伟大的宇宙分类目录_宇宙起源
“别人都是专家，而他的专长却是无所不知。”
引自《布鲁斯—帕廷顿计划》①
我们对膨胀宇宙的描述，勾画出了 20 世纪最伟大的科学发现之一——且不论它是否就是最伟大的那项发现。它以许多方式渗入了我们的文化。本书的大部分读者将会对它有所知晓，以构成他们的整体知识的一部分。正是由于人所共知，才使我们对首次提出这种思想时的革命性实质视而不见。当爱因斯坦于 1915 年发表他的新引力理论——广义相对论时，人们并不普遍相信存在一个这样的天文宇宙，其中到处散布着由恒星组成的庞大“岛屿”——我们称它们为星系。当时人们广泛持有这样的观念：他们称之为“星云”的那些天文光源位于我们自己的银河系内。天文学家和哲学家均从未提出过这个多星的宇宙或许并不静止的任何想法。爱因斯坦则将他的新引力理论注入了这片智慧的乐土。爱因斯坦的理论包括并超越了牛顿对于引力的经典描述。广义相对论与牛顿的理论不同，它有一种很不寻常的功能，即能对整个宇宙①（即使它们是无限延伸的）作出描述。对于爱因斯坦的方程式，人们还只是找到了最简单的那些解。幸运的是，正是这些简单解相当不错地描述了我们所见到的这个宇宙。
当爱因斯坦开始探索他的新方程将会揭示整个宇宙的何种性质时，他做了科学家们通常都会做的事情——简化问题以便求解。真实的宇宙繁复庞杂，致使刻板的学究们无从下手，于是他假设物质处处均匀分布，使事情得以简化。这就是说，他不考虑构成天体的物质密度在不同地方的微小变化。他还假设宇宙在所有的方向上看起来都相同。如今我们知道，对于我们的宇宙而言，这乃是极好的近似；至今宇宙学家们在打算推断有关宇宙整体演化的情况时，仍然会作这样的假设。但是，当初爱因斯坦十分懊丧地发现：他的方程要求这种宇宙随着时间的流逝不是膨胀便是收缩。这其实并没有什么特别神秘的地方，即使在牛顿对引力的描述中也是这样。如果你把一团尘埃粒子置于空间，那么它们之间将不存在压力，并且，它们将开始互相吸引与收缩。唯一的其他可能性是，它们也许受到某种爆发的驱使而“起跑”、并互相分离。它们不可能一成不变地维持原状，除非有某种别的力介入以与引力抗衡。当不存在另外这种力时，呈静态分布的恒星和星系之间的引力将会使它们互相落到一起。
爱因斯坦因其理论作出了这样的预言而深感困扰。他缺乏敢于预言宇宙并非静止的自信心。谁也没有想到过宇宙竟然不是静止的。确实，一个“膨胀的宇宙”看来真是非常古怪的想法。于是爱因斯坦开始探究怎样可以合理地修改其关于引力的新理论，以取消宇宙膨胀或收缩的可能性。他注意到，在数学上可以引入某种附加的斥力以对抗作用在物质上的引力拉曳。如果爱因斯坦将这种力包含在他的广义相对论中，那么他就会得到一个静态宇宙模
① 《布鲁斯—帕廷顿计划》，福尔摩斯探案之一。此处引文是福尔摩斯与华生交谈时，对其兄长迈克罗夫特·福尔摩斯——英国政府中一名才智超群的职员的评语——译者
① “宇宙”原文用复数 universes，指理论探讨中可能存在的种种不同类型的宇宙，故后文括号中使用的代词是“它们”，而不是“它”——译者 型——其中的斥力恰好与引力的吸引相平衡。这就是所谓的爱因斯坦静态宇宙（见图 3.1）。
1922 年，一位出生于圣彼得堡的数学家和大气物理学家弗里德曼（Alexander Friedmann）研究了爱因斯坦所作的计算，并开始相信这位科学大师犯了一个关键性的错误。静态宇宙肯定是他作了修改后的方程的一个解；然而却不是唯一的解。还存在着别的解，它们描述的是膨胀宇宙，恰如爱因斯坦原先的方程所描述的那样。弗里德曼把他的结果寄给爱因斯坦。起初，爱因斯坦以为弗里德曼计算错了。但是，他很快就被说服了，并且认识到他修改原先的方程并不能保证得出一个静态的宇宙。爱因斯坦静态宇宙是相当不切实际的一类宇宙模型。只要对它作最微乎其微的更动，它就会开始膨胀或收缩。这就像一根尖头朝下竖立着的针，几乎不可能长时间地保持那岌岌可危的平衡。
