宇宙的起源|四維空間的生物就是鬼

　　 　　英國著名物理學(xué)家霍金一生貢獻于理論物理學(xué)的研究，卻在客觀上試圖解答關(guān)乎人類的哲學(xué)問題，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關(guān)于“宇宙起源”的爭論和研究歷程，希望正如霍金所說――“我們正接近回答這古老的問題：我們?yōu)楹卧诖�？我們從何而來？�?
　　
　　根據(jù)中非Boshongo人的傳說，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。太陽灼干了一些水，留下土地。他仍然胃痛不止，又吐出了月亮和星辰，然后吐出一些動物，豹、鱷魚、烏龜、最后是人。
　　這個創(chuàng)世紀(jì)的神話，和其他許多神話一樣，試圖回答我們大家都想詰問的問題：為何我們在此？我們從何而來？一般的答案是，人類的起源是發(fā)生在比較近期的事。人類正在知識上和技術(shù)上不斷地取得進步。這樣，它不可能存在那么久，否則的話，它應(yīng)該取得更大的進步。這一點甚至在更早的時候就應(yīng)該很清楚了。
　　例如，按照Usher主教的說法，《創(chuàng)世紀(jì)》把世界的創(chuàng)生定于公元前4004年10月23日上午9時。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(dāng)作不變的背景。要么作為空洞的風(fēng)景已經(jīng)存在了無限久，要么是和人類在相同的時刻被創(chuàng)生出來。
　　
　　很多人從最開始就不喜歡宇宙有個開端的思想
　　他們相信，時間是絕對的，獨立于宇宙
　　
　　但是并非所有人都喜歡宇宙有個開端的思想。例如，希臘最著名的哲學(xué)家亞里士多德，相信宇宙已經(jīng)存在了無限久的時間。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)展處于這個情形，那是因為洪水或者其他自然災(zāi)害，不斷重復(fù)地讓文明回復(fù)到萌芽階段。信仰永恒宇宙的動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端的人，將開端當(dāng)作上帝存在的論據(jù)，把上帝當(dāng)作宇宙的第一原因或者原動力。
　　如果人們相信宇宙有一個開端，那么很明顯的問題是，在開端之前發(fā)生了什么？上帝在創(chuàng)造宇宙之前，他在做什么？他是在為那些詰問這類問題的人準(zhǔn)備地獄嗎？德國哲學(xué)家伊曼努爾?康德十分關(guān)心宇宙有無開端的問題。他覺得，不管宇宙有無開端，都會引起邏輯矛盾或者二律背反。如果宇宙有一個開端，為何在它起始之前要等待無限久。他將此稱為正題。另一方面，如果宇宙已經(jīng)存在無限久，為什么它要花費無限長的時間才達到現(xiàn)在這個階段。他把此稱為反題。無論正題還是反題，都是基于康德的假設(shè)，幾乎所有人也是這么辦的，那就是，時間是絕對的，也就是說，時間從無限的過去向無限的將來流逝。時間獨立于宇宙，在這個背景中，宇宙可以存在，也可以不存在。
　　
　　愛因斯坦提出廣義相對論
　　時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，空間和時間不再是絕對的，不再是事件的固定背景。相反地，它們是動力量，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_端之前的時間是毫無意義的。這有點兒像去尋找比南極還南的一點沒有意義一樣。它是沒有定義的。
