宇宙迷宫系列之一宇宙-有限无界

本期视点宇宙曾经有一个起源吗？如果有宇宙之前是什么呢？宇宙是有限的吗？如果是宇宙之外又是什么呢很多读者纷纷来信对广为流行的“宇宙大爆炸理论提出质疑本文的目的旨在与广大读者一起探本期视点宇宙曾经有一个起源吗？如果有宇宙之前是什么呢？宇宙是有限的吗？如果是宇宙之外又是什么呢很多读者纷纷来信对广为流行的“宇宙大爆炸理论提出质疑本文的目的旨在与广大读者一起探“宇宙大爆炸的前因后果使我们对宇宙的本质有更深的了解。我们沿着宇宙历史的方向溯源而上，那么我们就应该发现宇宙从某个更小更密的状态变化而来，也就是说，宇宙应该有下一个开端！1946年美籍俄裔天文学家伽莫夫提“大爆炸理论“大爆炸理论认为宇宙诞生之前，没有时间和空间，也没有物质和能量大约150亿年前在这“四大皆空的虚无中一个体积无限小的点爆炸了宇宙随之诞生大爆炸炸开了空间也创造了时间，现代宇宙学肇始于20世纪年代此前人们一直坚宇宙是无限的时间上无始无终空间上无穷无尽因而是不生不灭的。然而1929年美国著名天文学家埃得温·哈勃对遥远星系进行观测后发现，所有星系在所有方向上都“逃离我们而去而且，星系越远，离开我们的速度就越快——宇宙似乎正在不断地膨胀！如果宇宙正在膨胀这意味着什么呢？这意味着宇宙不是一成不变的而是在不断变大倘假设■金锐宇宙迷宫系列 之一限宇有无4本期视点发生？爆炸中心在哪里？宇宙边缘在哪里？宇宙之外又是什么样子？“大爆炸〞的真实含义要弄清楚这些问题，首先得明白“大爆炸〞的真实含义是什么许多人都这样想星系像是一颗炸弹爆炸时产生的碎片，它们向外猛飞穿越空间。但这种想本期视点发生？爆炸中心在哪里？宇宙边缘在哪里？宇宙之外又是什么样子？“大爆炸〞的真实含义要弄清楚这些问题，首先得明白“大爆炸〞的真实含义是什么许多人都这样想星系像是一颗炸弹爆炸时产生的碎片，它们向外猛飞穿越空间。但这种想法是错误的，大爆炸并不是由处在空旷空间中的巨大的原始原子形成然后向外爆炸在这里空间本身在大爆炸中产生，从无开出现空间的那个小点并不是定位在任何物体之上的，它不是一种被虚无包围着的物体，它是被无限压缩了的空间本身的创始〔科学家们称之“奇点小点也不是在一个无限持续的时间里一直驻留在那里的，它即时从无中出现并立即膨胀小点不可能通过时间而存在，因为时间本这大概就是大爆炸理论最关键的最难理解的地方。物质宇宙与时间同时产生而不是在时间中产生，这样的概念是爱因斯坦相对论的关键特征，空间和时间是物质宇宙的要素，而不仅仅是一种宇宙出现的无可解释的背景场地，所以物质宇宙的创始点也必然而我们到哪里去寻找这样的创始点呢？当你按时间回溯，宇宙就越来越缩小，时空曲率无限增大直到奇点处成为无穷大。粗略地说它类似于圆锥的锥顶，圆锥结构逐渐变细，直到一个无限尖的点而中止。空间和时间就从这里开始。这个概念一经接受那“大爆炸之前发生了什么〞这样的问星星地球空气水和生命等就在这个不断膨1965年的一天美国新泽西州贝尔实验室的的两位无线电工程师阿尔彭齐亚斯和罗伯威尔逊正在检测一个非常灵敏的微波探测器时他们的探测器收到了比预想还要大的噪声而且不管探测器朝什么方向这额外的噪声都是一样的两位工程师发现这噪声来自射！他们称之“宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射的发现“宇宙大爆炸理论提供了有力的佐证。此后“宇宙大爆炸理论经过众多科学家知的权威理论然而是什么原因使大爆炸得以界5本期视点题显然是没有意义的了。