平行宇宙
平行宇宙 作者：〔美〕加来道雄（Michio Kaku） 著 伍义生 包新周 译 前言 “在《平行宇宙》一书中，加来道雄博士以其无与伦比的解说才能，讲述了现代物理学得出的一种最令人难以置信、最激动人心的可能性，即，可能存在着广阔无垠的宇宙之网，里面排列着许多宇宙，也许是无穷多个宇宙，而我们这一宇宙只不过是其中之一。他运用生动巧妙的类比、幽默的语言，耐心地向读者介绍有关平行宇宙的种种话题，从量子力学、宇宙学，到最新出现的M-理论，一路娓娓道来。读读这本书吧，在学者的陪同下，作一次奇妙的宇宙漫游，他的见解可将我们的想象力推向极限。” ——布莱恩?格林（Brian Greene），哥伦比亚大学理论粒子物理教授，《宇宙结构和优雅宇宙》的作者。 我们的宇宙正在死亡吗？ 还可能有其他的宇宙吗？ 加来道雄博士是一位世界著名的物理学家和畅销书作者。《华尔街杂志》说他擅长将最为玄妙难解的思想解释得通俗易懂。在《平行宇宙》一书中他以引人入胜的方式，带领读者遍览宇宙学和M■理论，深刻理解其对宇宙命运的意义。 继《超越爱因斯坦和超空间》之后，在新近出版的这一本有关物理学的书中，加来道雄博士首先讲述了在过去一个世纪，特别是过去10年中所出现的改变了宇宙学的那些非凡进展，迫使全世界的科学家重新思考我们对宇宙起源及其最终命运的理解。在加来道雄博士看来，随着WMAP 、COBE卫星和Hubble空间望远镜所提供的新发现，宇宙幼年时期的图景以前所未有的方式呈现在了我们面前，所以说我们正生活在一个物理学的黄金时代。 当天文学家不辞辛劳地分析了从WMAP卫星得到的像雪片一样多的数据之后，一幅新的宇宙图景显现了。到目前为止，有关宇宙起源的最重要的理论是“膨胀宇宙理论”，对大爆炸理论作了重大改进。在这个理论中，我们的宇宙只不过是众多宇宙中的一个，像泡泡一样漂浮在无边无际的泡沫宇宙之海中，随时都有新的宇宙在诞生。一个平行宇宙也许就悬浮在我们的头顶上，相隔只有毫米之遥。 对于平行宇宙这一想法，以及对于用以解释平行宇宙之存在的弦理论，科学家一度以怀疑的眼光看待，认为它是神秘主义者、假充内行以及行为怪诞的人所感兴趣的领域。但是今天，已有压倒多数的理论物理学家在支持弦理论和它的最新版本M■理论。因为，如果这个理论被证明是正确的话，它将能够以简单优雅的方式把宇宙的四种力归结在一起，同时能够回答“在大爆炸之前发生了什么？”这个问题。 Advance Praise for Parallel Worlds 《平行宇宙》一书的发行评语 “喜欢宇宙论、时间旅行、弦理论和10维或11维宇宙的读者可能不会找到比加来道雄博士更好的引导者了，他既是一位亲身从事这方面研究的学者，同时又善于以引人入胜的方式，深入浅出地讲解这一难以琢磨的复杂问题，非常难能可贵。” ——唐纳德?戈德史密斯（Donald Goldsmith），《逃亡的宇宙和与宇宙的联络》的作者。 “可读性极高，让你轻松涉足在宇宙学前沿而乐不可支。” ——马丁?里斯（Martin Rees），《我们的宇宙栖息地和我们的最后结局》的作者。 “穿越宇宙，突破宇宙，目不暇接，五光十色。加来道雄博士，世界上最优秀的科学作家之一，指点你透过物理世界的寻常表象，看到隐藏其下的奇妙世界：不可思议的暗物质及暗能量，空间中隐藏着的高维度，振动着的弦及其微小的环，宇宙就是靠它们才得以维系。根据加来道雄博士的看法，现实世界其实扑朔迷离，丝毫不亚于最离奇的科幻小说。” ——保罗?戴维斯（Paul Davies），澳大利亚悉尼Macquarie大学太空生物学中心，《怎样建造时间机器》的作者。 “加来道雄博士的又一力作。在《平行宇宙》中，他巧妙地将物理学的前沿变得如同一座游乐园，使你能一边享受乐趣，一边又学到了爱因斯坦的相对论、量子力学、宇宙学和弦理论。但是本书的真正精髓在于，它告诉你加来道雄是如何运用这些强大的工具，来探究多宇宙是否存在，以及，在我们对上帝以及生命的意义进行认知的过程中，它们能给我们以怎样的哲学启迪。” ——尼尔?德?格拉斯?泰森（Neil de Grasse Tyson），天体物理学家和纽约城海登天文馆主任，《起源：宇宙演变的140亿年》一书的合作者。 科学可以这样看丛书 平行宇宙 穿越创世、高维空间和宇宙未来之旅 〔美〕加来道雄（Michio Kaku） 著 伍义生〓包新周 译 Also by Michio Kaku Beyond Einstein Hyperspace Visions Einstein’s Cosmos 跟随加来道雄 超越爱因斯坦 超空间 构想 爱因斯坦的宇宙 This book is dedicated to my loving wife，Shizue 加来道雄博士解释说，世界上最重要的物理学家和天文学家正利用高度精密的波检测器、重力透镜、卫星和望远镜来寻找各种方法，以便对多宇宙理论做检测验证。M■理论的前景非常诱人，其意义难以尽数。如果平行宇宙确实存在，加来道雄博士推测，一万亿年之后，当宇宙变冷变暗，进入科学家所描述的大冰寒时，很可能高级文明能找到一种方法乘坐某种“星际间救生飞船”逃离我们的宇宙。 探索黑洞、时间机器、另类宇宙、高维空间，这是一次令人难忘的旅程。《平行宇宙》一书讲述的是一场席卷宇宙学领域的革命，不可不看。 加来道雄博士是纽约城市大学研究生中心的理论物理学教授。他的几部著作都广受赞誉，其中包括《构想未来》（Visions）、《超越爱因斯坦和超空间》（Beyond Einstein and Hyperspace），均被《纽约时报》和《华盛顿邮报》提名为当年的最佳科学读物之一。他主持着一档全国联网的科学广播节目，还在诸如《晚间热线》、《60分钟》、《早安美国》以及《拉里?金直播在线》之类的全国性电视节目中亮相。 世界著名科学家科幻小说系列（6本） 世界科幻名著。作者为世界著名科学家和科幻大师，他们在科学界和科幻小说领域均享有崇高的声望。他们创作的科幻小说屡获“星云奖”、“雨果奖”、“坎贝尔奖”等世界级科幻小说大奖。 科学可以这样看丛书（3本） 世界科学名著。作者为世界著名科学家和科学畅销书大师，用精妙的语言、精彩的故事、生动的推理、反叛的精神，勾绘科学的脉络和愿景。阅读这些书，你将最终得到解放，自由地去思考和寻找真理。 科幻文学理论和学科体系建设丛书（4本） 国家社会科学学术基金重大研究项目，北京师范大学文学院科幻文学理论研究标志性工程，吴岩总主编，第一次权威论述和构建我国科幻文学理论宏图。 致谢 我要感谢以下科学家，感谢他们花费许多时间接受我的采访。他们的意见、观察和思想极大地丰富了本书的内容，使本书的内容更深刻、更集中。 诺贝尔奖获得者史蒂文?温伯格（Steven Weinberg）（奥斯汀得克萨斯大学） 诺贝尔奖获得者墨里?盖尔曼（Murray Gell-mann）（圣达菲研究所和加利福尼亚工学院） 诺贝尔奖获得者利昂?莱德曼（Leon Lederman）（伊利诺斯工学院） 诺贝尔奖获得者约瑟夫?罗特布拉特（Joseph Rotblat）（圣?巴塞洛缪医院，退休） 诺贝尔奖获得者沃尔特?吉尔伯特（Walter Gilbert）（哈佛大学） 诺贝尔奖获得者亨利?肯德尔（Henry Kendall）（麻省理工学院，已故） 物理学家艾伦?古思（Alan Guth）（麻省理工学院） 英国皇家学会天文学家马丁?里斯（Martin Rees）爵士（剑桥大学） 物理学家弗里曼?戴森（Freeman Dyson）（普林斯顿高级学术研究所） 物理学家约翰?施瓦尔茨（John Schwarz）（加利福尼亚工学院） 物理学家利萨?兰德尔（Lisa Randall）（哈佛大学） 物理学家J里查德?戈特（JRichard Gott Ⅲ）（普林斯顿大学） 天文学家尼尔?德?格拉斯?泰森（Neil de Grasse Tyson）（普林斯顿和海登天文馆） 物理学家保罗?戴维斯（Paul Davies）（阿德莱德大学） 天文学家肯?克罗斯威尔（Ken Croswell）（伯克利加利福尼亚大学） 天文学家唐?戈德史密斯（Don Goldsmith）（伯克利加利福尼亚大学） 物理学家布莱恩?格林（Brian Greene）（哥伦比亚大学） 物理学家库姆兰?瓦法（Cumrun Vafa）（哈佛大学） 物理学家斯图尔特?塞缪尔（Stuart Samuel）（伯克利加利福尼亚大学） 天文学家卡尔?萨根（Carl Sagan）（科内尔大学，已故） 物理学家丹尼尔?格林伯格（Daniel Greenberger）（纽约市立学院） 物理学家VP奈尔（VPNair）（纽约市立学院） 天文学家罗伯特?P基尔希纳（Robert PKirshner）（哈佛大学） 天文学家彼德?D沃德（Peter DWard）（华盛顿大学） 天文学家约翰?巴罗（John Barrow）（苏塞克斯大学） 科学新闻记者 马西娅?巴尔图什克（Marcia Bartusiak）（麻省理工学院） 物理学家约翰?卡斯蒂（John Casti）（圣菲研究所） 科学新闻记者蒂莫西?费里斯（Timothy Ferris） 科学作家迈克尔?莱蒙尼克（Michael Lemonick）（《时报》杂志） 天文学家富尔维奥?梅利亚（Fulvio Melia）（亚利桑那大学） 科学新闻记者约翰?霍根（John Horgan） 物理学家里查德?马勒（Richard Muller）（伯克利加利福尼亚大学） 物理学家劳伦斯?克劳斯（Lawrence Krauss）（西部案例保存Case Western Reserve 大学） 原子弹设计家特德?泰勒（Ted Taylor） 物理学家菲利普?莫里森（Philip Morrison）（麻省理工学院） 计算机科学家汉斯?莫拉韦克（Hans Moravec）（卡内基梅隆研究所） 计算机科学家罗德尼?布鲁克斯（Rodney Brooks）（麻省理工学院人工智能实验室主任） 天体物理学家唐娜?雪莉（Donna Shirley）（喷气推进实验室） 天文学家达恩?韦特海莫（Dan Wertheimer）（伯克利加利福尼亚大学，外星智能探索基地） 科学新闻记者保罗?奥夫曼（Paul Hoffman）（《发现》杂志） 物理学家费朗西斯?埃费里特（Francis Everitt）（斯坦福大学，重力探测基地） 物理学家西德尼?佩尔科维奇（Sidney Perkowitz）（埃默里大学） 我还要感谢以下科学家，多年来他们促进了有关物理学的讨论，极大地增强了本书的内容： 诺贝尔奖获得者TD李（TDLee）（哥伦比亚大学） 诺贝尔奖获得者谢尔登?格拉索（Sheldon Glashow）（哈佛大学） 诺贝尔奖获得者里查德?费曼（Richard Feynman）（加利福尼亚工学院，已故） 物理学家爱德华?威腾（Edward Witten）（普林斯顿高级学术研究所） 物理学家约瑟夫?吕克（Joseph Lykken）（费米实验室） 物理学家大卫?格罗斯（David Gross）（圣芭芭拉加利福尼亚大学） 物理学家费兰克?维尔切克（Frank Wilczek）（圣芭芭拉加利福尼亚大学） 物理学家保罗?汤森德（Paul Townsend）（剑桥大学） 物理学家彼得?范?尼乌文惠仁（Peter Van Nieuwenhuizen）（斯托尼布鲁克大学） 物理学家米格尔?维拉索罗（Miguel Virasoro）（的里雅斯特大学） 物理学家布尼?萨基塔（Bunji Sakita）（纽约市立学院，已故） 物理学家阿肖克?达斯（Ashok Das）（罗彻斯特大学） 物理学家罗伯特?玛莎（Robert Marshak）（纽约市立学院，已故） 物理学家费兰克?提普勒（Frank Tippler）（图拉大学） 物理学家爱德华?特赖恩（Edward Tryon）（亨特学院） 天文学家米切尔?比奇曼（Mitchell Begelman）（科罗拉多大学） 最后，我要感谢我的编辑罗杰?肖勒（Roger Scholl），他出色地编辑了我的两本书。他的编辑扎实可靠，极大地增强了本书的魅力，他的意见总是帮助澄清和加深书的内容和表达。我还要感谢我的代理人斯图尔特?克里切夫斯基（Stuart Krichevsky），这些年来我的所有的书都是由他介绍给读者的。 前言 前言 宇宙学是研究宇宙整体的科学，包括宇宙的诞生和它的最终命运。毫不奇怪的是，它经历了缓慢的、痛苦的演变，这种演变常常被宗教的教条和迷信所笼罩。 宇宙学的第一次革命是在17世纪引进望远镜时产生的。在伟大的天文学家尼古拉?哥白尼（Nicolaus Copernicus）和约翰尼斯?开普勒（Johannes Kepler）工作的基础上，伽利略?加利列伊（Galileo Galilei）借助于望远镜的帮助展示了天空的壮观，首次为天空的认真的科学研究打下了基础。宇宙学的这个第一阶段的进展在艾萨克?牛顿（Isaac Newton）的工作中达到了顶点，他最终确定了控制天体运动的基本定律。天体的规律现在不再是魔法和神秘，而是受可以计算和可以复制的力支配的。 宇宙学的第二次革命是在20世纪引进大型望远镜产生的。例如威尔逊山上的一架望远镜有一面巨大的直径100英寸（254米）的反射镜。在20世纪20年代，埃德温?哈勃（Edwin Hubble）利用这架巨大的望远镜推翻了几个世纪以来有关宇宙是静态的和永恒的教条。他证明天空中的星系正以巨大的速度离地球而去，即宇宙在膨胀。这就证实了爱因斯坦广义相对论的结果，它说空间时间的构造不是平的和线性的，而是动态的和弯曲的。这就给出了宇宙起源的第一个似乎可信的解释，即宇宙开始于“大爆炸”，大爆炸将星星和星系飞快地向外送到空间。由于乔治?伽莫夫（George Gamow）有关大爆炸和弗雷德?霍伊尔（Fred Hoyle）有关元素起源的先驱工作，已经出现了一个概括宇宙演化的框架。 现在正在进行第三次革命。大约只有5年时间。它是由新的电池、高技术仪器，如空间卫星、激光、重力波探测器、X射线望远镜和高速超级计算机产生的。我们现在有了关于宇宙性质的最权威的数据，包括它的年龄、它的组成，甚至它的将来和最终的死亡。 现在，宇宙学家认识到宇宙正以跑开的模式在膨胀，无限制地膨胀，速度越来越快，随着时间越长宇宙变得越来越冷。如果这样继续下去，我们将面临大冻结的前景，这时宇宙将陷入黑暗和寒冷，所有的智能生命都将死亡。 这本书是写这个第三次大革命的。这本书不同于我早先的一本关于物理的、书名为《超越爱因斯坦和超空间》（Beyond Einstein and Hyperspace）的书，那本书是向公众介绍高维和超弦理论的。在《平行宇宙》（Parallel Worlds）中注意的问题不是空间时间，而是在过去几年时间内展现的宇宙学的革命性的发展。这些发展是根据从世界各个实验室和最外层空间得到的新证据和理论物理的新突破。我的意图是不需要任何以前的物理学和宇宙学的背景，就能让读者了解这些发展。 书的第一部分集中在对宇宙的研究上，总结宇宙学早期阶段的进展，最后讲“膨胀”理论，它给了我们到今天为止的大爆炸理论的最完善的表述。书的第二部分特别集中在多宇宙理论的出现，即世界由多个宇宙组成，我们的宇宙只是其中之一。讨论虫洞、空间和时间弯曲的可能性，以及高维空间可能会怎样连接它们。超弦理论和M理论使我们在超越爱因斯坦原始理论的道路上走出重要的一步。它们给我们进一步的证据，说明我们的宇宙只不过是众多宇宙中的一个。书的第三部分讨论大冻结，现在科学家都把它看做是我们宇宙的结局。我也给出一个认真的，尽管是推测的一种可能性。在1万亿年后，遥远将来的高级文明也许能利用物理定律离开我们的宇宙，进入另一个更友好的宇宙，开始重新诞生的过程，或在时间上回到宇宙温暖的时期。 随着我们今天收到的大量的新数据，随着新的工具，如能够扫描天空的空间卫星，随着新的城市大小的原子对撞机接近完成，物理学家感到正在进入一个宇宙学的黄金时代。简而言之，对物理学家来说，对于一位宇宙起源和命运的探索者来说，一个伟大的时代即将来临。 第一部分 宇宙 第一节 第1章宇宙诞生时的情景 诗人仅需仰望天空抒发情怀，而逻辑学家却要探索天空寻找其中的秘密。 ——GK切斯特（GKChesterson） 当我是一个孩子的时候，我内心的信仰有冲突。我的双亲是在佛教的传统下长大的。但我每周去主日学校上课，我喜欢这里讲的有关鲸鱼、方舟、盐柱、肋骨和苹果的圣经故事。这些古老的寓言让我着迷，这些内容是我最喜欢主日学校的地方。对我来说，有关大洪水、燃烧的丛林和逝去的流水，比起佛教的圣歌和沉思默想更让我激动不已。事实上，这些古代的有关英雄事迹和悲剧的传说给我上了一堂生动的道德和伦理课，这些教育伴随了我的一生。 在主日学校里，有一天我们学习“起源”。读到上帝在天上雷鸣般地说：“让世界充满光明！”这些话语听起来比有关“涅槃”的沉思默想更为生动。出于好奇，我问我的主日学校老师：“上帝有母亲吗？”平时她回答问题总是很果断，每次都给我深刻的道德教育。然而，这一次她被问住了，她迟疑地说上帝大概没有母亲吧。我问她：“那么上帝是从哪来的呢？”她咕哝着说，关于这个问题她要问问牧师。 我当时没有认识到我意外地触及到一个重大的神学问题。我迷惑了，因为在佛教中根本没有上帝，只有无始无终的永恒的宇宙。后来，当我研究有关世界的神话时，我知道了在宗教上有两种类型的宇宙论：一种理论是上帝在一瞬间创造了宇宙，另一种理论是宇宙过去、现在和将来都永远如此。 我想，两种理论不可能都是对的。 后来，我开始发现这些共同的主题贯穿在很多其他的文化中。例如，在中国的神学中，开始时有一个宇宙蛋。幼儿上帝盘古几乎是永久地居住在这个漂浮在无形的混沌海上的蛋中。当他最终孵化出世后，他长得无比地大，每天长10英尺多（3米多），蛋壳的上半部分变成了天，下半部分变成了地。一万八千年后，他死了，诞生了我们的世界，他的血变成了河，他的眼变成了太阳和月亮，他的声音变成了雷。 盘古神话以各种方式反映了一个在其他宗教和古代神学中所建立的主题，即宇宙是从无到有创造的。在希腊神学中，宇宙起源于混沌状态。事实上，混沌一词来源于希腊意思为“深渊”这个词。这个毫无特色的空洞通常被描绘为一个海洋，在巴比伦和日本的神学中就是这样描绘的。这个主题也出现在古埃及神学中，太阳神Ra（拉。被画成鹰头而戴太阳之冠的古埃及人的主神。——译者注）是从漂浮的蛋中出现的。在玻利尼西亚神学中，宇宙蛋被一个椰子壳代替。玛雅人相信的故事又有一些变化，宇宙诞生，但五千年后最终死亡，然后又一次一次复兴，诞生和毁灭无休止地循环。 这些从无到有的神话是与佛教的宇宙论及某种形式的印度教截然不同的。在这些神学中，宇宙是永恒的，无始无终的。存在的级别有很多，最高的是“涅槃”，它是永恒的，只有通过沉思冥想才能达到。在印度佛教的教义中写道：“如果上帝创造了世界，在创造世界之前他在哪里呢？……要知道世界不是创造的，就像时间那样没有开始和终结。” 这些神学明显地互相矛盾，不能明确地说出谁对谁错。他们是相互排斥的：宇宙或者有开始，或者没有，显然没有折中的余地。 然而今天似乎出现了一个解决方案，这是由全新的科学世界的发展，由新一代的翱翔在外层空间的强大科学仪器所得出的结果。古代神学依赖的是讲故事的人的智慧解释世界的起源。今天，科学家则利用一组卫星、激光、重力波探测器、干涉仪、高速超级计算机和因特网，革新我们对宇宙的理解，给我们有关宇宙起源的更加引人注目的描述。 从科学探测数据逐渐得出的是两种相互对立的神学的合成。科学家推测，“起源”也许在无止境的“涅槃”海洋中重复发生。在这个新的图片中，我们的宇宙可以比做漂浮在巨大“海洋”上的一个气泡，在这个“海洋”上不断有新的气泡形成。根据这个理论，宇宙像开水中形成的气泡，在不断地产生，漂浮在一个更大的舞台上，即一个11维的超空间“涅槃”上。越来越多的物理学家认为我们的宇宙的确是从一次火灾中，从一个大爆炸中产生的，但它也与其他宇宙的永恒的海洋并存。如果我们是对的，大爆炸甚至就在你读这本书时正在发生。 全世界的物理学家和天文学家现在都在推测这些并行的世界会是什么样子，服从什么规律，它们怎样诞生，最终如何死去。大概这些世界是荒无人迹的，没有生命的基本要素。或者也许它们只是看上去像我们的宇宙，被一个单一的使这些宇宙脱离我们宇宙的量子事件所分开。一些物理学家推测，也许有一天，随着我们生存的宇宙变老和变冷，生命难以继续维持，我们将不得不离开它，逃到另一个宇宙中去。 驱动这些新理论的动力是从空间卫星拍照宇宙创建时留下的残迹所得到的大量的数据。最显著的是，科学家现在将零点定在大爆炸发生后仅380 000年后所发生的事情。那时，宇宙创建时的余晖首次充满了宇宙。这种从宇宙创建所产生的辐射的最引人注目的描述大概是从WMAP卫星的新仪器得来的。 WMAP卫星 2003年2月，一些通常持保留态度的天文物理学家在谈论从最近一颗卫星得到的精确数据时，异口同声地赞叹道：“不可思议！”“一个新的里程碑！”WMAP（威尔金森微波各向异性探测器）是以宇宙学家大卫?威尔金森（David Wilkinson）的名字命名的，于2001年发射升空，已给予科学家前所未有的精确的年龄仅有380 000年的早期宇宙的详细图片。从诞生星星和星系的原始火球留下的巨大能量环绕了我们的宇宙几十亿年。今天，它最终被WMAP卫星异常详细地捕捉在影片上，产生了一幅以前从未见过的天空照片，惊人地、详细地呈现大爆炸所产生的微波辐射。这些辐射被《时报》杂志叫做“创世的回波”。天文学家再也不会以同样的方式看待天空了。 普林斯顿高级学术研究所的约翰?巴赫恰勒（John Bahcall）说：“WMAP的发现代表了宇宙学从推测到精密科学的跨越。”从宇宙历史的早期得到的这些数据使宇宙学家首次能够精确回答远古时代的所有问题，自从人类第一次看到夜晚天空的美丽景色，这些问题就一直困惑着人类，并激起他们的好奇心。宇宙有多大年纪了？宇宙是由什么构成的？宇宙的命运是什么？ （1992年的前一颗COBE〔宇宙背景探测卫星〕给了我们这些充满天空的背景辐射的第一张聚焦不好，从而模糊不清的图片。