第12章 選擇宇宙 (1)

根據中非波桑歌人的傳說，太初隻有黑暗，水和偉大的天神奔巴。一天，奔巴胃病發作，嘔吐出太陽。一會兒太陽灼幹了部分水，留下大地。可是奔巴仍然胃痛不止，又吐出來月亮和星辰，然後吐出一些動物：豹，鱷魚，烏龜，最後是人。墨西哥和中美洲的瑪雅人描述在創生之前的類似時期。那時存在的一切是海洋，天空和造物主。在瑪雅傳說中，造物主創造了土地，山嶽，樹林和大多數動物，但它不快活，因為沒有讚美者。由於動物不能說話，這樣他決定創造人類。首先他用泥土做人，但他們隻能胡說。它將他們溶掉，再試，這回從木頭塑造出人來。那些人很笨。他決定將其毀滅，但他們逃進樹林，逃竄途中受到一些傷害被保留下來，創生了當今知道的猴子。那次慘敗之後，最後造物主找到了一個方案，從白色和黃色玉米裏造出人類。我們今天用玉米製造酒精，然而迄今還未達到造物主製造喝它的人的本領。

諸如此類的創生古代神話都試圖回答我們在本書想要解決的問題：為何存在一個宇宙。為何宇宙如此這般？自古希臘始的多少世紀裏，我們回答這類問題的能力逐漸增強，而在上個世紀，這種能力極度發展。有前麵的章節作背景準備，現在我們要對這些問題給予可能的答案。

甚至在更早時有件事可說是很明顯的，要麽宇宙是一個非常近的創生物，要麽人類隻在宇宙曆史中存在了一小部分的時間。那是因為人們在知識和技術上如此迅速地改善，如果人類在周圍存在了幾百萬年，那麽人類要更先進得多。

根據舊約，上帝在創生之後僅六天就創生了亞當和夏娃。全愛爾蘭在1625—1656年間的大主教厄謝爾主教甚至把世界起源更精確地設定於公元前4004年10月27日的早上九點。而我們采用不同觀點：人類是近代創生的，然而宇宙本身的起始在大約137億年前，要早得多。

宇宙具有開端的第一個真正的科學證據是1920年代出現的。正如我們在第三章說過的，那時大多數科學家信仰一直那樣存在的靜態宇宙。與此矛盾的證據是間接的，那是基於埃德溫哈勃在加利福尼亞帕沙迪那上的威爾遜山利用100英寸望遠鏡進行的觀測。哈勃分析了鄰近的所有星係發射的光譜之後，確定幾乎所有的星係都遠離我們而去，而且它們離得越遠，就運動得越快。1929年，他發表了一個將退行速度和它們離開我們距離相關的定律，並且得出結論宇宙正在膨脹。如果這是真的，那麽宇宙在過去就應該較小。事實上，如果我們延伸到遙遠的過去，所有宇宙中的物質和能量就應集中在具有不能想象的密度和溫度的非常微小的區域，而且如果我們回溯到足夠早，那麽就存在一個一切啟始的瞬間——我們現在稱這個事件為大爆炸。

宇宙正在膨脹的觀念有些微妙。例如，我們不是說宇宙以這種方式膨脹，譬如，人們可以把牆打掉，在以前曾經的大橡樹位置裝修一個洗澡間。說的更準確些，是宇宙中的任何兩點之間的距離在變大，而非空間在延續其自身。1930年代這種觀念中在大量的爭議中出現。而最好想象它的方法之一仍然是劍橋大學天文學家阿瑟愛丁頓在1931年清楚地闡述的隱喻。愛丁頓把宇宙想象成一個膨脹的氣球的表麵，而所有星係為那個表麵上的點。這個圖像清晰地闡釋了為何遠處的的星係比近處的退行的較快。例如，如果氣球的半徑每小時加倍，那麽在這氣球上的任何兩個星係之間的距離每小時會加倍。如果兩個星係在某一時刻相距1英寸，1小時後它們就會相距2英寸，而它們顯得以每小時1英寸的速率相互運動離開。但是如果它們開始是離開2英寸，一小時後它們就分開4英寸，而顯得是以每小時2英寸的速度相互運動離開。這正是哈勃的發現：星係越遠，它離開我們運動得越快。

