时间简史The Origin and Fate of the Universe (part 2)－8

 The Brief History of Time—Stephen Hawking

 

8－The Origin and Fate of the Universe (part 2)

 

爱因斯坦的广义相对论，预示了宇宙开始于密度无限大的big bang singularity, 在这个singularity, 所有的理论，包括广义相对论，都失去意义，所以广义相对论不能用来解释我们在上面part 1里提出的那些问题。根据不确定理论，宇宙是按照某些基本原理来发展进化的，如果我们知道某一时间点的状态，我们就能预测它的未来。我们不禁猜测，也许上帝在一开始创造宇宙时制定了这些基本规则，而后上帝让它依照这些规则来自我发展，而没有再次干预。

 

由于宇宙发展的规则性，我们不难相信宇宙的起始也应该有序可循。有一种原理叫chaotic boundary conditions，暗示了宇宙要么在空间上具有无限性，要么有无限个宇宙，而任何一种特定的宇宙组成形式，它出现的可能性都是相同的，所以我们现在的这种宇宙存在形成具有可能性和偶然性。

 

虽然看上去不太可能，我们假设在宇宙开始的某一领域，在宏观上发展成我们现在看到的平滑一致的宇宙状态，而只有在这种平滑一致的宇宙中某个区域的微小波动，才能产生银河系和其他星球。从这一点上，我们又发展出宇宙人类原理学（anthropic principle）。

 

人类原理学认为，“We see the universe the way it is because we exist.” 也就是说，宇宙因我们的存在而存在。这个原理又分为弱人类原理（the weak) 和强人类原理（the strong）。 弱人类原理认为，在广大无边的宇宙空间中，生命的产生只局限在某个能够给予生命存在发展的空间。它解释了为什么宇宙的起源追溯到100亿年前，因为生命的产生和进化需要这么长的时间。首先，必须形成第一代星球，这些星球才能把氢和氦转化为生命必须的碳和氧。然后这些星球通过爆炸重新组合成新一代星球，其中就包括了有50亿年之久的我们的太阳系。而地球需要10-20亿年从炙热状态逐步冷却到生命可以发展的温度，然后单细胞需要另外30亿年来进化到我们现在的状态。

 

强人类原理认为，要么有许多不同的宇宙，要么一个宇宙有许多不同的区域，而每个宇宙或区域有它们特有的组成形式和遵循它特有的一套基本原理。绝大部分的宇宙或区域都不适合生命的进化，只有在少数像我们这样的宇宙生命才能存在发展。也就是说，如果宇宙跟我们现在所处的不一样，我们就不可能存在，因此，宇宙为我们而存在。

 

但是，以上的理论都不能解释为什么宇宙从一开始的杂乱状态转化为现在我们生存的平滑一致状态。是不是在时间起始点时上帝极为精确的制定了宇宙大爆炸的膨胀速度，从而造成宇宙以一个关键的临界速度不断向外扩张？

 

美国麻省理工学院的Alan Guth认为，宇宙大爆炸后的某一段时期向外加速膨胀。大爆炸后宇宙温度非常高，以至于把粒子之间的强核力，弱核力和电磁力结合成一个统一的力源。当宇宙降温时，粒子能量下降而最终把这三种力的对称性打破，从而释放出大量的能量并使宇宙处于一个不稳定的状态。而这种释放的能量具有反万有引力作用，推动宇宙以一个更快的速度向外膨胀。宇宙越向外膨胀，粒子之间的距离越开，最终就像一个被吹起的气球，所有的褶皱都被抚平，宇宙变得平滑而一致。我们可以说这种平滑一致的状态是从早先的杂乱状态中演变来的。

 

而宇宙的这种膨胀性也解释了为什么宇宙中会有如此多的物质。根据量子力学，粒子可以从正能量粒子和负能量粒子以配对形式制造出来。那么能量从哪里来？事实上宇宙的能量为0，物质代表了正能量，而万有引力代表负能量。而2个0也是0，所以当宇宙不断向外膨胀，当负能量的万有引力加倍时，宇宙间含有的正能量的物质相应加倍。

 

1983年，俄国科学家Andrei Linde提出一个新的也更完美的科学模型，叫做the Chaotic Inflationary Model。这个模型摒弃了有争议的冷却阶段的力转化过程，提出宇宙有一个spin 0的领域，根据量子力学，这个spin 0的领域含有大量的能量，起到反万有引力的作用，从而推动宇宙以加速度向外膨胀。这个模型包纳了先前模型所有有价值的地方，避免了能量转化阶段，并合理确定了我们实际环境中短波温度的偏差范围。

 

这种膨胀模型有效地避免了我们需要借上帝之手，以精确的手段来界定宇宙大爆炸时刻膨胀速度这一局限。