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第12章 应该存在某种原则去抽取一个初始状态

最终,当这些区域变得足够小,自转的速度就足以平衡引力的吸引,碟状的旋转星系就以这种方式诞生了。另外一些区域刚好没有得到旋转,就形成了叫做椭圆星系的椭球状物体。这些区域之所以停止坍缩是因为星系的个别部分稳定地绕着它的中心旋转,但星系整体并没有旋转。

随着时间流逝,星系中的氢和氦气体被分割成更小的星云,它们在自身引力下坍缩。

当它们收缩时,其中的原子相碰撞,气体温度升高,直到最后,热得足以开始热骤变反应。这些反应将更多的氢转变成氦,释放出的热升高了压力,因此使星云不再继续收缩。

正如同我们的太阳一样,它们将氢燃烧成氦,并将得到的能量以热和光的形式辐射出来。

它们会稳定地在这种状态下停留一段很长的时间。质量更大的恒星需要变得更热,以去平衡它们更强的引力,使得其核聚变反应进行得极快,以至于它们在1亿年这么短的时间里将氢用光。然后,它们会稍微收缩一点。当它们进一步变热,就开始将氦转变成像碳和氧这样更重的元素。但是,这一过程没有释放出太多的能量,所以正如在黑洞那一章描述的,危机就会发生了。人们不完全清楚下面还会发生什么,但是看来恒星的中心区域会坍缩成一个非常紧致的状态,譬如中子星或黑洞。恒星的外部区域有时会在叫做超新星的巨大爆发中吹出来,这种爆发会使星系中的所有恒星相形之下显得黯淡无光。

一些恒星接近生命终点时产生的重元素就抛回到星系里的气体中去,为下一代恒星提供一些原料。我们自己的太阳包含大约2%这样的重元素,因为它是第二代或第三代恒星,是由0亿年前从包含有更早的超新星的碎片的旋转气体云形成的。云里的大部分气体形成了太阳或者喷到外面去,但是少量的重元素集聚在一起,形成了像地球这样的、现在绕太阳公转的物体。

地球原先是非常热的,并且没有大气。在时间的长河中它冷却下来,并从岩石中溢出的气体里得到了大气。这早先的大气不能使我们存活。因为它不包含氧气,但有很多对我们有毒的气体,如硫化氢(即是使臭鸡蛋难闻的气体)。然而,存在其他在这条件下能繁衍的生命的原始形式。人们认为,它们可能是作为原子的偶然结合形成叫做宏观分子的大结构的结果而在海洋中发展,这种结构能够将海洋中的其他原子聚集成类似的结构。它们就这样地复制了自己并繁殖。在有些情况下复制有误差。这些误差多数使得新的宏观分子不能复制自己,并最终被消灭。然而,有一些误差会产生出新的宏观分子,在复制它们自己时会变得更好。所以它们具有优点,并趋向于取代原先的宏观分子。进化的过程就是用这种方式开始,它导致了越来越复杂的自复制的组织。第一种原始的生命形式消化了包括硫化氢在内的不同物质而放出氧气。这样就逐渐地将大气改变到今天这样的成份,允许诸如鱼、爬行动物、哺乳动物以及最后人类等生命的更高形式的发展。

宇宙从非常热开始并随膨胀而冷却的景象,和我们今天所有的观测证据相一致。尽管如此,还有许多重要问题未被回答:(1)为何早期宇宙如此之热?

(2)为何在大尺度上宇宙是如此一致?为何在空间的所有地方和所有方向上它显得是一样的?尤其是,当我们朝不同方向看时,为何微波辐射背景的温度是如此之相同?

