宇宙迷宮系列之一宇宙-有限無(wú)界

本期視點(diǎn)宇宙曾經(jīng)有一個(gè)起源嗎？如果有宇宙之前是什么呢？宇宙是有限的嗎？如果是宇宙之外又是什么呢很多讀者紛紛來(lái)信對(duì)廣為流行的“宇宙大爆炸理論提出質(zhì)疑本文的目的旨在與廣大讀者一起探本期視點(diǎn)宇宙曾經(jīng)有一個(gè)起源嗎？如果有宇宙之前是什么呢？宇宙是有限的嗎？如果是宇宙之外又是什么呢很多讀者紛紛來(lái)信對(duì)廣為流行的“宇宙大爆炸理論提出質(zhì)疑本文的目的旨在與廣大讀者一起探“宇宙大爆炸的前因后果使我們對(duì)宇宙的本質(zhì)有更深的了解。我們沿著宇宙歷史的方向溯源而上，那么我們就應(yīng)該發(fā)現(xiàn)宇宙從某個(gè)更小更密的狀態(tài)變化而來(lái)，也就是說(shuō)，宇宙應(yīng)該有下一個(gè)開(kāi)端！1946年美籍俄裔天文學(xué)家伽莫夫提“大爆炸理論“大爆炸理論認(rèn)為宇宙誕生之前，沒(méi)有時(shí)間和空間，也沒(méi)有物質(zhì)和能量大約150億年前在這“四大皆空的虛無(wú)中一個(gè)體積無(wú)限小的點(diǎn)爆炸了宇宙隨之誕生大爆炸炸開(kāi)了空間也創(chuàng)造了時(shí)間，現(xiàn)代宇宙學(xué)肇始于20世紀(jì)年代此前人們一直堅(jiān)宇宙是無(wú)限的時(shí)間上無(wú)始無(wú)終空間上無(wú)窮無(wú)盡因而是不生不滅的。然而1929年美國(guó)著名天文學(xué)家埃得溫·哈勃對(duì)遙遠(yuǎn)星系進(jìn)行觀測(cè)后發(fā)現(xiàn)，所有星系在所有方向上都“逃離我們而去而且，星系越遠(yuǎn)，離開(kāi)我們的速度就越快——宇宙似乎正在不斷地膨脹！如果宇宙正在膨脹這意味著什么呢？這意味著宇宙不是一成不變的而是在不斷變大倘假設(shè)■金銳宇宙迷宮系列 之一限宇有無(wú)4本期視點(diǎn)發(fā)生？爆炸中心在哪里？宇宙邊緣在哪里？宇宙之外又是什么樣子？“大爆炸〞的真實(shí)含義要弄清楚這些問(wèn)題，首先得明白“大爆炸〞的真實(shí)含義是什么許多人都這樣想星系像是一顆炸彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的碎片，它們向外猛飛穿越空間。但這種想本期視點(diǎn)發(fā)生？爆炸中心在哪里？宇宙邊緣在哪里？宇宙之外又是什么樣子？“大爆炸〞的真實(shí)含義要弄清楚這些問(wèn)題，首先得明白“大爆炸〞的真實(shí)含義是什么許多人都這樣想星系像是一顆炸彈爆炸時(shí)產(chǎn)生的碎片，它們向外猛飛穿越空間。但這種想法是錯(cuò)誤的，大爆炸并不是由處在空曠空間中的巨大的原始原子形成然后向外爆炸在這里空間本身在大爆炸中產(chǎn)生，從無(wú)開(kāi)出現(xiàn)空間的那個(gè)小點(diǎn)并不是定位在任何物體之上的，它不是一種被虛無(wú)包圍著的物體，它是被無(wú)限壓縮了的空間本身的創(chuàng)始〔科學(xué)家們稱之“奇點(diǎn)小點(diǎn)也不是在一個(gè)無(wú)限持續(xù)的時(shí)間里一直駐留在那里的，它即時(shí)從無(wú)中出現(xiàn)并立即膨脹小點(diǎn)不可能通過(guò)時(shí)間而存在，因?yàn)闀r(shí)間本這大概就是大爆炸理論最關(guān)鍵的最難理解的地方。