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大爆炸宇宙学
   2006-06-13      作者:
  道生一,一生二,二生三,三生万物。  ——《道德经》

  创生之爆炸

  宇宙诞生之前,没有时间,没有空间,也没有物质和能量。大约150亿年前,在这片四大皆空的“无”中,一个体积无限小的点爆炸了。时空从这一刻开始,物质和能量也由此产生,这就是宇宙创生的大爆炸。

  刚刚诞生的宇宙是炽热、致密的,随着宇宙的迅速膨胀,其温度迅速下降。最初的1秒钟之后,宇宙的温度降到约100亿度,这时的宇宙是由质子、中子和电子形成的一锅基本粒子汤。随着这锅汤继续变冷,核反应开始发生,生成各种元素。这些物质的微粒相互吸引、融合,形成越来越大的团块,并逐渐演化成星系、恒星和行星,在个别天体上还出现了生命现象。然后,能够认识宇宙的人类终于诞生了。

  这幅大爆炸图景,是目前关于宇宙起源最可能的一种解释,被称为“大爆炸模型”。大爆炸理论诞生于20世纪20年代,在40年代得到补充和发展,但一直寂寂无闻。直到50年代,人们才开始广泛注意这个理论,不过也只是觉得它很好玩,并不信服。人们更愿意认为,宇宙是稳定的、永恒的。

  但是,越来越多的证据表明,大爆炸模型在科学上有强大的说服力,至少现在没有比它更好的理论。我们不得不相信,宇宙有一个开始,也将有一个终结。它产生于“无”,或许也终将回归于“无”。

  沉寂的永恒

  在人类历史的大部分时期,有关创世的问题,一向是留给神去解决的。宇宙起源于何处?终点又在哪里?生命如何产生?人类怎样出现?对这些疑问,许多宗教都能给出一份体系完备的答案。至于上帝从哪里来,这种问题是不该问的。直到最近几个世纪,人们才开始学着把神撇开,以超越宗教的角度,去思考世界的本源。这样一来,就有一个重大的原则性问题需要解决:宇宙是永恒存在的,还是有起始的?

  这个问题长久以来一直困扰着科学家、哲学家和神学家,更不用说普通人。不同版本的宗教和神话都认为世界是有起始的,并把创世的时间定在不太遥远的过去——一般是几千年前。这当然不足为信,因为后来地质和天文观测都表明,地球和其它天体年龄大到在以亿年来计。如此长的时间实在难以想象,因此很多人倾向于认为宇宙一直存在,在时间上没有起源,即宇宙的年龄是无穷大。无穷大这个概念,一听就让人头昏脑胀:既然已经过去了无穷久的时间,我们的“现在”又是什么呢?而如果说宇宙是有起始的,那么它是怎样从“无”中突然产生的呢?我们真的需要一个创世的上帝吗?

  以人类短暂生命中获得的知识,要完全弄明白这些是很难的。不过,我们可以从科学上寻求一些佐证,来尽量靠近真理。大爆炸模型的一个基本假设是宇宙的年龄有限,这个说法令人信服的直接理由,来自物理学中一条最基本的定律——热力学第二定律。这条科学史上最令人伤心绝望的定律,冥冥中似乎早已规定了宇宙的命运。

  简而言之,第二定律认为热量从热的地方流到冷的地方。对任何物理系统,这都是显而易见的特性,毫无神秘之处:开水变凉,冰淇淋化成糖水。要想把这些过程颠倒过来,就非得额外消耗能量不可。就最广泛的意义而言,第二定律认为宇宙的“熵”(无序程度)与日俱增。例如,机械手表的发条总是越来越松;你可以把它上紧,但这就需要消耗一点能量;这些能量来自于你吃掉的一块面包;做面包的麦子在生长的过程中需要吸收阳光的能量;太阳为了提供这些能量,需要消耗它的氢来进行核反应。总之宇宙中每个局部的熵减少,都须以其它地方的熵增加为代价。