这有点像问许多学生一个考试题。如果所有人都刚好给出相同的回答,你就会十分肯定,他们互相之间通过话。在上述的模型中,从大爆炸开始光还没有来得及从一个很远的区域传到另一个区域,即使这两个区域在宇宙的早期靠得很近。按照相对论,如果连光都不能从一个区域走到另一个区域,则没有任何其他的信息能做到。所以,除非因为某种不能解释的原因,导致早期宇宙中不同的区域刚好从同样的温度开始,否则,没有一种方法能使它们有互相一样的温度。

(3)为何宇宙以这样接近于区分坍缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的速率开始,以至于即使在100亿年以后的现在,它仍然几乎以临界的速率膨胀?如果在大爆炸后的1秒钟那一时刻其膨胀率甚至只要小十亿亿分之一,那么在它达到今天这么大的尺度之前宇宙就已坍缩。

(4)尽管在大尺度上宇宙是如此的一致和均匀,它却包含有局部的无规性,诸如恒星和星系。人们认为,这些是从早期宇宙中不同区域间的密度的很小的差别发展而来。

这些密度起伏的起源是什么?

广义相对论本身不能解释这些特征或回答这些问题,因为它预言,在大爆炸奇点宇宙是从无限密度开始的。在奇点处,广义相对论和所有其他物理定律都失效:人们不能预言从奇点会出来什么。正如以前解释的,这表明我们可以从这理论中除去大爆炸奇点和任何先于它的事件,因为它们对我们没有任何观测效应。空间一时间就会有边界——大爆炸处的开端。

看来科学揭露了一组定律,在不确定性原理极限内,如果我们知道宇宙在任一时刻的状态,这些定律就会告诉我们,它如何随时间发展。这些定律也许原先是由上帝颁布的,但是看来从那以后他就让宇宙按照这些定律去演化,而不再对它干涉。但是,它是如何选择宇宙的初始状态和结构的?在时间的开端处“边界条件”是什么?

一种可能的回答是,上帝选择宇宙的这种初始结构是因为某些我们无望理解的原因。

这肯定是在一个全能造物主的力量之内。但是如果他使宇宙以这种不可理解的方式开始,何以他又选择让它按照我们可理解的定律去演化?整部科学史是对事件不是以任意方式发生,而是反映了一定的内在秩序的逐步的意识。这秩序可以是、也可以不是由神灵主宰的。只有假定这种秩序不但应用于定律,而且应用于在空间—时间边界处所给定的宇宙初始条件才是自然的。可以有大量具有不同初始条件的宇宙模型,它们都服从定律。

应该存在某种原则去抽取一个初始状态,也就是一个模型去代表我们的宇宙。

所谓的紊乱边界条件即是这样的一种可能性。这里含蓄地假定,或者宇宙是空间无限的,或者存在无限多宇宙。在紊乱边界条件下,在刚刚大爆炸之后,寻求任何空间的区域在任意给定的结构的概率,在某种意义上,和它在任何其他的结构的概率是一样的:宇宙初始态的选择纯粹是随机的。这意味着,早期宇宙可能是非常紊乱和无规则的。因为与光滑和有序的宇宙相比,存在着更多得多的紊乱和无序的宇宙。(如果每一结构都是等几率的,多半宇宙是从紊乱无序态开始,就是因为这种态多得这么多。)很难理解,从这样紊乱的初始条件,如何导致今天我们这个在大尺度上如此光滑和规则的宇宙。人们还预料,在这样的模型中,密度起伏导致了比由伽玛射线背景所限定的多得多的太初黑洞的形成。

如果宇宙确实是空间无限的,或者如果存在无限多宇宙,则就会存在某些从光滑和一致的形态开始演化的大的区域。这有一点像著名的一大群猴子敲打打字机的故事——它们大部分所写的都是废话。但是纯粹由于偶然,它们可能碰巧打出莎士比亚的一首短诗。类似地,在宇宙的情形,是否我们可能刚好生活在一个光滑和一致的区域里呢?初看起来,这是非常不可能的,因为这样光滑的区域比紊乱的无序的区域少得多得多。然而,假定只有在光滑的区域里星系、恒星才能形成,才能有合适的条件,让像我们这样复杂的、有能力质疑为什么宇宙是如此光滑的问题、能自然复制的组织得以存在。这就是被称为人择原理的一个应用的例子。人择原理可以释义作:“我们看到的宇宙之所以这个样子,乃是因为我们的存在。”

人择原理有弱的和强的意义下的两种版本。弱人择原理是讲,在一个大的或具有无限空间和/或时间的宇宙里,只有在空间一时间有限的一定区域里,才存在智慧生命发展的必要条件。在这些区域中,如果智慧生物观察到他们在宇宙的位置满足那些为他们生存所需的条件,他们不应感到惊讶。这有点像生活在富裕街坊的富人看不到任何贫穷。