　　如果宇宙隨時間本質(zhì)上不變，正如20世紀(jì)20年代之前一般認為的那樣，就沒有理由阻止在過去任意早的時刻定義時間。人們總可以將歷史往更早的時刻延展，在這個意義上，任何所謂的宇宙開端都是人為的。于是，情形可以是這樣，這個宇宙是去年創(chuàng)生的，但是所有記憶和物理證據(jù)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)問題。我將采用所謂的實證主義方法來對付這些問題。在這個方法中，其思想是，我們按照我們構(gòu)造世界的模型來解釋自己感官的輸入。人們不能詢問這個模型是否代表實在，只能問它能否行得通。首先，如果按照一個簡單而優(yōu)雅的模型可以解釋大量的觀測；其次，如果這個模型作出可能被觀察檢驗，也可能被證偽的明確預(yù)言，這個模型即是一個好模型。
　　根據(jù)實證主義方法，人們可以比較宇宙的兩個模型。第一個模型，宇宙是去年創(chuàng)生的，而另一個是宇宙已經(jīng)存在了遠為長久的時間。一對孿生子在比一年前更早的時刻誕生，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事件，因此第二個模型更好。人們不能詰問宇宙是否在一年前確實存在過，或者僅僅顯得是那樣。在實證主義的方法中，它們沒有區(qū)別。
　　
　　哈勃發(fā)現(xiàn)星系正飛離我們而去
　　說明宇宙在膨脹
　　
　　在一個不變的宇宙中，不存在一個自然的起始之點。然而，20世紀(jì)20年代當(dāng)埃德溫?哈勃在在威爾遜山上開始利用100英寸的望遠鏡進行觀測時，情形發(fā)生了根本的改變。
　　哈勃發(fā)現(xiàn)，恒星并非均勻地分布于整個空間，而是大量地聚集在稱為星系的集團之中。
　　哈勃測量來自星系的光，進而能夠確定它們的速度。他預(yù)料向我們飛來的星系和離我們飛去的星系一樣多。這是在一個隨時間不變的宇宙中應(yīng)有的。但是令哈勃驚訝的是，他發(fā)現(xiàn)幾乎所有的星系都飛離我們而去。此外，星系離開我們越遠，則飛離得越快。宇宙不隨時間不變，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間而增大。
　　宇宙膨脹是20世紀(jì)或者任何世紀(jì)最重要的智力發(fā)現(xiàn)之一。它轉(zhuǎn)變了宇宙是否有一個開端的爭論。如果星系現(xiàn)在正分開運動，那么，它們在過去一定更加靠近。如果它們過去的速度一直不變，則大約在150億年之前，所有星系應(yīng)該一個摞在另一個上。這個時刻是宇宙的開端嗎？
　　
　　穩(wěn)恒態(tài)理論與觀測沖突
　　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端。因為這似乎意味著物理學(xué)崩潰了。人們就不得不去求助于外界的作用，為方便起見，可以把它稱作上帝，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，但是沒有開端。其中之一便是邦迪、高爾德和霍伊爾于1948年提出的穩(wěn)恒態(tài)理論。
　　在穩(wěn)恒態(tài)理論中，其思想是，隨著星系離開，由假設(shè)中的在整個空間連續(xù)創(chuàng)生的物質(zhì)形成新的星系。宇宙會永遠存在，而且在所有時間中都顯得一樣。這最后的性質(zhì)從實證主義的觀點來看，作為一個可以用觀測來檢驗的明確預(yù)言，具有巨大的優(yōu)點。在馬丁?賴爾領(lǐng)導(dǎo)下的劍橋射電觀測天文小組在20世紀(jì)60年代早期對弱射電源進行了調(diào)查。這些源在天空分布得相當(dāng)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(wěn)恒態(tài)理論預(yù)言了源的數(shù)目對應(yīng)于源強度的圓的形狀。但是觀測表明，微弱的源比預(yù)言的更多，這表明在過去源的密度較高。這就和穩(wěn)恒態(tài)理論的任何東西在時間中都是不變的基本假設(shè)相沖突。由于這個，也由于其他原因，穩(wěn)恒態(tài)理論被拋棄了。
