选择宇宙 (1)宇宙正在膨胀的观念有些微妙

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　　根据中非波桑歌人的传说，太初只有黑暗，水和伟大的天神奔巴。一天，奔巴胃病发作，呕吐出太阳。一会儿太阳灼干了部分水，留下大地。可是奔巴仍然胃痛不止，又吐出来月亮和星辰，然后吐出一些动物：豹，鳄鱼，乌龟，.....最后是人。墨西哥和中美洲的玛雅人描述在创生之前的类似时期。那时存在的一切是海洋，天空和造物主。在玛雅传说中，造物主创造了土地，山岳，树林和大多数动物，但它不快活，因为没有赞美者。由于动物不能说话，这样他决定创造人类。首先他用泥土做人，但他们只能胡说。它将他们溶掉，再试，这回从木头塑造出人来。那些人很笨。他决定将其毁灭，但他们逃进树林，逃窜途中受到一些伤害被保留下来，创生了当今知道的猴子。那次惨败之后，最后造物主找到了一个方案，从白色和黄色玉米里造出人类。我们今天用玉米制造酒精，然而迄今还未达到造物主制造喝它的人的本领。
　　诸如此类的创生古代神话都试图回答我们在本书想要解决的问题：为何存在一个宇宙。为何宇宙如此这般？自古希腊始的多少世纪里，我们回答这类问题的能力逐渐增强，而在上个世纪，这种能力极度发展。有前面的章节作背景准备，现在我们要对这些问题给予可能的答案。
　　甚至在更早时有件事可说是很明显的，要么宇宙是一个非常近的创生物，要么人类只在宇宙历史中存在了一小部分的时间。那是因为人们在知识和技术上如此迅速地改善，如果人类在周围存在了几百万年，那么人类要更先进得多。
　　根据旧约，上帝在创生之后仅六天就创生了亚当和夏娃。全爱尔兰在1625—1656年间的大主教厄谢尔主教甚至把世界起源更精确地设定于公元前4004年10月27日的早上九点。而我们采用不同观点：人类是近代创生的，然而宇宙本身的起始在大约137亿年前，要早得多。
　　宇宙具有开端的第一个真正的科学证据是1920年代出现的。正如我们在第三章说过的，那时大多数科学家信仰一直那样存在的静态宇宙。与此矛盾的证据是间接的，那是基于埃德温哈勃在加利福尼亚帕沙迪那上的威尔逊山利用100英寸望远镜进行的观测。哈勃分析了邻近的所有星系发射的光谱之后，确定几乎所有的星系都远离我们而去，而且它们离得越远，就运动得越快。1929年，他发表了一个将退行速度和它们离开我们距离相关的定律，并且得出结论宇宙正在膨胀。如果这是真的，那么宇宙在过去就应该较小。事实上，如果我们延伸到遥远的过去，所有宇宙中的物质和能量就应集中在具有不能想象的密度和温度的非常微小的区域，而且如果我们回溯到足够早，那么就存在一个一切启始的瞬间——我们现在称这个事件为大爆炸。
　　宇宙正在膨胀的观念有些微妙。例如，我们不是说宇宙以这种方式膨胀，譬如，人们可以把墙打掉，在以前曾经的大橡树位置装修一个洗澡间。说的更准确些，是宇宙中的任何两点之间的距离在变大，而非空间在延续其自身。1930年代这种观念中在大量的争议中出现。而最好想象它的方法之一仍然是剑桥大学天文学家阿瑟爱丁顿在1931年清楚地阐述的隐喻。爱丁顿把宇宙想象成一个膨胀的气球的表面，而所有星系为那个表面上的点。这个图像清晰地阐释了为何远处的的星系比近处的退行的较快。例如，如果气球的半径每小时加倍，那么在这气球上的任何两个星系之间的距离每小时会加倍。如果两个星系在某一时刻相距1英寸，1小时后它们就会相距2英寸，而它们显得以每小时1英寸的速率相互运动离开。但是如果它们开始是离开2英寸，一小时后它们就分开4英寸，而显得是以每小时2英寸的速度相互运动离开。这正是哈勃的发现：星系越远，它离开我们运动得越快。