  在一个封闭的系统里,熵总是增大的,一直大到不能再大的程度。这时,系统内部达到一种完全均匀的热动平衡的状态,不会再发生任何变化,除非外界对系统提供新的能量。对宇宙来说,是不存在“外界”的,因此宇宙一旦到达热动平衡状态,就完全死亡,万劫不复。这种情景称为“热寂”。

  宇宙正在缓慢地、但坚定不移地走向这种不可抗拒的命运,几代智者为此怀疑人类的存在是否有意义。暂且抛开这种沮丧的情绪,作一个简单的推理,我们就可以发现,宇宙不可能有无限的过去。很简单,如果宇宙无限老,那它早就已经死了。以有限速率演变的东西,是不可能永远维持下去的。换句话说,宇宙必然是在某个有限的时间之前诞生的。

  星辰远去

  第二定律明示了宇宙有起始,19世纪的一些科学家曾模模糊糊地谈到过这个结论,如英国科学哲学家威廉·杰文斯在1873就曾提出应该有一个“创世”的时刻。不过大多数科学家都忽视了这个推论,它只是在后来成为大爆炸模型的佐证之一。该模型的提出,最早的理论基础是爱因斯坦广议相对论,实证基础则是19世纪末、20世纪初的天文观测。

  大家都非常熟悉多普勒效应,最常见的例子是火车通过的汽笛声:当火车快速接近我们时,汽笛的音调升高,远去时音调则降低。音调的变化是由于声波相对于我们的频率发生了变化。

  多普勒效应不仅适用于声波,也适用于光波。当运动光源的光波到达我们的眼睛时,光波的频率也会发生相应的改变。如果光源向着我们运动,我们看到的光就会向光谱的高频端(紫端)偏移;反之,如果光源离我们远去,光波就会向光谱低频端(红端)偏移。

  多普勒效应是奥地利天文学家多普勒在1842年首先发现的。它首先被用于观察太阳和行星的自转。1968年,英国天文滂学家W·哈金斯首次应用此原理测量了天狼星的视向速度,并宣布它正以每秒47公里的速度离我们远去。这一数字不算精确,但基本结论是对的。此后,各国天文学家对其它恒星乃至河外星系进行了大量类似的观测。结果发现,星系光谱有普遍的红移现象。除了几个最近的星系外,所有的星系都在离我们远去。

  1929年,天文学家埃德温·哈勃提出,这些星系的退行速度在有规律地增加,一个星系的退行速度与其距离成正比。这个规律叫做哈勃定律,它很快就为天文观测所证实。

  离我们越远的星系远去得越快,为什么为这样呢?设想一个表面涂满小点的气球,当气球膨胀时,小点便各自远离。假设有个小人站在任一点上,在它看来,其它所有的点似乎都在离它远去,而且离它越远的点远离得越快。不论它站在哪个点上,效果都是一样的。(这也意味着,哈勃定律决不表示地球是宇宙的中心)。

  星系这种远去的行为使人们觉得宇宙仿佛是在膨胀,就像膨胀着的气球一样。天文学家现在大都承认了宇宙膨胀这一事实。而且对爱因斯坦广义相对论中“场方程”的解释,能够与膨胀宇宙相符合。    

  爆炸的起点

  既然宇宙一直在不断地膨胀,那么可以合理地设想,它在过去应该比现在小。如果能把宇宙史这部影片倒过来放,我们应该会发现,在很久很久以前的某个时候,所有的星辰都是聚合在一起的,宇宙最初是一个致密的物质核。

  1922年,苏联数学家A·A·弗里德曼首先提出这种可能性。当时哈勃定律还没有提出,弗里德曼完全是通过理论推导得出此结论的。在此之前,爱因斯坦已经发现自己的方程只能描述一个膨胀或收缩的宇宙。但这位科学巨匠缺乏敢于预言宇宙并非静止的自信心,遂强行在方程中引入一个斥力,描述了一个静态宇宙。