未曾有“大爆炸之前这样的时期因为时间与大爆炸一起开始不幸，这个问题经常被用这样简单化的话来答复“大爆炸之前什么都没有这种本期视点题显然是没有意义的了。未曾有“大爆炸之前这样的时期因为时间与大爆炸一起开始不幸，这个问题经常被用这样简单化的话来答复“大爆炸之前什么都没有这种答复迄今引起了较多的误解许多人“什么都没有解释成一无所有的空间。但是正像上文竭力指明的那样，空间并不先于大爆炸存在。难道这里“无指的是空间从其中浮现的某种更微妙的有如“前空间的东西或者某种抽象的状态？正像斯蒂芬·霍金谈到的“北极的北边是什么地方？〞这个问题也可以“无来答复，不是因为那里有某个神秘的“无极陆地而是因为所提到的区域压根不存在，不只是物理学上不存在而且也是逻辑“不存在疑一切事件都有原因：一座桥坍塌了那是因为它负荷过重雪融化了那是因为空气热起来；一棵树长出来了，那是因为种下了树等等等等不一而足因此，我们会相信运动着的万事万物必然有一些事物在推动它，事物后面又必定有另一些事物在推动。但是原因的链条不可能是无限的链条总该有个头恒星是由旋转的星系形成的，星系是由原初的氢气形成的，氢是由大爆炸的一瞬间产生的质子形成的，质子是由空间弯曲形成的那么，空间又是由什么形成的呢？——我们发现当我们追查事件的第一原因时，我们永远无法找到这个第一原因比方如果说上帝创造了万物那么又是谁创造了上帝呢？看来，凡事物必有原因的想法未必正确，是不是每一个事件都必有一个原因呢？会不会有些东西没有任何原因地出现呢？我们所认知的因果律果真不可动摇吗？当我们问到为什么时间和空间会突然地形成时我们发现因果律失效了，时空真的是没有原宇宙是没有原因的在日常生活中我们很少怀6本期视点如果我们不断沿着时间之箭往回溯我们就会发现并没有一个单一的创世时刻。在宇宙的极早期，时间本身的意义变得很不确定德国物理学家量子理论的开创者普朗克曾在1913年指出，在物理学上存在一个有意义的最本期视点如果我们不断沿着时间之箭往回溯我们就会发现并没有一个单一的创世时刻。在宇宙的极早期，时间本身的意义变得很不确定德国物理学家量子理论的开创者普朗克曾在1913年指出，在物理学上存在一个有意义的最小长度最小质量和最短时间分别称为普朗克长〔10-33厘米普朗克质〔10-5克普朗克时〔10-43秒如果宇宙变得如此微小和如此短暂，整个宇宙就会被量子不确定性所左右因此宇宙存在的最初10-43秒的历史是由量子引力支配的。那是个微小的量子泡沫涨落时期由于量子的不确定性量子子泡沫都在随涨随落，只有极低的可能会突然间暴胀，那就是在某个时刻，所有的量子泡沫在三个空间方向上都一致地膨胀，然后冲破一个临界〔10-33厘米暴胀随之开始了根据计算宇宙只有暴胀到90亿光年那么大存在的时间才会长得足以产生稳定的恒星碳和生命。我们知道在亚核世界中量在亚核世界，粒子的行为通常是不可预测的你不可能确切知道，一个粒子在这一时刻和下一时刻之间要干什么。假设人们要选择一亚核粒子到达某一具体位置作为一个事件那么根据量子论，该事件就是无原因的意思是说，它本质上是不可预测的。不管我们对作用于该粒子的所有的力以及所有的影响了解多深，我们仍无法说该粒子到达规定的位置时确实切线路。该粒子的运行轨迹本质上是随机的。它只是毫无节奏又毫无理由地突然在那里蹦出来。