尽管这个结果是革命性的，但是因为它给出的早期宇宙的图片太不清楚了，所以令人失望。但这并没有妨碍出版界将这张照片激动地称为“上帝的脸”。然而，从COBE得到的这张模糊的照片更确切的说法应该是代表宇宙幼年的“婴孩照片”。如果今天宇宙是一个80岁的老人，则COBE和后来的WMAP所得到的照片是一个新生的不到1天的宇宙。） WMAP卫星能够给我们前所未有的宇宙幼年的照片的原因是，夜晚的天空像一架时间机器。因为光传播的速度是有限的，我们在夜晚看到的星星是它过去的样子，而不是现在的样子。光从月球到达地球需要1秒多钟，因此当我们凝视月亮时，我们看到的是它1秒钟以前的样子。光从太阳到达地球需要大约8分钟。同样，我们在天上看到的很多熟悉的星星是如此之远，光从这些星星到达我们的眼需要10到100年。换句话说，它们距离地球10到100光年。1光年大约是6万亿英里（约9656万亿千米），或光1年走过的距离。从遥远星系来的光可能有几亿到几十亿光年之远。结果，这些光代表了“化石”光，有些甚至是在恐龙出现之前就发射出来的光。我们用天文望远镜能够看到的有些天体叫做类星体，它们是巨大的发动机，在可见宇宙边缘附近发出难以想象的能量，这些类星体离地球120亿到130亿光年。现在，WMAP卫星已检测到甚至是在此之前从创造宇宙的原始火球所发出的辐射。 为了描述宇宙，宇宙学家有时采用从曼哈顿100多层高的帝国大厦向下看的例子来说明。当你从顶层向下看时，你仅仅能够看到街道水平面。如果帝国大厦的基础代表大爆炸，那么从顶层向下看，遥远的星系将位于第10层。通过地球望远镜看到的遥远的类星体将位于第7层。WMAP卫星所测量的宇宙背景则仅高出街道半英寸（约127厘米）。这样WMAP卫星测量得出的宇宙年龄为137亿年的精度达到令人吃惊的1%。 WMAP完成的使命是十几年来天文物理学家艰苦工作所达到的顶点。WMAP卫星的设想是在1995年首次提交给NASA（美国国家航空航天局）的，两年之后得到认可。在2001年6月30日，NASA将WMAP卫星搭载在德尔塔Ⅱ（Delta Ⅱ）火箭上，将它发射到位于地球和太阳之间的太阳轨道上。目标仔细选在拉格朗日点2（或L2点，一个特殊的靠近地球的相对稳定点）。从这一有利的地点，该卫星总能背向太阳、地球和月亮，因此能够得到完全不受障碍的宇宙的视野，它每6个月完全地扫描一次整个天空。 它的仪器是最新式的。利用它的强大的传感器，它能够检测大爆炸所留下的充斥宇宙的微弱的微波辐射，但是这些辐射大部分被我们的大气吸收掉了。这颗由铝合金和复合材料制造的卫星内径38米（114英尺），外径5米（15英尺），重840千克（1 850磅）。它有两架背靠背望远镜聚焦来自周围天空的微波辐射，它最终将数据用无线电发回到地球。它的电源仅419瓦，相当于5只普通的灯泡。离开地球100万英里（约161万千米），WMAP卫星位于地球大气的干扰之外，微弱的微波背景辐射不会被地球大气遮挡，并且能够持续不断地观察整个天空。2000年4月，该卫星完成了对整个天空的首次观察。6个月后做了第二次整个天空的观察。今天，WMAP卫星给了我们最完善的、详细的微波辐射图，这是以前从来没有得到过的。1948年，乔治?伽莫夫和他的小组曾首先预言了WMAP所检测的微波背景辐射。他还指出这一辐射有一个与其相关的温度。WMAP测量的这个温度比绝对零度K（－27315 ℃）高一点，在绝对温度2724 9至2725 1度之间。 WMAP所拍摄的天空图用肉眼看上去并不怎么有趣，只是一群随机分布的斑斑点点。然而，这些斑斑点点却让一些天文学家激动得落下眼泪，因为它们代表了在宇宙创造之后不久所发生的大爆炸所产生的原始火灾的波动和不规则。这些小的波动就像“种子”一样从此以后无限扩展，就像宇宙本身向外爆炸一样。今天，这些小的种子发展成我们所看到的照亮天空的星团和星系。换句话说，我们所在的银河系（Milky Way galaxy）和我们周围的星团曾经是这些波动之一。通过测量这些波动的分布，我们看到星团的起源就像画在天上的宇宙织锦上的小点。 第二节 图1这是WMAP拍照的宇宙的“婴儿照片”，因为拍的是它仅有380 000岁时的照片。每个点很可能代表在创造余晖中的微小量子波动，它们随后扩展，创造了我们今天看到的星团和星系。 今天，大量的天文数据积累的速度超过了科学家建立理论的速度。事实上，我认为我们正进入一个宇宙理论的黄金时代。（尽管WMAP卫星给人深刻的印象，与欧洲2007年要发射的普朗克〔Planck〕卫星相比，它可能会成为一个矮子。普朗克卫星将给天文学家更加详细的有关微波背景辐射的图片。）在多年的思索和疯狂的猜想之后，今天宇宙论终于成熟。在历史上，宇宙学家因名声不是太好而感到痛苦。他们满怀激情所提出的有关宇宙的宏伟理论仅仅符合他们的一点可怜的数据。正如诺贝尔奖获得者列夫?兰道（Lev Landau）所讽刺的：“宇宙学家常常是错误的，但从不被怀疑。”科学界有句格言：“思索、更多的思索，这就是宇宙学。” 20世纪60年代后期，我在哈佛大学主修物理，我考虑是否有研究宇宙学的可能性。从童年开始我就对宇宙的起源着迷。然而，只要看一看这个领域就知道它令人困窘。它根本不是一门实验科学，不能用精密的仪器检验你的假设，而是一些不精确的猜测的理论。宇宙学家忙于激烈地争论，世界是在宇宙大爆炸时诞生的？还是自始至终以稳定的状态一直存在？但是由于数据太少，各种理论的数量超过了数据的数量。事实上，数据越少，争论越激烈。 在整个宇宙学的历史中，由于可靠数据太少，导致天文学家的长期的不和和痛苦，他们常常几十年愤愤不平。例如，就在威尔逊山天文台的天文学家艾伦?桑德奇（Allan Sandage）打算做一篇有关宇宙年龄的讲演前，先前的发言者辛辣地说：“你们下一个要听到的全是错的。”当桑德奇听到反对他的人赢得了很多听众，他咆哮着说：“那是一派胡言乱语。它是战争——它是战争！” 宇宙的年龄 天文学家一直渴望知道宇宙的年龄。几个世纪以来，学者、牧师和神学家一直试图估计宇宙的年龄，在他们的探讨中所用的唯一方法是自亚当和夏娃所产生的人类的宗谱。在20世纪，地质学家利用岩石中残存的放射性元素给出地球年龄的最佳估计。与此相比，今天的 WMAP 卫星测量了大爆炸的回波，给我们最具权威的宇宙的年龄。WMAP数据揭示，我们的世界是在137亿年前发生的剧烈的大爆炸中诞生的。 （多年来，一个困扰宇宙学的最令人不安的事实是，由于数据不完善，计算得出的宇宙的年龄常常比行星和星星的年龄要年轻。以前估计的宇宙的年龄是10亿到20亿年，与地球的年龄45亿年和最老的星星的年龄120亿年相矛盾。现在，这些矛盾消除了。） WMAP 对希腊人2 000年前提出的宇宙是由什么构成的争论问题，给出了意想不到的转折性的答案。过去一个世纪，科学家相信他们已经知道了这个问题的答案。经过上千次艰苦的实验，科学家得出结论：宇宙是由大约100多种不同类型的原子构成的。这些原子在元素周期表上按次序排列，第1个是氢元素。这一理论成为现代化学的基础，事实上，在每个高中的科学课程上都是这样教的。WMAP现在毁灭了这种信念。 为了确认以前的实验，WMAP得出我们所看见的周围的物质，包括山、行星、星星和星系只占宇宙总物质和总能量的4%。（在这4%的物质中，绝大部分是氢和氦，大约只有003%是重元素。大部分宇宙实际上是由完全不知道起源的、神秘的、不可见的材料构成的。）我们所熟悉的构成我们世界的元素仅占宇宙的003%。在某种意义上，科学被拉回到几个世纪以前，那时还没有出现原子假设，因为物理学家掌握了事实：宇宙是由全新的、不知道的物质和能量形式所支配的。 根据 WMAP的观测，23%的宇宙是由奇怪的、不确定的、叫做暗物质的物质构成的。这些物质有重量，以巨大的光环围绕着星系，但是它们完全看不见。暗物质在我们的银河系是如此普遍和丰富，以至它的重量为所有星星的10倍。尽管看不见，这种奇怪的暗物质能够间接地被科学家观察到，因为它能使光线弯曲，就像玻璃那样，因此可以靠它所产生的光线扭曲来定位。 谈到从WMAP数据得到的奇怪结果时，普林斯顿天文台的天文学家约翰?巴赫恰勒（John Bahcall）说：“我们生活在一个难以相信的、疯狂的宇宙中，但它是一个我们现在已经知道了它的详细特性的宇宙。” 但是，从WMAP数据得出的最令人吃惊的大概是宇宙的73%是由完全不知道的叫做暗能量形式构成的，或隐藏在空间的看不见的能量构成的。爱因斯坦在1917年曾提出暗能量的概念，后来又放弃它，他将它称为他的最大错误。现在暗能量又作为整个宇宙的驱动力重新出现了。现在人们相信这个暗能量产生一个新的抗重力场，它使星系分开。宇宙自身的最终命运将由暗能量决定。 目前，没有一个人知道暗能量是从何而来。西雅图华盛顿大学的天文学家克雷格?奥甘（Craig Hogan）承认：“坦率地说，我们确实不理解它，我们知道它的效果，但我们完全没有线索……每个人都没有它的线索。” 如果我们采用最新的亚原子粒子理论来试图计算这个暗能量的值。我们发现它的数值为10120，即1的后面跟120个零。这个理论和经验的矛盾远远超出了科学历史上发现的最大差距。这是一个最令我们困惑的问题，我们的最好的理论不能计算整个宇宙最大能源的值。可以肯定，有很多很多的诺贝尔奖在等待勤奋工作的、能够揭示暗物质和暗能量秘密的人。 膨胀 天文学家仍然试图竭力处理从WMAP得来的大量数据。因为它将古老的宇宙概念一扫而光，一个新的宇宙学的图景正在出现。查尔斯?L班尼特（Charles LBennett）是帮助建立和分析WMAP卫星的国际小组的领导人，他说：“我们已经奠定了统一的、一致的宇宙学理论的基础。”迄今为止，最先进的理论是“宇宙膨胀论”，它是大爆炸理论的重大更新，该理论是麻省理工学院的物理学家艾伦?古思（Alan Guth）首先提出的。在膨胀过程中，在一万亿分之一的一万亿分之一秒，一个神秘的抗重力引起宇宙比预想的更快的速度膨胀。该膨胀期是难以想象的爆炸式的，宇宙膨胀的速度比光速更快。（这不违反爱因斯坦对任何物体的速度都不能超过光速的断言，因为膨胀的空间是真空的空间。而实质性的物体不能超越光速。）在几分之一秒中，宇宙不可想象地扩大了1050倍。 为了直观地说明此膨胀期的动力，想象一个正在膨胀的气球，在气球表面画了一个星系。我们所看到的充满了星星和星系的宇宙都位于这个气球的表面上，而不是在气球的内部。现在在气球上画一个用显微镜可见的小圈。此小圈代表可见的宇宙，即用我们的望远镜所看到的一切。（打个比方，如果整个可见的宇宙像亚原子粒子那样小，那么实际的宇宙比我们看见的我们周围的可见宇宙要大许多许多。）换句话说，膨胀的速度是如此之快，以至超出我们的可见宇宙的整个区域并将永远超出我们可以达到的范围。 事实上，膨胀是如此巨大，在我们的视野范围内，气球看上去似乎是平的。这一事实已被WMAP卫星实验证实了。同样，地球看上去似乎是平的，因为与地球半径相比我们人太小了。宇宙看上去是平的，只是因为它在更大的尺度上是弯曲的。 如果假定早期的宇宙经历了膨胀的过程，我们就可以毫不费力地解释很多有关宇宙的谜团，如为什么它看上去是平的和均衡的。物理学家乔尔?普里马克（Joel Primack）在评论膨胀理论时说过：“没有一个理论能像膨胀理论这样完满，以前曾认为它是错的。” 多元宇宙 尽管膨胀理论与WMAP卫星得到的数据一致，但它仍然回答不了一些问题，如什么引起膨胀？是什么发出抗重力使宇宙膨胀？有50多种建议解释是什么引起膨胀，是什么最终终止膨胀，创建了我们所看见的我们周围的宇宙。但未达成共识。大多数物理学家赞同快速膨胀期这一核心思想，但是没有确切的建议回答膨胀背后的发动机是什么？ 因为无人确切地知道膨胀是怎样开始的，所以同一机理总有可能再次发生，即膨胀式的爆炸可能重复发生。斯坦福大学的俄罗斯物理学家安德烈?林德（Andrei Linde）就提出了这样的想法，即不管是什么机理引起部分宇宙突然膨胀，该机理可能仍然在起作用，也许会意外地引起宇宙其他遥远的区域也发生膨胀。 根据这个理论，一小片宇宙可能突然膨胀、“发芽”，萌生一个“女孩”宇宙或“男孩”宇宙，这些宇宙又可能萌生另一个婴宇宙，如此不断进行下去。想象吹一个肥皂泡到空中。如果我们使劲吹，我们看到有些肥皂泡分成两半，产生新的肥皂泡。宇宙可能会以相同的方式不断产生新的宇宙。如果这是真的，我们可能生活在这样一个宇宙的海洋上，每个宇宙像一个漂浮在其他肥皂泡的海洋上的一个肥皂泡。事实上，比“宇宙”更确切的词应该是“多元宇宙”或“巨型宇宙”。 林德（Linde）将这一理论叫做永恒的、自我再生的膨胀，或“无次序的膨胀”，因为他预想的是一个绝无终止的平行宇宙连续膨胀的过程。首次提出膨胀理论的艾伦?古思（Alan Guth）说：“膨胀理论几乎是强迫我们接受多元宇宙的思想。” 这一理论也意味着，我们的宇宙可能在某个时候萌生了它自己的一个婴宇宙。也许我们自己的宇宙也是从更古老、更早期的宇宙萌生出来的。 马丁?里斯（Martin Rees）是大英帝国皇家学院的天文学家，他说：“我们通常所说的‘宇宙’可能只是全体成员中的一员。可能存在不计其数的规律不同的其他宇宙。我们所在的宇宙属于与众不同的子集，在这个宇宙中允许复杂的事物和意识得以发展。” 图2越来越多的理论证据支持多元宇宙的存在，在多元宇宙中，整个宇宙不断萌生其他的宇宙。如果这是真的，它将统一两种重大的宗教神学，“创始”和“涅槃”。在无始无终的“涅槃”的织构中“创始”不断发生。 所有这些关于多元宇宙主题的研究活动让人们开始思索，这些其他的宇宙看起来会是什么样子？是不是也有生命？是不是最终有可能与他们取得联系？加利福尼亚工学院、麻省理工学院、普林斯顿大学和其他研究中心的科学家已经进行了计算，以确定进入平行宇宙是不是符合物理学的规律。 M理论和11维空间 科学家曾以怀疑的眼光审视平行宇宙这一思想，因为它太神秘、太夸张和太离奇了。任何敢于研究平行宇宙的科学家都会受到嘲笑和伤害他的事业生涯，因为即便是现在也没有实验证据证明它的存在。 但是，近年来潮流急剧改变，本星球杰出的思想家都在极为兴奋地探讨这一课题。这种突然的转变是由于一个新的理论，“弦理论”的出现，它的最新版本叫做“M理论”。该理论让我们不仅有可能揭示多元宇宙的性质，还让我们能“解读上帝的心思”，正如爱因斯坦曾经雄辩地指出的那样。如果这一理论证明是正确的，这将代表过去2 000年自希腊人首先开始探索单一的、一致的和全面的宇宙理论以来的物理学研究的最高成就。 第三节 关于弦理论和M理论所发表的论文的数量是惊人的，有几万篇。关于这个课题举办了几百次国际会议。世界上每一个主要的大学或者有一个小组在研究弦理论，或拼命地想认识它。尽管此理论不能用我们今天的薄弱的仪器来检测，它仍然激发了物理学家、数学家、经验主义者的极大兴趣。他们希望能在将来利用外层空间强大的重力波检测器和巨大的原子对撞机检测此理论的正确性。 最终，此理论可能回答自大爆炸理论提出以来一直困扰宇宙学家的问题：在大爆炸之前发生了什么？ 这要求我们运用物理学知识的全部力量，运用几个世纪以来所积累的每一个物理发现。换句话说，我们需要一个“万物的理论”，一个包括驱动宇宙的各种物理力的理论。爱因斯坦花费了他生命的最后30年追寻这种理论，但他最终未能成功。 目前，能够解释控制宇宙力多样性的最重要的（和唯一的）理论是弦理论，或者它的最近的化身M理论。（M代表“膜”，也包含“神秘”、“魔法”甚至“母亲”的意思。尽管弦理论和M理论基本上是相同的，但M理论是一个更神秘的、更完善的、统一各种弦理论的框架。） 自古希腊以来，哲学家就已推测：最终组成大块物质的可能是微小的叫做原子的粒子。今天，用我们强大的原子对撞机和粒子加速器，我们已经能够将原子分裂为电子和原子核，原子核又可分裂为更小的亚原子粒子。但是我们找不到一个优雅的、简单的框架，从加速器发现的是几百个亚原子粒子，名字也很奇怪，如：中微子、夸克、介子、轻子、强子、胶子、W玻色子，等等。很难相信，大自然在它最基本的层次上会产生这么多令人糊涂的奇异的亚原子粒子群。 弦理论和M理论是根据一个简单的和美妙的思想，即构成宇宙的让人困惑的各种亚原子粒子类似于可以在小提琴琴弦上演奏的音调，或在鼓膜上演奏的鼓点。（“弦”和“膜”不是普通的弦和膜，它们存在于第10维和第11维超空间。） 传统上，物理学家把电子看做是无限小的点粒子。这意味着物理学家不得不为他们发现的几百种亚原子的每一个引进不同的点粒子，结果造成十分混乱的局面。但是根据弦理论，如果我们有一个超级显微镜能够探测到一个电子的心脏，我们将会看到它根本不是点粒子，而是一个很小的振动的弦。只是因为我们的仪器太粗糙，它才看上去是一个点粒子。 这些很小的弦依次以不同的频率振动和共鸣。如果我们拨动这个振动的弦，那么它就会改变模式，变成另一个亚原子粒子，如夸克粒子。再把它拨动，它又将转变成中微子。用这种方式，我们可以将众多的亚原子粒子解释为不是别的，而是弦的不同的音调。我们现在可以将实验室看到的几百个亚原子用一个单一的弦这个物体来代替。 用这个新的词汇，经过几千年的试验仔细构造的物理学定律不是别的，只是人们为弦和膜书写的协调规律。化学定律是人们可以在这些弦上演奏的悦耳音调。宇宙是弦的交响曲。爱因斯坦意味深长地所谱写的有关“上帝的心思”是整个超空间的宇宙音乐共鸣。（这又产生了另一个问题：如果宇宙是弦的交响曲，那么有作曲家吗？我在后面的第12章讨论这个问题。） 音乐类比 音乐符号 小提琴弦 音调 协调规律 悦耳的音调 宇宙 “上帝的心思” 作曲家弦的对照物 数学 超弦 亚原子粒子 物理 化学 弦的交响曲 整个超空间的音乐共鸣 ? 宇宙的终结 WMAP不仅让我们更精确地看到早期的宇宙，它也给出我们的宇宙将如何死亡的最详细的图片。正如神秘的反重力在创世之初将星系推开一样，这同一个反重力正将宇宙推向它的最终命运。以前，天文学家认为宇宙的膨胀正逐渐减慢。现在，我们认识到，宇宙的膨胀是加速的，星系正以不断增加的速度飞快地离开我们。构成宇宙物质和能量73%的同一个暗能量正在加速宇宙的膨胀，以日益增加的速度将星系推开。空间望远镜研究所的亚当?里斯（Adam Riess）说：“宇宙就像一个见到红灯减慢速度的驾驶员，当红灯变成绿灯时踩油门加速前进。” 除非有什么意外的事情发生使这个膨胀过程逆转，在1 500亿年内我们的银河系将变成一个孤岛，99999 99%的银河系附近的星系将跑到可见宇宙的边缘之外。夜晚天空中熟悉的星系将跑到离开我们如此遥远的地方，以致它们的光线永远也不能到达我们。这些星系本身不会消失，但它们离得太远，我们的望远镜不能再看到它们。尽管可见宇宙包含大约1 000亿个星系，但在1 500亿年后仅能见到局部超星系团中的几千个星系。在更加遥远的将来，只有由36个星系组成的我们的本地星群构成整个可见的宇宙，几十亿个星系将漂出地平线的边缘之外。（这是因为本地星群的重力足以克服膨胀力。反过来说，当遥远的星系离开视野，生活在这个黑暗世纪的任何天文学家可能根本检测不到宇宙的膨胀，因为本地星系群内部不膨胀。在遥远的未来，第一次分析夜晚天空的天文学家可能认识不到有任何膨胀，于是得出结论说：宇宙是静态的，仅由36个星系构成。） 如果这个反重力继续下去，宇宙将最终死亡，形成大冻结。由于深层空间的温度趋于绝对零度，分子本身都很难运动，宇宙中的所有智能生命将最终被冻死。在几万亿的几万亿年之后，星星将不再发光，它们的核火因燃料耗尽而熄灭，夜晚的天空将永远是漆黑一片。宇宙膨胀留下来的仅仅是由矮星、中子星和黑洞构成的寒冷的、死亡的宇宙。更远更远的将来，黑洞本身也将蒸发掉它们的能量，留下一个无生气的由漂浮基本粒子颗粒构成的寒冷的雾。在这样一个荒凉的寒冷的宇宙中，任何可以想象的生命形式实际上都是不可能的。在这样一个冻结的环境中，热力学的铁的定律不允许有任何信息传递，所有的生命必然灭绝。 在18世纪就有人开始认识到宇宙最终将可能冰冻而死。查尔斯?达尔文（Charles Darwin）在评论物理学定律似乎注定了所有智能生命必将灭亡这一令人沮丧的结局时写道：“我相信在遥远将来的人类比起现在将是更加完善的生物，一想到人类和所有其他有知觉的生物在这个长期持续的缓慢过程中注定要完全灭绝，让人不能忍受。”不幸的是，从WMAP卫星得到的最新数据似乎证实了达尔文的担忧。 逃往超级空间 物理定律决定了宇宙间的智能生命将注定面临死亡。但是也有进化定律，当环境改变时生命可以适应环境而生存下去，或者死亡。因为生命不可能适应因冻结而死亡的宇宙，因此为了避免死亡唯一的选择是离开我们这个宇宙。当宇宙面临最终死亡的时候，几万亿年后的文明是不是有可能具备了必要的技术，乘坐空间“生命之船”离开我们的宇宙，漂向另一个更年轻、更温暖的宇宙呢？或者是不是他们能够利用超级技术构建“时间弯曲”，返回到过去他们自己的那个更温暖的年代呢？ 另一个极端的构思是：有些物理学家提出了一些似乎可信的计划，利用可利用的最先进的物理学，提供最现实的空间入口或通往另一个宇宙的通路。当物理学家计算是不是人们可能利用“外来的能量”和黑洞找到通往另一个宇宙的通道时，全世界物理实验室的黑板上充满了抽象的方程。几百万年到几十亿年以后的文明是不是能在技术上开发出已知的进入另一个宇宙的物理定律呢？ 剑桥大学的宇宙学家斯蒂芬?霍金（Stephen Hawkin）曾俏皮地说：“虫洞，如果存在的话，会是快速空间旅行的理想通道。你可以穿过虫洞到星系的另一侧，然后赶回来吃午餐。” 如果“虫洞”和“空间入口”尺寸太小，无法让大批的人离开我们的宇宙，那么还有另一个选择：将高级智能文明的总信息量缩减到分子级别，让它们通过通道，然后在另一端重新自我装配。用这种方式，整个文明可以将它的种子通过空间通道，然后重建它的光辉。超空间不是理论物理学家手中的玩物，在宇宙面临死亡时，它是拯救智能生命的最终途径。 但是要完全理解这些内容的含义，我们必须首先了解宇宙学家和物理学家是怎样经过千辛万苦才得到这些令人吃惊的结论的。在《平行宇宙》这本书中，我们将审阅宇宙学的历史，几个世纪以来在这个领域所产生的矛盾，最后阐述与所有实验数据相符合的膨胀理论，以及我们不得不接受的多重宇宙的概念。 