  弗里德曼指出,爱因斯坦静态宇宙是极不稳定、不可能维持的,一个膨胀的宇宙虽然听上去有些古怪,却更为合理。爱因斯坦被说服了。年轻的弗里德曼率先预言了宇宙膨胀。可惜天妒英才,弗里德曼未能看到他的理论被哈勃所证实。1925年他因伤寒去世,终年37岁,其成果鲜为人知。

  1927年,比利时天文学家勒梅特独立研究出了类似的膨胀宇宙说。由于宇宙一直在膨胀,所以它在过去某一时刻会体积非常小而密度非常大,这东西被勒梅特称为宇宙蛋。他还提出,宇宙一直在膨胀,并且是从过去的一次超级爆炸开始的;今天的星系就是宇宙蛋的碎片;而星系相互退行,就是很久以前那次爆炸的回波。

  勒梅特的成果在当时也未受人注意,直到更有名望的英国大科学家爱丁顿阐述膨胀宇宙论,才引起科学界的普遍关注。到20世纪30年代和40年代,俄国血统的美国物理学家伽莫夫才真正普及了宇宙起源于爆炸的观念。有趣的是,“大爆炸”(BIG BANG)这个词,是一位大爆炸理论的反对者造的。这位叫霍伊尔的天文学家认为,认同大爆炸模型等于“公然邀请创世理论”,与上帝妥协,不是严肃的科学态度。

  大致说起来,大爆炸模型是这样的:宇宙是不断膨胀的,而且由于引力的作用,膨胀的速度会随时间发生变化。万有引力作用于宇宙一切物质与能量之间,起到刹车的作用,阻止星系往外跑,从而使膨胀速度越来越慢。在诞生初期,宇宙从高密度状态迅速膨胀,随着时间的推移,宇宙体积越来越大,膨胀速度越来越小。将此过程回溯到宇宙创生的那一刻,可以发现当时宇宙体积为零,而膨胀速度为无限大。这就是大爆炸。

  大爆炸是空间、时间、物质与有量的起点。这些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前是什么、什么引起了大爆炸,这些问题在逻辑上就是没有意义的。那以前所有的,只是“无”。

  这个结论让人接受起来很不容易。1948年,两位奥地利天文学家邦迪和戈尔德提出另一种理论,承认膨胀宇宙但否认大爆炸。后来英国天文学家霍伊尔发展并普及了这一被称为“连续创生论”的理论。该理论认为宇宙是稳恒态的;在星系散开的过程中,不断有新的星系从空间中产生出来;形成星系的物质是无中生有的,而且运动速度非常缓慢,用现有技术无法测出。结论是,宇宙总是保持着同一状态,在没有限度的过去和没有限度的未来中,它一直是这样,没有开始也没有结束。

  在十多年的时间里,大爆炸和连续创生论和争论非常激烈,但没有实际的证据来裁决到底哪一个对。在这段时间里,“大爆炸”这个词是一种贬义用语,引申含义是“不严肃”、“可笑”。

  光焰的余辉

  热寂、宇宙膨胀等理论,似都不足以令大多数人信服大爆炸的存在。如果过去某个时候曾发生过一次大爆炸,如此惊天动地的力量是否在今天的宇宙结构上留下了某种印迹?既然有那么多宗教考古学家热衷于寻找伊甸园的旧址、亚当夏娃的文物,科学家是否该去发掘一下宇宙创生的遗迹呢?