　　還有另一種避免宇宙有一開端的企圖是，建議存在一個早先的收縮相，但是由于旋轉(zhuǎn)和局部的無規(guī)性，物質(zhì)不會落到同一點。相反，物質(zhì)的不同部分會相互錯開，宇宙會重新膨脹，這時密度保持有限。兩位俄國人利弗席茲和哈拉尼科夫?qū)嶋H上聲稱，他們證明了，沒有嚴(yán)格對稱的一般收縮總會引起反彈，而密度保持有限。這個結(jié)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(yīng)付的問題。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，我是一名21歲的研究生，為了完成博士論文，我正在尋找一個問題。我不相信他們所謂的證明，于是就著手和羅杰?彭羅斯一起發(fā)展新的數(shù)學(xué)方法去研究這個問題。我們證明了宇宙不能反彈。如果愛因斯坦的廣義相對論是正確的，就存在一個奇點，這是具有無限密度和無限時空曲率的點，時間在那里有一個開端。
　　
　　奇性定理預(yù)言宇宙有其開端
　　微波背景的發(fā)現(xiàn)證明了這一點
　　
　　在我得到第一個奇點結(jié)果數(shù)月之后，即1965年10月，人們得到了確認宇宙有一個非常密集開端的思想的觀察證據(jù)，那是發(fā)現(xiàn)了貫穿整個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,甚至無法將匹薩化凍，更不用說烤熟它。實際上你自己就可以觀察到這些微波。把你的電視調(diào)到一個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背景的僅有的合理解釋。隨著宇宙膨脹，輻射一直冷卻下來，直至我們今天觀察到它的微弱的殘余。
　　雖然彭羅斯和我自己的奇性定理預(yù)言，宇宙有一個開端，這些定理并沒有告訴宇宙如何起始。廣義相對論方程在奇點處崩潰了。這樣，愛因斯坦理論不能預(yù)言宇宙如何起始，它只能預(yù)言一旦起始后如何演化。人們對彭羅斯和我的結(jié)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?保羅教皇的觀點。在梵蒂岡的一次宇宙論會議上，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(yīng)該探究起始的本身，因為這是創(chuàng)生的時刻，這是上帝的事體。我暗自慶幸，他沒有意識到，我在會議上發(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(jié)果的另外解釋，這也是得到大多數(shù)科學(xué)家贊同的解釋。這個結(jié)果顯示，在早期宇宙中的非常強大的引力場中，廣義相對論崩潰了，必須用一個更完備的理論來取代它。因為廣義相對論沒有注意到物質(zhì)小尺度結(jié)構(gòu)，而后者是由量子理論制約的，所以人們預(yù)料總要進行這種取代。在通常情況下，因為宇宙的尺度和量子理論的微觀尺度相比較極為巨大，所以是否取代無所謂。但是當(dāng)宇宙處于普朗克尺度，也就是1千億億億億分之一米時，這兩個尺度變成相同，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(jié)合。里查德?費恩曼對歷史求和的思想似乎是實現(xiàn)這個目標(biāo)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。他提議一個系統(tǒng)從狀態(tài)A到狀態(tài)B經(jīng)過所有可能的路徑或歷史。
　　每個路徑或者歷史都有一定的振幅和強度。而系統(tǒng)從A到B的概率是將每個路徑的振幅加起來。存在一個由藍干酪制成月亮的歷史。但是其振幅很低。這對于老鼠來說不是一個好消息。
　　
　　時間開端的問題得到解決
　　南極的南邊沒有任何東西，宇宙的開端由科學(xué)定律來制約
　　