第2章荒谬的宇宙 如果在创世时我在的话，我会给出一些有用的暗示，让宇宙的秩序变得更好。 ——阿方斯?怀斯（Alphonse the Wise） 该诅咒的太阳系。这里光线太坏、行星太遥远、彗星令人烦恼、发明才能太弱，我能创造一个更好的宇宙。 ——洛尔?杰费里（Lord Jeffrey） 莎士比亚在戏剧《因为你喜欢它》中写下一段不朽的话： 整个世界是一个舞台， 所有的男人和女人只是演员， 他们都将进场和退场。 在中世纪，世界的确是一个舞台，但它是一个小的静态的舞台，是由一个小的扁平的地球构成的，在它周围有天体以其完美的天体的轨道神秘地绕它运动。彗星被看做是预示国王死亡的预兆。当1066年的大彗星掠过英国的上空时，它吓坏了哈罗德（Harold）国王的撒克逊（Saxon）士兵，他们很快输给了征服者威廉（Willian）的进攻得胜的军队，奠定了现代英国形成的舞台。 同一颗彗星1682年又一次掠过英国的上空，又一次在整个欧洲引起恐慌。似乎每一个人，从农民到国王都被这颗扫过天空的意想不到的天上游客所迷惑。这颗彗星从何处来？到何处去？它意味着什么？ 埃德蒙?哈雷（Edmund Halley）是一个富有的绅士，一个业余天文学家，他对这颗彗星十分着迷，于是他去征求他那个时代最伟大的科学家之一，艾萨克?牛顿的意见。当他问牛顿是什么力可能控制这颗彗星的运动时，牛顿平静地回答：这颗彗星沿椭圆轨道运动，这是由与距离平方成反比的力决定的。（即作用在这颗彗星上的力随着离开太阳距离增加按平方关系而减小。）牛顿说，他已经用他发明的望远镜，即今天全世界天文学家所用的反射望远镜跟踪这颗彗星，它的轨道遵循他在20年前建立的重力定律。 哈雷感到震惊，有些不大相信，他说：“你怎么知道的？”牛顿回答道：“什么？我计算出来的。”哈雷做梦也没有想到自人类开始凝视天空就一直使他们迷惑的天体的秘密能够用新的重力定律来解释。 第四节 哈雷认识到这一突破的巨大意义，他慷慨地提供经费出版这一新的理论。1687年，在哈雷的鼓励和资助下，牛顿发表了他的巨著《自然哲学的数学原理》（Philosophiae Naturalis Principia Mathematica/Mathematical Principles of Natural Philosophy）。这部著作受到热烈欢迎，被看做是从未发表过的最重要的著作。一瞬间，不知道太阳系规律的科学家突然能够极其精确地预计天体的运动了。 “原理”一书在欧洲的沙龙和朝廷的影响是如此巨大，以至诗人亚历山大?蒲伯（Alexander Pope）写道： 自然和自然规律埋藏在黑暗之中， 上帝说：让牛顿去发现它！让一切大放光明。 （哈雷认识到：如果这颗彗星的轨道是一个椭圆，人们也许能够计算什么时候它会再次掠过英国上空。寻找历史记录，他发现1531、1607和1682年的彗星的确是同一颗彗星。就是这颗彗星曾经在1066年创建现代英国时起了关键的作用，在整个有记录的历史上人们都曾看到这颗彗星，包括朱利叶斯?恺撒〔Julius Caesar〕。哈雷预计这颗彗星将在1758年回来。这时牛顿和哈雷都早已去世。当这颗彗星精确地按照日程表在这一年的圣诞节返回时，人们把这颗彗星命名为哈雷彗星。） 牛顿早在20年前发现了万有引力定律，那时鼠疫迫使剑桥大学关闭，牛顿被迫回到他在伍尔斯索普（Woolsthorpe）的乡村庄园。他深情地回忆到：他在庄园周围散步时看到一个苹果掉下来。这时他问了自己一个最终改变人类历史进程的问题。他问道：如果苹果掉下来了，月亮也会掉下来吗？在天才的一闪念间，牛顿认识到苹果、月亮和行星全都服从同一个重力规律，即在与距离平方成反比的重力作用下它们全都会下落。当牛顿发现17世纪的数学太原始不能解这个重力定律时，他发明了数学的新分支——微积分，用来确定下落苹果和月球的运动。 “原理”一书也包含牛顿写下的力学定律，即确定地面物体和天体抛物线轨道的运动定律。这些定律奠定了设计机械、利用蒸汽能、制造机车的基础，这些进步为工业革命和现代文明铺平道路。今天，每一座摩天大楼、每一座桥梁和每一枚火箭都是按照牛顿的运动定律建造的。 牛顿不仅给了我们永恒的运动定律，他也改变了我们的世界观，给了我们全新的宇宙描绘，在这个宇宙中控制天体的神秘定律是与控制地面物体的定律相同的。生活的舞台不再被可怕的天上的征兆所包围，应用到演员的定律也能应用到布景上。 本特利悖论 因为“原理”是这样一部雄心勃勃的巨著，所以它在宇宙构造问题上引起了一个令人烦恼的矛盾。如果世界是一个舞台，它有多大呢？它是无限的还是有限的呢？这是一个古老的问题，甚至罗马哲学家卢克莱修（Lucretius）也对这个问题着迷，他写道：“宇宙在任何方向都是没有边界的。如果它有的话，在某个地方必定有一个界限。但是显然除非在一件东西的外面有其他东西包围，否则这件东西不可能有界限……整个宇宙在所有尺度，在这一侧或那一侧，向上或向下都没有端点。” 但是牛顿的理论也揭示出任何有限和无限宇宙理论所固有的矛盾。最简单的问题也会使你陷入矛盾的泥潭。即便是牛顿沐浴在由于发表了“原理”一书所给他带来的荣誉之中，他发现他的重力理论存在一些矛盾。1692年，一个名叫列夫?里查德?本特利（RevRichard Bentley）的牧师写了一封措辞谨慎的、坦率的，但是令人烦恼的信给牛顿。本特利（Bentley）写道：因为重力总是吸引的，绝不是排斥的，这就意味着任何星星的集合将会自然地聚集到一起。如果宇宙是有限的，那么夜晚的天空不会是永恒的和静态的，当星星彼此相撞聚合成一个燃烧的超级星球时，我们看到的将是一幅难以置信的惨不忍睹的大屠杀情景。但是本特利也指出：如果宇宙是无限的，作用在任何物体上的力，向左的和向右的，也是无限的，因此星星将被撕成碎片。星星将出现火灾，并被撕裂开来。 最初，本特利（Bentley）似乎把牛顿将死了。宇宙要么是有限的（将聚集成一个火球），要么是无限的（所有的星星将爆炸而撕开）。不管哪种可能性，对牛顿提出的年轻的理论来说都是一场灾难。这个问题在历史上第一次揭示出将重力理论应用到整个宇宙时所产生的矛盾。 在仔细思考之后，牛顿回了信，他在争论中找到一个论点。牛顿倾向于宇宙是无限的，但它是完全均匀的。因此，如果一颗星星被无限数量的星星拉向右，它就会被另一方向的另一个无限系列的星星拉向左，从而抵消了前者的作用。在每一个方向所有的力是平衡的，产生一个静态的宇宙。因此，如果重力总是吸引的，对本特利（Bentley）悖论的唯一解答是宇宙必须是均匀的、无限的。 牛顿在与本特利（Bentley）的争论中找到了一个论点。但是牛顿聪明地认识到他的回答是软弱无力的。他在一封信中承认：尽管他的回答技术上是正确的，但内在是不稳定的。牛顿的均匀的、无限的宇宙就像一座用纸牌搭成的房屋，稍有风吹草动就会使它坍塌。人们可以计算得出：只要有一颗星星晃动一点，马上就会引起连锁反应，星团就会立刻开始崩溃。牛顿的软弱无力的回答只能乞求“神的力量”防止这个纸牌建造的房屋不致倒塌。他写道：“需要一个持续不断的奇迹来防止太阳和恒星在重力作用下跑到一块儿。” 对牛顿来说，宇宙就像一个在创世之初由上帝拧紧了发条的巨大的钟表，从此以后根据他的运动三定律滴答滴答地走动，不再有神的干预。但是，有的时候神也不得不偶尔干预一下，将宇宙再拧一下使它不致崩溃。（换句话说，上帝不得不偶尔干预一下，以防止生活舞台的布景不至崩溃落到演员的头上。） 奥尔贝斯悖论 牛顿知道在任何无限的宇宙中有着更深层次的矛盾，叫做奥尔贝斯（Olbers）悖论，这个悖论是从夜晚天空的背景为什么是黑色产生的。早至约翰尼斯?开普勒（Johannes Kepler）时代的天文学家就认识到：如果宇宙是均匀的和无限的，那么不管你向哪看，你都会看到从无数个星星发出的光。凝视夜晚天空的任一点，我们的视线将最终穿过不计其数的星星，接收到无限数量的光线。因此，夜晚的天空应该是一片火海！但事实是，夜晚的天空是黑的，不是白的，几个世纪以来这成了一个微妙的，但是意义深远的宇宙矛盾。 这个悖论像本特利（Bentley）悖论一样，看上去简单，却使很多代的哲学家和天文学家苦恼。本特利（Bentley）悖论和奥尔贝斯（Olbers）悖论都与观察有关，在一个无限的宇宙中，重力和光线可以产生无限多个没有意义的结果。几个世纪以来，人们提出了很多不正确的回答。开普勒（Kepler）被这个悖论困惑得走投无路，只得推测宇宙是有限的，被一个外壳所包围，因此只有有限数量的光线能够到达我们的眼球。 对这个悖论的回答是如此混乱，以至1987年的一项研究表明：70%的天文学教科书都给出不正确的回答。 起初，人们说光线被尘云吸收了，想由此解答奥尔贝斯（Olbers）悖论。1823年海因里希?威廉?奥尔贝斯（Heinrich Wilhelm Olbers）第一次清楚地叙述这个悖论时，他本人就是这样回答的。奥尔贝斯（Olbers）写道：“地球是多么幸运啊，不是天穹每一点的光线都能到达地球！要不然亮度和热度将不可想象，比我们经受的要高90 000倍，只有全能的上帝才能设计出能在这种极端环境条件下生存的生物体。”奥尔贝斯（Olbers）提出：为了地球不沐浴在像太阳光盘那样明亮的背景中，尘云必须吸收大量的热，地球上的生命才能够生存。例如，我们所在的银河星系的火焰中心，在夜晚的天空中本应特别耀眼，但实际上它藏在了尘云的背后。因此当我们遥望银河系中心所在的人马星座（Sagittarius）的方向时，我们看到的不是闪烁的火球，而是一片黑暗。 但是尘云不能真正解释奥尔贝斯（Olbers）悖论。经过一个无限长的时间周期，尘云吸收来自无数星球的光线，最终将和星星表面一样发光。因此，尘云在夜晚的天空应发光。 同样，人们可以假定：星星离得越远就越暗淡。这是对的，但不能回答这个悖论。如果我们观察夜晚天空的一部分，非常遥远的星星的确很暗，但是你看得越远，你看到的星星就越多。在均匀的宇宙中这两者的效果互相抵消，夜晚的天空仍然应该是白的。（这是由于光线的强度随距离的平方减小，星星的数量随距离的平方增加，两者抵消。） 非常奇怪的是，历史上第一个解决这个悖论的人是一位美国的神秘作家埃德加?爱伦?坡（Edgar Allen Poe），他是一位天文学的长期的业余爱好者。就在他临死之前，他在一篇叫做《欧雷卡》（Eureka）的充满哲理的散文诗中发表了他的很多观察。其中有非常精彩的一段话： 如果星星的系列是没有止境的，展现在我们面前的天空的背景应是均匀照明的，像银河系所显示的那样。因为在整个背景中绝不可能找到一个地方没有星星。因此，在这种情况下为什么我们的望远镜在数不清的方向什么也看不见的原因是：不可见的背景距离是如此遥远，以至根本没有光线能到达我们。 他最后说：“到目前为止这个想法太美妙了，还无法证实。” 这是正确回答问题的关键。宇宙不是无限的老。它有起源。到达我们眼球的光线有一个有限的分离点。从最遥远星星来的光线还来不及到达我们。宇宙学家爱德华?哈里斯（Edward Harrison）首先发现爱伦?坡解决了奥尔贝斯（Olbers）悖论。他写道：“当我第一次读到爱伦?坡的诗时，我惊呆了。一个诗人，最多是一位业余科学家，怎么能在140年前就认识到正确的答案，而在我们的学院里却一直讲解着错误的结论？” 1901年，苏格兰的物理学家洛德?开尔文（Lord Kelvin）也发现了正确的答案。他认识到：当你遥望夜晚的天空时，你看到的是它过去的样子，而不是现在的情况。因为光的速度尽管按照地球的标准是非常之快（每秒186 282英里〔每秒300 000千米〕），但仍然是有限的，光从遥远的星球到达地球需要时间。洛德?开尔文（Lord Kelvin）计算得出：要想夜晚天空是白的，宇宙的范围必须扩大到几百万亿光年。但是因为宇宙的年龄没有万亿年，所以夜晚天空一定是黑的。（还有第二个夜晚天空为什么是黑的理由，星星的寿命是有限的，以几十亿年计。） 近来，利用哈勃空间望远镜已经有可能实验验证爱伦?坡解答的正确性。这些强大的望远镜又使我们能够回答甚至是孩子也能提出的问题。最远的星在哪里？在最远的星之外有什么？为了回答这些问题，天文学家为哈勃空间望远镜编制了程序以执行一项历史性的任务：拍摄宇宙最远之处的快照。为了捕捉最深层空间角落的极其微弱的辐射，该望远镜必须完成一项前所未有的任务：在总共几百小时的时间内精确地瞄准猎户星座（Orion）附近天空的同一点，这要求该望远镜在围绕地球运转400圈的时间内要完全对准。此项目是如此之困难，不得不花费4个月的时间才完成。 第五节 2004年，全世界的报纸以头版头条新闻发布了一张极有吸引力的照片。这张照片展示从大爆炸之初的混沌中凝缩出来的10 000个幼稚的星系。空间望远镜科学研究所的安东?柯克莫尔（Anton Koekemoer）宣称：“我们可能已经看到创世的终结。”此照片显示离开地球130亿光年的一团暗淡的星系，也就是说光要花费130亿年的时间才能到达地球。因为宇宙本身的年龄只有137亿年，这意味着这些星系是在创世后大约5亿年的时间形成的，这时第一批星星和星系正从大爆炸留下的气体中凝缩出来。该研究所的天文学家马西莫?斯蒂瓦韦里（Massimo Stivavelli）说：“哈勃把我们带到离开大爆炸本身只有一箭之遥。” 但是又有问题产生了：在最远的星系外面有什么呢？当你凝视这张非凡的照片时，很明显在这些星系之间只有黑色。它是一个来自遥远星球光线的一个最终的分离点。然而，这些“黑色”实际上又是微波背景辐射。因此，对夜晚天空为什么是黑色的最终回答是：夜晚天空实际上根本不是黑的。（如果我们的眼睛能够或多或少看到微波辐射，不只是可见光，我们就会看到来自大爆炸的辐射充满夜空。在某种意义上，来自大爆炸的辐射出现在每晚的夜空。如果我们的眼睛能够看到微波，我们就会看到位于最远的星星之外的创世主。） 爱因斯坦的反叛 牛顿定律是如此地成功，以至科学花费了200多年的时间才进入下一个决定性的步骤，开始了阿尔伯特?爱因斯坦（Albert Einstein）的工作。 爱因斯坦开始他的事业时，似乎没有什么可能令他成为这样一次革命的候选人。他1900年毕业于瑞士苏黎世（Zurich）工学院，获得学士学位。毕业后他发现自己没有什么希望被雇佣。他的生涯被他的教授们破坏了，他们不喜欢这个常常旷课、不懂礼貌、过于自信的学生。他的恳求的、压抑的信可以说明他的痛苦程度。他把自己看成是一个失败和他双亲的一个痛苦的经济负担。他在一封令人痛苦的信中承认他甚至想结束自己的生命，他沮丧地写道：“我可怜的父母命运很惨，这么多年来没有一刻快乐过，这像一块沉重的石头压在我的心上……我只是我双亲的负担……也许我死了会更好一些。” 在绝望中，他想到转变职业，加入了保险公司。他甚至担任了教孩子这样的低级的工作，但是由于与老板的争吵被解雇了。当他的女朋友米列娃?马里克（Mileva Maric）意想不到地怀孕之后，他悲痛地认识到，由于他没有财力娶她，他们的孩子生下来将是私生子。（到现在也没有人知道他的私生女利泽劳尔〔Lieseral〕后来怎样了。）当他父亲突然去世时，他感到深深地悲痛，从此留下的感情的伤疤永远也没有完全恢复。他的父亲临死时还在想他的儿子是一个失败。 尽管1901年到1902年大概是爱因斯坦一生中最差的时期，他的同班同学马塞尔?格罗斯曼（Marcel Grossman）通过拉关系，为他在伯尔尼（Bern）的瑞士专利局找到一个可靠的低级职员的工作，挽救了他的生涯。 相对论的矛盾 从表面上看，专利局不大可能成为启动自牛顿以来物理学伟大革命的地方。但是专利局有它的优点。在迅速处理完堆在桌上的专利申请之后，爱因斯坦会靠在座椅的靠背上，回到他童年时的梦想。他年轻的时候读了一本亚伦?伯恩斯坦（Aaron Bernstein）的书，《自然科学的名人》（People’s Book on Natural Science）。他回忆道：“这本书我一口气将它读完。”伯恩斯坦（Bernstein）要读者想象，当电流跑过电报线时你在电流的旁边和它一起跑。爱因斯坦16岁时问自己一个简单的问题：如果你能赶上光线它会是什么样子？爱因斯坦回忆道：“这样一个从矛盾中得出的原理在我16岁时就偶然发现了：如果我以速度c（光在真空中的速度）追赶一束光线，我应当看到这束光线作为空间振荡的电磁场是静止的。然而，不管是根据经验还是根据麦克斯韦（Maxwell）方程,似乎不会有这样的事情发生。”爱因斯坦想：如果你能和光线一起跑，它看起来应是冻结的，像一个不运动的波。然而，以前没有人看到过冻结的光线，因此一定是有什么事情大错特错了。 在19世纪末20世纪初，物理学有两大支柱：牛顿力学理论和重力，以及麦克斯韦（Maxwell）的光的理论，万物都依赖这两个支柱。在19世纪60年代，苏格兰物理学家詹姆士?克拉克?麦克斯韦（James Clerk Maxwell）证明光是由彼此不断改变的振动的电场和磁场构成的。使爱因斯坦震惊的是，他发现这两个支柱是互相矛盾的，二者之一必须否定。 在麦克斯韦（Maxwell）方程的框架范围内，爱因斯坦找到了困扰他10年的难题的解答。爱因斯坦发现了麦克斯韦（Maxwell）本人忽略的一些地方，麦克斯韦（Maxwell）方程指出无论你试图以多快的速度追赶光线，光线都以固定的速度传播。光速c在所有惯性坐标框架（即匀速运动的框架）中都是相同的。不管你是站着不动、或是坐在火车上、或在飞速掠过的彗星上，你都会看到光线以同样的速度向你驶来。不管你跑得有多快，你绝不会超过光线的速度。 这立刻会产生一堆矛盾。你想象一下一个太空人追赶飞速行进的光线。太空人在他的火箭船中点火起飞，直到他与这束光线并肩前进。对于在地面上观看这个假想追赶的旁观者来说，他会说太空人和这束光线是肩并肩移动的。然而，太空人的说法则完全不同，他说这束光线飞速地离他而去，就好像他的火箭船静止不动一样。 爱因斯坦面临的问题是：同一件事，为什么两个人的说法完全不同呢？按照牛顿的理论,人们总有可能追上光线；而在爱因斯坦的世界中，这是不可能的。他忽然认识到，在物理学最基础的地方有一个基本的缺陷。在1905年的春天，爱因斯坦回忆道：“在我的大脑中刮起了一场暴风雪。”爱因斯坦在一闪念之间找到了答案：时间跳动的速率是不同的，取决于你运动得多快。事实上，你运动得越快，时间进展得越慢。时间不是像牛顿所想的那样是绝对的。根据牛顿，在整个宇宙中时间的节拍是均匀的，因此在地球上过了1秒，在木星和火星上也过了1秒，在整个宇宙中时钟的节拍是绝对同步的。然而，对爱因斯坦来说，在整个宇宙中时钟的节拍是不同的。 爱因斯坦认识到：如果时间的节拍可以依赖你的速度改变［1］，那么其他量，如长度、质量和能量也会改变。运动得越快，距离收缩得越多（有时叫做洛伦茨菲茨杰拉德〔LorentzFitzGerald〕收缩）。类似地，运动得越快，重量变得越重。（事实上，当你接近光速时，时间将减慢到停止，距离收缩到零，重量变得无限大，看起来荒谬可笑。这就是为什么不能突破光障的原因，光速是宇宙中的速度极限。） 一位诗人是这样描述这个奇怪的空间时间扭曲的： 有一个叫菲斯克（Fisk）的年轻小伙子 他的剑术非常敏捷。 他舞剑的速度是如此之快， 由于菲茨杰拉德（FitzGerald）收缩 他的细长的剑缩成了一个盘。 与牛顿的突破统一了地面上的物理学和天体物理学一样，爱因斯坦统一了空间和时间。他还指出物质和能量也是统一的，因此可以彼此转换。如果一个物体运动越快，它变得越重，这意味着运动的能量转换成了物质。反过来也是对的，物质也可以转换成能量。爱因斯坦计算出物质能转换成多少能量，他得出的计算公式是E＝mc2，即一小点质量当它转换成能量时要乘一个巨大的数字（光速的平方）。这样，照亮宇宙的星星的能源的秘密被揭示出来了，它是物质通过这个方程转换成能量的结果。星星的秘密可以从以下简单的陈述中得出：在所有惯性框架内光速是相同的。 和他之前的牛顿一样，爱因斯坦改变了我们生活舞台的世界观。在牛顿的世界中，所有的演员都精确地知道现在是什么时间和距离怎样测量。时间的节拍和舞台的尺度绝不会改变。但是相对论给我们一种奇异的方式来理解空间和时间。在爱因斯坦的宇宙中，所有的演员都有自己的手表，显示的时间不同。这意味着不可能同步舞台上所有的表。规定在中午排练对不同的演员意味着不同的时间。运动越快，手表的节拍越慢，演员变得越重越胖。 经过了好多年，爱因斯坦的见识才被科学界的大部分人所承认。但是爱因斯坦没有停步，他想把他的新的相对论应用到重力上。爱因斯坦认识到这会是多么困难，他将挑战他那个时代最成功的理论。量子论的奠基人马克斯?普朗克（Max Planck）提醒他：“作为一个老朋友，我必须再次劝告你，首先你不会成功，即便你成功了也没有人会相信你。” 爱因斯坦认识到：他的新的相对论违背了牛顿的重力理论。按照牛顿，重力在一瞬间传遍整个宇宙。但是这提出了一个甚至孩子有时也会问的问题：“如果太阳消失会发生什么？”对牛顿来说，整个宇宙会同时在瞬间看到太阳消失。但是根据狭义相对论，这是不可能的，因为星星的消失是受光速限制的。根据相对论，太阳忽然消失应会发出球面重力冲击波，以光的速度向外传播。在冲击波的外面，观察者会说太阳还在发光，因为重力还来不及到达他们。但是在冲击波之内，观察者会说太阳消失了。为了解决这个问题，爱因斯坦引进了面貌全非的空间和时间描绘。 弯曲空间的“力” 牛顿把空间和时间看做一个巨大的、空的舞台。在这个舞台上，一切事件按照他的运动定律发生。这个舞台充满奇迹和神秘，但基本上是惰性的和静止的，是一个被动的自然界活动的见证人。然而，爱因斯坦把这个想法掉了一个过儿。对爱因斯坦来说，舞台本身也成了生活的重要部分。在爱因斯坦的世界中，空间和时间不是牛顿所假定的静止的舞台，而是动态的，以奇怪的方式弯曲和曲线的。假定生活的舞台用一个蹦床来代替，演员在他的重量作用下会慢慢沉下去。在这样一个舞台上，我们看到舞台变得和演员一样重要。 想象一个放在床上的保龄球在床垫上慢慢沉下去。现在沿床垫的扭曲面弹一个弹子球。