  1948年,伽莫夫指导的一位年轻研究生R·A·阿尔弗在他的博士学位论文中提出,宇宙源于约140亿年前的一次大爆炸,并详述了宇宙诞生的最初几分钟里,基本粒子结合成为元素的过程。论文的题目是“化学元素的起源”,发表于《物理评论通讯》杂志上。在这篇文章里,伽莫夫玩了一个文字游戏,将对此项研究并无贡献的物理学家H·贝特的名字添入论文中。这样,论文的三位作者阿尔弗、贝特、伽莫夫的名字,念起来与希腊字母表中头三个字母阿尔法、贝塔和伽马颇为相似。这对一篇谈论宇宙起源的论文来说,实在是再合适不过了。

  这篇论文给出了大爆炸理论的第一个数学模型。此后不久,阿尔弗与另一位科学家赫尔曼一道,在《自然》杂志上发表了另一篇论文,提出了一个证实大爆炸理论的方法。

  按照大爆炸理论,最初的几分钟里,宇宙是一个炽热的火球,到处充满温度高达几十亿度的光辐射。由于此时的宇宙处于热动平衡中,这种辐射具有独特的光谱特征,称为“黑体谱”。随着宇宙的膨胀,辐射的温度不断下降,但仍保留着黑体谱的特征,以及总体均匀性。按照推算,现在的宇宙应存在着温度约为5K的背景黑体辐射。

  这个杰出的预言在当时并未引起重视,而被埋没在浩瀚的物理学文献之中。在没有电脑、没有互联网的1948年,科学家之间的交流无法与今天同日而语。阿尔弗与赫尔曼不是射电天文学家,没办法自己设计出合适的探测器来在太空中搜索大爆炸的残留辐射——即使他们愿意那样做,在那个时代也没有足够的技术力量。而且,在40年代和50年代,在多数物理学家看来,再现宇宙早期史的细节并不是一种严肃的学术活动。

  多年以后,即1965年,美国贝尔实验室的两位无线电工程师A·彭齐亚斯和R·威尔逊,在为跟踪一颗卫星而校准一具非常灵敏的天线时偶然发现,接收器中存在着某种无法消除的噪声。这表明宇宙浸润在一种辐射当中,它相当于在电磁波谱微波波段波长7.35厘米的某种无线电信号,以相同的强度从空间各个方向射向地球,在大尺度上分布非常均匀。其温度约为3K,谱线有完美的黑体谱特征。与此同时,美国普林斯顿大学R·迪克领导的一个科学家小组,独立地重新发现了阿尔弗和赫尔曼早先作过的预言,并着手设计一台探测器供搜索大爆炸的残余辐射。他们听说了贝尔实验室发现的这种辐射之后,立即将它解释为大爆炸后原初宇宙高热的遗迹,即大爆炸火球黯淡下去的最后光芒。

  由于这种背景辐射频率集中在微波波段,因此被称为微波背景辐射。大多数天文学家都认为,它的发现为大爆炸理论提供了结论性的依据。大多数人因此而接受了大爆炸曾经发生的说法,抛弃了连续创生论。因为这项发现,彭齐亚斯和威尔逊获得了1978年诺贝尔物理学奖。然而,最早对微波背景辐射作出预言的阿尔弗和赫尔曼,却未因此获得荣誉,甚至在许多总结大爆炸理论发展史的文献中被遗忘。

  还应当提及的是,在1983年,人们开始获悉苏联无线电物理学家什茂诺夫或许早在1958年就发现了这种辐射,并用俄文公布了这一事实。什茂诺夫建造了一具对微波信号敏感的天线,并报道探测到了某种在天空中各个方向上均匀的信号,与之相当的辐射具有的温度在1K到7K之间。当时无论是他本人或是其他任何人都不清楚这项发现的重要性。事实上,什茂诺夫直到1983年才闻知大爆炸的预言及彭齐亚斯和威尔逊的发现,这已是他们两位获得诺贝尔奖五年后的事情了。像阿尔弗和赫尔曼一样,什茂诺夫亦未能获得应有的荣誉,科学史上往往颇多此种遗憾。