　　宇宙現(xiàn)在狀態(tài)的概率可將結(jié)局為這個狀態(tài)的所有歷史迭加得到。但是這些歷史如何起始的呢？這是一個改頭換面的起源問題。是否需要一個造物主下達命令，宇宙如此這般起始呢？還是由科學(xué)定律來確定宇宙的初始條件呢？
　　事實上，即便宇宙的歷史回到無限的過去，這個問題仍然存在。但是如果宇宙只在150億年前起始，這個問題就更加急切。詢問在時間的開端會發(fā)生什么，有點像當(dāng)人們認為世界是平坦的，詢問在世界的邊緣會發(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)用實驗對此驗證過。我環(huán)球旅行過，我并沒有掉下去。
　　正如大家知道的，當(dāng)人們意識到世界不是一塊平板，而是一個彎曲的面時，在宇宙的邊緣發(fā)生什么的問題就被解決了。然而，時間似乎不同。它顯得和空間相分離。像是一個鐵軌模型。如果它有一個開端，就必須有人去啟動火車運行。
　　愛因斯坦的廣義相對論將時間和空間統(tǒng)一成時空。但是時間仍然和空間不同，它正像一個通道，要么有開端和終結(jié)，要么無限地伸展出去。然而，詹姆?哈特爾和我意識到，當(dāng)廣義相對論和量子論相結(jié)合時，在極端情形下，時間可以像空間中另一方向那樣行為。這意味著，和我們擺脫世界邊緣的方法類似，可以擺脫時間具有開端的問題。
　　假定宇宙的開端正如地球的南極，其緯度取時間的角色。宇宙就在南極作為一個起始點。隨著往北運動，代表宇宙尺度的常緯度的圓就膨脹。詰問在宇宙開端之前發(fā)生了什么是沒有意義的問題。因為在南極的南邊沒有任何東西。
　　時間，用緯度來測量，在南極處有一個開端。但是南極和其他的點非常相像。至少我聽別人這么講的。我去過南極洲，沒有去過南極。
　　同樣的自然定律正如在其他地方一樣，在南極成立。長期以來，人們說宇宙的開端是正常定律失效之處，所以宇宙不應(yīng)該有開端。而現(xiàn)在，宇宙的開端由科學(xué)定律來制約，所以反對宇宙有開端的論證不再成立。
　　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(xiàn)，然后再消失。這些對應(yīng)于微小的宇宙，它們膨脹，但在仍然處于微觀尺度時再次坍縮。它們是另外可能的宇宙，由于不能維持足夠長的時間，來不及發(fā)展星系和恒星，更不用說智慧生命了，所以我們對它們沒有多大興趣。然而，這些小泡泡中的一些會膨脹到一定的尺度，到那時可以安全地逃避坍縮。它們會繼續(xù)以不斷增大的速率膨脹，形成我們看到的泡泡。它們對應(yīng)于開始以不斷增加的速率膨脹的宇宙。這就是所謂的暴脹，正如每年的價格上漲一樣。
　　通貨膨脹的世界紀(jì)錄應(yīng)歸一戰(zhàn)以后的德國。在18個月期間價格增大了一千萬倍。但是，它和早期宇宙中的暴脹相比實在微不足道。宇宙在比一秒還微小得多的時間里膨脹了十的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)生了一個非常巨大的均勻的宇宙，正如我們觀察到的。然而，它不是完全均勻的。在對歷史求和中，稍微具有無規(guī)性的歷史和完全均勻和規(guī)則歷史的概率幾乎相同。因此，理論預(yù)言早期宇宙很可能是稍微不均勻的。這些無規(guī)性在從不同方向來的微波背景強度上引起小的變化。利用MAP(微波各向異性)衛(wèi)星已經(jīng)觀察到微波背景，發(fā)現(xiàn)了和預(yù)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。
　　
　　“上帝的確在擲骰子”
　　我們是極早期宇宙量子起伏的產(chǎn)物
　　
　　早期宇宙中的無規(guī)性，意味著在有些區(qū)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區(qū)域的膨脹減緩，而且最終能夠使這些區(qū)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(jié)構(gòu)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。