　　空间的膨胀不影响诸如星系，恒星，苹果，原子或其它由于某类力束缚在一起的物体的尺度，意识到这一点很重要。例如，如果我们在气球上圈出一个星系团，在气球膨胀时，那个圆圈并不膨胀。毋宁说，因为星系受引力的束缚，当气球膨胀时圆圈和在其中的星系会保持尺度和外形。因为只有当我们测量的工具具有固定尺寸时，我们才能检查膨胀，所以这一点是重要的。如果万物都自由膨胀，那么我们，我们的标准，我们的实验室等就都会按比例膨胀，而我们就不会觉察到有任何不同了。
　　对于爱因斯坦，宇宙在膨胀是一道新闻。然而基于爱因斯坦自己的方程产生的理论根据，在比哈勃论文早几年，星系互相离开运动的可能性就被提出了。1922年，俄国物理学家兼数学家亚历山大弗里德曼研究了基于两个可使数学极度简化的假定之上的一个宇宙模型：宇宙在任何方向都显得相同，以及从所有观察点看也是这样。我们知道弗里德曼第一假定不完全真实——还好宇宙并非处处一致！如果我们往上凝视一个方向，我们也许看到太阳；在另一方向是月亮，或者是一群迁徙的吸血鬼蝙蝠。然而，在甚至比星系距离更大得多得多的尺度下看，宇宙在每一方向的确显得大致相同。这类似像往下看森林。如果你处于足够近处，你能辨别出单个叶子，或至少树以及之间的空间。然而，如果你处于相当高的地方，把你拇指伸出就遮盖3平方英里的树，森林就显得是均匀的绿荫。我们会说，森林在那个尺度上一致的。
　　基于自己的假定，弗里德曼能够发现爱因斯坦的一个解，在该解中，宇宙以哈勃之后不久发现是真的方式膨胀。特别是，弗利德曼的宇宙模型从零尺度起始，而且膨胀直至引力吸引使之缓慢，并最终使之向自身塌缩。(结果，爱因斯坦方程还有两种其它类型的解也满足弗里德曼模型的假设，其中一种对应于永远继续膨胀的宇宙，尽管它会缓慢下来一些，而另一种其膨胀率向零减缓，但永远不会到达零。)弗里德曼完成这个研究之后没几年即去世，直至哈勃发现之后，大多数人才知道弗里德曼的思想。然而1927年，一位名为乔治勒梅特的物理学教授和罗马天主教牧师提出类似的思想：如果你沿着宇宙历史回溯到过去，它会变得越来越小直到一个创生时刻——那就是今天我们称作大爆炸的时刻。
　　并非人人都喜欢大爆炸的图象。事实上，“大爆炸”术语是1949年剑桥天体物理学家弗雷德霍伊尔创造的。他深信宇宙无限膨胀，故意利用这个术语嘲弄。1965年支持这个观点的最早直接观测才出现，人们发现在整个太空存在着暗淡的微波背景。这个宇宙微波背景辐射，或cmbr是和你的微波炉中的一样，只不过微弱得多。你把电视转到一个不用的频道就能看到cmbr——你在屏幕上看到雪花的百分之几是由它引起的。这个辐射是两位贝尔实验室的科学家在努力消除从他们微波天线来的这种干扰时偶然发现的。他们起初以为这种干扰也许是从栖息在天线中的鸽子粪引起的，然而结果是他们的问题拥有更有趣的起源——cmbr是指大爆炸后很短的时间存在过的非常热非常紧密致的早期宇宙遗留下来的辐射。随着宇宙膨胀，它冷却下来直至辐射变成仅仅是我们现在观察到的暗淡的残余。现在这些微波只能将你的食物加热到大约摄氏-270度——绝对零上3度，对于爆玉米花没多大用处。
　　天文学家还发现了支持一个热的微小的早期宇宙的大爆炸图象的其它特征标志。例如，在第一分钟左右，宇宙会比典型恒星的中心还热。在那个时期，整个宇宙就像一个核聚变反应堆那样行为。当宇宙足够膨胀并冷却，该反应就停止了，然而理论预言这会遗留一个由氢为主要成分的宇宙，但还有大约百分之23左右的氦，以及微量的锂(所有的更重的元素是后来在恒星中形成的)。其计算和我们观察到氦，氢和锂的数量非常一致。
　　氦丰度以及cmbr的测量为极早期宇宙的大爆炸图象提供了令人信服的有利证据，然而尽管人们可将大爆炸图象认为是早期的一个成功的描述，严格地接受大爆炸，也就是说，认为爱因斯坦理论提供了宇宙起源的真正图象却是错误的。那是因为广义相对论预言在时间中存在一点，那时宇宙温度，密度，和曲率都是无限的，这是数学家称之为奇点的情形。对于物理学家而言，这表明在那点爱因斯坦理论崩溃了，因此不能用之预言宇宙为何启始，只能用之预言之后它如何演化。因而尽管我们可以使用广义相对论的方程和我们对天空的观测去获悉极年轻时代的宇宙，但将大爆炸图象一直延伸至启始却是不正确的。