弹子球将沿围绕保龄球的曲线路径行进。对牛顿来说，从远距离观察弹子球绕保龄球运动的人可能会得出结论：保龄球作用在弹子球上有一个神秘的“力”。信仰牛顿力学的人可以说：保龄球对弹子球施加一个瞬间的“拉力”，迫使弹子球向心运动。 对相对论者来说，他可以从近距离观察床上弹子球的运动。显然根本没有力作用。只有床的弯曲迫使弹子球沿曲线运动。对相对论者来说，这里没有“拉力”，只有曲线床作用在弹子球上的“推力”。用地球代替弹子球，太阳代替保龄球，真空的空间时间代替床，我们看到地球绕太阳运动不是因为重力的拉力，而是因为太阳使地球周围的空间弯曲，产生推力迫使地球绕太阳运动。 第六节 这使爱因斯坦相信重力更像一块布，而不是在瞬间作用在整个宇宙中的看不见的力。如果人们快速抖动这块布，就会在它的表面上形成以有限速度传播的波。这就可以解决太阳消失的矛盾。如果重力是时空结构弯曲所产生的副产品，那么太阳的消失可以和从床上突然拿起保龄球相比。当床弹回到它原来的形状时，在床单上形成以有限速度传播的波。这样，通过将重力化简为空间和时间的弯曲，爱因斯坦将重力和相对论统一起来。 想象一个蚂蚁试图走过一张褶皱的纸片。当蚂蚁试图走过有褶皱的地形时，它将像一位喝醉酒的水手，左右摇晃。蚂蚁可能会抗议说，它没有喝醉，而是有一个神秘的力拽着它，一会儿把它拉向左边，一会儿又拉向右边。对蚂蚁来说，真空的空间充满了神秘的力，使它不能沿直线路径行走。然而，从近距离看蚂蚁，我们看到根本没有力在拉它，是褶皱纸片的褶皱在推它。作用在蚂蚁上的力是空间本身弯曲引起的幻觉。“拉力”实际上是它在纸的褶皱上行走时产生的“推力”。换句话说，不是重力在拉，而是空间在推。 1915年，爱因斯坦最终完成他所谓的广义相对论，从此广义相对论成为所有宇宙论的基石。在这个令人吃惊的新的描述中，重力不是充满宇宙的独立的力，而是空间时间这块布弯曲的表观效果。他的理论是如此地强大，以至他可以把它凝集在大约1英寸（254厘米）长的方程式里。在这个灿烂的新理论中，空间和时间弯曲的量由它所包含的物质和能量的量决定。想象往一个池塘扔一块石头，产生一系列发源于冲击点的波纹。石头越大，池塘表面的弯曲越大。类似地，星星越大，围绕星星的空间时间的弯曲也越大。 宇宙学的诞生 爱因斯坦试图用这个图片作为一个整体来描述宇宙。他不知道他不得不面对几个世纪以前本特利（Bentley）提出的问题。20世纪20年代的最好的天文学数据说明宇宙是均匀的和静态的。因此，爱因斯坦的出发点是假定宇宙均匀地充满了尘埃和星星。用一个模型打比方，宇宙好比一个大气球或气泡。我们住在气泡的表皮上，我们所看到的围绕我们的星星和星系可以比做涂在气球表面上的斑点。 使他奇怪的是，每当他试图解他的方程时，他发现宇宙变成动态的。爱因斯坦面对200多年前本特利（Bentley）提出的同一个问题。因为重力总是吸引的，不是排斥的，一个有限集合的星星将最终聚集到一起，形成大坍缩。然而，这与20世纪早年流行的宇宙是均匀的和静态的看法相矛盾。 作为像牛顿这样的革命者，他不能相信宇宙会在运动。像牛顿和很多其他人一样，爱因斯坦相信静态的宇宙。1917年，爱因斯坦在他的方程式中被迫引进一个新名词，“虚构系数”；在他的理论中引进一个将星星推开的新的力，“反重力”。爱因斯坦把它叫做“宇宙常数”，一个似乎是补充爱因斯坦理论的丑小鸭。然后，爱因斯坦专横地用这个反重力恰好抵消重力的吸引，产生一个静态的宇宙。换句话说，由于重力所产生的宇宙向内收缩和暗能量产生的向外的力相互抵消，宇宙成为静态的。（在70年间，这个“反重力”被认为有些像一个孤儿而没有人承认，直到最近几年有了新的发现情况才有所改变。） 1917年，荷兰物理学家威廉?德?西特尔（Willem de Sitter）给出爱因斯坦理论的另一个解答。在他的解答中，宇宙是无限的，但是完全没有物质。事实上宇宙仅由真空中所包含的能量，即宇宙常数构成。这个纯粹的反重力足以驱动宇宙快速地、以指数规律膨胀。即便没有物质，这个暗能量也能创造一个膨胀的宇宙。 物理学家现在面临进退两难的局面。爱因斯坦的宇宙有物质，但没有运动。德?西特尔（de Sitter）的宇宙有运动，但没有物质。在爱因斯坦的宇宙中，宇宙常数是必不可少的，它抵消重力的吸引创造一个静态的宇宙。在德?西特尔（de Sitter）的宇宙中，只要有宇宙常数就足以创造一个膨胀的宇宙。 最后，在1919年，那时欧洲正试图从第一次世界大战的废墟中走出来，有两队天文学家被派到世界各地检测爱因斯坦的新理论。爱因斯坦早就提出太阳所产生的空间时间弯曲足以使通过它附近的光线弯曲。光线应该以精确的可计算的方式围绕太阳弯曲，就像镜片使光线弯曲一样。但是因为太阳光线的亮度遮盖了白天的任何星星，科学家不得不等待日食进行精确的测量。 图3在1919年，两队测试组证实爱因斯坦预计从遥远星球来的光线通过太阳附近时会弯曲。这样，在太阳出现的时候，星星的位置看起来要偏离它的正常位置。这是因为太阳约束了它周围的空间时间。因此不是重力在“拉”，而是空间在“推”。 英国天文学家亚瑟?爱丁顿（Arthur Eddington）带领的一队航行到西非海岸几内亚湾的普林西比岛，记录在下一个日食期间光线绕太阳的弯曲。安德鲁?克罗姆林（Andrew Crommelin）带领的另一队航行到巴西北部的索布拉尔（Sobral）。他们得到的数据说明光线的平均偏离为179弧秒（1″≈〔1/3 600〕°），证实了爱因斯坦预计的174弧秒（在误差范围内）。换句话说，光线确实在太阳附近弯曲了。爱丁顿后来声称验证爱因斯坦的理论是他一生中最伟大的时刻。 1919年11月6日，在伦敦召开了皇家学会和皇家天文学会的联合会议。皇家学会主席和诺贝尔奖获得者JJ汤普森（JJThompson）庄严地宣告：“这是人类思想史中最伟大的成就之一。它不是发现了一个孤岛，而是发现了整个新科学思想的大陆。它是自牛顿阐明他的原理以来与地心引力相关的最伟大的发现。” （根据传说，后来一位记者问爱丁顿：“有谣传说整个世界只有三个人懂得爱因斯坦的理论。你必定是其中之一。”爱丁顿默默站着没有说话。于是这位记者说：“别谦虚了，爱丁顿先生。”爱丁顿耸耸肩膀说：“根本不是，我是在想谁可能是第三个人。”） 第二天，伦敦《时报》以显眼的大字标题登载道：“科学革命——宇宙新理论——牛顿的理论被推翻”。这个标题标志着一个重要时刻，它标志着爱因斯坦成为世界知名的人物，成为一位从星星来的使者。 此宣告是如此之伟大，爱因斯坦违背牛顿是如此之激进，于是引起了对抗性的反应，一些杰出的物理学家和天文学家公开指责这个理论。在哥伦比亚大学，查理?兰?普尔（Charles Lane Poor），一位天体力学教授领导了对相对论的批评，他说：“我感到我好像在和艾丽丝（Alice）一起漫游奇境，又好像在和麦德?哈特（Mad Hatter）一起喝茶。” 为什么相对论违背我们的常识，这不是因为相对论是错的，而是因为我们的常识不代表真实。我们是宇宙的怪儿。我们居住在宇宙中的一个不寻常的庄园里，在这里温度、密度和速度都很适中。然而，在“真正的宇宙”里，在星星的中心的温度可能是极其酷热，在外层空间又可以冷得使人麻木，亚原子粒子以接近于光速有规律地穿过太空。换句话说，我们的常识是在宇宙非常不寻常的地球的环境中孕育出来的，因此我们的常识不能领会真正的宇宙是不奇怪的。问题不在于相对论，而在于我们以为我们的常识代表真实。 宇宙的未来 尽管爱因斯坦的理论成功地解释了天文现象，如光线绕太阳的弯曲和水星轨道的轻微摆动，但它的宇宙学预测仍然是模糊不清的。俄罗斯的物理学家亚历山大?弗里德曼（Aleksandr Friendmann）很好地澄清了问题，他发现了爱因斯坦方程的最全面和最真实的解答。一直到今天，在广义相对论的每一个研究生教程都还在讲解这些内容。（弗里德曼是在1922年发现这些解答的，但他死于1925年，所以他的工作大部分被遗忘了，多年后才又被发现。） 通常，爱因斯坦理论包括一系列极其困难的方程，要用计算机才能解。然而，弗里德曼假定宇宙是动态的，并作了两个被称为宇宙原则的简化假定：宇宙是各向同性的（即从给定点无论向哪个方向看都是相同的），和宇宙是均匀的（即在宇宙中无论你走到哪儿都是均匀的）。 在这两个简化假定之下，这些方程被解出来了。（事实上，爱因斯坦和西特尔的解都是弗里德曼通解的特解。）最显著的是弗里德曼的解只取决于三个参数： 1．H，宇宙膨胀的速率。（今天，这个参数叫做哈勃常数〔Hubble’s constant〕，以实际测量宇宙膨胀的天文学家命名。） 2．Omega（奥米伽值，Ω），宇宙物质的平均密度。 3．Lambda（拉姆达值，λ），与真空的空间有关的能量，或暗能量。 很多宇宙学家花费毕生精力试图确定这三个参数的精确数值。这三个常数之间的微妙关系确定了整个宇宙将来的演化。例如，因为重力吸引，宇宙密度奥米伽值（Omega）起到刹车的作用以减慢宇宙膨胀，逆转大爆炸膨胀速率的某些影响。想象将一块石块扔向天空。通常，重力很强，足以逆转石块的运动方向，使它跌回到地面。然而，如果将石块扔出的速度特别快，它就能逃出地球的重力，永远遨游到外层空间。像这块石块一样，宇宙最初因为大爆炸而膨胀，但是物质，或奥米伽值，其作用类似刹车，减慢宇宙的膨胀，就好像地球重力对石块的刹车作用一样。 我们暂且假定与真空的空间有关的能量拉姆达值（Lambda）等于零。让宇宙密度奥米伽值被宇宙临界密度除。（宇宙的临界密度大约为每立方米10个氢原子，相当于平均在3个篮球大的体积里发现1个氢原子，可想宇宙有多么真空。） 如果奥米伽值（Omega）小于1，科学家得出结论：宇宙中没有足够的物质逆转大爆炸产生的原始膨胀。（好比将石块扔到空中，如果地球的质量不够大，石块将最终离开地球。）结果宇宙将永远膨胀，陷入大冻结状态，直到温度接近绝对零度。（这个原理和电冰箱或空调制冷一样，当气体膨胀时变冷。比如，在你的空调中，在管中循环的气体膨胀将使管和房间冷却。）［2］ 如果奥米伽值大于1，宇宙物质充分，宇宙重力最终将逆转宇宙膨胀。结果，宇宙膨胀将停止，然后收缩。（好比扔向天空的石块，如果地球的质量太大，石块将最终达到一个最大高度，然后跌落到地面。）当星星和星系跑到一起时温度开始上升。（给自行车胎打过气的人都知道气体压缩产生热。压缩空气所做的机械功转化成热能。同样，宇宙压缩将重力能转化成热能。）最终，温度将变得如此之高，一切生命都将灭绝，因为宇宙陷入了一片火海。（天文学家肯?克罗斯威尔〔Ken Croswell〕把这个过程说成是“从创世到火葬”。） 图4宇宙的演变有三种可能的历史。如果奥米伽值小于1（和拉姆达值是0），宇宙将永远膨胀，形成大冻结。如果奥米伽值大于1，宇宙将收缩，形成一片火海。如果奥米伽值等于1，宇宙将永远膨胀。（WMAP卫星数据显示奥米伽值+拉姆达值等于1，这意味着宇宙是平的。这和膨胀理论是一致的）。 第七节 第三种可能是奥米伽值精确地停留在1。换句话说，宇宙密度等于临界密度。在这种情况下，宇宙盘旋在两个极端之间，但仍将永远膨胀。（我们将看到，膨胀的图片支持这种情景。） 最后，有这种可能，宇宙在变成一片火海之后又重新出现新的大爆炸。这个理论叫做振荡宇宙理论。 弗里德曼指出每一种情景又确定了空间-时间的曲率。如果奥米伽值小于1，宇宙将永远膨胀。他指出宇宙不仅时间是无限的，空间也是无限的。宇宙被说成是“开放”的，即空间和时间都是无限的。当他计算这个宇宙的曲率时他发现是负的。（好像一个马鞍或喇叭的表面。如果一个小虫停留在这个表面上，它会发现平行线决不相交，三角形内角和小于180度。） 如果奥米伽值大于1，宇宙将最终收缩形成一片火海。时间和空间是有限的。弗里德曼发现这个宇宙的曲率是正的，像一个球面。最后，如果奥米伽值等于1，则空间是平的，时间和空间是无界的。 图5如果奥米伽值小于1（和拉姆达值是0），宇宙是开放的，曲率为负，像一个马鞍面；平行线决不 相交，三角形内角和小于180度。 图6如果奥米伽值大于1，宇宙将封闭，曲率为正，像一个球面；平行线总会相交，三角形内角和大于180度。 弗里德曼不仅提供了了解爱因斯坦宇宙方程的第一个综合处理的方法，他还给出有关世界末日，即宇宙最终命运的最现实的推测。宇宙要么死于大冻结，要么在一片火海中火葬，要么永远振荡。答案取决于关键参数：宇宙的密度和真空的能量。 但是弗里德曼的描述留下了缺陷。如果宇宙是膨胀的，这意味着它曾经有开始。爱因斯坦的理论没有涉及这个开始的时刻。大爆炸创世开始的那个时刻被忽略了。后来有三位科学家最终给了我们有关大爆炸的最引人注目的描述。 第3章大爆炸 宇宙不仅比我们猜想的要奇怪，它还比我们能够猜想的要奇怪得多。 ——JBS藿尔丹（JBSHaldane） 人类在创世故事中所要寻找的是展现在我们面前的超然的宇宙是怎么产生的，在宇宙间我们自己又是怎样形成的。这就是我们想知道的。这就是我们所要寻求的。 ——约瑟夫?坎贝尔（Joseph Campbell） 1995年3月6日《时报》杂志的封面刊登了大螺旋星系M100的照片，并声称：“宇宙学处在混沌中。”宇宙学陷入了泥潭，因为从哈勃空间望远镜得到的最新数据似乎说明：宇宙比它最老的星还要年轻，在科学上这是不可能的。数据表明宇宙的年龄在80亿到120亿年之间，而有人相信最老的星的年龄为140亿年。亚利桑那大学的克里斯多佛?英庇（Christopher Impey）嘲弄地说：“你不可能比你妈妈还老。” 但是一旦你看过这张精美的照片后，你就会认识到大爆炸的理论是完全有根据的。反驳大爆炸的证据只是根据对单个星系M100的观测，由此就得出结论在科学上是不可靠的。正如文章所承认的，问题是“驱动恒星飞船通过的瞭望孔太大了”，根据哈勃空间望远镜的粗略数据所计算的宇宙年龄的精度不会超过10%～20%。 我的看法是，大爆炸理论不是根据思索，而是根据几百个从不同来源得出的数据，这些数据会聚到一起，全都支持这个单一的、自圆其说的理论。（在科学上，不是所有产生的理论都是同等的。尽管任何人都可以不受限制地提出他自己的有关宇宙起源的观点，但是要求它能够解释我们收集的与大爆炸理论一致的几百个数据。） 大爆炸理论的三个重要“证据”是根据三位传奇科学家的工作得出的，他们在各自的领域里都是领军人物，他们是：埃德温?哈勃、乔治?伽莫夫和弗雷德?霍伊尔。 埃德温?哈勃，贵族天文学家 当爱因斯坦奠定宇宙学的理论基础时，现代观察宇宙学几乎是由现代天文学最伟大的人物一手创造的，他是埃德温?哈勃，20世纪最重要的天文学家。 哈勃1889年生于密苏里州马什菲尔德（Marshfield）偏僻的森林地带。他是一个谦虚的有着远大志愿的乡村小孩。他的父亲是一位律师和保险代理人，要他学法律。然而，哈勃被儒勒?凡尔纳的书迷住了，被星星迷惑了。他狼吞虎咽地阅读科幻经典，如《海底两万里》（Twenty Thousand Leagues Under the Sea）和《从地球到月亮》（From the Earth to the Moon）。他也是一名熟练的拳击手，他的教练要他成为职业拳击手挑战世界重量级拳王杰克?约翰逊（Jack Johnson）。 他获得声望很高的罗德（Rhode）奖学金到牛津大学学法律。在这里他学会了英国上流社会的生活方式。（他的举止开始像一位牛津先生，穿斜纹软呢服、抽烟斗、说话时带很重的英国口音、谈论他的因决斗留下的伤疤，据谣传这个伤疤是他自己造成的。） 然而，哈勃是不愉快的。真正吸引他的不是民事侵权行为和诉讼，抓住他的想象的是从童年就开始的对星星的着迷。他勇敢地转换了学历，前往芝加哥和威尔逊山天文台，它有当时世界上最大的望远镜，镜面直径100英寸（254米）。由于他开始学习天文学太晚，他不得不抓紧努力。为了弥补失去的时间，哈勃迅速地从回答天文学中最深远的、一直没有解答的问题开始。 20世纪20年代，大学是一个舒适的地方。人们都认为整个宇宙仅由银河系构成，它的细长的模糊的光像泼出的牛奶划过夜晚的天空。（事实上，银河这个词就是从希腊语“牛奶”来的。）1920年在哈佛大学天文学家哈洛?沙普莱（Harlow Shapley）和利克（Lick）天文台的赫伯?柯蒂斯（Heber Curtis）之间爆发了一场著名的“大争论”，题目是“宇宙的形状”，涉及银河系的大小和宇宙问题。沙普莱（Shapley）认为银河系构成整个可见宇宙。柯蒂斯（Curtis）认为在银河系之外有“螺旋星系”，看上去虽然奇怪，但是确实有一片美丽的成卷的螺旋薄雾。（早在18世纪，哲学家伊曼纽尔?康德〔Immanuel Kant〕就推测这些螺旋薄雾是“宇宙岛”。） 这个争论引起哈勃的极大兴趣。关键问题是：确定到星星的距离是天文学众多任务中最困难的一个。一颗很亮但距离很远的星看起来和一颗很暗但距离很近的星一样亮。这个混乱是天文学中许多争执和辩论之源。哈勃需要一根“标准的烛光”，一个在宇宙任何地方都发出同样光量的客体来解决这个问题。（实际上，一直到今天,宇宙学家的大部分努力在于试图找到和标定这样一个标准的烛光。）如果人们有了在宇宙各处以同样强度的均匀燃烧的标准蜡烛，那么一颗星星离开地球的距离为原来的2倍，它的亮度就会比原来暗4倍。 一天晚上，哈勃分析螺旋星系仙女座（Andromeda）的照片，他忽然发现自己“找到了答案”。他在仙女座（Andromeda）星系中发现一颗变星，叫做造父变星（Cepheid），亨丽埃塔?列维特（Henrietta Levitt）曾对它进行了仔细的分类。已经知道，这颗星随着时间规则地变亮和变暗，一个完整周期的时间与它的亮度有关。星星越亮，脉动的周期越长。因此只要测量周期的长度，就可以标定它的亮度，从而确定它的距离。哈勃发现它的周期是314天，使他惊奇的是，转换成距离后为100万光年，远远超出银河系之外。（银河系的范围只有10万光年。后来的计算表明哈勃实际低估了到仙女座〔Andromeda〕的距离，实际距离接近200万光年之遥。） 当他对其他螺旋星系进行类似观测时，他发现它们也远远超出银河系范围。换句话说，对他来说这些螺旋星系是一个完全有自身头衔的宇宙岛。银河系只是太空星系中的一个星系。 宇宙的尺寸一下子变得非常之大。宇宙突然从单一的星系，成为住有几百万星系，或许几十亿姐妹星系的地方。宇宙从只有10万光年之遥，突然拥抱了几百万星系，范围有几十亿光年之遥。 这一个发现就足以保证哈勃在天文学的殿堂上占有一席之地。但是哈勃超越了这一发现。哈勃不仅决心发现到星系的距离，他还想计算这些星系移动的速度。 多普勒效应和膨胀的宇宙 哈勃知道计算远处物体速度的最简单的方法是分析它们发出的声音或光线的变化，或者叫做多普勒效应（Doppler effect)。汽车在高速公路上行驶时发出声音。警察利用多普勒效应计算汽车的速度。警察将一束激光打在汽车上，激光束返回到警察的汽车上。分析激光频率的移动就可以计算这辆汽车的速度。 例如，一颗星星向你靠近，它发出的光将像手风琴一样压缩。结果它的波长变短。一颗黄色的星看上去有些发蓝（因为蓝光比黄光波长短）。同样，如果一颗星星离你而去，它的光波将伸展，波长变长，黄色的光看上去有些发红。星星的速度越快，变化就越大。因此，如果知道光线频率的移动，就能确定它的速度。 1912年，天文学家维斯托?斯莱弗（Vesto Slipher）发现这些星系以极大的速度离地球而去。不仅宇宙比原来想的要大得多，而且还以极大的速度在膨胀。除去一些小的波动，他发现这些星系呈现红色偏移，而不是蓝色偏移，这是由星系离我们而去引起的。斯莱弗的发现说明宇宙的确是动态的，不是像牛顿和爱因斯坦假定的静态的。 在所有的世纪以来，科学家研究了本特利（Bentley）和奥尔贝斯（Olbers）的悖论，但没有一个人认真考虑过宇宙膨胀的可能性。1928年，哈勃作了一次重要的旅行，去荷兰会见威廉?德?西特尔（Willem de Sitter）。吸引哈勃的是，西特尔（Sitter）预计星星离得越远，它应当移动得越快。想象一个膨胀的气球在它的表面标上星系。当气球膨胀时，彼此靠近的星系将缓慢地分开。但是在气球上离得较远的星系分开得更快。 德?西特尔（de Sitter）催促哈勃在他的数据中寻找这个效应，这个效应可以通过分析星系的红光偏移来证实。星系的红光偏移越大，它离开得越快，因此离得也越远。（根据爱因斯坦的理论，星系的红光偏移从技术上讲不是由星系飞速地离开地球而去引起的，而是由星系与地球之间的空间膨胀引起的。红色偏移的起因是：从遥远星系发出的光被空间的膨胀伸展或加长了，因此看上去变红。） 哈勃定律 哈勃回到加利福尼亚后，他听从西特尔（Sitter）的建议开始寻找这个效应的证据。他分析了24个星系,发现星系越远离开地球它的速度越快，正如爱因斯坦方程预计的那样。距离除以速度之比大约为一个常数。这个常数很快被叫做哈勃常数，或H。这个常数大概是宇宙学中最重要的常数，因为哈勃常数（Hubble’s constant）告诉我们宇宙膨胀的速率。 科学家在想，如果宇宙在膨胀，那么也许它也有一个开始。事实上，哈勃常数的倒数给出宇宙年龄的粗略估计。想象一个记录爆炸的录像带。在录像带中我们看到爆炸现场留下的残骸，并能计算爆炸的速度。但是这也意味着我们可以倒退磁带，直到所有残骸集中到一个点。因为我们知道爆炸的速度，我们可以反过来工作，计算爆炸发生的时间。 第八节 （哈勃的原始估计将宇宙的年龄确定为大约18亿年，这使几代宇宙学家感到头疼，因为它比公认的地球和星星的年龄年轻。后来，天文学家认识到是尘云使从仙女座〔Andromeda〕的造父变星〔Cepheid〕来的光线变暗，造成哈勃常数计算不正确。事实上，在过去70年间，有关哈勃常数精确值的“哈勃之战”一直在进行。最权威的数字今天从WMAP卫星得出。） 1931年，爱因斯坦扬扬得意地访问了威尔逊山天文台，第一次会见了哈勃。爱因斯坦认识到宇宙的确在膨胀，他将宇宙常数称为他的“最大的失误”。（然而，正如我们在后面章节讨论WMAP卫星数据时将看到的，即使是爱因斯坦的一个小错也足以动摇宇宙学的基础。）