物質(zhì)宇宙與時(shí)間同時(shí)產(chǎn)生而不是在時(shí)間中產(chǎn)生，這樣的概念是愛(ài)因斯坦相對(duì)論的關(guān)鍵特征，空間和時(shí)間是物質(zhì)宇宙的要素，而不僅僅是一種宇宙出現(xiàn)的無(wú)可解釋的背景場(chǎng)地，所以物質(zhì)宇宙的創(chuàng)始點(diǎn)也必然而我們到哪里去尋找這樣的創(chuàng)始點(diǎn)呢？當(dāng)你按時(shí)間回溯，宇宙就越來(lái)越縮小，時(shí)空曲率無(wú)限增大直到奇點(diǎn)處成為無(wú)窮大。粗略地說(shuō)它類(lèi)似于圓錐的錐頂，圓錐結(jié)構(gòu)逐漸變細(xì)，直到一個(gè)無(wú)限尖的點(diǎn)而中止?？臻g和時(shí)間就從這里開(kāi)始。這個(gè)概念一經(jīng)接受那“大爆炸之前發(fā)生了什么〞這樣的問(wèn)星星地球空氣水和生命等就在這個(gè)不斷膨1965年的一天美國(guó)新澤西州貝爾實(shí)驗(yàn)室的的兩位無(wú)線電工程師阿爾彭齊亞斯和羅伯威爾遜正在檢測(cè)一個(gè)非常靈敏的微波探測(cè)器時(shí)他們的探測(cè)器收到了比預(yù)想還要大的噪聲而且不管探測(cè)器朝什么方向這額外的噪聲都是一樣的兩位工程師發(fā)現(xiàn)這噪聲來(lái)自射！他們稱之“宇宙微波背景輻射宇宙微波背景輻射的發(fā)現(xiàn)“宇宙大爆炸理論提供了有力的佐證。此后“宇宙大爆炸理論經(jīng)過(guò)眾多科學(xué)家知的權(quán)威理論然而是什么原因使大爆炸得以界5本期視點(diǎn)題顯然是沒(méi)有意義的了。未曾有“大爆炸之前這樣的時(shí)期因?yàn)闀r(shí)間與大爆炸一起開(kāi)始不幸，這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常被用這樣簡(jiǎn)單化的話來(lái)答復(fù)“大爆炸之前什么都沒(méi)有這種本期視點(diǎn)題顯然是沒(méi)有意義的了。未曾有“大爆炸之前這樣的時(shí)期因?yàn)闀r(shí)間與大爆炸一起開(kāi)始不幸，這個(gè)問(wèn)題經(jīng)常被用這樣簡(jiǎn)單化的話來(lái)答復(fù)“大爆炸之前什么都沒(méi)有這種答復(fù)迄今引起了較多的誤解許多人“什么都沒(méi)有解釋成一無(wú)所有的空間。但是正像上文竭力指明的那樣，空間并不先于大爆炸存在。難道這里“無(wú)指的是空間從其中浮現(xiàn)的某種更微妙的有如“前空間的東西或者某種抽象的狀態(tài)？正像斯蒂芬·霍金談到的“北極的北邊是什么地方？〞這個(gè)問(wèn)題也可以“無(wú)來(lái)答復(fù)，不是因?yàn)槟抢镉心硞€(gè)神秘的“無(wú)極陸地而是因?yàn)樗岬降膮^(qū)域壓根不存在，不只是物理學(xué)上不存在而且也是邏輯“不存在疑一切事件都有原因：一座橋坍塌了那是因?yàn)樗?fù)荷過(guò)重雪融化了那是因?yàn)榭諝鉄崞饋?lái)；一棵樹(shù)長(zhǎng)出來(lái)了，那是因?yàn)榉N下了樹(shù)等等等等不一而足因此，我們會(huì)相信運(yùn)動(dòng)著的萬(wàn)事萬(wàn)物必然有一些事物在推動(dòng)它，事物后面又必定有另一些事物在推動(dòng)。但是原因的鏈條不可能是無(wú)限的鏈條總該有個(gè)頭恒星是由旋轉(zhuǎn)的星系形成的，星系是由原初的氫氣形成的，氫是由大爆炸的一瞬間產(chǎn)生的質(zhì)子形成的，質(zhì)子是由空間彎曲形成的那么，空間又是由什么形成的呢？