　　我们将会很快回到宇宙创生问题，但首先要讲一下有关膨胀的最早期的相。物理学家称之为暴胀。除非你在津巴布韦住过，那里通货膨胀最近超过二百万倍，这个术语也许听起来不那么爆炸性。然而，甚至根据保守的估计，在这个宇宙暴胀期间，宇宙在0.00000000000000000000000000000000001秒膨胀了1，000，000，000，000，000，000，000，000，000，000倍。它仿佛是直径1厘米的硬币忽然爆炸到银河系宽度的一千万倍。这似乎违反了相对论，它要求没有任何东西可比光运动得更快，但那个速度极限不能适用于空间本身的膨胀。
　　这种暴胀的事件也许发生过的思想首先是在1980年代提出的，那是基于超出爱因斯坦广义相对论，并注意到量子论方面的考虑。由于我们没有完备的量子引力论，其细节还在研究之中，因此物理学家还不清楚暴胀确切地如何发生。然而根据理论，由暴胀引起的膨胀不会是完全均匀的，正如传统的大爆炸图象预言的那样。这些无规律性在不同方向的cmbr的温度上会产生微小的变化。这种变化太小了以至于在1960年代未被观测到，然而1992年被nasa的cobe卫星首先以及后来它的后继者2001年发射的wmap卫星测量到。因而，我们现在确信暴胀的确真的发生过。
　　出乎意料的是，尽管cmbr中的微小变化是暴胀的证据，cmbr的温度几乎完美的均匀性却是暴胀是重要概念的一个原因。如果你使物体的一部分比它的周围更热，然后等待，这热点会变较冷，而周围变得较暖，直到与物体的温度一致。类似地，人们可以预料宇宙最终会具有一致的温度。但是这个过程花费时间，而如果暴胀没有发生过，假定这种热传输的速度受光速的限制，则在宇宙的历史中就不会有足够的时间让热在相隔很开的区域变均匀。一个非常快速(比光速快得多)的膨胀时期可以纠正这个问题，因为那就存在足够的时间在极其微小的前暴胀早期宇宙使均匀化发生。
　　暴胀至少在一个意义上解释了大爆炸中的爆炸，即暴胀至少在它所代表的膨胀比由广义相对论的传统大爆炸在暴胀发生的时间段里的膨胀远为极端。问题在于，为了我们的暴胀理论模型能有效运行，宇宙的初始状必须以一种非常特殊和高度不可信的方式被设定。这样，传统的暴胀理论解决了一族问题，却产生了另一个问题——需要一个非常特别的初始态，那个零时间的问题在我们即将描述的宇宙创生理论中被消除。
　　由于我们不能利用爱因斯坦的广义相对论来描述创生，如果我们要描述宇宙的起源，广义相对论就必须被一个更完备的理论取代。人们期望，即便广义相对论不崩溃，也需要更完备的理论，因为广义相对理论没有考虑由量子论制约的物质的小尺度结构。我们在第四章提到，因为量子论适用于描述微观尺度的自然，在宇宙大尺度结构的研究中对于多数实际的目的，量子论不大相干。然而，如果你在时间中回溯至足够远，宇宙就和普朗克尺度一样小，即十亿亿亿亿分之一厘米，这是必须考虑量子论的尺度。这样，虽然我们还未拥有一个完备的量子引力论，我们的确知道，宇宙的起源是一个量子事件。因而，正如我们——至少临时地——把量子论和广义相对论相结合以导出暴胀理论，如果我们要回溯得甚至更远并理解宇宙的起源，就必须将我们关于广义相对论所知的与量子论结合。
　　为了要知道这如何进行，我们需要理解引力翘曲空间和时间的原理。空间翘曲比时间翘曲较易想象。想象宇宙是一撞球台的平坦表面。这台面是一平坦空间，至少在两维如此。如果你在台上滚球，它就沿直线运动，倘若台面有些地方被翘曲或者被弄成凹痕，正如下图所画，那么球就会走弯路。