当爱因斯坦的夫人在巨大的天文台周围炫耀自己时，有人告诉她，这个巨大的望远镜正在确定宇宙的最终形状，爱因斯坦夫人不屑一顾地说：“我丈夫在一个旧信封的背面已经确定了宇宙的形状。” 大爆炸 一位名叫乔治?勒迈特尔（Georges Lematre）的比利时牧师学习了爱因斯坦的理论后，被爱因斯坦理论逻辑上会导致宇宙膨胀，因此宇宙有一个开始的想法迷住了。因为气体压缩时会变热，他认识到宇宙在开始时一定是非常的热。在1927年，他说：宇宙一定是起始于一个温度和密度都不可想象的“超原子”，它突然向外爆炸产生了哈勃的膨胀宇宙。他写道：“世界的演化可以与刚刚放完的烟火相比：留下少许红丝、灰尘和烟雾。我们站在已冷却的灰烬上看着太阳在慢慢衰退，我们设法回想已消失的原始世界的光辉。” （第一个提出在创世之初超原子想法的人也是埃德加?爱伦?坡〔Edgar Allen Poe〕。他说因为一种物质吸引其他形式的物质，所以在创世之初一定有宇宙原子浓缩发生。） 也许勒迈特尔（Lematre）愿意参加物理学会议，纠缠其他科学家要他们接受他的想法。也许这些科学家会心情愉快地听他讲话，但随后将默默地从心中摒弃他的想法。亚瑟?爱丁顿（Arthur Eddington）是他那个时代的最重要的物理学家，他说：“我作为一位科学家，我完全不能相信目前万物的次序是从大爆炸开始的……大自然目前的状况和次序是突然开始的想法是我不能接受的。” 但是，多年之后，他不再固执地坚持他的看法。一位科学家要想成为大爆炸理论的最重要的代言人和推广者，就必须最终提供该理论的最令人信服的证据。 乔治?伽莫夫，宇宙小丑 尽管哈勃是一位宇宙学的老于世故的大科学家，然而还有另一位传奇式人物乔治?伽莫夫（George Gamow）继续了他的工作。伽莫夫在很多方面与哈勃相反：一个爱讲笑话的人、一位漫画家、以恶作剧著称和20本有关科学图书的作者，很多书是为年轻的成年人写的。他的有趣的、见识广博的、有关物理和宇宙的书孕育了几代科学家，包括我在内。在相对论和量子论使科学和社会发生变革时，他的书独树一帜：这些书是十几岁的孩子能够得到的可靠的有关尖端科学的书。 缺乏思想，只满足于处理成堆数据的科学家为数不多，但伽莫夫是他那个时代创造性的天才，一位博学多才能迅速迸发出思想的火花，能改变核物理、宇宙学，甚至DNA研究进程的人。 詹姆士?沃森（James Watson）的自传的题目叫做“基因、伽莫夫和女孩”大概不是偶然的。沃森（Watson）和弗朗西斯?克里克（Francis Crick）一起揭示了DNA分子的秘密。正如他的同事爱德华?特勒（Edward Teller）回忆的：“伽莫夫的理论百分之九十是错的，他也容易承认它们是错的。但他并不在意。他是那些不为他的任何发明而感到特别骄傲的人之一。他会抛出他的最新思想，然后把它当成一个笑话。”但是剩下的百分之十的他的思想则会改变整个科学的面貌。 伽莫夫1904年生于俄罗斯的敖德萨（Odessa），那时俄罗斯处在早期的社会剧变中。他回忆道：“当敖德萨（Odessa）被某个敌人军舰轰炸时，当希腊、法国或英国远征军插上刺刀沿城市主要街道进攻传统的白色、红色甚或绿色俄罗斯军队时，当不同颜色的俄罗斯军队互相残杀的时候，学校常常停课。” 有一次他去教堂，礼拜后偷偷拿回家一些教堂的面包。他在显微镜下看，他看不到代表耶稣基督肉体的教堂面包和普通的面包有什么区别。他说：“我想，是这个实验使我后来成为科学家。”这一次去教堂成了他早期生活的转折点。 他就读于列宁格勒大学，在物理学家亚历山大?弗里德曼指导下学习。后来，在哥本哈根大学他遇见了很多物理学的巨人，如尼尔斯?玻尔。（1932年，伽莫夫和他的妻子试图乘从克里米亚到土耳其的木筏逃离苏联，但没有成功。后来，他在布鲁塞尔参加物理学会议，成功地逃离。） 伽莫夫以给他的朋友发出五行打油诗著称。大多数是不刊印的，但是有一篇五行打油诗抓住了宇宙学家在面对巨大的天文数字和无限的星星时所感到的忧虑： 有一位从特里尼蒂（Trinity）来的年轻小伙子 他取无穷大的平方根 但位数之大 使他害怕； 他丢下数学去从事神学。 20世纪20年代，他在俄罗斯解决了为什么可能发生放射性衰变的秘密，从而首次获得成功。由于居里夫人和其他人的工作，科学家知道铀原子是不稳定的，以阿尔法射线（氦原子的核子）的形式发出辐射。但是根据牛顿力学，将核子聚在一起的神秘的核力应该是阻止这种泄露的障碍。那是怎么发生的呢？ 伽莫夫，还有RW格尼（RWGurney）和EU康登（EUCondon）认识到放射性衰变是可能的，因为量子理论的测不准原理意味着绝不能精确地知道一个粒子的精确位置和速度，因此有微小的可能性，这些粒子会穿过“隧道”、跨过障碍。（今天，这个隧道思想是所有物理学的中心，用来解释电子设备、黑洞和大爆炸本身的性质，宇宙本身也许是通过隧道产生的。） 通过类比，伽莫夫想象一个囚犯被囚禁在巨大的监狱墙壁的包围之中。按常理，在经典的牛顿的世界里逃跑是没有可能的。但是在量子世界的奇怪的世界里，你不能精确地知道他的位置和速度。如果囚犯不停地撞墙，你可以计算出有一天他会穿过墙壁，直接违背了常识和牛顿力学。计算得出囚犯有跑到监狱墙壁之外的一个有限的可能性，你有可能在监狱大门之外发现他。对于囚犯这样的大物体，你等待的时间比宇宙的寿命还要长，奇迹才能发生。但是对于阿尔法粒子和亚原子粒子，这种情况就会经常发生，因为这些粒子以巨大的能量反复地冲击核子的墙壁。很多人感到：应该给这个极其重要的工作发诺贝尔奖。 20世纪40年代，伽莫夫的兴趣从相对论转向宇宙学，他把它看成是富有的未被发现的乡村。在那个时候，人们所知道的有关宇宙的一切是：天空是黑的，宇宙在膨胀。伽莫夫被一个单一的想法所指引：找到任何证据或“化石”证明几十亿年前发生了大爆炸。这是一个非常棘手的问题，因为宇宙学在真正的意义上不是一门“实验科学”。人们不可能对大爆炸进行任何实验。宇宙学更像一个侦探故事，一门观察科学，你在犯罪现场寻找“蛛丝马迹”或证据，而不是一门能够进行精确试验的实验科学。 宇宙的核厨房 伽莫夫对科学的第二个伟大贡献，是他发现了产生我们在宇宙中看到的最轻元素的核反应。他喜欢把它叫做“史前的宇宙厨房”，原来宇宙的所有元素都是在大爆炸的高温下烹饪出来的。今天，这个过程叫做“核合成”，即计算宇宙中元素的相对富裕程度。他的想法是：有一个完整的链，从氢原子开始，然后只要不断向氢原子加入更多的粒子，就能产生链中的其他元素。他相信：整个门捷列夫周期表中的化学元素都能从大爆炸的高温中创造出来。 伽莫夫和他的学生分析，在创世之初，宇宙是一个非常高温的中子和核子的集合，然后大概熔合发生了，氢原子熔合在一起形成氦原子。正如一枚原子弹或一颗星星，温度是如此之高，结果氢原子的中子互相碰撞直至熔合，产生氦核。然后氢与氦发生碰撞，按照同样的过程产生下一组元素，包括锂和铍。伽莫夫认为，将更多更多的亚原子粒子加入到核中可以产生更重的元素。换句话说，所有构成可见宇宙的100多种元素都可以在原始火球的高温中烹调出来。 按照通常的方式，伽莫夫制订这个雄心勃勃的计划的总体框架，让他的博士生拉尔夫?阿尔法（Ralph Alpher）补充细节。当这篇文章完成时，他禁不住开了一个玩笑。他未经物理学家汉斯?贝蒂（Hans Bethe）的许可，就把他（贝蒂）的名字写上，于是这篇文章就成了著名的“阿尔法贝塔伽马”论文（alphabetagamma paper）。 伽莫夫发现的是，大爆炸的温度的确很高，足以产生氦，它构成宇宙质量的25%，数量巨大。反过来工作，我们看到今天很多的星星和星系是由大约75%的氢、25%的氦和少量微量元素构成的，这可以作为大爆炸的一个“证据”。（按照普林斯顿大学的天文学家大卫?施佩格尔〔David Spergel〕的说法:“每当你买一个气球，你就得到大爆炸头几分钟产生的原子。”） 然而，伽莫夫通过计算也发现了问题。他的理论对非常轻的元素工作很好。但是，有5个和8个核子与中子的元素极不稳定，因此不能作为“桥梁”产生有更多中子和核子的元素。因为我们的宇宙是由重元素构成的，它们的中子和核子数比5和8要多得多，这就成了一个宇宙之谜。伽莫夫不能将他的理论扩大到超出5个粒子和8个粒子的范围成了一个多年来的棘手的问题，这就注定了他的宇宙中的所有元素都是在大爆炸时产生的说法不能成立。 微波背景辐射 在同一时间，另外一个想法吸引了他。如果大爆炸的温度是难以置信的高，也许今天它辐射的热仍在宇宙中回旋。如果是这样，它就给出大爆炸本身的“化石记录”。也许大爆炸是如此之巨大，以至它的余震仍然以均匀的放射性烟雾充满宇宙。 伽莫夫在1946年提出一个假定：大爆炸有一个超热的中子核。这是一个合理的假定，因为除了电子、质子和中子以外，关于亚原子粒子我们知道的很少。如果他能估计这个中子球的温度，他就能计算它发出的辐射的量和性质。两年后，伽莫夫指出这个超热核心发出的辐射的作用好像“黑体辐射（black body radiation）”。这是由高温物体发出的非常特殊类型的辐射。它吸收所有碰到它的光，以特有的方式发出辐射。例如，太阳、熔岩、火中的热煤、烤炉中的热陶瓷，都发出黄红的光和发射黑体辐射。（黑体辐射是1792年由著名的陶瓷制造家托马斯?韦奇伍德〔Thomas Wedgwood〕首先发现的。他注意到炉中烘焙的原材料，当温度升高时颜色从红变成黄，再变成白。） 第九节 这是非常重要的，因为一旦知道了热体的颜色，就可以大约知道它的温度，反过来也一样。马克斯?奥兰克（Max Olanck）在1900年首次得出联系热体温度和它发出的辐射之间的精确公式，这导致了量子理论的诞生。（事实上，这是科学家确定太阳温度的方法。太阳主要辐射黄色光，相应于大约6 000 K的黑体温度。这样我们就知道了太阳外层大气的温度。类似地，猎户星座中的一等星红巨星参宿四〔Betelgeuse〕表面温度为3 000 K，此黑体温度相当于红色，一块烧红的煤也发出这种颜色的光。） 伽莫夫在1948年发表的文章首次提出大爆炸的辐射也许有特殊的特性，即黑体辐射。黑体辐射最重要的特点是它的温度。下一步，伽莫夫必须计算此黑体辐射的当前温度。 伽莫夫的博士生拉尔夫?阿尔法（Ralph Alpher）和另一名学生罗伯特?赫尔曼（Robert Herman）试图完成伽莫夫的温度计算工作。伽莫夫写道：“从宇宙早期外推到现在，我们发现在过去的无数年代中，宇宙已经冷到了大约绝对零度以上5度。” 1948年，阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）发表了一篇文章，给出大爆炸余晖今天的温度在绝对零度以上5度的详细讨论（他们的估计显著地接近现在所知道的正确温度，绝对零度以上27度）。他们确定这种辐射在微波范围内，它今天应当仍然在环绕宇宙回旋，以均匀的余晖充满宇宙。 （分析如下：在大爆炸以后的年代里，宇宙的温度是如此之高，每当一个原子形成时，它就会被强大的、随机的与其他亚原子的碰撞撕开。这样，宇宙是不透明的。在这个超热宇宙中传播的光线在跑过一段短距离后就被吸收。因此宇宙看上去是一片云雾。然而，在380 000年之后，温度降到3 000度〔K〕。低于这个温度，原子不再被碰撞撕开。结果稳定的原子可以形成，光线可以传播若干光年而不被吸收。这样，空间开始变得透明了。这个辐射不再在它产生以后就被吸收，而是今天仍在环绕宇宙回旋。） 当阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）向伽莫夫说明他们最终计算出的宇宙的温度时，伽莫夫失望了。这个温度太低了，测量这个温度将会极其困难。经过一年的时间，伽莫夫才最终同意他们计算的细节是正确的。但是他对能够测量这样微弱的辐射场感到绝望。回到20世纪40年代，没有可用的仪器测量这样微弱的回响。（在后来的计算中，伽莫夫利用不正确的假定将辐射的温度提高到50度〔K〕。） 他们举办一系列讲座发表他们的工作。但不幸的是，他们的预言结果被忽略了。阿尔法（Alpher）说：“我们花费了许多精力讲解我们的工作。没有人在意，没有人说它可能测量，从1948年到1955年一直这样，我们最后放弃了。” 伽莫夫大无畏地出版书、发表演讲，成为第一位推出大爆炸理论的人。但是他也碰到了他的对手的激烈反对。当伽莫夫用他顽皮的笑话和妙语迷住他的听众时，他的对手则用他的智慧和敢做敢为的勇气吸引听众。 弗雷德?霍伊尔，反对者 微波背景辐射给了我们大爆炸的“第二个证据”。但是弗雷德?霍伊尔（Fred Hoyle）坚决反对通过核合成提供的大爆炸的第三个重要证据。他几乎用了他毕生的精力试图驳斥大爆炸理论。 霍伊尔（Hoyle）是一位学术怪人的化身，一位有才气的反对派，好斗，敢于挑战常规的至理名言。哈勃喜欢效仿牛津先生的怪癖，显得雍容华贵；伽莫夫则喜欢讲笑话、博学，能够用他的妙语、五行打油诗和恶作剧让他的听众眼花缭乱；而霍伊尔则看上去很奇怪，在剑桥大学古老的大厅里显得不合时宜，纯粹是一个艾萨克?牛顿的鬼魂。 霍伊尔（Hoyle）1915年生于英国北部一个以羊毛工业为主的地区，是一个小纺织商的儿子。霍伊尔小时候喜欢科学，那时候收音机刚刚进村。他回忆到：20到30个人急切地在他们的房间里装上无线电接收机。后来，他的父母作为礼物给了他一架望远镜，这成了他生活的转折点。 霍伊尔的好斗性格从童年就开始了。在3岁时他就掌握了乘法表，然后他的老师要他学罗马数字。他轻蔑地回忆道：“有哪个孩子会这么愚蠢不写8，而写 Ⅷ 呢？”当有人告诉他法律要求他进学校时，他写道：“我很不愉快地得出结论，我生来就要进入一个叫做‘法律’的怪物主宰的世界，它既强大又愚蠢。” 有一次，他和另一位教师发生争吵就更加强了他对权威的蔑视。一位女教师在班上对学生说：一种特别的花有5个花瓣。为了证明教师错了，他将有6个花瓣的花搬进教室。对这种放肆无礼的反抗行为，这位女老师狠狠地在他的左耳处打了一个耳光。（霍伊尔的左耳后来变聋了。） 稳恒态理论 在20世纪40年代，霍伊尔不迷恋大爆炸理论。这个理论的一个过失是哈勃没有考虑星光被尘云遮盖降低了亮度，因此错误计算宇宙的年龄为18亿年。地质学者声称地球和太阳系的年龄大约为几十亿年。宇宙的年龄怎么能比它的行星年轻呢？ 霍伊尔和他的同事托马斯?戈尔德（Thomas Gold）和赫尔曼?邦迪（Hermann Bondi）一起开始建立与此相反的理论。据说他们的稳恒态理论（steady state theory）是受到1945年由迈克尔?雷德格雷夫（Michael Redgrave）主演的叫做《夜晚的死者》（Dead of Night）这部鬼片所启发的。这部影片由一系列鬼的故事组成，但是在影片的结尾有一个难忘的转折：影片的结尾就像开始一样。因此这部影片是循环的，无止无尽。这部影片启发他们三人提出一个宇宙也是无始无终的理论。（戈尔德〔Gold〕后来澄清了这个传说。他回忆道：“我想我们几个月前看了那部影片，后来我提出稳恒态理论，我对他们说：‘是不是有点像夜晚的死者呀？’”） 在这个模型中，宇宙的各个部分事实上在膨胀，但是新的物质不断地从无产生，因此宇宙的密度保持不变。尽管这个模型不能给出物质怎样神秘地从无到有的详细描述，然而，这个理论立刻吸引了一群反对大爆炸理论的忠实支持者。对霍伊尔来说，在某个地方发生火灾，从而将星系以飞快的速度送往各个方向的说法是不合逻辑的。他倾向于物质是从无中慢慢地创造出来的。换句话说，宇宙是永恒的，是无始无终的。 （稳恒态理论和大爆炸理论之争，就像地质学和其他科学之争一样。在地质学中，有持久的均变论和灾变论之争。〔均变论认为地球是在过去逐渐变化中形成的，灾变论认为变化是通过剧烈的事件发生的。〕尽管均变论解释了很多地球地质的和生态的特点，但没有人否定彗星和流星曾经对生物的大量灭绝产生过影响，以及由于构造漂移所产生的大陆破碎和移动的影响。） BBC讲演 霍伊尔绝不回避论战。1949年，BBC广播公司邀请霍伊尔和伽莫夫就宇宙起源问题进行辩论。在BBC广播期间他猛烈攻击对方的理论，做了影响历史进程的大事。他击中要害地说：“这些理论（指伽莫夫的理论）是根据宇宙的所有物质都是在遥远过去一个特定的时间在一次大爆炸中产生出来的。”这个理论现在被它的最大的反对者正式命名为“大爆炸”。（霍伊尔后来声称，他不打算贬低它。他承认说：“我找不到办法创造一个短语来贬低它，我创造这个短语是为了吸引人。”） （多年以来，大爆炸的支持者极力想改变这个名字。他们不满意这个名字，嫌这个名字太普通，含义粗俗，而且是由它的最大的反对者杜撰的。纯化论者尤其不满意，因为事实上它是不正确的。第一，大爆炸不大，它是从比原子小得多的某种类型的微小奇异性中产生的。第二，没有爆炸声，因为在外层空间没有空气。1993年8月，《天空和望远镜》杂志发起一次重新命名大爆炸理论的竞赛。此竞赛得到13 000个题目，但是裁判找不到比原来更好的叫法。） 确定霍伊尔在整整一代人中的名望的，是他的著名的有关科学的BBC系列讲座。20世纪50年代，BBC计划在每星期六晚举办科学讲座。原来邀请的客人取消了，BBC制作人被迫找人代替。他们与霍伊尔联系，他同意上场。然后，他们校核他的文件，看到一个便条上说：“不要用这个人。” 幸亏他们没有理睬前一制作人的可怕的警告，他向世界作了5次迷人的讲座。这些经典的BBC广播令国人着迷，特别启发了下一代天文学家。天文学家华莱士?萨金特（Wallace Sargent）回忆这些广播对他产生的影响：“当我15岁的时候，我听了弗雷德?霍伊尔在BBC举办的题目为‘宇宙的本性’的讲座［3］。我们能知道太阳中心的温度和密度这个想法着实让我吃惊。在15岁的年纪，这些事情似乎是超出了知识的范围。不只是数字惊人，我们能知道它也让人不可思议。” 星星中的核合成 霍伊尔不愿意坐在扶手椅上空想，开始行动测试他的稳恒定状态理论。他认为宇宙元素不是像伽莫夫所相信的那样是在大爆炸中烹调出来的，而是在星星的中心产生的。如果100多种化学元素是由星星的高温产生的，那么就根本没有大爆炸的必要。 霍伊尔和他的同事在20世纪40年代和50年代发表了一系列的文章，详细地展示了在星星核心内部的核反应，而不是大爆炸，能够将更多更多的质子和中子加入到氢和氦的核子中，直至产生所有的重元素，至少到铁为止。（霍伊尔和他的同事解决了难住伽莫夫的怎样产生超过原子质量数为5的元素的秘密。在天才的一闪念之间，霍伊尔认识到如果有一个原来没有注意的从3个氦核子产生的不稳定形式的碳，它持续的时间刚好够长，就可以成为产生较重元素的“桥梁”。在星星的核心，这个新的不稳定形式的碳持续的时间也许刚好够长，通过不断增加更多的中子和质子，就可以产生出超过原子质量数5和8的元素。当这个不稳定形式的碳被实际发现时，就会辉煌地证明核合成可以在星星内部发生，而不是通过大爆炸发生。霍伊尔甚至编制了大型计算程序，从这些原理出发确定我们在自然界看到的元素的相对富有程度。） 但是，即便是星星的高温也不足以“烹调”超出铁的元素，如铜、镍、锌、铀等。（由于各种原因，通过熔化超出铁的元素来吸取能量是极其困难的，包括核子中质子相互排斥和缺乏结合能。）对于这些重元素，需要一个更大的熔炉，即大质量星星或超新星的爆炸。当巨星剧烈地崩溃时，在它最终死亡的剧痛中可以得到几亿度的高温，就有足够的能量“烹饪”超出铁的元素。这意味着超出铁的元素只能从爆炸星星或超新星的大气中抛出来。 1957年，霍伊尔、玛格丽特（Margaret）、杰费里?伯比奇（Geoffrey Burbidge）和威廉?福勒（William Fowler）发表了仿照伽莫夫一贯有之的典型的方式，甚至杜撰出下面一段用圣经风格写出的话。一篇大概是最有权威性的著作，详细描述了建造宇宙元素和预计它们的已知富有程度所需要的精确步骤。他们论据的精确性是如此之强大和令人信服，甚至伽莫夫也不得不承认霍伊尔给出了核合成的最引人注目的描述。 “当上帝创造元素的时候，在计算的激动中他忘了需要质量数为5的元素，因此重元素不能形成。 第十节 上帝非常失望，想先与宇宙联系，全都重新开始。 但这样做就太简单了。 于是，全能的上帝决定以最不可能的方式纠正他的错误。 上帝说：‘让霍伊尔出来吧。’霍伊尔就出来了。 上帝看着霍伊尔……让他用他喜欢的方式制造重元素。 霍伊尔决定在星星中制造重元素，并通过新星爆炸把它们散布到四周。” 反对稳恒态理论的证据 然而，在过去十年间，不利于稳恒态宇宙的证据越来越多。霍伊尔发现在辩论中不能取胜。在他的理论中，因为宇宙不演变，只是不断创造新的物质，所以早期的宇宙看上去应很像今天的宇宙。今天看到的星系应当很像几十亿年前的星系。如果有迹象表明在几十亿年的进程中有巨大的演变性变化，稳恒态理论就会遭到驳斥。 20世纪60年代，在外层空间发现一个叫做“类星体”的极其强大的神秘的源，或叫做准恒星体。（这个名字是这样容易让人记住，因此一种电视机以它命名。）类星体产生巨大的能量，有着显著的红色偏移，这意味着它们在可见宇宙的边缘，在宇宙很年轻时它照亮天空。（今天，天文学家相信这些是靠巨大黑洞能量驱动的巨大的年轻星系。）然而，我们今天看不到任何类星体的迹象。但是根据稳恒态理论今天也应该有类星体存在。但是经过几十亿年它们消失了。 霍伊尔理论还有另一个问题。科学家认识到，宇宙中有太多的氦与霍伊尔的稳恒态宇宙预计的不符。氦是一种熟悉的、在小孩子的气球和小型飞船中可以发现的气体，实际上它在地球上是很稀少的，而在宇宙中它是仅次于氢的第二个最丰富的元素。事实上，因为它在地球上是如此之少，所以它是首先在太阳上发现的，而不是在地球上发现的。（1868年，科学家分析了从太阳发出的透过棱镜的光线。被检测的太阳光分解成通常的彩虹和谱线，但是科学家也检测到由以前不知道的神秘元素引起的微弱的谱线。科学家错误地认为它是金属，他们将这个神秘的金属命名为“氦”，希腊单词的意思是“太阳”。最后于1895年在地球的铀矿中发现了氦，科学家尴尬地发现它是气体，不是金属。因此，首次在太阳上发现的氦在取名时用词不当。） 如果原始的氦是像霍伊尔相信的那样主要在星星中产生的，那么它应该很少，并且应该在星星的内核附近发现它。