西里耶維奇?布舒耶夫教授和莫斯科動(dòng)力工程研究所所長(cháng)、技術(shù)科學(xué)博士、蘇聯(lián)國家科學(xué)技術(shù)獎獲得者伊戈爾?彼得羅維奇?科普洛夫教授則認為，宇宙從未發(fā)生過(guò)大爆炸。根據大爆炸理論，星系連同其他所有的恒星和行星都產(chǎn)生于一個(gè)所謂的奇異點(diǎn)。這個(gè)奇異點(diǎn)中積聚了宇宙中所有最原始的物質(zhì)。然而，大爆炸理論還存在一個(gè)巨大的缺陷，那就是它無(wú)法回答大爆炸之前這一奇異點(diǎn)來(lái)源于何方?！庇腥松踔琳J為，大爆炸理論的發(fā)展將把人們對宇宙誕生和滅亡的認識引向神創(chuàng )說(shuō)。教皇約安?帕維爾二世曾在其書(shū)信中稱(chēng)當代的宇宙論與《圣經(jīng)》中的論述不謀而合。
兩位俄羅斯科學(xué)家稱(chēng)，電磁宇宙的設想可以回答諸多宇宙誕生的疑問(wèn)。電磁宇宙理論的基本觀(guān)點(diǎn)體現在三個(gè)方面：第一，宇宙將永遠存在；第二，宇宙中的所有物質(zhì)在各種頻率范圍內都發(fā)生能量交換；第三，宇宙間的一切活動(dòng)都是循環(huán)發(fā)生的，并遵循著(zhù)守恒定律。
電磁宇宙理論的基本觀(guān)點(diǎn)認為，宇宙是一個(gè)超環(huán)面系統，其中的眾多星系都由宇宙磁場(chǎng)連接在一起，螺旋形的超環(huán)面宇宙磁場(chǎng)控制著(zhù)所有的星系流。各個(gè)星系群由黑洞帶隔開(kāi)，而黑洞帶就是孕育和產(chǎn)生星系之處。根據電磁宇宙理論，黑洞造就了兩種星系類(lèi)型，一種是由負電子和質(zhì)子構成的物質(zhì)世界，另一種則是由正電子和反質(zhì)子構成的所謂反物質(zhì)世界。正是這兩個(gè)世界之間存在的巨大物質(zhì)和電荷差異形成了給予宇宙生命與發(fā)展的能量。
星系就是在宇宙磁場(chǎng)存在的條件下誕生的，恒星系統和星系物質(zhì)的運動(dòng)則形成了宇宙的強大電流。正如地球大氣中雷雨天的放電現象，黑洞中也有放電現象，并且這些持續數十億年的放電現象成就了眾多星系的誕生和死亡。
電磁宇宙理論認為，宇宙中的大爆炸其實(shí)就是星系的誕生過(guò)程。由于宇宙間存在著(zhù)無(wú)數的星系，所以宇宙間的大爆炸每時(shí)每刻都在發(fā)生，也就是說(shuō)，宇宙間星系的誕生和滅亡每秒都在發(fā)生。
兩位俄羅斯科學(xué)家認為，電磁宇宙理論的問(wèn)世將使大爆炸理論隨著(zhù)時(shí)間的推移而被人們淡忘。因為物質(zhì)和能量永遠處于相互轉換中，時(shí)間只不過(guò)是記錄從一個(gè)事件到另一個(gè)事件的工具。事實(shí)上時(shí)間也是永恒的，生命的循環(huán)既沒(méi)有始，也沒(méi)有終。