粒子可以在没有原因的情况下不知从什么地方冒出来，时空也可以自发地、没有原因地创生和消灭，即一小块空间会从原先如果我们的宇宙确实是从量子泡沫中突然冒出来的，那么整个宇宙也受量子理论的制约，宇宙的诞生真的没有任何原因和理由。量无从感知每种状态都只有一个存在的概率，时间在这种情况下无从表达也就不存在了。如果宇宙的创生时刻并没有一个确定的起点那就是说宇宙并没有一个单一的创世时刻，宇宙在创生时刻没有一个起始的时间边界也就是说宇宙在开初阶段并没有一“第一事件我们其中零代表奇点。奇点并不是个事件，而是一种无限致密的状态或类似的东西，在奇点处时空不再存在如果有人“奇点之后的第一事件是什么？〞这就相当于问“比零大的最小的数是什么？世上并没有这样一个数字，同理也没有第一事件。没有“第一事件〞如果我们把宇宙的诞生看成是一次量子泡沫的涨落那么当量子不确定性压倒一切时，时间就不存在了，我们不能再谈什么因为没有时间就没“以前和“以后的概而空间那么变成了像肥皂泡一样的随机的概率的泡沫，这些随机的概率的泡沫就是在量子引力定律作用下构成奇点的东西，泡沫的空间没有任何确定的形状，只有这样那样形状的概率在奇点内任何可以想象的曲率和拓扑都允许存在，这就是所谓“量子泡沫为什么说在量子泡沫中时要了解这一点我们首先得弄清时间究竟是什么。我们关于时间的日常经验，是用一系列自然事件来衡量太阳东升西落，一年四季轮回，生命从出生到死亡。时间经常是用事物变化的方式来定义的，除非我们不断地感受到这种变化，否那么我们就无法谈论时“是什么但是在量子泡沫中，宇宙处于无穷多的可能状态之中，所有的变化都无从测没有边界的宇宙例如走在地球的外表上，不管他走得有多远，也不管是朝哪个方向走即使是不停地走下去在球面上绕了一圈又一圈，他也不会遇到一个边界，而这个边界标志着某个东西的结束。如果设想不是在地球外表而是在一个巨型气球的外表上情况也是如此实际上可以走在气球的外外表上，也可以走在气球的内外表上，你都我们的宇宙也许就是这样一个闭曲面。我们可以设想空间由一条线来代表，时间由另一条线来代表，这样就构成了一个时空网络像地球上的经纬线一样时间由一条从极点开始的经线来代表，比方说如果从北极开始朝赤道移动，代表空间的圆圈〔纬度线就随“时间的流逝而向赤道趋近并变大，然后向南极趋近并变小。这样一个宇宙模型是完全自容的，时间和空间都没有边缘特殊的奇点也消失了。7本期视点为什么说特殊的奇点也消失是在朝前走，你就是不能退回到大爆炸以前〔严格地讲是普朗克时间以前的时间因为根本不存“以前或者如果你驾着火箭沿一条直线向宇宙深处进发，如果时间足够漫长，你可能又回到了出发点。如果奇点不复存在那么宇宙确实是完全自足的，没有边界本期视点为什么说特殊的奇点也消失是在朝前走，你就是不能退回到大爆炸以前〔严格地讲是普朗克时间以前的时间因为根本不存“以前或者如果你驾着火箭沿一条直线向宇宙深处进发，如果时间足够漫长，你可能又回到了出发点。如果奇点不复存在那么宇宙确实是完全自足的，没有边界或边缘，没有开端也没有终结——它就是存在。雷雨云越黑，水蒸气和尘埃的含量在此处也越大因此通过对雷雨云作简单的观察，我们就能很快估算出在某块天空中发现大量水和尘的概率与此相类似当一个人坐在房间里的椅子上时，他就有一个概率性质的波。如果他能通过某种方法看见自己的概率波，那个概率波肯定类似于跟他的身体形状非常接近的一团云。这个像云一样的概率波将普及整个空间到达火星甚至越出太阳系，尽管在那里它已消散得非常小这意味着他坐在椅子上而不是呆在火星上的可能性非常大〔他实际上就是坐在椅子上。