但是所有天文学数据说明，实际上氦是很丰富的，构成宇宙原子质量的25%。而且发现，它在宇宙间是均匀分布的，如伽莫夫相信的那样。 今天，我们知道有关核合成，伽莫夫和霍伊尔都有对的地方。伽莫夫原来想所有元素是大爆炸的原子尘埃或灰烬。但是这个理论在处理5个粒子和8个粒子时失败了。霍伊尔想抛开大爆炸理论，证明是星星制造了所有的元素，根本不需要乞求大爆炸。但是这个理论不能解释我们现在知道的在宇宙中存在大量的氦。 伽莫夫和霍伊尔从本质上给了我们值得称赞的核合成的描述。5个粒子和8个粒子以前的非常轻的元素的确是大爆炸产生的，像伽莫夫相信的那样。今天，作为物理学的发现结果，我们知道大爆炸确实产生了大多数的我们在自然界看到的氦，氦3、氦4和氦7。但是铁以前的重元素是在星星的核心产生的，像霍伊尔想象的那样。如果我们再加上由超新星高温抛出的铁以外的元素（如铜、锌和金），我们就有了解释宇宙中所有元素相对含量的完整的描述。（任何现代宇宙学的各种理论都有一个艰难的任务：解释宇宙中100多种元素和它们的种种同位素的相对含量。） 星星的诞生 这个关于核合成的激烈争论带来一个副产品，它给了我们星星生命循环的相当完整的描述。一个典型的星星，如我们的太阳的生命是从一个叫做“原恒星”的大的弥散氢气球开始的，在重力的作用下逐渐收缩。当它开始收缩时，它开始迅速旋转（通常导致双星系统的形成，两颗星在圆形的轨道上互相追赶，或在星星的旋转平面形成行星）。星星核心的温度急剧上升，达到将近1 000万度（K）或以上，这时氢熔合成氦。 在星星点燃之后，它被叫做“主序列星”，可以燃烧大约100亿年，它的内核缓慢地从氢变成氦。我们的太阳当前处在这个过程的中途。在氢燃烧完后，星星开始燃烧氦，并且它的尺寸膨胀得很大达到火星的轨道，变成“红巨星”。在内核中的氦燃料耗尽之后，星星的外层消散，留下内核本身，成为地球大小的“白矮星”。在白矮星中，可以产生元素周期表上铁以前的较轻元素。像我们太阳这样较小的星将在空间中死亡，成为矮星中的熄灭了的核材料。 但是，如果巨星的质量比我们的太阳大10倍到40倍，熔合过程将进行得更加迅速。当巨星变成红巨星时，它的内核迅速熔合较轻的元素，成为一颗混合的星，在红巨星的内部是一颗白矮星。当熔合进程达到产生铁元素的阶段，从熔合过程中再也提取不出能量。结果经过几十亿年后核炉将最终关闭。在这时，星星将突然收缩，产生巨大的压力将电子压向原子核。（密度可以超过水的密度的4 000亿倍。）使温度上升到万亿度。将它压缩成这样小的物体的重力能向外爆炸形成新星。这个过程所产生的巨大热量再一次引起熔合，合成在元素周期表上超出铁的元素。 例如，可以很容易在猎户星座看到的红巨星是不稳定的，随时可能爆炸成为超新星，放出大量的伽马射线和X射线到周围的空间。当这种情况发生时，就可以在白天看到这颗超新星，在夜晚它的亮度将超过月亮。（曾经有人设想，超新星释放的巨大能量毁灭了6 500万年前的恐龙。事实上，如果一颗超新星离开我们的距离为50光年，它一旦爆炸将结束地球上的所有生命。幸运的是，角宿星座的一颗巨星角宿〔Spica〕和猎户星座的一颗巨星参宿四〔Betelgeuse〕分别离开我们260光年和430光年。因为离得太远，当它们爆炸时不会对地球引起严重的损伤。但有些科学家相信：200万年前一小部分海洋生物的灭绝，是由离开我们120光年的一颗超新星的爆炸引起的。） 这也意味着我们的太阳不是地球真正的“母亲”。尽管地球上很多人把太阳崇拜为神，说它诞生了地球，这只是部分正确的。尽管地球原来是从太阳产生的（作为45亿年前在黄道平面上围绕太阳的旋转的碎片和尘埃的一部分），但我们的太阳的热量不够大，只够将氢熔合成氦。这意味着我们真正的太阳“母亲”实际上是一颗不知名的星或星集，它是一颗在几十亿年前就死亡了的超新星，在它的周围播下了有着构成地球的超出铁的重元素的星系。精确地讲，我们的地球是几十亿年前消亡的星星的星尘构成的。 超新星爆炸的结果形成一个小的叫做中子星的残骸，由压缩成曼哈顿岛那样大小，尺寸只有20英里（3219千米）的固体核物质组成。（中子星是瑞士天文学家费里茨?兹维基〔Fritz Zwicky〕于1933年首先预测到的，因为看起来太神奇了，被科学家忽略了几十年。）因为中子星不规则地放出射线，并且快速地旋转。从地球上看去，中子星在脉动，因此叫做脉冲星。 大约比40个太阳质量还大的极大的星，最终经历超新星爆炸后可能留下一个比太阳质量大3倍的中子星。这颗中子星的重力是如此之大，以至能够抵消中子之间的排斥力，这颗星将最终收缩形成大概是宇宙中最奇怪的物体，即黑洞，我们在第5章将讨论它。 鸟屎和大爆炸 阿尔诺?彭齐亚斯（Arno Penzias）和罗伯特?威尔逊（Robert Wilson）在1965年发现了稳恒态理论最关键的问题。他们在新泽西州装备有霍尔姆德尔?霍恩（Holmdell Horn）射电望远镜的20英尺（61米）高的贝尔实验室工作，在他们从天空寻找无线电信号时，他们检测到不想要的静电噪音。他们想这可能是一个异常，因为这些噪音均匀地来自各个方向，而不是来自一颗星或一个星系。他们想这些静电噪音可能是尘土和碎片造成的，于是他们仔细清除罩在射电望远镜开口处的一层白色涂层，彭齐亚斯（Penzias）把它称做“一层介质材料的白色涂层”（通常叫做鸟屎），结果静电噪音似乎更强了。尽管他们还没有认识到，他们偶然发现了1948年伽莫夫小组预计的微波背景辐射。 现在宇宙学的历史读起来有点像吉斯通的无声喜剧片，有三个小组在探索答案，而彼此不知道别人在做什么。一方面，伽莫夫、阿尔法（Alpher）和赫尔曼（Herman）于1948年奠定了理论，预计了微波背景辐射的存在，他们预计微波背景辐射的温度在绝对零度以上5度，因为那时的仪器的灵敏度不能检测到它，他们放弃了测量空间微波辐射的希望。在1965年，彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）发现了这个黑体辐射，但却不知道它是黑体辐射。同时，由普林斯顿大学罗伯特?迪克（Robert Dicke）领导的第三组独立地重新发现了伽莫夫的理论并积极寻找背景辐射，但是他们的仪器太原始了，所以没有找到。 天文学家伯纳德?伯克（Bernard Burke）是他们的共同朋友，当他告诉彭齐亚斯（Penzias）有关罗伯特?迪克（Robert Dicke）的工作时，这个可笑的情形结束了。两个小组后来互相联系，显然彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）已检测到大爆炸本身发出的信号。由于这一重大的发现，彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）1978年得了诺贝尔奖。 事后才知道，霍伊尔和伽莫夫这两位持相反观点的最著名的对手，曾于1956年在一辆凯迪拉克轿车中，有过一次也许能改变宇宙学命运的至关重要的会见。霍伊尔回忆道：“我记得乔治（George）开一辆白色凯迪拉克带我在四周转。”伽莫夫向霍伊尔重复他的信念，大爆炸留下的余晖甚至到今天还能看到。然而，伽莫夫的最新数字将余晖的温度确定为绝对温度50度。然后，霍伊尔令人吃惊地向伽莫夫指出，他知道安德鲁?麦凯勒（Andrew McKeller）在1941年写的一篇晦涩的文章，该文指出外层空间的温度不可能超过绝对温度3度。超过这个温度就会发生新的化学反应，在外层空间就会产生更多的碳氢（CH）和碳氮（CN）基。通过测量这些化合物的存在，就可以确定外层空间的温度。事实上，他发现他检测到的空间CN分子的密度，说明外层空间温度大约为绝对温度23度。换句话说，伽莫夫不知道绝对温度为27度的背景辐射在1941年已经间接地测量到了。 霍伊尔回忆说：“不管是因为凯迪拉克轿车太舒适了，还是因为乔治（George）想要绝对温度高于3 度（K），而我想要温度为绝对零度，我们错过了9年之后由阿尔诺?彭齐亚斯（Arno Penzias）和鲍勃?威尔逊（Bob Wilson）所做出的发现的机会。”如果伽莫夫小组的数值没有计算错而得出的是较低的温度，或如果霍伊尔对大爆炸理论不是这么敌对，也许历史就要改写了。 第十一节 大爆炸的余震 彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）检测到微波背景辐射的这一发现，对伽莫夫和霍伊尔的生涯产生了决定性的影响。对霍伊尔来说，彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）的工作是一个至关重要的实验。最后，霍伊尔在1965年的《自然》杂志上正式承认失败，引用微波背景辐射和在太空中富有氦作为放弃他的稳恒态理论的理由。但是真正扰乱他的是稳恒态理论失去了它的预测能力，他说：“人们广泛相信微波背景辐射扼杀了‘稳恒态’宇宙学，但是真正扼杀稳恒态理论的是心理状态……在微波背景辐射中有一个重要的现象没有预计到……很多年来，它使我感到无能为力。”（霍伊尔后来试图修改他的理论，但每次修改后的理论变得越来越似是而非。） 不幸的是，有关优先权的问题（是谁首先发现微波背景辐射？）使伽莫夫尝到苦果。从字里行间我们可以看到伽莫夫一点也不高兴他的工作和阿尔法（Alpher）及赫尔曼（Herman）的工作很少被人提起。他一直对人很有礼貌，他把这些不快深深埋藏在心里，但是在他写给别人的私人信件中，他说物理学家和历史学家完全忽略了他们的工作是不公正的。 尽管彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）的工作对稳恒态理论是一个巨大的冲击，并帮助将大爆炸理论放在了坚实的实验基础上，但是在我们理解膨胀宇宙的结构问题上仍有巨大的缺口。例如，在弗里德曼（Friedmann）的宇宙中，要理解宇宙的演变，我们必须知道宇宙物质平均分布的奥米伽值。然而，当我们认识到宇宙的大部分不是由熟悉的原子和分子，而是由重量比普通物质大10倍的叫做“暗物质”的奇怪的新物质组成时，奥米伽值的确定就成了一个大问题。在这个领域的领袖人物也没有被天文学界的其他人认真对待。 奥米伽和暗物质 暗物质的故事大概是宇宙学中最奇怪的一章。回到20世纪30年代，加利福尼亚工学院的瑞士天文学家费里茨?兹维基（Fritz Zwicky）注意到，后发座星系团的星系运动不遵照牛顿重力定律。他发现，这些星系运动得太快，根据牛顿运动定律它们应当飞离开来，星群应当解散。他想，能让后发星座星系群聚在一起而不是飞离的唯一办法，是星群的质量要比望远镜看到的大几百倍。要么是牛顿定律在极大的距离时多少有些不正确，要么是在后发星座星系群中有巨大的看不见的物质将它们聚集在一起。 这是在历史上第一次指出，关于宇宙中物质的分布的有些事情是完全错了。不幸的是，由于以下几个理由，天文学家一致拒绝或忽略了兹维基（Zwicky）的先驱工作。 第一，天文学家不愿意相信几个世纪以来占统治地位的牛顿重力理论会可能出错。在天文学中有过这样的处理危机的先例。19世纪，在分析天王星的轨道时发现它有些摆动，即它少许偏离了牛顿方程的预计。这样要么是牛顿错了，要么有一颗新的行星的重力在吸引天王星。后者的说明是正确的，1846年按照牛顿定律预计的位置在几个小时之内发现了海王星。 第二，有一个兹维基（Zwicky）的个性和一个天文学家如何对待“外人”的问题。兹维基（Zwicky）是一位空想家，在他的一生中常常被嘲笑或忽视。1933年，他和沃尔特?巴德（Walter Baade）一起杜撰了“超新星”这个词，并正确地预计到直径大约14英里（2253千米）的小中子星将是一颗爆炸星星的最终的残迹。这个想法太怪了，以至在1934年1月19日《洛杉矶时报》的漫画中受到嘲笑。有一小组顽固的天文学家使他非常愤怒，他认为他们排斥他、不承认他、偷窃他的思想，用直径100到200英寸的望远镜来放大诋毁他。（在他1974年死前不久，他自己出版了一个星系的目录。目录开头的标题是：“提醒美国天文学的主教和献媚者。”这篇论文尖锐地批评那些所谓的天文学精英的排外做法，将像他这样的持不同意见者排斥在外。他写道：“今天的献媚者和彻头彻尾的小偷，特别是在美国的天文学界，似乎是肆无忌惮地盗窃持不同意见者和非遵逢者的发现和发明。”他把这些人叫做“天体私生子”，因为“无论你怎么看，他们都是私生子”。当为中子星的发现而颁发的诺贝尔奖忽略了他而授予别人时，他感到非常愤怒。）［4］ 1962年，天文学家维拉?鲁宾（Vera Rubin）再次发现这个奇怪的银河运动的问题。她研究了银河系的旋转，发现了同样的问题。她也受到类似的天文学界的轻视。通常，行星离太阳越远它跑得越慢，离得越近它跑得越快。这就是为什么水星以速度之神命名的原因，它离开太阳最近跑得最快。为什么冥王星的速度比水星慢10倍呢？因为它离开太阳最远。然而，当维拉?鲁宾（Vera Rubin）分析我们星系中的蓝星时，她发现这些星星以同样的速率绕星系旋转，不管它们离开星系中心有多远（叫做平直的旋转曲线），因此违背了牛顿力学的概念。事实上，她发现银河系旋转得如此之快，按理应该飞出去。但是大约100亿年来，这个星系十分稳定。为什么旋转曲线是平的成了一个秘密。为保持这个星系不分解，它必须比当前科学家想象的重10倍。显然，银河系90%的质量丢失了！ 维拉?鲁宾（Vera Rubin）被忽视了，部分原因是她是一位妇女。她有些痛苦地回忆到，当她申请去斯沃斯莫尔（Swarthmore）学院读科学专业，并礼貌地告诉招生负责人说她喜欢绘画时，会见者说：“你有没有考虑过绘制天体美景这个职业呢？”她回忆说：“这句话成了我们家的一句时髦用语，不管什么事情、什么人错了，我们都会说你有没有考虑过绘制天体美景这个职业呢？” 当她告诉她的高中物理老师她被接受去瓦瑟（Vassar）读书时，他回答：“只要你不沾科学的边，就不会有什么问题。”（她后来回忆道：“对待这样的事情，需要自尊才不至于被压垮。”） 毕业后，她申请并被接受去哈佛大学，但她没有去，因为她和一位化学家结婚了，跟她丈夫去了科内尔（Cornell）。（她得到哈佛大学的一封回信，信底有一行手写的话：“该死的妇女！每当我得到一位好的学生，一切都准备好后，她又跑了、结婚了。”）近来，她参加了在日本召开的一次天文学会议，她是与会的唯一妇女。她承认：“很长一段时间以来，我一讲这些故事就不得不哭，因为在一整代人中，可怕的命运没有改变。” 然而，在她的仔细工作和其他人的工作的影响下，天文学界开始相信丢失质量问题。到1978年为止，鲁宾（Rubin）和她的同事考察了11个螺旋星系。这些星系都旋转得太快，根据牛顿定律不能聚在一起。同一年，荷兰射电天文学家艾伯特?博斯马（Albert Bosma）发表了迄今为止最完整的几十个螺旋星系的分析。几乎所有这些星系呈现同样的反常行为。这似乎最终使天文学界信服暗物质的确存在。 对这个令人烦恼的问题的最简单的解释方法，是假定这些星系被不可见的光环包围，光环所包含的物质比星星本身大10倍。自那时以来，已开发出更完善的测量这些不可见物质存在的手段。给人印象最深的办法是测量光线通过这些不可见物质发生的扭曲。像你的眼睛的镜片一样，暗物质也能使光线弯曲。（因为它的巨大质量和由此产生的巨大重力。）近来，通过用计算机仔细分析哈勃空间望远镜的照片，科学家能够构造整个宇宙暗物质分布图。 科学家一直在热烈地探讨暗物质是由什么构成的。有些科学家认为暗物质也许是由普通物质构成的，不同的是它非常暗淡（即由几乎不可见的褐色矮星、中子星、黑洞组成）。这样的物体由“重物质”集合在一起，即由熟悉的重子（如中子和质子）构成。这些物体全都叫做MACHOs（重的紧凑的光环物体的缩写，Massive Compact Halo Objects）。 另一些人认为，可能暗物质是由非常热的非重子物质，如中微子（叫做热的暗物质）构成。然而，中微子运动太快，不能解释在自然界看见的大量暗物质和星系。还有一些人认为，暗物质是由完全新型的叫做“冷暗物质”，或弱相互作用重粒子（WIMPS，weakly interacting massive particles）构成的，它们是解释大多数暗物质的主要候选人。 COBE卫星 利用自伽利略以来天文学广泛应用的普通望远镜，我们不可能解决暗物质的秘密。天文学已经进展到可以利用标准的固定在地面上的光学仪器。然而，在20世纪90年代，出现了新一代利用卫星技术、激光和计算机的天文仪器，完全改变了宇宙学的面貌。 这些收获的第一批成果之一是1989年11月发射的COBE（宇宙背景探测者，Cosmic Background Explorer）卫星。彭齐亚斯（Penzias）和威尔逊（Wilson）的原始工作证实了有不少数据与大爆炸理论一致，而COBE卫星则能够测量大量的数据，它们精确地符合伽莫夫和他的同事在1948年所做的黑体辐射的预测。 1990年，在美国天文学会的一次会议上，当代表们看到视图上显示的COBE结果时，在场的1 500名科学家突然爆发出雷鸣般的经久不息的掌声，几乎是全体一致地同意温度为2728度（K）的微波背景辐射确实存在。 普林斯顿大学的天文学家耶利米?P奥斯特里克（Jeremiah POstriker）评论说：“当在岩石中发现化石时，它使生物种类的起源一目了然。很好，COBE发现了（宇宙的）化石。” 然而，从COBE得出的视图十分模糊。例如，科学家想要分析“热点”，或宇宙背景辐射的波动，此波动在整个天空中应该大约为1度（K）。但是COBE的仪器检测的波动为7度或比7度还多，因此其灵敏度不能检测这些小的波动。科学家被迫等待预计将于世纪之交过后发射的WMAP卫星的结果，他们希望这颗卫星能够解决诸多这样的问题和秘密。 第4章膨胀和平行宇宙 从无不能生无。 ——卢克莱修（Lucretius） 我假定我们的宇宙是在大约1010 年前从无产生的……我提出一个谨慎的建议，我们的宇宙只是有时发生的那些事件之一。 ——爱德华?特赖恩（Edward Tryon） 宇宙是一顿最终的免费午餐。 ——艾伦?古思（Alan Guth） 在玻尔?安德森（Poul Anderson）写的一部经典科幻小说《τ零度》（Tau Zero）中，一艘叫做利奥诺拉?克里斯廷（Leonora Christine）的星际飞船升空，使命是飞往附近的星星。它乘载有50人，当它驶往一个新的星系时，它达到的速度接近光速。更重要的是，这艘飞船用了狭义相对论原理，当它飞得更快时飞船里面的时间减慢。因此，从地球上看上去，飞往附近的星需要几十年，但是对宇航员来说仅需飞行几年。对一位在地球上用望远镜瞭望宇航员的观察者看来，似乎飞船里宇航员的时间冻结了，因此他们好像处在一幅暂停的动画中。但是对飞船里的宇航员来说，时间的进程照常。当这艘飞船减速登上一个新的世界时，他们发现他们仅在几年中就驶过了30光年。 第十二节 这艘飞船的发动机是一个奇迹，它是一台冲压式喷气核聚变发动机，从深层空间提取氢，然后在这台发动机中燃烧产生无限的能量。它飞行得如此之快，以至宇航员甚至可以看到光线的多普勒偏移，在飞船前面星星看上去是蓝色的，而飞船后面的星星看上去是红色的。 然后灾难发生了。离开地球大约10光年后，当它穿过一片星际尘云时，飞船经受了动荡，它的减速机构永久地失灵了。惊恐的宇航员发现他们被困在飞跑的星船上，速度越来越快，接近了光速。他们绝望地看到失去控制的飞船在大约几分钟的时间内飞过了整个星系。在一年之内，这艘飞船穿过半个银河系。当它加速失去控制时，它在大约几个月的时间飞速通过星系，这时地球已过了几百万年。很快，飞行的速度接近光速，τ零度显现，他们看到了戏剧性的场面，宇宙在他们的面前开始变老。 最后，他们看到了宇宙的原始膨胀在逆转，宇宙开始收缩，温度开始急剧升高，他们认识到他们正走向大火海。宇航员们默默地祈祷，这时温度像火箭一样上升，星系开始熔合，在他们面前形成一个宇宙的原始的原子。看上去被火葬已不可避免。 他们唯一的希望是宇宙物质将收缩到一个有限密度的有限区域，以巨大速度飞行的飞船也许能迅速地滑过这片区域。奇迹发生了，当他们飞过原始原子的时候，他们的屏蔽系统保护了他们。他们看到了一个新宇宙的诞生。当宇宙重新膨胀时，他们敬畏地看到新的星和星系在他们的眼前产生。他们修好了飞船，仔细地绘制航线，飞往一个足够老的、由较重元素构成的、使生命有可能存在的星系。最终，他们在一颗能够孕育生命的行星上着陆，在这个行星上开辟一块殖民地，重新开始人类的生活。 这个故事写在1967年，这时天文学家就宇宙的最终命运正展开激烈的争论：宇宙死于大火海、大冻结、无限地振荡、或永远生活在稳定状态。自那以后，争论似乎解决了，出现了叫做膨胀的新理论。 膨胀的诞生 1979年，艾伦?古思（Alan Guth）在他日记里写道：“壮观的实现。”他认识到他可能偶然发现了宇宙学最伟大的思想之一，因此感到很高兴。古思通过基本的观察，对50年来的大爆炸理论做了首次重大的修改。他想：如果他假定在宇宙诞生的时候经历了涡轮增压式的比大多数物理学家所相信的要快得多的超级膨胀，他就能解决宇宙学的一些深奥的谜。他发现用这个超级膨胀就能够毫不费力地解决许多深层的宇宙学问题。这是一个能够变革宇宙学的思想。（最近的宇宙学数据，包括WMAP卫星的探测结果和他的预计是一致的。）它不仅是宇宙学理论，也是迄今为止最简单和最可靠的理论。 这个理论的显著特点是，如此简单的思想能够解决很多棘手的宇宙学问题。膨胀理论所巧妙地解决了的几个问题之一是“平面问题”。天文学数据已表明宇宙的曲率十分接近于零，事实上比标准大爆炸理论预计的要更接近于零。如果宇宙像一个迅速膨胀的气球，在膨胀过程中变平，这样问题就可以得到解释。我们像一个蚂蚁在气球表面行走，因为我们太小了看不到气球的微小弯曲。膨胀使空间时间极大地伸展，使它看上去是平的。 古思的发现具有的历史意义还在于，它将分析自然界发现的微小粒子的基本粒子物理学应用到天文学，应用到宇宙的整体研究，包括它的起源中。