——我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)我們追查事件的第一原因時(shí)，我們永遠(yuǎn)無(wú)法找到這個(gè)第一原因比方如果說(shuō)上帝創(chuàng)造了萬(wàn)物那么又是誰(shuí)創(chuàng)造了上帝呢？看來(lái)，凡事物必有原因的想法未必正確，是不是每一個(gè)事件都必有一個(gè)原因呢？會(huì)不會(huì)有些東西沒(méi)有任何原因地出現(xiàn)呢？我們所認(rèn)知的因果律果真不可動(dòng)搖嗎？當(dāng)我們問(wèn)到為什么時(shí)間和空間會(huì)突然地形成時(shí)我們發(fā)現(xiàn)因果律失效了，時(shí)空真的是沒(méi)有原宇宙是沒(méi)有原因的在日常生活中我們很少懷6本期視點(diǎn)如果我們不斷沿著時(shí)間之箭往回溯我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有一個(gè)單一的創(chuàng)世時(shí)刻。在宇宙的極早期，時(shí)間本身的意義變得很不確定德國(guó)物理學(xué)家量子理論的開(kāi)創(chuàng)者普朗克曾在1913年指出，在物理學(xué)上存在一個(gè)有意義的最本期視點(diǎn)如果我們不斷沿著時(shí)間之箭往回溯我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)并沒(méi)有一個(gè)單一的創(chuàng)世時(shí)刻。在宇宙的極早期，時(shí)間本身的意義變得很不確定德國(guó)物理學(xué)家量子理論的開(kāi)創(chuàng)者普朗克曾在1913年指出，在物理學(xué)上存在一個(gè)有意義的最小長(zhǎng)度最小質(zhì)量和最短時(shí)間分別稱為普朗克長(zhǎng)〔10-33厘米普朗克質(zhì)〔10-5克普朗克時(shí)〔10-43秒如果宇宙變得如此微小和如此短暫，整個(gè)宇宙就會(huì)被量子不確定性所左右因此宇宙存在的最初10-43秒的歷史是由量子引力支配的。那是個(gè)微小的量子泡沫漲落時(shí)期由于量子的不確定性量子子泡沫都在隨漲隨落，只有極低的可能會(huì)突然間暴脹，那就是在某個(gè)時(shí)刻，所有的量子泡沫在三個(gè)空間方向上都一致地膨脹，然后沖破一個(gè)臨界〔10-33厘米暴脹隨之開(kāi)始了根據(jù)計(jì)算宇宙只有暴脹到90億光年那么大存在的時(shí)間才會(huì)長(zhǎng)得足以產(chǎn)生穩(wěn)定的恒星碳和生命。我們知道在亞核世界中量在亞核世界，粒子的行為通常是不可預(yù)測(cè)的你不可能確切知道，一個(gè)粒子在這一時(shí)刻和下一時(shí)刻之間要干什么。假設(shè)人們要選擇一亞核粒子到達(dá)某一具體位置作為一個(gè)事件那么根據(jù)量子論，該事件就是無(wú)原因的意思是說(shuō)，它本質(zhì)上是不可預(yù)測(cè)的。不管我們對(duì)作用于該粒子的所有的力以及所有的影響了解多深，我們?nèi)詿o(wú)法說(shuō)該粒子到達(dá)規(guī)定的位置時(shí)確實(shí)切線路。該粒子的運(yùn)行軌跡本質(zhì)上是隨機(jī)的。它只是毫無(wú)節(jié)奏又毫無(wú)理由地突然在那里蹦出來(lái)。粒子可以在沒(méi)有原因的情況下不知從什么地方冒出來(lái)，時(shí)空也可以自發(fā)地、沒(méi)有原因地創(chuàng)生和消滅，即一小塊空間會(huì)從原先如果我們的宇宙確實(shí)是從量子泡沫中突然冒出來(lái)的，那么整個(gè)宇宙也受量子理論的制約，宇宙的誕生真的沒(méi)有任何原因和理由。