　　在過去的百年間，我們在宇宙學(xué)中取得了驚人的進步。廣義相對論和宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)，粉碎了永遠存在并將永遠繼續(xù)存在的宇宙的古老圖像。取而代之，廣義相對論預(yù)言，宇宙和時間本身都在大爆炸處起始。它還預(yù)言時間在黑洞里終結(jié)。宇宙微波背景的發(fā)現(xiàn)，以及黑洞的觀測，支持這些結(jié)論。這是我們的宇宙圖像和實在本身的一個深刻的改變。
　　雖然廣義相對論預(yù)言了，宇宙來自于過去一個高曲率的時期，但它不能預(yù)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(yù)言宇宙是如何起始的。它開始以不斷增大的速率膨脹。這兩個理論的結(jié)合預(yù)言，在這個稱作暴脹的時期，微小的起伏會發(fā)展，導(dǎo)致星系、恒星以及宇宙中所有其他結(jié)構(gòu)的形成。對宇宙微波背景中的小的非均勻性的觀測，完全證實了預(yù)言的性質(zhì)。這樣，我們似乎正朝著理解宇宙起源的正確方向前進，盡管還有許多工作要做。當(dāng)我們通過精密測量空間航空器之間距離，進而能夠檢測到引力波，就會打開極早期宇宙的新窗口。引力波從最早的時刻自由地向我們傳播，所有介入的物質(zhì)都無法阻礙它。與此相比較，自由電子多次地散射光。這種散射一直進行到30萬年后電子被凝結(jié)之前。
　　
　　我們正接近回答這古老的問題：我們?yōu)楹卧诖耍课覀儚暮味鴣恚?
　　
　　盡管我們已經(jīng)取得了一些偉大成功，并非一切都已解決。我們觀察到，宇宙的膨脹在長期的變緩之后，再次加速。對此理論還不能理解清楚。缺乏這種理解，對宇宙的未來還無法確定。它會繼續(xù)地?zé)o限地膨脹下去嗎？暴脹是一個自然定律嗎？或者宇宙最終會再次坍縮嗎？新的觀測結(jié)果，理論的進步正迅速涌來。宇宙學(xué)是一個非常激動人心和活躍的學(xué)科。我們正接近回答這古老的問題：我們?yōu)楹卧诖�？我們從何而來�?
　　謝謝各位。
　　(吳忠超譯，小標(biāo)題為該報所加，6月21日《中華讀書報》)
　　
　　鏈接
　　
　　成果解讀
　　霍金是世界公認的引力物理科學(xué)巨人，被稱為“當(dāng)今的愛因斯坦”。他對黑洞進行了開創(chuàng)性研究，其黑洞蒸發(fā)理論和量子宇宙論不僅震動了自然科學(xué)界，并且對哲學(xué)和宗教也有深遠影響。
　　上世紀(jì)70年代，他和彭羅斯一道證明了著名的奇性定理，即在非常一般的物理條件下，廣義相對論會導(dǎo)致時空的奇點，典型的例子是黑洞中的奇點以及大爆炸奇點。霍金劃時代的貢獻是1974年發(fā)現(xiàn)的黑洞輻射機制。他考慮了黑洞表面附近的量子起伏，發(fā)現(xiàn)起伏產(chǎn)生的粒子流就像是從黑洞輻射出來似的。這種輻射的溫度與黑洞質(zhì)量成反比，所以在輻射的晚期，黑洞質(zhì)量變得非常小，溫度隨之變得極高，黑洞就在爆炸中結(jié)束。黑洞輻射的發(fā)現(xiàn)將引力論、量子論和統(tǒng)計力學(xué)統(tǒng)一在一起，是量子引力論的前兆。
　　霍金著有《時空的大尺度結(jié)構(gòu)》、《時間簡史：從大爆炸到黑洞》、《果殼中的宇宙》等多部著作。
　　
　　現(xiàn)場問答
　　6月21日，在北京“科技發(fā)展公眾答詢會”上，霍金先生當(dāng)場回答了公眾提出的幾個問題。
　　問：您對中國最感興趣的是什么？
　　答：中國的文化、食物我都感興趣，但最感興趣還是中國的女性，她們都很漂亮。
　　問：您怎么描述您自己？
　　答：樂觀、浪漫，但有時候頑固不化。（王曉溪）
　�。�6月28日《北京青年報》）

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