我们现在认识到没有极小粒子的物理学，没有量子理论和基本粒子物理学，宇宙的最深奥的秘密就不能揭示。 寻找统一 古思1947年生于新泽西州的新不伦瑞克（New Brunswick）。与爱因斯坦、伽莫夫或霍伊尔不同，没有仪器也没有契机推动他进入物理学世界。他的父母都不是从大学毕业的，对科学的兴趣也不大。但是他自己总是着迷于数学和自然规律之间的关系。 20世纪60年代他在麻省理工学院学习，他认真地考虑选择基本粒子物理作为他的专业。他特别着迷于物理学的新革命所产生的激动，想寻找所有基本力的统一。多年来，物理学的泰斗一直在寻找统一的理论，能够以最简单的、最一致的方式解释宇宙的复杂性。自古希腊以来，科学家在想我们今天看到的宇宙代表一个更大的、更简单物体的碎片残骸，我们的目标是揭示这个统一性。 经过2 000年对物质性质和能量的研究，物理学家确定了四种驱动宇宙的力。（科学家在试图寻找是否有第五种力，到目前为止结果是否定的，或没有结论。） 第一种力是重力，它将太阳聚拢在一起，并引导行星在太阳系的天体轨道上运动。如果重力突然关闭，天空的星星将爆炸，地球将解体，我们都会以每小时1 000英里（1 609千米）的速度被抛到外层空间。 第二种力是电磁力，这个力点亮我们的城市，使我们的世界充满电视机、电话、收音机、激光束和因特网。如果电磁力突然关闭，文明将立刻倒退一两个世纪，回到过去的黑暗和寂寞之中。2003年的灯火管制使美国整个东北部瘫痪，就形象地说明了这一点。如果我们从微观考察电磁力，我们将看到它实际上是由小粒子，或叫做“光子”的量子造成的。 第三种力是弱核力，它是形成放射性衰变的原因。因为这个弱的力不足以将原子核聚在一起而引起核子破裂或衰变。医院的核医学主要依靠核力，给我们身体内部和大脑的清晰图像。弱力也使地球中心通过放射性材料加热，产生巨大的火山喷发能。弱力的产生是由于电子和“中微子”的相互作用。（中微子是像鬼一样的粒子，几乎没有质量，能通过万亿英里的固体导线而不和任何物质发生相互作用。）这些电子和中微子通过交换，与其他叫做W玻色子和Z玻色子的粒子发生相互作用。 第四种力是强核力，它将原子核聚在一起。没有核力，原子核将全部破裂，原子将崩溃。强核力是我们看到的充满宇宙的100多种元素能够存在的原因。由于有弱核力和强核力，星星才能按照爱因斯坦方程E＝mc2发出光。没有核力，整个宇宙将变得黑暗，地球的温度将降低，海洋将冻结成冰。 这四种力的令人吃惊的特点是它们彼此全不相同，具有不同的强度和性质。例如，到目前为止，重力是四种力中最弱的力，比电磁力小1036倍。地球的重量为60万亿亿吨，然而它的强大的重量和重力可以轻而易举地被电磁力抵消。例如，你的梳子可以通过静电将小纸片吸起，从而抵消整个地球的重力。此外，重力完全是吸引的。而电磁力可以是吸引的，也可以是排斥的，由粒子的电荷决定。 大爆炸理论的统一 物理学家面临的基本问题之一是为什么宇宙是由四种截然不同的力支配的？为什么这四种力看上去差这么多，强度、相互作用和物理行为都不同？ 爱因斯坦是第一位着手将这些力统一成单一的、综合的理论的人，他从统一重力和电磁力开始。他没有成功，因为他走在他那个时代太前面了，有关强力知道得太少了，无法建立一个真正的统一的场论。但是爱因斯坦的前驱工作打开了物理学世界的视野，有可能建立一个“包容一切的理论”。 在20世纪50年代，统一场论的目标似乎完全没有希望达到，特别是那时基本粒子物理处在一片混乱之中，想用原子对撞机破碎原子核找到物质的基本成分，结果从实验中发现几百个更多的粒子流。“基本粒子物理”从术语上就是矛盾的，成了一个宇宙的笑话。古希腊人想，只要我们将物质破碎到它的基本的建筑砖块，事情就变得简单了。相反的事情发生了：物理学家不得不尽力从希腊字母表中找出更多的字母来标志这些粒子。美国原子物理学家J罗伯特?奥本海默（JRobert Oppenheimer）开玩笑说，诺贝尔物理学奖应当授予在那一年没有发现新粒子的物理学家。诺贝尔奖获得者史蒂文?温伯格（Steven Weinberg）开始怀疑人类的智慧是不是能够解开核力的秘密。 然而，在20世纪60年代早期，这个混乱的情景多少有了一些条理，那时加利福尼亚工学院的墨里?盖尔曼（Murray Gellmann）和伽莫夫?茨威格（George Zweig）提出“夸克”的想法，夸克是构成质子和中子的成分。根据夸克理论，3个夸克构成1个质子或1个中子，1个夸克和反夸克构成1个介子（一个将核子聚拢在一起的粒子）。这仅仅解决了一部分问题（因为今天各种类型的夸克比比皆是），但是它确实将新的能量注入到曾经是隐匿的领域中。 1967年，物理学家史蒂文?温伯格（Steven Weinberg）和阿卜杜什?萨拉姆（Abdus Salam）做出了惊人的突破，他们指出有可能将重力和电磁力统一。他们创造了一个新的理论，电子和中微子（叫做“轻子”）通过交换形成叫做W玻色子和Z玻色子的新粒子并和光子彼此发生相互作用。通过在完全相同的立足点上处理W玻色子和Z玻色子，他们创造了统一两种力的理论。1979年，史蒂文?温伯格（Steven Weinberg）、谢尔登?格拉索（Sheldon Glashow）和阿卜杜什?萨拉姆（Abdus Salam），因为他们的共同努力统一了四种力中的两种，即电磁力和弱力，并洞察到强核力的存在，所以被授予诺贝尔奖。 在20世纪70年代，物理学家分析了从斯坦福线性加速中心（SLAC）的粒子加速器得出的数据。为了深入地探测质子的内部，物理学家用加速器将强大的电子束打到靶上。他们发现可以引进叫做“胶子”的新粒子来解释将质子内部的夸克聚在一起的强大的核力。胶子是强核力的量子。将质子聚合在一起的约束力可以由在组成它的夸克之间交换胶子来解释。于是得出一个叫做量子色动力学的强核力的新理论。 这样，到了20世纪70年代中期，有可能将四种力中的三种力结合在一起（除去重力），得到一个“标准模式”：一个夸克、电子和中微子的理论，它们通过交换胶子、W玻色子和Z玻色子与光子彼此相互作用。这个理论是粒子物理几十年艰苦的、漫长的研究所达到的顶峰。到目前，标准模式满足所有的有关粒子物理的实验数据，无一例外。 尽管标准模式是所有时代最成功的物理理论，但它看上去十分别扭。很难相信自然界在基础的水平上是根据这个东拼西凑、修修补补的理论进行运作的。例如，理论中有19个任意的参数是人为放进去的，没有任何意义和原因（即各种质量和相互作用强度不是理论确定的，而是不得不由实验确定。理想地，一个真正统一的理论的这些常数应由理论本身确定，而不依赖于外部实验）。 此外，基本粒子有3个精确的副本，叫做“代”。很难相信自然界在它最基本的水平上会包括亚原子粒子的3个精确副本。除这些粒子的质量外，这些“代”彼此互相复制。（例如，电子的副本包括μ介子，它的重量比电子重200倍，还有τ粒子，它比电子重3 500多倍。）最后，标准模式没有提到重力，尽管重力是宇宙中最广为人知的一种力。 第十三节 图7这些是标准模式中包含的亚原子粒子，它是最成功的基本粒子理论。基本粒子是由构成质子、中子的“夸克”以及电子和中微子这些“轻子”和很多其他粒子组成的。注意该模型导致3个相同的亚原子粒子副本。因为标准模式不能说明重力（并且看上去太笨拙），理论物理学家认为它不是最终的理论。 因为标准模式虽然实验很成功，但看上去人为因素太多了，因此物理学家试图建立另一个理论，或叫做大统一理论（GUT），将夸克和轻子放在同一立足点上。它也把胶子、W玻色子和Z玻色子和光子放在同一级别上。（然而，因为重力仍然明显地遗留在外，这可能不是“最后的理论”。我们将看到，融合其他的力被认为是非常困难的工作。） 统一化的程序又将一个新的设想引进宇宙学。这个思想简单又优雅：在大爆炸时，所有四种基本力统一成单一的、一致的和神秘的“超力”。所有四种力有同样的强度，是一个较大的、一致的、总体力的一部分。宇宙开始时处于尽善尽美的状态。然而，当宇宙开始膨胀和迅速冷却时，原始的超力开始“破裂”，不同的力一个一个地分解出去。 根据这个理论，宇宙在大爆炸后的冷却与水的冻结相似。当水是液体形态时，它是十分均匀的和光滑的。然而，当它冻结时，在它的内部形成几百万个小冰晶。当液体完全冻结后，它原来的均匀性彻底消失了，成为含有裂纹、气泡和结晶的冰。 换句话说，今天我们看到的宇宙是可怕地破裂了。它根本不是均匀的和对称的，而是由犬牙交错的山脉、火山、飓风、小行星和爆炸的星组成，没有任何一致性，此外，四种基本力互相也没有任何关系。但是，宇宙如此破裂的原因是因为它太老了、太冷了。 尽管宇宙是从完美统一的状态开始的，今天它已经过了很多“相变”或状态的变化，当它冷却时，宇宙力一个一个地分裂出去。物理家的工作是向回寻找，重新构建宇宙原来开始的步骤，研究它是怎样从完美的状态变成我们今天看到的破碎的宇宙。 因此，关键是要恰当地理解宇宙开始时这些相变是怎样发生的。物理学家将这些转变叫做“自发的破坏”。不管是冰的融解、水的沸腾、雨云的产生或大爆炸的冷却，相变可以将完全不同相的物质联系起来。（为了说明这些相变有多么强大，艺术家出了一个谜：“你怎样将500 000磅〔226 800千克〕的水悬在空中，且没有可见的支撑？答案是：造一片云。”） 虚假真空 一个力从其他的力中破裂开来的过程，可以与一个大坝的破裂相比。河水从山上流下来，因为水往能量低的方向，即海平面的方向流动。最低的能量状态叫做“真空”。然而，有一个不寻常的状态叫做“虚假真空”。例如，一个大坝挡住河水，这个大坝看上去是稳定的，但它实际上承受着巨大的压力。如果大坝出现一个小裂口，这个压力可能突然使大坝崩溃，从虚假的真空（被大坝挡住的洪水）释放出大量的能量，引起特大洪水流向真正的真空（海平面）。如果听任让大坝自发地破坏，并突然转变成真正的真空，整个村庄会被淹没。 类似地，在大统一（GUT）理论中，宇宙原来是从虚假真空开始的，三种力统一成一种单一的力。然而，这个状态是不稳定的，宇宙自发地破裂，从虚假真空向真正的真空转变，从虚假真空统一的力向真正真空分裂的力转变。 在古思开始分析GUT理论之前，这些情况已经知道了。但古思注意到某些其他人忽略的地方。在虚假真空状态，宇宙按照德?西特尔（de Sitter）在1917年预计的以指数方式膨胀。虚假真空的能量是一个宇宙常数，它驱动宇宙以如此巨大的速率膨胀。古思问他自己一个非常重要的问题：这个指数方式的德?西特尔（de Sitter）膨胀能解决宇宙学的一些问题吗？ 单磁极子问题 很多GUT理论的一个预计是在创世之初有大量的“单磁极子”产生。一个单磁极子是一个单个的北极或南极。在自然界，这些磁极总是成对发现的。例如一块磁铁，你看到它的北极和南极总是绑在一起的。如果你用一个榔头把这块磁铁敲成两半，你发现的不是两个单磁极子，而是两块较小的磁铁，每一块有它们自己的北极和南极。 然而问题是，经过几个世纪的实验，科学家没有发现单磁极子的确实证据。因为以前没有人看到过单磁极子，古思感到困惑，为什么GUT理论会预计有这么多的单磁极子存在呢。古思评论说：“单磁极子像独角兽一样一直使我们着迷，尽管还没有确实看到它。” 然后，忽然灵机一动，所有零零碎碎的想法在一闪念间拼在了一起。古思认识到，如果宇宙开始时是处在虚假真空状态，它可能以几十年前德?西特尔（de Sitter）提出的指数方式膨胀。在这个虚假的真空状态，宇宙突然膨胀的量可以是难以想象的大，因此稀释了单磁极子的密度。如果科学家以前从未见过一个单磁极子，仅仅是因为单磁极子散布到了比以前所想象的要大得多的宇宙中。 对古思来说，这个发现是惊愕和快乐之源。这样一个简单的想法能够在一瞬间解释单磁极子问题。但古思认识到，这个预计有着超出他原来想象的宇宙意义。 平面问题 古思认识到他的理论解决了另一个问题，即早些时候讨论的“平面问题”。标准的大爆炸描述不能解释为什么宇宙是非常平的问题。在20世纪70年代，人们相信描述宇宙物质密度的奥米伽值大约为01。而事实是，在大爆炸几十亿年后，这个数值仍然相当接近临界密度10。这个问题令人困惑。随着宇宙膨胀，奥米伽值（Omega）应当随着时间改变。这个数值接近10，让人感到不自在，因为它描述的是一个完全平面的空间。 不管创世时奥米伽值是怎样一个适当的值，爱因斯坦方程显示它今天应当几乎为零。在大爆炸几十亿年后奥米伽值是如此接近于1，除非有奇迹才行。在宇宙学中这个问题叫做“细调问题”。上帝或某个造物主必须极其精确地“选择”奥米伽值，才能使它今天大约为01。为了使奥米伽值今天在01和10之间，在大爆炸后1秒钟时，奥米伽值必须为1000 000 000 000 00。换句话说，在创世开始时，奥米伽值必须选择等于1，精度范围要在几百万亿分之一，这是很难理解的。 想象试图将一支铅笔竖直地立在它的笔尖上。无论你怎样平衡这支铅笔，它都会倒下来。要想让它平衡1秒钟都十分困难，更不要说几年。为了使奥米伽值今天等于01，必须进行大量的微调。在微调奥米伽值时一丁点儿错误都会使奥米伽值极大地偏离1。因此，为什么今天奥米伽值是如此接近于1呢？按理它应该极大地偏离于1才对。 对古思来说回答是明显的。宇宙膨胀的程度是如此巨大，因而使宇宙变平了。好比一个人，他看不到地平线的尽头，因此说地球是平的。天文学家得出结论说奥米伽值大约等于1，因为膨胀使宇宙变平。 地平线问题 膨胀不仅解释了支持平面宇宙的数据，也解决了“地平线问题”。这是根据这样一个事实：夜晚的天空无论你向哪儿看都似乎是相当均匀的。如果你转180度，你看到宇宙是均匀的，即便你看到的是相距几百亿光年的宇宙的不同部分。强大的望远镜扫描天空也发现宇宙是均匀的，偏离很小。我们的空间卫星也显示宇宙微波辐射是极其均匀的。无论你看空间的何处，背景辐射的温度的偏离不超过千分之一度。 但是这是一个问题，因为光速是宇宙中的速度极限。在宇宙的一生中，光线或信息没有办法从夜晚天空的一侧跑到另一侧。例如，我们在一个方向看微波辐射，自大爆炸后它已行进了130亿年。如果我们转过来看相反方向，我们看到微波辐射是相同的，它也行进了130亿年。因为它们的温度都相同，在创世之初它们一定是融合在一起的。但是，自大爆炸后这些辐射没有办法从夜晚天空一侧跑到另一侧（相距超过260亿光年）。 如果我们观察大爆炸后380 000年后的天空情况就更糟了，这时背景辐射刚刚形成。如果我们看天空相反方向的两点，我们看到背景辐射几乎是均匀的。但是根据大爆炸理论计算，这相反的两点相距9 000万光年（因为爆炸后空间的膨胀）。但是光不可能在380 000年中行进9 000万光年。辐射比光线跑得还要快，这是不可能的。 按理，宇宙应看上去是多块状的，宇宙的一部分离开另一个遥远的部分的距离太远，难以接触。光线没有足够的时间混合，没有时间将辐射从遥远的一侧传播到遥远的另一侧，那么为什么宇宙看上去这样均匀呢？（普林斯顿的物理学家罗伯特?迪克〔Robert Dicke〕将这个问题叫做水平线问题，因为水平线是你能看到的最远的点，光线能够传播的最远的点。） 但古思认识到膨胀也是解释这个问题的关键。他分析到，我们可见的宇宙大概是原始火球的一小片。这一小片本身的密度和温度是均匀的。但是膨胀突然将这一小片均匀物质扩大了1050倍，比光速还要快，所以今天的可见宇宙相当地均匀。结果，夜晚天空和微波辐射是如此均匀的原因是：可见宇宙曾经是原始火球的均匀的一小片，突然膨胀变成了宇宙。 对膨胀的反作用 尽管古思确信膨胀的想法是正确的，他第一次登台演讲时还是有些紧张。当古思1980年提出他的理论时，他承认：“我仍然担心理论的某些结果会有错误。也害怕我会暴露我是一位缺乏经验的宇宙学家。”但是他的理论是这样地优雅和强大，以至全世界的物理学家都立刻看到它的重要性。诺贝尔奖获得者墨里?盖尔曼（Murray Gellmann）惊呼：“你解决了宇宙学最重要的问题！”诺贝尔奖获得者谢尔登?格拉索（Sheldon Glashow）向古思透露说，史蒂文?温伯格（Steven Weinberg）听到有关膨胀理论时十分激动。古思焦急地问：“史蒂文（Steven）有什么反对意见吗？”格拉索（Glashow）回答：“没有，他只是遗憾怎么自己没有想到。”科学家们问自己，他们怎么没有想到这个简单的解决方案呢？古思的理论得到理论物理学家的热烈欢迎，他们惊叹它的见识。 这对古思工作的前景也产生了影响。一天，因为工作市场的职位紧缺，他眼看就要失业了，他承认：“我处在失业的边缘。”忽然，工作的机会从天而降，许多顶尖大学都向他提供职位。（但是，不是来自他的第一选择——麻省理工学院。但这时他读到一段有关人生的格言：“如果你不胆怯，机会就在你的面前。”这给了他勇气打电话给麻省理工学院，要求一份工作。当几天后麻省理工学院打电话给他，答应给他一个教授的职位时，他惊呆了。他读到另一段格言：“不要在冲动时采取行动。”他没有理睬这个劝告，决定接受麻省理工学院的职位。）“无论如何，一句中国格言也不能说明一切”，他对自己说。 第十四节 然而，在古思的理论中仍然存在严重的问题。天文学家对古思的理论的兴趣不是很大，因为它在一个方面存在很大的缺陷：它给出错误的奥米伽值估计。奥米伽值大约接近于1可以由膨胀来解释。然而，膨胀比预计更大，并预计奥米伽值（或奥米伽值〔Omega〕加上拉姆达〔Lambda〕）应精确等于1，才能与平面宇宙相符。在随后的年代里，收集到的实验数据越来越多，在宇宙中找到大量暗物质。奥米伽值轻微移动，上升到03。但这对膨胀理论来说仍可能是致命的。尽管在下一个十年物理学家会写出3 000多篇论文，但对天文学家来说膨胀将仍是一个新鲜的事物。对他们来说，这些数据似乎是排除膨胀理论的。 有些天文学家私下里抱怨，说粒子物理学家被膨胀的美丽外衣所迷惑，甚至可以不管实验数据。（哈佛大学的天文学家罗伯特?P基尔希纳〔Robert PKirshner〕写道：“膨胀理论被学院里牢固占据教授职位的人所称赞，但这个事实并不自然而然地说明它是对的。”牛津大学的罗杰?彭罗斯〔Roger Penrose〕将膨胀理论叫做：“高能物理学家了解宇宙的一种时髦方式……甚至土豚也认为它的后代是美丽的。”） 古思相信：迟早有数据会说明宇宙是平的。但是使他烦恼的是他的原始的描述有一个小的，但至关重要的缺陷，直到今天还不能完全理解。膨胀在理论上可以用来解释一系列深层的宇宙问题。但问题是他不知道怎样关闭膨胀。 想象一壶水加热到它的沸点。就在水开之前，它是瞬时处在高能状态。它要沸腾，但它还不能沸腾，因为需要一些杂质产生气泡。但是一旦气泡产生了，它很快进入真正真空的低能状态，这壶水变得充满了气泡。最终，气泡变得很大，开始结合，直到壶里均匀地充满蒸汽。当所有的气泡合并，从水到蒸汽的相变就完成了。 在古思的原始描述中，每一个气泡代表一片从真空中膨胀出来的我们的宇宙。但是当古思进行计算时，他发现气泡不能适当地结合，使宇宙成为难以相信的多块状的。换句话说，他的理论让壶里充满了蒸汽气泡，却不能完全合并成为一壶均匀的蒸汽。古思的一大桶开水似乎永远不能安定下来，变成今天的宇宙。 1981年，俄罗斯PN列别杰夫（PNLebedev）研究所的安德烈?林德（Andre Linde）和宾夕法尼亚大学的保罗?J斯坦哈特（Paul JSteinhardt）、安德里亚?阿尔布雷克特（Andreas Albrecht）发现一个解决这个难题的方法。他们认识到，如果虚假真空的一个气泡膨胀的时间足够长，它就会最终充满整个壶，并产生一个均匀的宇宙。换句话说，我们的整个世界可以是单个气泡的副产品，它膨胀充满宇宙。为了产生均匀的一壶蒸汽不需要大量气泡结合，只要一个气泡就行了，只要它膨胀的时间足够长的话。 再回想一下大坝和虚假真空的类比。大坝越厚，水就需要越长的时间穿过大坝。如果大坝的墙非常厚，那么穿过的时间就会任意地延长。如果宇宙可以膨胀1050倍，那么一个单个的气泡就有足够的时间解决水平线、平面宇宙和单磁极子的问题。换句话说，如果穿过大坝的时间延长得足够长，宇宙膨胀的时间足够长，就能使宇宙变平和稀释单磁极子。但是仍然留有问题：是什么机制能够延长如此巨大的膨胀呢？ 最终，这个棘手的问题成为已知的“见好就收的问题”，即怎样让宇宙膨胀得足够长，使得一个单一的气泡能够创造整个宇宙。到目前至少提出了50个不同的机制来解决这个适当的退出问题。（这是一个令人迷惑的、困难的问题。我自己也试了几个解决方案来解决这个问题。要想在早期的宇宙中产生适度的膨胀是相当容易的。但是要让宇宙膨胀的倍数大到1050是极其困难的。当然，我们也许能够简单地放上一个1050系数，但这是人造的和人为的。）换句话说，人们广泛地相信膨胀过程解决了单磁极子、地平线和平面问题，但是不能精确知道是什么驱动膨胀和怎样将它关闭。 混乱的膨胀理论和平行宇宙 物理学家安德烈?林德（Andre Linde）对无人同意有关见好就收的解决方案并不感到忧虑。林德（Linde）承认：“我只是有这样的感觉，对上帝来说这是一个简化他的工作的绝好机会。” 最后，林德（Linde）提出一个新版的膨胀理论，它似乎消除了老版本的一些缺陷。他想象一个宇宙，在随机的空间和时间点上自发地发生破裂，一个短暂膨胀的宇宙产生了。大多数膨胀的时间很短。但是因为这个过程是随机的，最终将有一个气泡膨胀的时间持续得很长，创造了我们的宇宙。它的逻辑结论是：膨胀是持续的和永恒的，大爆炸始终在发生，一些宇宙从其他宇宙萌生出来。在这个图景中，宇宙可以萌芽产生其他宇宙，创建“多元宇宙”。 在这个理论中，自发破裂可以在我们的宇宙内任何地方发生，从我们的宇宙萌发一个完整的宇宙。它也意味着我们的宇宙也许是从早先的宇宙萌发的。在混乱的膨胀模式中，多元宇宙是永恒的，即使单个的宇宙不是这样。有些宇宙可能有非常大的奥米伽值，大爆炸后就立即挤压破碎。有些宇宙的奥米伽值可能很小，将永远膨胀。最终，多元宇宙被那些巨量膨胀的宇宙所支配。 回顾宇宙学的历程，我们不得不接受平行宇宙的想法。膨胀理论代表传统宇宙学与粒子物理学进展的汇合。粒子物理遵循量子理论，它规定有一个有限的可能性使不太可能的事件发生。因此，只要我们承认有可能创造一个宇宙，我们就打开了有可能创造无限多个平行宇宙的大门。