量無(wú)從感知每種狀態(tài)都只有一個(gè)存在的概率，時(shí)間在這種情況下無(wú)從表達(dá)也就不存在了。如果宇宙的創(chuàng)生時(shí)刻并沒(méi)有一個(gè)確定的起點(diǎn)那就是說(shuō)宇宙并沒(méi)有一個(gè)單一的創(chuàng)世時(shí)刻，宇宙在創(chuàng)生時(shí)刻沒(méi)有一個(gè)起始的時(shí)間邊界也就是說(shuō)宇宙在開(kāi)初階段并沒(méi)有一“第一事件我們其中零代表奇點(diǎn)。奇點(diǎn)并不是個(gè)事件，而是一種無(wú)限致密的狀態(tài)或類(lèi)似的東西，在奇點(diǎn)處時(shí)空不再存在如果有人“奇點(diǎn)之后的第一事件是什么？〞這就相當(dāng)于問(wèn)“比零大的最小的數(shù)是什么？世上并沒(méi)有這樣一個(gè)數(shù)字，同理也沒(méi)有第一事件。沒(méi)有“第一事件〞如果我們把宇宙的誕生看成是一次量子泡沫的漲落那么當(dāng)量子不確定性壓倒一切時(shí)，時(shí)間就不存在了，我們不能再談什么因?yàn)闆](méi)有時(shí)間就沒(méi)“以前和“以后的概而空間那么變成了像肥皂泡一樣的隨機(jī)的概率的泡沫，這些隨機(jī)的概率的泡沫就是在量子引力定律作用下構(gòu)成奇點(diǎn)的東西，泡沫的空間沒(méi)有任何確定的形狀，只有這樣那樣形狀的概率在奇點(diǎn)內(nèi)任何可以想象的曲率和拓?fù)涠荚试S存在，這就是所謂“量子泡沫為什么說(shuō)在量子泡沫中時(shí)要了解這一點(diǎn)我們首先得弄清時(shí)間究竟是什么。我們關(guān)于時(shí)間的日常經(jīng)驗(yàn)，是用一系列自然事件來(lái)衡量太陽(yáng)東升西落，一年四季輪回，生命從出生到死亡。時(shí)間經(jīng)常是用事物變化的方式來(lái)定義的，除非我們不斷地感受到這種變化，否那么我們就無(wú)法談?wù)摃r(shí)“是什么但是在量子泡沫中，宇宙處于無(wú)窮多的可能狀態(tài)之中，所有的變化都無(wú)從測(cè)沒(méi)有邊界的宇宙例如走在地球的外表上，不管他走得有多遠(yuǎn)，也不管是朝哪個(gè)方向走即使是不停地走下去在球面上繞了一圈又一圈，他也不會(huì)遇到一個(gè)邊界，而這個(gè)邊界標(biāo)志著某個(gè)東西的結(jié)束。如果設(shè)想不是在地球外表而是在一個(gè)巨型氣球的外表上情況也是如此實(shí)際上可以走在氣球的外外表上，也可以走在氣球的內(nèi)外表上，你都我們的宇宙也許就是這樣一個(gè)閉曲面。我們可以設(shè)想空間由一條線來(lái)代表，時(shí)間由另一條線來(lái)代表，這樣就構(gòu)成了一個(gè)時(shí)空網(wǎng)絡(luò)像地球上的經(jīng)緯線一樣時(shí)間由一條從極點(diǎn)開(kāi)始的經(jīng)線來(lái)代表，比方說(shuō)如果從北極開(kāi)始朝赤道移動(dòng)，代表空間的圓圈〔緯度線就隨“時(shí)間的流逝而向赤道趨近并變大，然后向南極趨近并變小。這樣一個(gè)宇宙模型是完全自容的，時(shí)間和空間都沒(méi)有邊緣特殊的奇點(diǎn)也消失了。7本期視點(diǎn)為什么說(shuō)特殊的奇點(diǎn)也消失是在朝前走，你就是不能退回到大爆炸以前〔嚴(yán)格地講是普朗克時(shí)間以前的時(shí)間因?yàn)楦静淮妗耙郧盎蛘呷绻泷{著火箭沿一條直線向宇宙深處進(jìn)發(fā)，如果時(shí)間足夠漫長(zhǎng)，你可能又回到了出發(fā)點(diǎn)。