011第八章 宇宙的起源和命运-第1部分
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爱因斯坦广义相对论本身预言了：空间—时间在大爆炸奇点处开始，并会在大挤压
奇点处（如果整个宇宙坍缩的话）或在黑洞中的一个奇点处（如果一个局部区域，譬如
恒星要坍缩的话）结束。任何抛进黑洞的东西都会在奇点处被毁灭，只有它的质量的引
力效应能继续在外面被感觉得到。另一方面，当计入量子效应时，物体的质量和能量会
最终回到宇宙的其余部分，黑洞和在它当中的任何奇点一道被蒸发掉并最终消失。量子
力学对大爆炸和大挤压奇点也能有同样戏剧性的效应吗？在宇宙的极早或极晚期，当引
力场是如此之强，以至于量子效应不能不考虑时，究竟会发生什么？宇宙究竟是否有一
个开端或终结？如果有的话，它们是什么样子的？
整个70年代我主要在研究黑洞，但在1981年参加在梵蒂冈由耶稣会组织的宇宙学会
议时，我对于宇宙的起源和命运问题的兴趣重新被唤起。天主教会试图对科学的问题立
法，并宣布太阳是绕着地球运动时，对伽利略犯下了大错误。几个世纪后的现在，它决
定邀请一些专家就宇宙学问题提出建议。在会议的尾声，所有参加者应邀出席教皇的一
次演讲。他告诉我们，在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但是我们不应该去过问
大爆炸本身，因为那是创生的时刻，因而是上帝的事务。那时候我心中暗喜，他并不知
道，我刚在会议上作过的演讲的主题——空间—时间是有限而无界的可能性，就表明着
没有开端、没有创生的时刻。我不想去分享伽利略的厄运。我对伽利略之所以有一种强
烈的认同感，其部分原因是刚好我出生于他死后的300年！
为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想，必须首先按
照“热大爆炸模型”来理解为大家所接受的宇宙历史。它是假定从早到大爆炸时刻起宇
宙就用弗利德曼模型描述。在此模型中，人们发现当宇宙膨胀时，其中的任何物体或辐
射都变得更凉。（当宇宙的尺度大到二倍，它的温度就降低到一半。）由于温度即是粒
子的平均能量——或速度的测度，宇宙的变凉对于其中的物质就会有较大的效应。在非
常高的温度下，粒子会运动得如此之快，以至于能逃脱任何由核力或电磁力将它们吸引
一起的作用。但是可以预料，当它们变冷下来时，互相吸引的粒子开始结块。更有甚者，
连存在于宇宙中的粒子的种类也依赖于温度。在足够高的温度下，粒子的能量是如此之
高，只要它们碰撞就会产生出来很多不同的粒子／反粒子对——并且，虽然其中一些粒
子打到反粒子上去时会湮灭，但是它们产生得比湮灭得更快。然而，在更低的温度下，
碰撞粒子具有较小的能量，粒子／反粒子对产生得不快，而湮灭则变得比产生更快。
就在大爆炸时，宇宙体积被认为是零，所以是无限热。但是，辐射的温度随着宇宙
的膨胀而降低。大爆炸后的1秒钟，温度降低到约为100亿度，这大约是太阳中心温度的
1千倍，亦即氢弹爆炸达到的温度。此刻宇宙主要包含光子、电子和中微子（极轻的粒子，
它只受弱力和引力的作用）和它们的反粒子，还有一些质子和中子。随着宇宙的继续膨
胀，温度继续降低，电子／反电子对在碰撞中的产生率就落到它们湮灭率之下。这样只
剩下很少的电子，而大部分电子和反电子相互湮灭，产生出更多的光子。然而，中微子
和反中微子并没有互相湮灭掉，因为这些粒子和它们自己以及其他粒子的作用非常微弱，
所以直到今天它们应该仍然存在。如果我们能观测到它们，就会为非常热的早期宇宙阶
段的图象提供一个很好的证据。可惜现今它们的能量太低了，以至于我们不能直接地观
察到。然而，如果中微子不是零质量，而是如苏联在1981年进行的一次没被证实的实验
所暗示的，自身具有小的质量，我们则可能间接地探测到它们。正如前面提到的那样，
它们可以是“暗物质”的一种形式，具有足够的引力吸引去遏止宇宙的膨胀，并使之重
新坍缩。
在大爆炸后的大约100秒，温度降到了10亿度，也即最热的恒星内部的温度。在此温
度下，质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引，所以开始结合产生氘（重氢）
的原子核。氘核包含一个质子和一个中子。然后，氘核和更多的质子中子相结合形成氦
核，它包含二个质子和二个中子，还产生了少量的两种更重的元素锂和铍。可以计算出，
在热大爆炸模型中大约4分之1的质子和中子转变了氦核，还有少量的重氢和其他元素。
所余下的中子会衰变成质子，这正是通常氢原子的核。
1948年，科学家乔治·伽莫夫和他的学生拉夫·阿尔法在合写的一篇著名的论文中，
第一次提出了宇宙的热的早期阶段的图像。伽莫夫颇有幽默——他说服了核物理学家汉
斯·贝特将他的名字加到这论文上面，使得列名作者为“阿尔法、贝特、伽莫夫”，正
如希腊字母的前三个：阿尔法、贝他、伽玛，这特别适合于一篇关于宇宙开初的论文！
他们在此论文中作出了一个惊人的预言：宇宙的热的早期阶段的辐射（以光子的形式）
今天还应在周围存在，但是其温度已被降低到只比绝对零度（一273℃）高几度。这正是
彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现的辐射。在阿尔法、贝特和伽莫夫写此论文时，对于质
子和中子的核反应了解得不多。所以对于早期宇宙不同元素比例所作的预言相当不准确，
但是，在用更好的知识重新进行这些计算之后，现在已和我们的观测符合得非常好。况
且，在解释宇宙为何应该有这么多氦时，用任何其他方法都是非常困难的。所以，我们
相当确信，至少一直回溯到大爆炸后大约一秒钟为止，这个图像是正确无误的。
大爆炸后的几个钟头之内，氦和其他元素的产生就停止了。之后的100万年左右，宇
宙仅仅只是继续膨胀，没有发生什么事。最后，一旦温度降低到几千度，电子和核子不
再有足够能量去抵抗它们之间的电磁吸引力，它们就开始结合形成原子。宇宙作为整体，
继续膨胀变冷，但在一个略比平均更密集的区域，膨胀就会由于额外的引力吸引而慢下
来。在一些区域膨胀会最终停止并开始坍缩。当它们坍缩时，在这些区域外的物体的引
力拉力使它们开始很慢地旋转；当坍缩的区域变得更小，它会自转得更快——正如在冰
上自转的滑冰者，缩回手臂时会自转得更快；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50亿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�
