从太初开始的旅行-旅行到时空边缘

2023-09-17 理论教育版权反馈

【摘要】：第22章太初追溯到138亿年前的起始状态我们终于追溯到了宇宙的源头—138亿年前。伽莫夫认为，宇宙最初是由基本粒子组成的一个“原始大火球”，温度极高，压强极大，基本粒子几乎全部都是中子，由于空间膨胀，温度随之下降，一部分中子衰变转化为质子，质子和中子通过核聚变，形成由轻到重的各种化学元素。

第22章　太初

追溯到138亿年前的起始状态

我们终于追溯到了宇宙的源头—138亿年前。

随着反向追溯，宇宙必然会越来越小。

最终的源头会是什么样子呢？

这类似要回答那个永恒的追问：“我们从哪里来？”

谜底也许永远无法揭晓，但人类可以一步步逼近它。

勒梅特的原初原子

1927年，比利时神父勒梅特发表了用广义相对论研究宇宙的第一篇论文，结论是宇宙空间在膨胀，空间的膨胀会使遥远天体射来的光发生红移，红移的大小正比于距离，这实在是非常独到而深刻的见解，这时候哈勃定律还没有发表。然而和勒梅特一贯的谦虚品质一样，他的论文发表在一家默默无闻的刊物上，没有激起一点浪花。

1931年，勒梅特又发表了一篇用相对论研究宇宙起源的论文。勒梅特设想，一个膨胀的宇宙在过去跟现在一定有很大不同。在很古老的过去，星系与星系之间的距离必定小得多；而在宇宙的最初，所有物质必然都聚在一起，那时宇宙的密度肯定非常高，大概跟原子核的密度一样高，勒梅特称之为原初原子。随着宇宙的膨胀，原初原子分裂开来，成为各种原子，这些原子再形成后来的天体。

哈勃定律的发表大大激励了勒梅特的信心。1931年爱因斯坦访问威尔逊山时，勒梅特专门赶到威尔逊山拜见爱因斯坦，向他陈述自己用广义相对论计算的宇宙初始状态：宇宙从一个“原始原子”开始，不断分裂膨胀，如同一颗小小的果实，长成一棵参天大树，他并以哈勃的观测为证，说明宇宙是创生于“没有昨天的那一天”。爱因斯坦说：“这是我所看到过的最美丽的结果。”而在1927年，爱因斯坦还对勒梅特的膨胀宇宙观感到厌恶。

伽莫夫的原始大火球

美籍俄裔科学家伽莫夫的看法和勒梅特相反，他认为宇宙元素不是由最初“原初原子”分裂而来，而是由最简单的质子、中子聚变而来。

伽莫夫是个多面手，不仅是一流的科学家，还是优秀的科普作家，被科普界奉为一代宗师；伽莫夫还对生物遗传学说有相当造诣，是最早提出遗传密码模型的人。但伽莫夫最擅长的是核物理，这对理解宇宙最初的元素起源非常必要。

伽莫夫认为，宇宙最初是由基本粒子组成的一个“原始大火球”，温度极高，压强极大，基本粒子几乎全部都是中子，由于空间膨胀，温度随之下降，一部分中子衰变转化为质子，质子和中子通过核聚变，形成由轻到重的各种化学元素。按照理论计算，当宇宙冷却下来后，聚变出来的氦约占全部质量的26％，氢元素约占到74％，其他多种元素只占很小的一部分，这和宇宙实际的元素丰度比基本一致。

伽莫夫的论文1948年4月发表在《物理学评论》上，文章名称为“αβγ”，这是三个研究者名字—阿尔菲、贝特、伽莫夫的第一个希腊字母组合，寓意宇宙的起源。

伽莫夫的理论还作出了一个重要预言：宇宙的空间膨胀一倍，温度会下降一半，宇宙从最初极其高温的状态膨胀到现在，温度已经降到了绝对温度5度，这就是宇宙的背景温度。

“大爆炸”的由来

但英国天文学家霍伊尔反对伽莫夫。伽莫夫的宇宙学理论被称为“大爆炸”，这个名称就是霍伊尔创造的，它的产生颇具戏剧性。

1948年的一天，霍伊尔应英国广播电台邀请介绍宇宙的起源。霍伊尔就想，广播公司只有播音业务，播音时主持人看不到听众，听众也看不到主持人，怎样才能抓住听众的注意力呢？必须选用惊人的字眼，怎样才能一鸣惊人呢？爆炸，对，把伽莫夫的理论描述成一场大爆炸，又生动又形象，很容易引起人们关注。

于是霍伊尔对听众说：“你们可能都已经听说过一种说法，宇宙是久远过去的某个时间，由一次大爆炸形成的，现在我要告诉你们，这是错的。”霍伊尔在节目中反复强调“大爆炸”这个词，还配以逼真的模拟爆炸音，然后质疑道：“如果宇宙起始于一次大爆炸，在那种高温高热状态下产生的辐射，一定会在太空留下某种痕迹，即使已经过去了100多亿年，也应该能找到。可是，有吗？”

霍伊尔本人信奉稳恒宇宙，他和英国天体物理学家邦迪、戈尔德三人一起提出了稳恒态宇宙学说：宇宙是无限的，没有开端也没有终结，在时间上是无始无终的。稳恒宇宙学避免了令人费解的宇宙开端和年龄问题，但它如何解释哈勃发现的星系远离呢？霍伊尔他们也承认宇宙确实在膨胀，但认为不必有一个起点，只是从无限膨胀向无限。但是膨胀总会导致宇宙里的星系越来越稀疏吧，这怎么算是稳恒呢？霍伊尔等人认为，随着宇宙空间的膨胀，会不断有物质产生出来，它们会形成新的星系，从而使宇宙的物质密度维持稳恒不变。它要求物质的诞生率是很低的，只需每年在2～3立方公里的体积内产生相当于一个质子的物质，宇宙物质密度即可保持稳恒。这个产量微乎其微，根本无法验证，同时也动摇了物质不灭定律，但霍伊尔认为一切皆有可能，自己的理论并不比“大爆炸”更荒唐。

稳恒态宇宙曾一度引起轰动，但1960年代发生了转变—大爆炸留下的余温被发现，这本来是霍伊尔质疑“大爆炸”的关键理由，却成了重要支持证据，于是霍伊尔的稳恒态宇宙论很快衰落，由他命名的“大爆炸”宇宙学则迅速走红。

“大爆炸”这个词如此形象生动，对于大爆炸宇宙学的快速普及功不可没。霍伊尔后来说：“要是我当时有所察觉并申请专利，我会干得非常漂亮，而且会赚大钱。”1994年，美国《天空和望远镜》杂志发起了一项竞赛，请读者为“大爆炸”起一个更好的名字。一个月内，收到来自41个国家的13099个名字，少数来自宇宙学家，其他来自幼儿园的孩子，八十多岁的老人以及囚犯、医生等各行各业的人。经过评比，“大爆炸”依然是最后的胜出者。

奇点

根据大爆炸宇宙学，宇宙最初是一个由基本粒子组成的大火球，这个原始大火球又是从哪里来呢？

1960年代的时候，牛津大学的罗杰·彭罗斯利用相对论研究黑洞，他证明，大质量天体塌缩成黑洞后，必然存在一个点，所有物质最后都被压缩到这个点上，这就是黑洞中央的奇点，它是一个半径为零的几何点，物质密度和时空曲率变成无限大。

霍金这时候正在剑桥读博士，他本来想找霍伊尔做导师，但霍伊尔不想招生，于是霍金便跟了席尔玛，席尔玛本来是稳恒态宇宙的支持者，后来转而支持大爆炸理论。霍金找不到好的论文题目，进度很慢，两年时间毫无作为。这时候霍金看到了彭罗斯的成果，他忽发奇想：“如果将彭罗斯的奇点理论应用于整个宇宙，会发生什么情况？”霍金意识到，如果将彭罗斯定理中的时间方向颠倒，坍缩就变成膨胀，这条定理仍然成立，而它正好可以描述膨胀的宇宙。

彭罗斯定理指出，任何坍缩必然终结于一个奇点；

反过来则是，膨胀的宇宙必然从一个奇点开始！

1970年，霍金和彭罗斯合作发表的论文证明，假如广义相对论是正确的，宇宙包含我们观测到的这么多物质，则它必然起源于一个奇点。

大爆炸的奇点是一个半径为零的点，这似乎给宇宙研究划下了一道不可逾越的红线，因为在那里，广义相对论失去了效力。这样，人类的智慧只可逼近大爆炸，大爆炸本身则非人类智力所能及，那里属于神秘的形而上学。

梵蒂冈教皇就坚持这样的观点。1981年梵蒂冈举行了一次宇宙学会议，40岁的霍金坐着轮椅参加了大会。会议尾声，教皇发表重要讲话，他告诫宇宙学家们，大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但不应该去过问大爆炸本身，因为那是创生的时刻，是上帝的事务；任何关于世界起源的科学假说，例如原始原子、原始大火球等，并未解决有关宇宙起源的问题，人们依然会问：原始原子、原始火球又从何而来？单靠科学自身无法解决这一终极问题，它需要超越物理学的知识，尤其需要来自上帝的启示。

然后教皇接见与会代表。教皇坐在高高的椅子上，客人们逐个被介绍给教皇。当霍金驱动轮椅来到教皇前时，教皇离开自己的座位，走到霍金跟前，跪伏下身，以便能和霍金更好地交流，他们的谈话时间超过了所有人。最后，教皇站起来，掸了掸自己长袍上的灰尘，微笑着与霍金告别。

霍金心里窃喜，他发现教皇并没有注意自己刚刚在会议上发表的演讲，这演讲刚好反驳了教皇的观点。霍金感觉自己的情况有些像三百多年前的伽利略，不同的是，伽利略因为传播异端而被审判，霍金已经不可能再披上这光环了，宗教势力在科学面前谦卑了很多。

霍金提出的是无边界设想—宇宙的边界条件就是它没有边界，也就是没有特殊的起始点，它是一个彻底自足的存在，只会从一个状态演化到另一个状态，不存在完全不可知的领域。

这意味着，宇宙不需要外在的创造者或者第一推动。

这是一个重大的宗教和哲学问题。

这想法和最初设想的大爆炸奇点不太一样，最初是半径为零的奇点，现在则成了量子奇点。

原来之所以半径为零，是因为广义相对论在那里失效了。

广义相对论在奇点处失效，只是证明了它也有特定的适用范围，不能表明奇点属于神秘主义的领地，科学不能染指。

根据哥白尼原理，宇宙时空的每一点都是完全平等的，不存在任何超越科学理论的特殊点，奇点也是如此。

对那个极早期极微小的状态，需要用新的量子引力理论来研究，虽然充满艰辛，依然属于科学王国的版图之内。

宇宙的果壳

1968年，澳大利亚著名物理学家保尔·戴维斯参加一个宇宙学讲座，那时候宇宙微波背景辐射刚刚被发现，伽莫夫的热大爆炸学说开始流行，主讲教授最后总结道：“一些理论家已开出了宇宙化学成分的清单，这份清单的根据是大爆炸最初3分钟发生的核反应过程。”所有的听众哄然大笑。描述宇宙最初的3分钟，这听起来相当不靠谱，简直荒唐可笑，试问，一万年前地球上的事情能说清楚吗？

然而仅仅过了大约10年，最初3分钟的理论就进入了大学课堂，紧接着，社会大众也知道了。1977年，美国物理学家和宇宙学家史蒂文·温伯格写了一本畅销书—《最初的3分钟》，令人信服地描述了一幅宇宙起源图景，包括在大爆炸之后几分钟甚至仅仅数秒内出现的详细过程。

理论学家们甚至已经逼近到宇宙创始的量子奇点，尺度仅为普朗克尺度，10^-33厘米，没有比这更小的尺度存在；时间到了10^-43秒，没有比这更短的时间存在，那是真正的宇宙源头。

这个量子点犹如宇宙的果壳，虽然无比小，却包含了宇宙中一切结构的密码—空间、时间、物质、作用力，一切都统一在一起，随着宇宙的膨胀，这些密码信息自发显现出来，形成了一个无比丰富多彩的宇宙。

旅行到时空边缘

从太初开始的旅行-旅行到时空边缘

相关推荐