如果奇點(diǎn)不復(fù)存在那么宇宙確實(shí)是完全自足的，沒(méi)有邊界本期視點(diǎn)為什么說(shuō)特殊的奇點(diǎn)也消失是在朝前走，你就是不能退回到大爆炸以前〔嚴(yán)格地講是普朗克時(shí)間以前的時(shí)間因?yàn)楦静淮妗耙郧盎蛘呷绻泷{著火箭沿一條直線向宇宙深處進(jìn)發(fā)，如果時(shí)間足夠漫長(zhǎng)，你可能又回到了出發(fā)點(diǎn)。如果奇點(diǎn)不復(fù)存在那么宇宙確實(shí)是完全自足的，沒(méi)有邊界或邊緣，沒(méi)有開(kāi)端也沒(méi)有終結(jié)——它就是存在。雷雨云越黑，水蒸氣和塵埃的含量在此處也越大因此通過(guò)對(duì)雷雨云作簡(jiǎn)單的觀察，我們就能很快估算出在某塊天空中發(fā)現(xiàn)大量水和塵的概率與此相類(lèi)似當(dāng)一個(gè)人坐在房間里的椅子上時(shí)，他就有一個(gè)概率性質(zhì)的波。如果他能通過(guò)某種方法看見(jiàn)自己的概率波，那個(gè)概率波肯定類(lèi)似于跟他的身體形狀非常接近的一團(tuán)云。這個(gè)像云一樣的概率波將普及整個(gè)空間到達(dá)火星甚至越出太陽(yáng)系，盡管在那里它已消散得非常小這意味著他坐在椅子上而不是呆在火星上的可能性非常大〔他實(shí)際上就是坐在椅子上。雖然他的局部概率波甚至已經(jīng)散布出銀河系，但是他呆在另一個(gè)星根據(jù)這一設(shè)想宇宙也有自己的概率波，宇宙的概率波普及所有可能的宇宙也就是說(shuō)宇宙存在著無(wú)窮的可能性，一切可能的物質(zhì)和能量的排列都會(huì)發(fā)生。宇了呢？因?yàn)樵谝粋€(gè)沒(méi)有邊界的閉曲面宇宙中，微小的量子泡沫不僅構(gòu)成了奇點(diǎn)，也構(gòu)成了整個(gè)宇宙。想象一下我們拿一個(gè)超級(jí)顯微鏡去看一個(gè)越來(lái)越小的空間和空間里的東西從原〔10-8厘米到原子〔10-13厘米直到一個(gè)普朗克長(zhǎng)〔10-33厘米我們會(huì)看“大尺度空間是根本光滑的只有一點(diǎn)點(diǎn)曲率然而在接近經(jīng)過(guò)10-32厘米時(shí)我們會(huì)看到空間開(kāi)始卷曲纏繞了，先是很緩和然后越來(lái)越強(qiáng)烈在10-3事實(shí)上量子泡沫在今天的宇宙中無(wú)處不在黑洞內(nèi)部在星際空間，在你屋里，在你頭腦宇宙的無(wú)窮多可能性把整個(gè)宇宙量子化的設(shè)想，擊中了關(guān)于時(shí)間、空間和物質(zhì)起源存在已久的疑難的核心，它是我們現(xiàn)有的對(duì)創(chuàng)世時(shí)刻最完整最有條理的描述。不過(guò)這個(gè)設(shè)想帶出了一個(gè)副產(chǎn)品，那就是宇宙具量子理論認(rèn)為電子的運(yùn)動(dòng)路線完全是隨機(jī)的，我們決不能同時(shí)知道電子的位置和速度，我們最多只能做到，計(jì)算電子以某一速度出現(xiàn)在某一地點(diǎn)的概率，中也就是說(shuō)，我們所生存的宇宙是由無(wú)處不在的量子泡沫構(gòu)成的。這些量子泡沫與宇宙大爆炸那一刻以及遙遠(yuǎn)的未來(lái)宇宙大坍縮那一刻的量子泡沫沒(méi)什么不同，因此所“奇點(diǎn)與我們現(xiàn)今宇宙的任何一點(diǎn)并無(wú)不同，就像地球上的北極和南極與其他地方并無(wú)不同一樣。在地球上沒(méi)有比北極更北的地方，但這并不表示那里有一個(gè)空間邊界，我們只是從那里開(kāi)始度量地球同樣沒(méi)有比創(chuàng)世時(shí)刻更早的時(shí)候，并不表示時(shí)間從那時(shí)開(kāi)始，創(chuàng)世時(shí)刻只是一個(gè)用如果你在地球上向正北方向走盡管你始終以直線行進(jìn)但到一定時(shí)候你會(huì)發(fā)現(xiàn)你在向正南方向走同樣如果你有一臺(tái)運(yùn)行著的時(shí)間機(jī)器，從大爆炸稍后的某盡管你沒(méi)有改變對(duì)時(shí)間機(jī)器的控制，但不久你會(huì)發(fā)現(xiàn)在時(shí)間上你宙這個(gè)詞的定義不再是“存在的一切了現(xiàn)在它的意思“可這個(gè)概率由電子的概率波給出，一般來(lái)說(shuō)波越大在那里找到電子的概率就越大。事實(shí)上概率波也可以跟大物體聯(lián)系在一起例如想象天空能存在的一切這意味著我們之所以生活在我們的宇宙中，是因?yàn)檫@個(gè)宇宙擁有最大的概率波，我們的宇宙是最可能的一個(gè)當(dāng)然，它并不是惟一的個(gè)。也許還存在著其他各種類(lèi)型的宇宙：有些引力太強(qiáng)，自我消滅了；另外一些那么引力8我們所以生活在我們的宇宙中是因概率其他宇宙也有存在的概率雖然很小但是不為零。宙 其他宇宙我們所以生活在我們的宇宙中是因概率其他宇宙也有存在的概率雖然很小但是不為零。宙 其他宇宙本期視點(diǎn)太小形不成星有些宇宙電力太小原子難以粘合成分另外一些那么電力太強(qiáng)，使物質(zhì)團(tuán)集得太緊無(wú)法形成恒星。如此等等。無(wú)任何生命可言在這些宇宙中，物理定律是不一樣的，因此無(wú)法也許在數(shù)以萬(wàn)億計(jì)的平行宇宙中只有一個(gè)宇〔即我們的宇宙有一組適宜的物理定律允許生命存在。有沒(méi)有終極真理？量子化宇宙的理論是正確的嗎？要知道，這個(gè)理論是無(wú)法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的。模型，即一些能幫助我們以一種簡(jiǎn)便的方式來(lái)觀察世界、理解世界的模型?？茖W(xué)只是告訴我們關(guān)于世界我們能夠了解些什么，而因此我們可以說(shuō)世界上根本不存“客觀的實(shí)在那惟一的實(shí)在便是通過(guò)我們的觀察而揭示出來(lái)的實(shí)在。我們不可能說(shuō)某個(gè)理論“正確的“錯(cuò)誤的而只能說(shuō)某個(gè)理論是有用的或不大有用。人們意識(shí)到，牛頓的有關(guān)時(shí)空和力學(xué)的理論在描述以接近光速運(yùn)動(dòng)的物體行為方面是不完備的，于是牛頓的理論便被取代了牛頓的理論并不是錯(cuò)的，它只是實(shí)用范圍有限。狹義相對(duì)論是一個(gè)更為有用的理論〔它使牛頓的理論變得只適用于低速運(yùn)動(dòng)狹義相對(duì)論后來(lái)又被廣義相對(duì)論所取代。當(dāng)廣義相對(duì)論對(duì)微小的量子世界失效時(shí)，它便被量子理論所取代那么是否存在一個(gè)最終的完美無(wú)缺的不可能再被改良的理論呢？答案是否認(rèn)的。我們不能想象世上會(huì)有一幅完美無(wú)缺的圖畫(huà)或一曲完美無(wú)缺的交響樂(lè)同樣，也不會(huì)有什么完美無(wú)缺不可改良的理論。因此我們不能說(shuō)量子宇宙理論是正確或是錯(cuò)誤，我們也不能說(shuō)，量子宇宙理論是最終的宇宙學(xué)理論我們只能說(shuō)量子宇宙學(xué)理論是到目前為止對(duì)宇宙的起源和終結(jié)的最好的解釋。它