空間的膨脹不影響諸如星係，恒星，蘋果，原子或其它由於某類力束縛在一起的物體的尺度，意識到這一點很重要。例如，如果我們在氣球上圈出一個星係團，在氣球膨脹時，那個圓圈並不膨脹。毋寧說，因為星係受引力的束縛，當氣球膨脹時圓圈和在其中的星係會保持尺度和外形。因為隻有當我們測量的工具具有固定尺寸時，我們才能檢查膨脹，所以這一點是重要的。如果萬物都自由膨脹，那麽我們，我們的標準，我們的實驗室等就都會按比例膨脹，而我們就不會覺察到有任何不同了。

對於愛因斯坦，宇宙在膨脹是一道新聞。然而基於愛因斯坦自己的方程產生的理論根據，在比哈勃論文早幾年，星係互相離開運動的可能性就被提出了。1922年，俄國物理學家兼數學家亞曆山大弗裏德曼研究了基於兩個可使數學極度簡化的假定之上的一個宇宙模型：宇宙在任何方向都顯得相同，以及從所有觀察點看也是這樣。我們知道弗裏德曼第一假定不完全真實——還好宇宙並非處處一致！如果我們往上凝視一個方向，我們也許看到太陽；在另一方向是月亮，或者是一群遷徙的吸血鬼蝙蝠。然而，在甚至比星係距離更大得多得多的尺度下看，宇宙在每一方向的確顯得大致相同。這類似像往下看森林。如果你處於足夠近處，你能辨別出單個葉子，或至少樹以及之間的空間。然而，如果你處於相當高的地方，把你拇指伸出就遮蓋3平方英裏的樹，森林就顯得是均勻的綠蔭。我們會說，森林在那個尺度上一致的。

基於自己的假定，弗裏德曼能夠發現愛因斯坦的一個解，在該解中，宇宙以哈勃之後不久發現是真的方式膨脹。特別是，弗利德曼的宇宙模型從零尺度起始，而且膨脹直至引力吸引使之緩慢，並最終使之向自身塌縮。(結果，愛因斯坦方程還有兩種其它類型的解也滿足弗裏德曼模型的假設，其中一種對應於永遠繼續膨脹的宇宙，盡管它會緩慢下來一些，而另一種其膨脹率向零減緩，但永遠不會到達零。)弗裏德曼完成這個研究之後沒幾年即去世，直至哈勃發現之後，大多數人才知道弗裏德曼的思想。然而1927年，一位名為喬治勒梅特的物理學教授和羅馬天主教牧師提出類似的思想：如果你沿著宇宙曆史回溯到過去，它會變得越來越小直到一個創生時刻——那就是今天我們稱作大爆炸的時刻。

並非人人都喜歡大爆炸的圖象。事實上，“大爆炸”術語是1949年劍橋天體物理學家弗雷德霍伊爾創造的。他深信宇宙無限膨脹，故意利用這個術語嘲弄。1965年支持這個觀點的最早直接觀測才出現，人們發現在整個太空存在著暗淡的微波背景。這個宇宙微波背景輻射，或CMBR是和你的微波爐中的一樣，隻不過微弱得多。你把電視轉到一個不用的頻道就能看到CMBR——你在屏幕上看到雪花的百分之幾是由它引起的。這個輻射是兩位貝爾實驗室的科學家在努力消除從他們微波天線來的這種幹擾時偶然發現的。他們起初以為這種幹擾也許是從棲息在天線中的鴿子糞引起的，然而結果是他們的問題擁有更有趣的起源——CMBR是指大爆炸後很短的時間存在過的非常熱非常緊密致的早期宇宙遺留下來的輻射。隨著宇宙膨脹，它冷卻下來直至輻射變成僅僅是我們現在觀察到的暗淡的殘餘。現在這些微波隻能將你的食物加熱到大約攝氏-270度——絕對零上3度，對於爆玉米花沒多大用處。

天文學家還發現了支持一個熱的微小的早期宇宙的大爆炸圖象的其它特征標誌。例如，在第一分鍾左右，宇宙會比典型恒星的中心還熱。在那個時期，整個宇宙就像一個核聚變反應堆那樣行為。當宇宙足夠膨脹並冷卻，該反應就停止了，然而理論預言這會遺留一個由氫為主要成分的宇宙，但還有大約百分之23左右的氦，以及微量的鋰(所有的更重的元素是後來在恒星中形成的)。其計算和我們觀察到氦，氫和鋰的數量非常一致。