  最初三分钟

  大爆炸是什么时候发生的呢?由于红移容易测量,所以我们相当确切地知道星系退行的速度。但确定宇宙的年龄,我们还必须确定星系的距离。距离越大,星系退行到现在位置所需的时间也越长。但距离并不容易确定出来。科学界对宇宙的年龄有不同说法,大体在100-200亿间之前,比较通行的说法是150亿年。我们并不确切地知道大爆炸已经过去了多久,倒是对大爆炸刚刚发生之后1秒到几分钟的时间里发生的事了解得更多。

  最初的1秒钟是宇宙史上的一道分水岭。在此时刻以后,宇宙的温度已降到一定程度,能用我们现有的物理知识来描述,从而获得一幅大致准确的宇宙鸟瞰图。而在1秒钟之前,致密、高热的宇宙是一堆人类尚无力了解其行为的粒子,现有的物理规律不足以描述其行为。这是黑箱式的1秒钟。

  在1秒钟之前,宇宙中应该存在着等量的质子和中子,因为弱相互作用会使质子与中子相互转化,维持其数目的平衡。但到了1秒钟时,膨胀速度变得太大了,弱相互作用不能再维持质子与中子数的平衡。由于中子比质子稍重一些,质子转变为中子需要消耗较多能量,比中子转变为质子困难一些。然后,弱相互作用停止,中子和质子不再大量互相转换,留下的中子与质子相对数目有一个确定的比值——大概是1比6。

  在最初1秒过后、3分钟之内,中子和质子进行剧烈的聚合反应,形成氘核、氦核和锂核,主要是形成氦核。这个过程用完了所有的中子,余下的质子就成了氢原子核。3分钟过后,宇宙的温度降到10亿度以下,物质密度也迅速下降,这类核反应遂告中止。计算表明,最初三分钟里大约有22-24%的物质形成的氦4,剩下的物质几乎全部保持氢的形式,仅有十万分之几成为氦3和氘,还有百亿分之几成为锂。

  因此,大爆炸模型预言宇宙中应有22-24%的物质为氦,余大绝大部分为氢。最初三分钟里形成的氢和氦,构成了宇宙中99%以上的物质。形成行星和生命的丰富多彩的重元素,只占宇宙总质量的不到1%,它们大部分是在大爆炸之后很久于恒星的内部形成的。

  对宇宙各处的氦、氘及其它元素等的观测,极好地证实了上述丰度值的普适性。简单的大爆炸模型与严格的天文观测间形成了美妙的一致。这一预言是大爆炸图景最大的成功。

   时空尽头

  大爆炸模型并不是终极真理。它只是现有宇宙起源理论中最好的,但仍有许多难题未能解决。例如最初三分钟过后的许多年里,物质如何聚集成团形成星系、恒星,依旧是一个模糊的过程。此外,把“大爆炸之前是什么”简单地归为逻辑上不合理的问题而不予回答,虽然很高明却似乎有点不负责任。

  对于大爆炸模型,科学界目前存在的一个主要分岐在于,宇宙是“开放”的,抑或是“闭合”的。这个问题关联到宇宙的终结。

  根据推断,宇宙的形成距今约100-200亿年。天文观测表明,各种天体的年龄均小于200亿年,这与大爆炸理论符合得很好。我们的地球大概是50亿年前形成的,至于人类出现的历史便短得不值一提了。宇宙现在还算得上年轻,担忧末日来临,对单个人来说是十分无聊的事。然而,为全人类的命运想一想这个问题,还是有必要的。

  按照大爆炸模型,宇宙在诞生后不断膨胀,与此同时,物质间的万有引力对膨胀过程进行牵制。如果宇宙的总质量大于某一特定数值(临界质量),那么总有一天宇宙将在自身引力的作用下收缩,造成与大爆炸相反的“大坍塌”,这样的宇宙是“闭合”的。如果宇宙总质量小于这一数值,则引力不足以阻止膨胀,宇宙就将永远膨胀下去,即“开放”的。