爱因斯坦认识到，他引入那个额外的斥力——他称其为宇宙学常数——是没有意义的；多年以后，他把它称为“我一生中的最大失策”。由于引入了宇宙学常数，爱因斯坦便错失了作出宇宙正在膨胀这一惊人预言的良机。这一荣耀归于年轻的亚列山大·弗里德曼。令人痛惜的是，弗里德曼未能活到 7 年之后目睹哈勃的观测证实了他的预言，也未看到人们最终接受了膨胀宇宙的这一范例①。1925 年，他死于过度的气象气球飞行造成的后遗症②。终年仅 37 岁。
尽管爱因斯坦继承了静态宇宙的传统观念，这并不意味着他的先辈拒绝宇宙状态发生任何变化的可能性。虽然过去不存在膨胀宇宙或收缩宇宙的观念，但是却有过许多这样的猜测：宇宙可能正以某种方式逐渐陷入越来越混乱、或越来越无法居住的状态。这些想法是从对于热可以怎样用来作为动力源的研究引起的。19 世纪工业革命导致了科学与工程的重大进展，其中最重要的是机器和蒸汽发动机的设计以及对它们的理解。出于这些进展，将热作为一种能量形式的研究发展起来了。人们认识到它是某种守恒的东西，它既不能从虚无中创生又不能消灭，而只能从一种形式转化为另一种形式。不过，事情并非仅止于此。某些形式的能量要比另一些形式的更有用。它们的有用程度乃是其存在形式之有序性的某种量度：越无序者越无用。这种无序性称为熵，它在自然过程中似乎永远在增加。在某种程度上，这并没有什么神秘。你的办公桌和你孩子的卧室看来也总是从某种有序的状态向无序演化的——这永远也不会逆转！事情从有序转变为无序的途径，要比从无序转化为有序的途径多得不可胜数，以至于我们实际上看到的总是前一种趋势。这一想法深刻地体现在热力学“第二定律”中：整个系统的熵永不减少。鲁道尔夫·克劳修斯（RudolfClausius）于 1850 年确立了该定律，“熵”这一术语也是他发明的。他还引入了宇宙“热寂”的概念，即由于熵总是在逐渐增大，直至达到其可能的最大值，所以在未来，“宇宙将处于某种一成不变的死寂状态”。此后，将不可能再发生任何变化。
后来，当膨胀宇宙的想法成为热门话题后，热寂的魅力又导致许多思想家将整个宇宙作为遵从相同的一些热力学定律的系统来考虑。这造成了多少
① 在理论上可以有种种不同的膨胀宇宙，或者说，一个宇宙可以按种种不同的方式膨胀；我们观测到的则
是正在膨胀着的可见宇宙，故称“范例”——译者
② 弗里德曼因伤寒症不治身亡——译者 有点令人沮丧的长远前景，因为假如宇宙在永不停息地膨胀着，那么万事万物似乎都将变得极端乏味地处于某种全然没有结构的状态中，在这种状态下，宇宙的能量最终都将以最无用的形式而存在。这相当于万事万物都变成了一片均匀的热辐射之“海”。即不存在恒星，不存在行星，也不存在生命：所有的仅仅是随着膨胀的继续，热辐射变得越来越冷。这就是著名的“宇宙热寂”。20 世纪 30 年代，由于詹姆斯·金斯（James Jeans）和阿瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）这两位权威天体物理学家在他们广为流传的通俗读物中的普及宣传，宇宙热寂几乎变得尽人皆知。你可以发现，那时的许多神学和哲学作品中都充斥着热寂的悲观论调。人们甚至发现，在诸如多萝西·塞耶斯（Dorothy Sayers）那样的当代小说家的著作中，也有热寂学说的影子。它表明地球上的生命，以及别处的生命必不可免地将会灭绝。它证实了身挂广告牌的那个人的一段广告词：世界末日即便不是近在眼前，至少也是正在向我们走来。
早在 19 世纪 60 年代，在出现膨胀宇宙的概念之前很久，就有许多科学家对于能量退化为热持有异议，因为这似乎有悖于太阳系之继续存在。亥姆霍兹（Helmholtz）曾预见到一种完全静止的状态，在此状态下所有形式的能量均退化为热，所有的自然过程都将停止，用他的话来说就是：
“从那以后宇宙将被宣判永远处于某种静止的状态”。
其他一些人开始考察这一想法对于朦胧遥远的过去又有何种后果。它似乎意味着宇宙必定具有某种开端——某种最有序的状态。 1873 年，英国科学哲学家威廉·杰文斯（William Jevons）申言：