例如，想一想在量子理论中是怎样描述电子的。因为不确定性，电子不是存在于任何单一的地点，而是存在于围绕原子核的所有可能的地点。围绕原子核的电子云代表电子可以同时位于很多地方。这是所有化学的基础的基础，它允许电子将分子捆绑在一起。分子为什么不散开的原因是：平行的电子围绕它们跳动并将它们捆绑在一起。同样，宇宙曾经比一个电子还小。当我们将量子理论应用于宇宙时，我们被迫承认宇宙有同时存在于很多状态的可能性。换句话说，一旦我们打开了将量子波动应用到宇宙的大门，我们就几乎被迫地承认平行宇宙。我们没有更多的选择。 宇宙从无到有 起初，人们也许会反对多元宇宙的观念，因为它似乎违背了已知的定律，如物质和能量守恒定律。然而，一个宇宙的物质和能量的含量实际上可以是很小的。宇宙的物质含量，包括所有星星、行星和星系，是巨大的和正的。然而，重力储藏的能量可以是负的。如果将由于物质产生的正能量和由于重力产生的负能量加在一起，总和可能接近于零！在某种意义上，这样的宇宙是自由的。它们可以毫不费力地从真空中突然冒出来。（如果宇宙是封闭的，宇宙的总能量含量必须精确地等于零。） （要领会这一点，想象一头驴掉进地面的一个大坑里。为了把驴从坑中拉出来必须增加能量。一旦驴被拉出来又站在地面上后，驴的能量被认为是零。因为需要增加驴的能量使它回到能量为零的状态，所以驴在坑中时能量为负。类似地，需要增加能量使一颗行星脱离太阳系。一旦它到了自由空间，行星的能量为零。因为需要增加能量将行星拽出太阳系使它进入能量为零的状态，当行星在太阳系范围内时，它的重力能为负。） 事实上，要创造像我们这样的一个宇宙，也许只需要非常小的净物质量，也许小到1盎司（28.349 5克）。正如古思喜欢说的：“宇宙可以是一顿免费的午餐。”纽约城市大学亨特学院的物理学家爱德华?特赖恩（Edward Tryon）在1973年的《自然》杂志上发表了一篇文章，首先提出了宇宙从无创造的思想。他推测宇宙是由于真空中的量子波动偶尔产生的。（尽管创造宇宙所需要的净物质量可以接近零，这个物质必须压缩到难以想象的密度，正如在第12章将看到的。） 像盘古开天的神话一样，这是宇宙从无到有的一个例子。尽管宇宙从无到有的理论无法用常规的方法证明，它确实能帮助我们回答有关宇宙的很多实际问题。例如，为什么宇宙不旋转？我们周围的一切都在旋转，从陀螺、飓风、行星、星系到类星体。它看上去是宇宙中物质的普遍特性。但是宇宙本身不旋转。当我们观察天空的星系时，它们的旋转相互抵消，总体为零。（这是非常幸运的，在第5章将会看到，如果宇宙的确旋转的话，时间旅行就会成为一个共同的问题，历史就不可能书写。）为什么宇宙不旋转的原因也许是因为我们的宇宙是从无到有产生的。因为真空不旋转，所以在我们的宇宙中就看不到任何净旋转。事实上，多元宇宙内的所有气泡宇宙可能净旋转都为零。 为什么正电荷和负电荷精确地相互抵消呢？通常。当我们思考支配宇宙万物的宇宙力时，我们想得更多的是重力而不是电磁力，尽管与电磁力相比重力是一个无限小的量。原因是正电荷和负电荷完全平衡了。结果宇宙的电荷看上去为零，是重力而不是电磁力支配宇宙。 尽管我们认为这是理所当然的，但是正电荷和负电荷的抵消是十分不寻常的，并且已经得到实验检验，精确到1021分之一。（当然，电荷之间的局部不平衡是存在的，这就是为什么我们总会看到闪电。但是即便是雷电，电荷的总数加起来也为零。）如果你身体内净正电荷和负电荷的差别仅为0000 01%，你就会立刻被撕成碎片，你身体的碎片就会被电力作用抛到外层空间。 对这个持久的谜的回答也许是因为宇宙是从无到有产生的。因为真空没有净旋转和净电荷，从无到有产生的子宇宙也没有净旋转和净电荷。 物质和反物质是这个规则的一个明显的例外［5］。这个例外是为什么宇宙是由物质组成的，而不是由反物质组成的？因为物质和反物质是相反的（反物质与物质的负荷正好相反），我们可以假定：大爆炸一定产生了同样数量的物质和反物质。然而问题是，物质和反物质在接触时彼此抵消产生伽马射线爆发。这样我们就不可能存在了。宇宙就会是伽马射线的随机集合，而不是充满普通的物质了。如果大爆炸是完全对称的（或如果它能从无产生），那么就会形成同样数量的物质和反物质。这样为什么我们能存在呢？俄罗斯物理学家安德烈?萨哈罗夫（Andrei Sakharov）提出的解答是：大爆炸根本不是完全对称的，在创世之初在物质和反物质之间有小量的对称被破坏了，物质相对反物质占优势，才使得我们今天所看到的宇宙成为可能。（在大爆炸时被破坏的对称性叫做CP〔电荷宇称〕对称性，此对称性逆转了物质和反物质粒子的负荷和奇偶性。）如果宇宙是从“无”中产生的，大概“无”不是完全空的，而是有少量对称性的破坏，使得今天物质比反物质占有一些优势。这个对称性破坏的起源还没有找到。 第十五节 其他宇宙会是什么样子 多元宇宙的想法很有吸引力，因为所有要做的假定是自发破裂随机发生。不需要再做其他的假设。每当一个宇宙萌发出另一个宇宙时，物理常数与原来的不同，创造出新的物理定律。如果这是真的，在每个宇宙之内可以出现完全新的现实。于是出现了一个诱人的问题：这些其他的宇宙是什么样子呢？理解平行宇宙物理的关键是要理解宇宙是怎样产生的，即精确地理解自发破裂是怎样发生的。 当宇宙诞生并且自发破裂发生时，它也破坏了原始理论的“对称性”。对一位物理学家来说，“完美”意味着对称和简单。如果一个理论是完美的，这意味着它有强大的对称性，能够以最紧凑和经济的方式解释大量的数据。更精确地说，当我们在一个方程中交换它的成分时，如果该方程保持相同，这个方程就被认为是完美的。找出自然界隐藏的对称性的一个最大益处是：我们可以指出表面上看上去完全不同的现象实际上是同一件事物的不同表现，它们通过对称性连接在一起。例如，电和磁实际上是同一物体的两个方面，因为有对称性，所以它们可以在麦克斯韦方程中相互交换。同样地，爱因斯坦指出相对论可以将空间变成时间和将时间变成空间，说明它们是空间时间结构这同一事物的两个部分。 想象一片有着无穷魅力的六重对称性的雪花。它的美丽来源于将它旋转60度它仍然保持相同。这也意味着，我们描述雪花的任何方程也应当反映这个事实，在旋转多个60度时它保持不变。在数学上，我们说雪花有C6对称性。 对称性将自然界隐藏的美丽编成密码。但是在现实中，今天这些对称性被可怕地破坏了。宇宙中四种主要的力彼此根本互不相像。宇宙充满了不规则和缺陷，包围我们的是原始宇宙的片段和碎片，原始对称性被大爆炸破坏了。因此，理解可能的平行宇宙的关键是理解“对称性破坏”，即在大爆炸后对称性是怎样破坏的。正如物理学家大卫?格罗斯（David Gross）说的：“自然界的秘密是对称，但是世界结构的很多方面是由于对称性破坏机制决定的。” 想象一个美丽的镜子破碎成几千片碎片。原来的镜子具有很好的对称性，无论镜子转任何角度它都以同样方式反射光；但它破碎后，原始的对称性破坏了。精确地确定对称性是怎样破坏的，决定了镜子是怎样粉碎的。 对称性破坏 为了了解对称性破坏，想象一个胚胎的成长。在早期阶段，在怀孕后几天，胚胎由完整的细胞球构成。每个细胞与别的细胞没有什么不同。无论怎么转，看起来都是一样的。物理学家说，这一阶段的胚胎有O（3）对称性，即无论沿什么轴旋转都是相同的。 尽管胚胎是美丽的和优雅的，但它没有什么用处。一个完善的胚胎球不能执行任何功能或与环境相互感应。然而，过了一段时间胚胎的对称性破坏了，长出一个小头和一个像保龄球腿的螺旋形柱。尽管原来的球形对称现在破坏了，胚胎仍然有残余的对称性，如果沿着它的轴转动它，它仍然是相同的。这样，它就具有了圆柱对称性。数学上，我们说原来的球形O（3）对称性变为圆柱体的O（2）对称性。 然而，O（3）对称性的破坏可以以不同的方式进行。例如五星鱼没有圆柱对称性或双侧对称性，当球形对称破坏时，它有C5对称性（即旋转72度保持相同），使它具有五角星的形状。因此，O（3）对称性破坏的方式决定了生物体诞生的形状。 类似地，科学家相信宇宙开始时是处于完全对称的状态，所有的力统一成单一的力。宇宙是完美的、对称的，但也是没有用的。我们所知的生命不可能生存在这种完美的状态下。为了使生命有可能存在，宇宙在冷却时它的对称性不得不破坏。 对称性和标准模式 同样，要想理解平行宇宙会是什么样子，我们必须首先了解强、弱、和电磁相互作用的对称性。例如强力依赖于3个夸克，科学家将它们标上假想的“颜色”（例如，红、白、蓝）。交换这3种颜色的夸克，如果方程保持不变，我们说这个方程有SU（3）对称性，即重新组合这3个夸克，方程保持相同。科学家相信，有SU（3）对称性的方程能最精确描述强相互作用（叫做量子色动力学）。如果我们有巨大的超级计算机，仅仅从夸克的质量和它们相互作用的强度出发，就能在理论上计算质子和中子的所有性质，以及核物理的所有特性。 类似地，我们看电子和中微子这两个轻子的情况。如果在方程中交换它们，方程保持不变，我们说该方程有SU（2）对称性。 再看光的情况，它有U（1）对称性。（这个对称组合将光的各个分量或极性重新编组。）因此，弱力和电磁力相互作用的对称组合为SU（2）×U（1）。 如果将这三个理论简单地黏合在一起，就会毫不奇怪地有SU（3）×SU（2）×U（1）对称性。换句话说，即它是分别混合3个夸克和混合2个轻子，但夸克和轻子不相互混合的对称性。得出的理论是标准模式理论，正如前面我们看到的，它大概是所有年代中最成功的理论。正如密歇根大学的戈登?凯恩（Gordon Kane）所说：“我们世界发生的一切（除去重力的影响）都是从标准模式粒子相互作用产生的……”标准模式理论的某些预计已在实验室进行了测试，证明是成立的，精度在一亿分之一。（事实上，总共20个诺贝尔奖授予了研究标准模式各个部分的物理学家。） 最后，人们也许能够构造一个将强力、弱力和电磁力相互作用联合在一起的单一的对称性理论。最简单的GUT理论能够做到这一点，它能同时彼此交换所有5个粒子（3个夸克和2个轻子）。与标准模式的对称性不同，GUT对称性能将夸克和轻子混合在一起（这意味着质子可以退化成电子）。换句话说，GUT理论包含SU（5）对称性（组合所有5个粒子，即3个夸克和2个轻子）。很多年来，人们也分析了很多其他的对称组合，但是SU（5）大概是能够拟合数据的最小组合。 当自发破裂发生时，原来的GUT对称性可以以各种方式破坏。一种方式是，GUT对称性破坏成SU（3）×SU（2）×U（1），正好需要19个自由参数描述我们的世界，产生我们已知的世界。然而，GUT对称性的破坏可以有很多方式。其他的宇宙很可能有完全不同的残余对称性。最低限度，这些平行宇宙可能会有不同数值的这19个参数。换句话说，在不同的宇宙中各种力的强度可能是不同的，使宇宙的结构产生巨大的变化。例如，核力强度减弱将阻止星星的形成，使宇宙留在永久的黑暗中，让生命不可能存在。如果核力太强，星星燃烧它的核燃料就会太快，没有足够的时间形成生命。 对称组合也可能改变，产生完全不同的宇宙粒子。在这些宇宙中质子可能是不稳定的，并会迅速衰变成反电子。这样的宇宙不可能有我们所知道的生命，但会迅速地分解成没有生命的电子和中微子的雾。其他的宇宙还可以以另外的方式破坏GUT的对称性，产生更稳定的粒子，如质子。在这样的宇宙中，可能存在大量奇怪的新的化学元素。在这些宇宙中的生命比我们要更复杂，因为有更多的化学元素可能创造类似DNA的化学物质。 原始的GUT对称性也可以以另一种方式破坏，产生多于一个的U（1）对称性，即多于一种形式的光线。这的确将是一个奇怪的宇宙，在这个宇宙中，生物不只是用一种类型的力，而是用几种类型的力来观察。在这样的宇宙中，生物可能有各种接收器检测各种形式的类似于光的辐射。 毫不奇怪，可能有几百种，甚至无限多种方式破坏这些对称性。每一种可能的解决方案会产生相应的完全不同的宇宙。 可检测的对称性 不幸的是，在目前多元宇宙理论中，有着不同物理定律的多个宇宙存在的可能性无法检测。人们不得不跑得比光还要快才能到达其他的宇宙。但是膨胀理论的一个优势是，它预计了我们宇宙的性质，这个宇宙是可以检测的。 膨胀理论是一个量子理论，它基于量子理论的基石海森堡测不准原理。（测不准原理说，不可能无限精确地测量电子的速度和位置。不管仪器多么灵敏，测量中总有不确定性。如果知道电子的速度，就不能知道它的精确位置;如果知道它的位置，就不能知道它的精确速度。） 将测不准原理应用到开始大爆炸的火球，这意味着原始的宇宙爆炸不可能是无限“光滑的”。（如果它是完全均匀的，那么我们就能精确知道从大爆炸发出的亚原子的轨迹，这就违背了测不准原理。）量子理论让我们能够计算在原始火球中这些波纹或波动的大小。然后膨胀这些小量的量子波动，就可以计算我们看到的大爆炸后380 000年的微波背景辐射。（如果我们将这些波动膨胀到今天，就应该发现星系群的当前分布。我们的星系应该包含在这些小的波动的一个波动中。） 开始时，科学家从表面上查看从COBE卫星得到的数据，没有发现微波背景辐射的偏离或波动。这在物理学家中间引起一些忧虑，因为完全光滑的微波背景辐射不仅背离膨胀理论，也背离整个量子理论，背离测不准原理。它将动摇物理学最核心的内容。20世纪量子理论的整个基础也许不得不抛弃。 经过艰苦细致的分析科学家才松了一口气，从计算机增强的COBE卫星数据中找到了模糊的波动，温度的变化为十万分之一，这是量子理论能容忍的最小的偏离量。这些无穷小的波动是与膨胀理论一致的。古思承认：“我完全被宇宙背景辐射迷住了。信号是如此之弱，在1965年以前一直没有检测到，现在背景辐射波动的测量精度竟达到十万分之一。” 尽管收集到的实验证据慢慢地支持膨胀理论，但科学家仍然不得不解决恼人的奥米伽值问题，即事实上奥米伽值为03而不是10。 超新星——回到拉姆达 最后得出膨胀理论与科学家搜集的COBE数据是一致的，但是在20世纪90年代，天文学家仍在抱怨膨胀理论得出的奥米伽值明显背离实验数据。第一次高潮是在1998年，它是从完全意外的方向得到的数据引起的。天文学家试图重新计算在遥远的过去宇宙的膨胀速率。他们不是分析哈勃在20世纪20年代分析的造父变星，而是考察过去的几十亿光年的遥远星系中的超新星。他们特别考察了Ⅰa型超新星，它理想地适合用做标准烛光。 天文学家知道这种类型的超新星几乎有同样的亮度。（Ⅰa型超新星的亮度被知道得非常清楚，甚至它们的亮度的微小偏离也能标定：超新星越亮，亮度的衰退越慢。）这样的超新星是在双星系统中的白矮星慢慢吸收它的伴星的质量中产生的。这颗白矮星吸收它的伴星的质量，逐渐达到太阳质量的14倍，这是白矮星能够达到的最大质量。当它们超过这个极限时就会收缩和爆炸形成Ⅰa型超新星。这个触发点就是Ⅰa型超新星的亮度为什么非常均匀的原因，它是白矮星达到精确质量然后在重力作用下收缩的自然结果。（正如苏布拉马尼扬?钱德拉塞卡尔〔Subrahmanyan Chandrasekhar〕在1935年指出的，在白矮星中使这颗星星收缩的重力和电子之间的叫做“费米尔”的排斥力相平衡。如果白矮星的重量超过太阳的14倍［6］，那么重力超过费米尔力，星星收缩形成超新星。）因为遥远的超新星是在早期宇宙发生的，分析它们就能计算几十亿年前宇宙的膨胀速率。 第十六节 两个独立的天文学家小组（以超新星宇宙项目的索尔?佩尔穆特〔Saul Perlmutter〕和高Z超新星搜索小组的布赖恩?P施密特〔Brian PSchmidt〕为首）希望发现：宇宙尽管仍在膨胀，但是在逐渐减慢。对于几代天文学家，这是一种信念，每天在天文学的课堂上都是这样教的，即原始的膨胀在逐渐减慢。 在分析了十几个超新星之后，他们发现早期宇宙的膨胀不是像原来想象的那么快（即超新星的红色偏移和它们的速度比原来想象的小）。比较早期宇宙与现在宇宙的膨胀率，他们得出结论：今天的膨胀率比较大。使他们吃惊的是，这两组得出同样令人惊骇的结论，即宇宙膨胀在加速，以指数形式在加速膨胀。 使他们灰心的是，他们发现无论用任何奥米伽值（Omega）都不能拟合数据。拟合数据的唯一办法是在理论中重新引入拉姆达值（Lambda），即爱因斯坦首先引入的真空能。此外，他们发现在宇宙以西特尔（Sitter）类型的指数方式加速膨胀中，拉姆达（Lambda）的数值要大大超过奥米伽值。两组独立地得出这个令人吃惊的事实，但是犹豫不决地没有立刻发表他们的发现，因为强烈的历史偏见认为拉姆达值为零。正如基特山（Kitt’s Peak）天文台的乔治?雅格布（George Jacoby）所说：“拉姆达值始终是一个公认的概念，谁要说它不等于零，就会被认为是疯了，是胡言乱语。” 施密特（Schmidt）回忆道：“我仍然在摇头，但是我们校核了一切……我是非常勉强地告诉人们这个结果，因为我相信我们将会遭到谴责。”然而，当两个小组在1998年同时公布他们的结果时，他们收集到的堆积如山的数据难以被驳倒。拉姆达值，在现代天文学中几乎被完全遗忘的爱因斯坦的这个“大错误”，在藏匿了90年后现在又令人注目地再度走红。 物理学家哑口无言。普林斯顿高级学术研究所的爱德华?威腾（Edward Witten）说：“它是自我从事物理学研究以来最奇怪的实验发现。”当奥米伽值03加上拉姆达值07时，总和等于膨胀理论预计值10（在实验误差范围内）。像一块七巧板在我们的眼前拼凑在一起，宇宙学家看到了丢失的膨胀部分，它来自真空本身。 WMAP卫星惊人地重新证实了这个结果，它证明和拉姆达值有关的能量，或暗能量，占宇宙所有物质和能量的73%，成为七巧板主要的一块。 宇宙的相 WMAP卫星的最重要贡献，大概是它使科学家相信他们正朝着宇宙的“标准模式”前进。尽管还存在巨大的差距，天体物理学家开始看到从这些数据得出的标准模式的轮廓。根据现在拼凑在一起的图片，当宇宙冷却时宇宙的演变经过了截然不同的相变。从一个相过渡到另一个相代表系统的破裂和自然力的分解。今天我们知道宇宙演变经过以下阶段和里程碑： 1． 10－43秒前——普朗克时期 在这个时期几乎什么都没有，它叫做“普朗克时期”。在这个时期，能量达1020亿电子伏特，重力和其他量子力一样强。结果，宇宙的四种力或许统一成一个单一的“超力”。宇宙大概存在于一个“虚无”的完美的状态，或真空的高维空间中。神秘的对称性将所有四种力混合，使方程保持相同，此对称性为“超对称性”（关于超对称性的讨论见第7章）。由于不知道什么原因，这个统一所有四种力的神秘的对称性破裂了，形成了一个小气泡，即我们的胚胎宇宙。这也许是随机的量子波动的结果。这个气泡的尺寸为“普朗克长度”，10－33厘米。 2． 10－43秒——GUT时期 对称性破裂发生，使气泡快速膨胀。当气泡膨胀时，四种基本力彼此迅速分开。重力是第一个从其他三种力中分出去的，在整个宇宙中释放出冲击波。超力的原始对称性破裂为较小的对称性，也许包含GUT对称性SU（5）。剩余的强力、弱力和电磁相互作用仍然被这个GUT对称性统一在一起。在这个阶段宇宙以1050的巨大系数迅速膨胀，由于不能理解的原因，空间的膨胀速度比光速还要快。温度为1032度（K）。 3． 10－34秒——膨胀结束 温度降到1027度（K），这时强力与其他两种力分离。（GUT对称性降到SU（3）×SU（2）×U（1）。）膨胀期结束，宇宙进入滑行式的标准弗里德曼扩充期。宇宙由夸克、胶子和轻子热乳浆液组成。自由的夸克浓缩成今天的质子和中子。我们的宇宙仍然很小，只有目前太阳系的大小。物质和反物质互相抵消，物质微微超过反物质（十亿分之一），超过的量形成我们今天看到的周围物质。（这个能量范围是我们希望在今后几年粒子加速器，大型强子对撞机能够复制出的能量范围。） 4． 3分钟——核子形成 温度降到足够低，核子形成而不会由于强烈的高温而撕开。氢熔合成氦（产生今天我们看到的75%的氢和25%的氦的比例）。微量元素锂形成，但是更高元素的熔合停止，因为有5个粒子的核子太不稳定。宇宙是模糊一片，光线一产生就被吸收。这标志着原始火球结束。 5． 380 000年——原子诞生 温度降到3 000度（K）。电子固定在核的周围，不被高温撕开，原子形成。这时光子可以自由传播而不被吸收。这就是COBE和WMAP测量到的辐射。曾经是模糊一片充满等离子体的宇宙现在变得透明。天空不再是白的，变成黑的。 6． 10亿年——星星浓缩 温度降到18度（K）。类星体、星系和银河星团开始浓缩，大部分是原始火球微小量子波动的副产品。矮星开始“烹调”轻元素，如碳、氧和氮。爆炸的星将铁以后的重元素喷向天空。这是哈勃空间望远镜能够探测到的最远的时期。 7． 65亿年——德?西特尔膨胀 弗里德曼扩张逐渐结束，宇宙开始加速膨胀，进入叫做西特尔（Sitter）扩张的加速阶段，它是被神秘的还不能理解的反重力驱动的。 8． 137亿年——今天 现在。温度降到27度（K）。我们看到当前的由星系、星星和行星构成的宇宙。宇宙在继续以一种散开的模式加速扩张。 将来 尽管膨胀理论今天有能力解释许多有关宇宙的秘密，但是还不能证明它是正确的。（此外，在第7章我们将看到，近来也提出了相反的理论。）超新星的结果要检查再检查，要考虑在超新星产生时的灰尘和异常物等因素。大爆炸瞬间产生的“重力波”是“重要证据”，它将最终证实或驳斥膨胀理论。这些重力波像微波背景辐射一样仍然在宇宙中回荡，也许会被重力波探测器实际探测到，正如我们将在第9章看到的。膨胀理论做出了有关这些重力波性质的预计，这些重力波探测器应该能够发现它们。 但是我们不能直接检验膨胀理论最引人入胜的预计之一。这就是在多元宇宙中存在“子宇宙”，每个子宇宙的物理定律多少有些不同。要理解多元宇宙的意义，重要的是要首先理解膨胀理论充分利用了爱因斯坦方程和量子理论的奇异的结果。在爱因斯坦理论中，有多元宇宙存在的可能性，在量子理论中，有贯通多元宇宙的可能方法。在一个新的叫做“M理论”的框架内，我们可能找到最终能解决所有这些有关平行宇宙和时间旅行的问题。 第二部分 多元宇宙 以下内容缺 本人下载的网址是：http://www.cqph.com/read/Search.aspx?cls=17 哪位大大有书或者有钱可以把它补全