  开放宇宙和闭合宇宙两种理论都很流行,且相持不下。这是因为给宇宙过磅实在过于困难,无论从实际观测或理论推导上都不易实现。最近几年,天文观测结果似乎更多地支持开放理论,即宇宙总质量太轻,达不到引起收缩的临界质量;甚至有人声称发现了造成宇宙加速膨胀的“反引力力”。不过,这些结果没有一项是决定性的。

  有趣的是,科学家发现,无论宇宙是开放或闭合的,它都必须非常接近临界质量。如果质量太大造成引力太大,宇宙便会在膨胀后不久就开始收缩,活不了太长。这样,恒星还来不及形成,生命和人类就更不用提。如果宇宙质量太小,宇宙就会膨胀得太快,物质很快就变得非常稀薄,不足以聚集成恒星、星系,生命也不会产生。在这两类宇宙里,都不会产生人类这种对宇宙起源寻根究底的麻烦东西。或许在某些地方存在着与临界质量相距很远的宇宙,但既然眼前这个宇宙里有我们的存在,那末它的质量必须与临界质量相差不大。这个事实无形中使确定宇宙是开放或闭合更为困难——我们需要非常精确的数据来确定宇宙的质量到底是大于或小于临界质量。

  因此,我们不得不对两种未来都进行一下预言。

  如果宇宙永远膨胀下去,在非常遥远的将来——譬如1亿亿亿年以后,所有的恒星都已燃烧完毕,茫茫黑暗中,潜伏着一些黑洞、中子星等天体。宇宙的尺度已经膨胀到今天的1亿亿倍,而且还在扩张下去。在这个系统里,引力不足以使膨胀停止,但不动声色地消耗着系统的能量,使宇宙缓慢地走向衰亡。黑洞在霍金效应的作用下释放出微弱的辐射,最终全都以光和热的形式蒸发掉。足够长的时间之后,连质子这样稳定的基本粒子也衰变、消亡了,宇宙最终变成一锅稀得难以置信的汤,其中有光子、中微子,越来越少的电子和正电子。这些粒子缓慢地运动,彼此越来越远,不会再有任何基本物理过程出现。这是寒冷、黑暗、荒凉而空虚的宇宙,它已经走完了自己的历程,面对的是永恒的生命,抑或永恒的死亡。这种情景,与传统意义上的“热寂”并不相同,荒凉程度却甚为相似。

  如果宇宙质量大于临界质量,终有一天开始收缩,又将何如呢?在大尺度上,收缩过程与大爆炸后的膨胀是对称的,像一场倒放的电影,收缩的过程起初很慢,随后越来越快。在从膨胀到收缩的转折点过后,宇宙的体积开始缩小,背景辐射温度上升。漆黑寒冷的宇宙变成一个越来越热的熔炉,生命无处可逃,全都被煮熟烤焦。最后,行星、恒星也毁灭了,分布在如今浩瀚空间里的物质被挤进一个很小的体积中,最后三分钟来临了。

  温度变得如此之高,连原子核也被撕毁,宇宙又成了一锅基本粒子汤。然而这种状态也只能生存几秒钟的时间。在最后的1秒钟里,质子和中子也无法区分,挤成一堆由夸克构成的等离子体。在最后的时刻里,引力成为占绝对优势的作用力,它毫不留情地把物质和空间碾得粉碎,时空曲率不断加大。在这场“大坍塌”中,所有的物质都不复存在,一切“存在”的东西,包括时间和空间本身,都被消灭。剩下的只有一个时空奇点。

  这就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中诞生于无的宇宙,此刻也归于无。多少亿年的辉煌灿烂,连一丝回忆也不会留下。

  碧声注:从前给《环球》杂志写过一篇较短的同题目文章,蒙诸位网友青眼四处转载。后经补充成为现在这篇,算是2.0版。不过其中仍颇有些地方经不起推敲,如热寂问题与宇宙的结局等。正在努力读书,也许有一天会拿出一个更好的版本来罢。

  田园将芜,雨雪载途,胡为乎泥中。       
 
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