“我们不能往过去无限地回溯 循踪宇宙的热历史。对于任意确定的一个负的［即
过去的］时间值，该公式给出不可能的值，这表明存在着某种热的初始分布，它不可能是
按已知的自然定律由任何早先的分布造成的 因此，热的理论将我们置于进退两难的境
地：若不相信创世发生于过去某个特定的日子，就得赞成当初自然定律的运行发生了某种
莫名其妙的变化。”
引人注目的是，这一论证要比膨胀宇宙观念早出现 50 年。 20 世纪 30 年代，爱丁顿在谈论由爱因斯坦的引力理论导出的膨胀宇宙时，又重申了这一点。
“随着时间之回溯，我们在宇宙中①发现了越来越多的有序性。如果我们不及早地停下来，那么我们就会回溯到这样一个时期，当时宇宙的物质和能量具有可能达到的最大有序状态。再往前回溯是不可能的。我们抵达了时间的那一端——一个断端——只是按照我们的倾向我们才称它为“开端” 我看不出在接受当代科学理论对未来所作的结论——宇宙之热寂——时会有什么困难。它可能发生在成百上千亿年之后，但是时间总在缓慢然而无情地流逝。我并未从这一结论感觉到任何本能的恐惧 令人奇怪的是，物理宇宙正在衰亡的学说是如此经常地被上纲为悲观主义，从而有悖于宗教的追求。从什么时候开始，‘天地将死’的学说已经变成了为教规所不容的异端？”
爱丁顿是一位教友会教徒和有神论者。上述这段话的有趣之处在于：他着重说明了作为热力学第二定律的一项结论，宇宙不可避免地必有某种开端，以及他对热寂意味着末世的默许。可以将此与伯特兰·罗素（Bertrand Russell）这样的无神论者的态度作一比较。罗素将这种未来可能发生的热寂看作是对宇宙无欲的一种证实——因为
① “宇宙”原文为 the world。在当时的天文学和哲学著作中，常用 world 一词代表“宇宙”或“天地万物” ——译者 “人类创造的所有辉煌业绩注定都要在太阳系的大死亡中归于灭绝，人类成就的整
座殿堂将不可避免地被埋葬在废墟中某个宇宙的碎片之下——所有这些事情，即使不是无
可争辩的，也是几乎可以肯定的，以至于没有哪一种反对它们的哲学可望能站住脚”。
有趣的是，杰文斯和其他人对于存在某种开端的论证并不很正确，当时却似乎并没有人察觉到其中的原因。诚然，当我们不断地回溯过去时，“第二定律”要求宇宙之熵越来越小，但是这并不意味着经过一段有限的时间后，宇宙就必然会达到熵等于零的某种状态（如图 3·2 所示）。熵有可能随着时间以指数的方式增加，于是当人们往过去回溯得越来越久远时，熵就会越来越接近于零，但是却永远不会真正地达到零（如图 3·3 所示）。
另一种可能性是，随着时间的流逝，整个宇宙的总熵可以不断地增加，而与此同时，宇宙中某局部区域中的熵却在减少。如今在许多地方都发生着这种情况。地球的生物圈从局部来说变得更有秩序了，它的熵减少的程度超过了考虑地球与太阳之间的热交换而造成的熵增加。如果你着手用一些本块来做一把椅子，那么在制作的过程中木块的有序程度就在增加，它的熵则在减少。这并不违背热力学第二定律，因为总的熵——它包括储存在我们体内的淀粉和糖中的能量之降解，以及我们做工时所消耗的能量——仍在增加。事实上，我们在周围见到的生命世界的复杂性，正是大自然能够以某些微妙的方式使局部范围内的熵减少的一种表现形式，而这种熵减少则为他处的熵增加所补偿。
我们之所以详述这些历史事实，其原因在于它们揭示了宇宙之熵不可抗拒地增加这一想法，如何导致了有关宇宙最终结局的悲观猜测，而且还为思考符合自然定律的宇宙起源提供了科学依据。
我们应该谈一下今天人们对这些热力学观念的看法。直到不久以前，宇宙学家们才开始认识到，并不应该预期永远膨胀的宇宙在未来会因熵达到某种极大值而发生传统观念中的热寂。虽然整个宇宙的熵将会不断地增加，但是在任何特定的时刻，宇宙可以具有的最大熵值却增加得更快。于是，宇宙可能具有的最大熵值与实际熵值之差就越来越大（如图 3·4 所示）。宇宙离开完全热平衡的“死寂”状态实际上是变得越来越远了。