氦豐度以及CMBR的測量為極早期宇宙的大爆炸圖象提供了令人信服的有利證據，然而盡管人們可將大爆炸圖象認為是早期的一個成功的描述，嚴格地接受大爆炸，也就是說，認為愛因斯坦理論提供了宇宙起源的真正圖象卻是錯誤的。那是因為廣義相對論預言在時間中存在一點，那時宇宙溫度，密度，和曲率都是無限的，這是數學家稱之為奇點的情形。對於物理學家而言，這表明在那點愛因斯坦理論崩潰了，因此不能用之預言宇宙為何啟始，隻能用之預言之後它如何演化。因而盡管我們可以使用廣義相對論的方程和我們對天空的觀測去獲悉極年輕時代的宇宙，但將大爆炸圖象一直延伸至啟始卻是不正確的。

我們將會很快回到宇宙創生問題，但首先要講一下有關膨脹的最早期的相。物理學家稱之為暴脹。除非你在津巴布韋住過，那裏通貨膨脹最近超過二百萬倍，這個術語也許聽起來不那麽爆炸性。然而，甚至根據保守的估計，在這個宇宙暴脹期間，宇宙在0.00000000000000000000000000000000001秒膨脹了1，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000倍。它仿佛是直徑1厘米的硬幣忽然爆炸到銀河係寬度的一千萬倍。這似乎違反了相對論，它要求沒有任何東西可比光運動得更快，但那個速度極限不能適用於空間本身的膨脹。

這種暴脹的事件也許發生過的思想首先是在1980年代提出的，那是基於超出愛因斯坦廣義相對論，並注意到量子論方麵的考慮。由於我們沒有完備的量子引力論，其細節還在研究之中，因此物理學家還不清楚暴脹確切地如何發生。然而根據理論，由暴脹引起的膨脹不會是完全均勻的，正如傳統的大爆炸圖象預言的那樣。這些無規律性在不同方向的CMBR的溫度上會產生微小的變化。這種變化太小了以至於在1960年代未被觀測到，然而1992年被NASA的COBE衛星首先以及後來它的後繼者2001年發射的WMAP衛星測量到。因而，我們現在確信暴脹的確真的發生過。

出乎意料的是，盡管CMBR中的微小變化是暴脹的證據，CMBR的溫度幾乎完美的均勻性卻是暴脹是重要概念的一個原因。如果你使物體的一部分比它的周圍更熱，然後等待，這熱點會變較冷，而周圍變得較暖，直到與物體的溫度一致。類似地，人們可以預料宇宙最終會具有一致的溫度。但是這個過程花費時間，而如果暴脹沒有發生過，假定這種熱傳輸的速度受光速的限製，則在宇宙的曆史中就不會有足夠的時間讓熱在相隔很開的區域變均勻。一個非常快速(比光速快得多)的膨脹時期可以糾正這個問題，因為那就存在足夠的時間在極其微小的前暴脹早期宇宙使均勻化發生。

暴脹至少在一個意義上解釋了大爆炸中的爆炸，即暴脹至少在它所代表的膨脹比由廣義相對論的傳統大爆炸在暴脹發生的時間段裏的膨脹遠為極端。問題在於，為了我們的暴脹理論模型能有效運行，宇宙的初始狀必須以一種非常特殊和高度不可信的方式被設定。這樣，傳統的暴脹理論解決了一族問題，卻產生了另一個問題——需要一個非常特別的初始態，那個零時間的問題在我們即將描述的宇宙創生理論中被消除。

由於我們不能利用愛因斯坦的廣義相對論來描述創生，如果我們要描述宇宙的起源，廣義相對論就必須被一個更完備的理論取代。人們期望，即便廣義相對論不崩潰，也需要更完備的理論，因為廣義相對理論沒有考慮由量子論製約的物質的小尺度結構。我們在第四章提到，因為量子論適用於描述微觀尺度的自然，在宇宙大尺度結構的研究中對於多數實際的目的，量子論不大相幹。然而，如果你在時間中回溯至足夠遠，宇宙就和普朗克尺度一樣小，即十億億億億分之一厘米，這是必須考慮量子論的尺度。這樣，雖然我們還未擁有一個完備的量子引力論，我們的確知道，宇宙的起源是一個量子事件。因而，正如我們——至少臨時地——把量子論和廣義相對論相結合以導出暴脹理論，如果我們要回溯得甚至更遠並理解宇宙的起源，就必須將我們關於廣義相對論所知的與量子論結合。

為了要知道這如何進行，我們需要理解引力翹曲空間和時間的原理。空間翹曲比時間翹曲較易想象。想象宇宙是一撞球台的平坦表麵。這台麵是一平坦空間，至少在兩維如此。如果你在台上滾球，它就沿直線運動，倘若台麵有些地方被翹曲或者被弄成凹痕，正如下圖所畫，那麽球就會走彎路。