应用弱人择原理的一个例子是“解释”为何大爆炸发生于大约100亿年之前——智慧生物需要那么长时间演化。正如前面所解释的,一个早代的恒星首先必须形成。这些恒星将一些原先的氢和氦转化成像碳和氧这样的元素,由这些元素构成我们。然后恒星作为超新星而爆发,其裂片形成其他恒星和行星,其中就包括我们的太阳系,太阳系年龄大约是0亿年。地球存在的头10亿或20亿年,对于任何复杂东西的发展都嫌太热。余下的30亿年左右才用于生物进化的漫长过程,这个过程导致从最简单的组织到能够测量回溯到大爆炸那一瞬间的生物的形成。

很少人会对弱人择原理的有效性提出异议。然而,有的人走得更远并提出强人择原理。按照这个理论,存在许多不同的宇宙或者一个单独宇宙的许多不同的区域,每一个都有自己初始的结构,或许还有自己的一套科学定律。在这些大部分宇宙中,不具备复杂组织发展的条件;只有很少像我们的宇宙,在那里智慧生命得以发展并质疑:“为何宇宙是我们看到的这种样子?”这回答很简单:如果它不是这个样子,我们就不会在这儿!

我们现在知道,科学定律包含许多基本的数,如电子电荷的大小以及质子和电子的质量比。至少现在,我们不能从理论上预言这些数值——我们必须由观察找到它们。也许有一天,我们会发现一个将它们所有都预言出来的一个完整的统一理论,但是还可能它们之中的一些或全部,在不同的宇宙或在一个宇宙之中是变化的。令人吃惊的事实是,这些数值看来是被非常细致地调整到使得生命的发展成为可能。例如,如果电子的电荷只要稍微有点不同,则要么恒星不能够燃烧氢和氦,要么它们没有爆炸过。当然,也许存在其他形式的、甚至还没被科学幻想作家梦想过的智慧生命。它并不需要像太阳这样恒星的光,或在恒星中制造出并在它爆炸时被抛到空间去的更重的化学元素。尽管如此,看来很清楚,允许任何智慧生命形式的发展的数值范围是比较小的。对于大部份数值的集合,宇宙也会产生,虽然它们可以是非常美的,但不包含任何一个能为如此美丽而惊讶的人。人们既可以认为这是在创生和科学定律选择中的神意的证据,也可以认为是对强人择原理的支持。

人们可以提出一系列理由,来反对强人择原理对宇宙的所观察到的状态的解释。首先,在何种意义上可以说,所有这些不同的宇宙存在?如果它们确实互相隔开,在其他宇宙发生的东西,怎么可以在我们自己的宇宙中没有可观测的后果?所以,我们应该用经济学原理,将它们从理论中割除去。另一方面,它们若仅仅是一个单独宇宙的不同区域,则在每个区域里的科学定律必须是一样的,因为否则人们不能从一个区域连续地运动到另一区域。在这种情况下,不同区域之间的仅有的不同只是它们的初始结构。这样,强人择原理即归结为弱人择原理。

对强人择原理的第二个异议是,它和整个科学史的潮流背道而驰。我们是从托勒密和他的党人的地心宇宙论发展而来,通过哥白尼和伽利略日心宇宙论,直到现代的图象,其中地球是一个中等大小的行星,它绕着一个寻常的螺旋星系外圈的普通恒星作公转,而这星系本身只是在可观察到的宇宙中万亿个星系中的一个。然而强人择原理却宣布,这整个庞大的构造仅仅是为我们的缘故而存在,这是非常难以令人置信的。我们太阳系肯定是我们存在的前提,人们可以将之推广于我们的星系,使之允许早代的恒星产生重元素。但是,丝毫看不出存在任何其他星系的必要,在大尺度上也不需要宇宙在每一方向上必须如此一致和类似。

如果人们能够表明,相当多的宇宙的不同初始结构会演化产生像我们今天看到的宇宙,至少在弱的形式上,人们会对人择原理感到更满意。如果这样,则一个从某些随机的初始条件发展而来的宇宙,应当包含许多光滑的、一致的并适合智慧生命演化的区域。