当我们考察宇宙现时的熵是什么状况时，我们发现它居然低得令人吃惊；也就是说，我们可以想象宇宙中能量分布的形式可以远比其现状更加无序得多。因此，尽管我们的宇宙已经以熵增加的某种方式膨胀了 150 亿年，却依然处于高度有序的状态，这使人困惑。它意味着宇宙的起始状态必定是极其有序，因而是极端特殊的，它也许为某种“对称”或“经济”的大原理所制约。然而，人们业已证明，利用这些想法去发现那个原理乃是不可能的，因为我们并不知道宇宙结构与成分——它们可以充当熵的贮藏所——的所有方面。引力本身似乎携带了与其深层的量子特征相联系的熵。引力的热力学特征之本质乃是未来的宇宙学家们需要探讨的问题。我们将在本书结束时再次谈到它。
如果你对一个因熵的不断增加而将在未来变得毫无生气的永远膨胀的宇宙不感兴趣，那么你还可以选择另一类弗里德曼膨胀宇宙模型。相对于物质的引力拉曳而言，有些膨胀慢得足可为前者所制止，并转而往回收缩，直至遥远的将来尺度变为零。它们的最终状态亦将是某种彻底的热死——其温度和密度随着收缩的加强而无限地增大。但是，对许多人来说，宇宙演化的这种循环则使古代有关宇宙“轮回”的想法——即宇宙永无止境地从前一次死 亡的灰烬中重生——变得可以理解了（见图 3· 5）。
有人设想，我们也许正生活在某个无限古老的振荡宇宙——它具有无限的将来——的某一轮膨胀之中（见图 3.5）。每当宇宙“大坍聚”并“反弹”至膨胀状态，所有的行星、恒星和星系就都将被毁灭。这对某些人来说，在哲学上是很有吸引力的，并且它还避免了——作为宇宙现时膨胀状态的一项必不可免的后果——宇宙具有某种开端的间断性；但与此同时，由于热力学第二定律的缘故，它也很容易遭到批评。美国宇宙学家理查德·托尔曼（RichardTolman）首先论证道：如果宇宙的熵从一个循环到下一个循环无可抗拒地不断增加，而且在每次“反弹”时自然定律保持不变，那么宇宙每次膨胀至极大时的尺度就会递增，每一循环所经历的时间也会比上一个循环更长（见图 3.6）。于是，如果你逆着时间回顾一个振荡宇宙，那么它就会变得越来越小。当时（以及此后相当长的时间内）人们再次错误地得出结论：这意味着宇宙必定在过去某个有限的时刻从尺度为零的状态开始膨胀起来。另一些人则争辩道，如果宇宙在过去已经振荡了无限次，那么熵的增加将导致现今宇宙已经热寂。然而，由于任何人都对每次“反弹”的过程一无所知，所以这种争辩没有什么说服力。有些人猜想，物理常数，熵或者甚至自然定律本身在每次“反弹”时都有可能重新分配。这种猜想在今天同样没有什么份量，因为我们并不充分了解熵的所有载体。如果引力场以很不寻常的方式携带熵，那么宇宙的熵持续增加很可能就不会导致宇宙尺度和每一循环的延续时间在辐射不断累积之中增长不已。
当你与一位非天文学家，但曾对天文学深感兴趣的人交谈时，你可能会发现，当你提到大爆炸理论时，就会使他想起所谓的“稳恒态”宇宙理论。事实上，早在大约 25 年以前，宇宙学家们对稳恒态理论就不再感兴趣了；尽管如此，它作为大爆炸理论的竞争者却依然活在社会公众的心目中。它是托马斯·戈尔德（ThomasGold），赫尔曼·邦迪（Herman Bondi），及弗雷德·霍伊尔（FredHoyle）的“智力产儿”。他们于 1948 年观看了环幕电影“夜之死”，该片以诸事复归于开始时的状态而结尾，这使他们产生了稳恒态的想法。要是宇宙也像这样又会如何呢？他们这样问自己。他们知道宇宙正在膨胀，但是他们不喜欢膨胀似乎表明宇宙必有开端的想法。他们希望对于从过去到未来的所有时代的观测者而言，宇宙的总体面貌始终保持不变。于是他们构想了一幅这样的图景：宇宙在任何时候，平均说来始终保持相同的状态，而全然没有什么开端（见图 3·7）。
他们不主张物质似乎全部创生于过去某一特定的瞬间，而提议物质正以恰当的速率不断地创生着，这一创生速率刚好与因膨胀而使物质变稀的效果相平衡，从而使宇宙中的物质密度维持不变。这种状态从无限久远的过去一直存在至今，并将永远地继续下去。与此相反，膨胀宇宙的大爆炸图景的物质密度则在不断地减小，它有一个开端，而没有持续不断的创生。顺便说一下，稳恒态图景所要求的创生速率是非常小的（每 100 亿年中在 1 立方米的体积内大约创生 1 个原子），因此迄今为止全无可能直接观测如此之慢的创生过程。创生速率如此之小的原因是宇宙中的物质其实是非常稀少的。如果将今日宇宙中的全部恒星和星系平摊到一片均匀的原子“海”中去，那么在每立方米的空间中大约只能分摊到一个原子。这比地球上实验室中迄今所能产生的最高真空还要空虚得多。外层空间确实就是那样——几乎空空如也。稳恒态方案的优点之一是它的明确性。它非常肯定地预言宇宙应该是什 么样子的，因而很容易遭受观测事实的质疑或反驳。情况正是如此。如果宇宙在任何时代看起来都是同样的，那么在宇宙史上就不能有什么特别的时期发生什么特别的事情，例如，星系开始形成，或者类星体盛行一时。第二次世界大战期间的雷达研究孕育了射电天文学这门新学科，它使天文学家们能够察看主要以射电波①（而不是可见光）的形式辐射能量的天体。他们利用射电望远镜观测非常古老的星系——一些强大的射电波源，看看这类星系是否如大爆炸理论预期的那样，于某一特定的时期出现在宇宙中，抑或有如稳恒态理论之预期，在不同时代其多寡程度始终相同。20 世纪 80 年代后期，观测资料开始累积起来，它们表明宇宙在过去和今天不大相同，过去曾是强射电源的这一族天体随着宇宙历史的演进经历了剧烈的变化。它们在宇宙史上的不同时代多寡程度并不相同。
当我们观测遥远天体发来的光时，我们看见的是它们在过去的形象，即这些光在离开那些天体时的状况，因此，我们观测固有特征相似，然而位于不同距离处的天体，就能使我们考察宇宙在过去的不同时代分别呈什么状态。当然，人们仍有可能对这些观测究竟说明了什么问题提出争议，当观测家们试图确定宇宙在过去是像大爆炸理论预期的那样密度较大，还是像稳恒态所申言的那样始终如一时，天文学界内部曾经有过针锋相对的辩论。正是这场激动人心的辩论，于 50 年代在社会公众的心目中留下了“大爆炸与稳恒态”对抗赛的印记。1951 年，弗雷德·霍伊尔在英国广播公司作了一系列特别有影响的广播讲话，其总题目为“宇宙之本性”；正是他在这些讲话中，把宇宙由过去某个有限时刻的高密状态膨胀而成的宇宙学说嘲称为“大爆炸”——这原是一种贬义的用语。
1965 年，当彭齐亚斯和威尔逊发现微波背景辐射之时，这场辩论终于平息了下来。在稳恒态宇宙中不应出现这样的热辐射，因为它先前从未经历过异常致密的灼热状态。宇宙平均说来总是像今天那样寒冷而又宁静。随后，观测又表明宇宙中那些最轻的化学元素的丰度与大爆炸模型所预期的相符，并证实了它们由宇宙膨胀的最初 3 分钟内的核反应所产生的想法。稳恒态模型对这些丰度未提出自然的解释，因为它从未经历过在整个宇宙中到处都能发生核反应的极端高密高温的早期阶段。
这两项成就为稳恒态模型敲响了丧钟。对于我们的宇宙来说，稳恒态不再是一种有生命力的模型，只有它的某些发明人仍在尝试以各种方式对它进行修改。但是在公众心目中，它似乎仍作为大爆炸图景的强大对手而活着。实际上，大爆炸模型因与观测到的宇宙合拍业已确立了自己的中心地位。但是，必须认识到，“大爆炸”模型这一术语已被专门用于代表过去比现在更热更密的那类膨胀宇宙图景。在这个大类中，存在着许多不同的宇宙学说。宇宙学家们的工作就是要详述大爆炸宇宙膨胀的历史：确定星系是如何形成的；它们为什么会成团；为什么膨胀以这样的速率进行下去；解释宇宙的状态和存在于宇宙中的物质与辐射的平衡。
① radio waves，通常称为“无线电波”，作为天文学术语则称“射电波”，两者的物理含义实际上相同。类似的术语还有“射电天文学”、“射电望远镜”、“射电源”等——译者
奇点天文网 dprenvip.com
本文由奇点天文作者上传并发布，奇点天文仅提供文章投稿展示，文章仅代表作者个人观点，不代表奇点天文立场。