另一方面,如果宇宙的初始条件必须极端仔细地选择,才能导致在我们周围所看到的一切,宇宙就不太可能包含任何会出现生命的区域。在上述的热大爆炸模型中,没有足够的方向使热从一个区域流到另一区域。这意味着宇宙的初始态在每一处必须刚好有同样的温度,才能说明我们在每一方向上看到的微波背景辐射都有同样温度,其初始的膨胀率也要非常精确地选择,才能使得现在的膨胀率仍然是如此接近于需要用以避免坍缩的临界速率。这表明,如果直到时间的开端热大爆炸模型都是正确的,则必须非常仔细地选择宇宙的初始态。所以,除非作为上帝有意创造像我们这样生命的行为,否则要解释为何宇宙只用这种方式起始是非常困难的。

为了试图寻找一个能从许多不同的初始结构演化到象现在这样的宇宙的宇宙模型,麻省理工学院的科学家阿伦?固斯提出,早期宇宙可能存在过一个非常快速膨胀的时期。

这种膨胀叫做“暴涨”,意指宇宙在一段时间里,不像现在这样以减少的、而是以增加的速率膨胀。按照固斯理论,在远远小于1秒的时间里,宇宙的半径增大了100万亿亿亿(1后面跟30个0)倍。

固斯提出,宇宙是以一个非常热而且相当紊乱的状态从大爆炸开始的。这些高温表明宇宙中的粒子运动得非常快并具有高能量。正如早先我们讨论的,人们预料在这么高的温度下,强和弱核力及电磁力都被统一成一个单独的力。当宇宙膨胀时它会变冷,粒子能量下降。最后出现了所谓的相变,并且力之间的对称性被破坏了:强力变得和弱力以及电磁力不同。相变的一个普通的例子是,当水降温时会冻结成冰。液态水是对称的,它在任何一点和任何方向上都是相同的。然而,当冰晶体形成时,它们有确定的位置,并在某一方向上整齐排列,这就破坏了水的对称。

处理水的时候,只要你足够小心,就能使之“过冷”,也就是可以将温度降低到冰点(0℃)以下而不结冰。固斯认为,宇宙的行为也很相似:宇宙温度可以低到临界值以下,而没有使不同的力之间的对称受到破坏。如果发生这种情形,宇宙就处于一个不稳定状态,其能量比对称破缺时更大。这特殊的额外能量呈现出反引力的效应:其作用如同一个宇宙常数。宇宙常数是当爱因斯坦在试图建立一个稳定的宇宙模型时,引进广义相对论之中去的。由于宇宙已经像大爆炸模型那样膨胀,所以这宇宙常数的排斥效应使得宇宙以不断增加的速度膨胀,即使在一些物质粒子比平均数多的区域,这一有效宇宙常数的排斥作用超过了物质的引力吸引作用。这样,这些区域也以加速暴涨的形式而膨胀。当它们膨胀时,物质粒子越分越开,留下了一个几乎不包含任何粒子,并仍然处于过冷状态的膨胀的宇宙。宇宙中的任何不规则性都被这膨胀抹平,正如当你吹胀气球时,它上面的皱纹就被抹平了。所以,宇宙现在光滑一致的状态,可以是从许多不同的非一致的初始状态演化而来。

在这样一个其膨胀由宇宙常数加速、而不由物质的引力吸引使之减慢的宇宙中,早期宇宙中的光线就有足够的时间从一个地方传到另一个地方。这就解答了早先提出的,为何在早期宇宙中的不同区域具有同样性质的问题。不但如此,宇宙的膨胀率也自动变得非常接近于由宇宙的能量密度决定的临界值。这样,不必去假设宇宙初始膨胀率曾被非常仔细地选择过,就能解释为何现在的膨胀率仍然是如此地接近于临界值。

暴涨的思想还能解释为何宇宙存在这么多物质。在我们能观察到的宇宙里大体有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿(1后面跟80个0)个粒子。它们从何而来?答案是,在量子理论中,粒子可以从粒子/反粒子对的形式由能量中创生出