虽然他的局部概率波甚至已经散布出银河系，但是他呆在另一个星根据这一设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说宇宙存在着无穷的可能性，一切可能的物质和能量的排列都会发生。宇了呢？因为在一个没有边界的闭曲面宇宙中，微小的量子泡沫不仅构成了奇点，也构成了整个宇宙。想象一下我们拿一个超级显微镜去看一个越来越小的空间和空间里的东西从原〔10-8厘米到原子〔10-13厘米直到一个普朗克长〔10-33厘米我们会看“大尺度空间是根本光滑的只有一点点曲率然而在接近经过10-32厘米时我们会看到空间开始卷曲缠绕了，先是很缓和然后越来越强烈在10-3事实上量子泡沫在今天的宇宙中无处不在黑洞内部在星际空间，在你屋里，在你头脑宇宙的无穷多可能性把整个宇宙量子化的设想，击中了关于时间、空间和物质起源存在已久的疑难的核心，它是我们现有的对创世时刻最完整最有条理的描述。不过这个设想带出了一个副产品，那就是宇宙具量子理论认为电子的运动路线完全是随机的，我们决不能同时知道电子的位置和速度，我们最多只能做到，计算电子以某一速度出现在某一地点的概率，中也就是说，我们所生存的宇宙是由无处不在的量子泡沫构成的。这些量子泡沫与宇宙大爆炸那一刻以及遥远的未来宇宙大坍缩那一刻的量子泡沫没什么不同，因此所“奇点与我们现今宇宙的任何一点并无不同，就像地球上的北极和南极与其他地方并无不同一样。在地球上没有比北极更北的地方，但这并不表示那里有一个空间边界，我们只是从那里开始度量地球同样没有比创世时刻更早的时候，并不表示时间从那时开始，创世时刻只是一个用如果你在地球上向正北方向走尽管你始终以直线行进但到一定时候你会发现你在向正南方向走同样如果你有一台运行着的时间机器，从大爆炸稍后的某尽管你没有改变对时间机器的控制，但不久你会发现在时间上你宙这个词的定义不再是“存在的一切了现在它的意思“可这个概率由电子的概率波给出，一般来说波越大在那里找到电子的概率就越大。事实上概率波也可以跟大物体联系在一起例如想象天空能存在的一切这意味着我们之所以生活在我们的宇宙中，是因为这个宇宙拥有最大的概率波，我们的宇宙是最可能的一个当然，它并不是惟一的个。也许还存在着其他各种类型的宇宙：有些引力太强，自我消灭了；另外一些那么引力8我们所以生活在我们的宇宙中是因概率其他宇宙也有存在的概率虽然很小但是不为零。宙 其他宇宙我们所以生活在我们的宇宙中是因概率其他宇宙也有存在的概率虽然很小但是不为零。宙 其他宇宙本期视点太小形不成星有些宇宙电力太小原子难以粘合成分另外一些那么电力太强，使物质团集得太紧无法形成恒星。如此等等。无任何生命可言在这些宇宙中，物理定律是不一样的，因此无法也许在数以万亿计的平行宇宙中只有一个宇〔即我们的宇宙有一组适宜的物理定律允许生命存在。有没有终极真理？量子化宇宙的理论是正确的吗？要知道，这个理论是无法用实验验证的。模型，即一些能帮助我们以一种简便的方式来观察世界、理解世界的模型。科学只是告诉我们关于世界我们能够了解些什么，而因此我们可以说世界上根本不存“客观的实在那惟一的实在便是通过我们的观察而揭示出来的实在。我们不可能说某个理论“正确的“错误的而只能说某个理论是有用的或不大有用。人们意识到，牛顿的有关时空和力学的理论在描述以接近光速运动的物体行为方面是不完备的，于是牛顿的理论便被取代了牛顿的理论并不是错的，它只是实用范围有限。狭义相对论是一个更为有用的理论〔它使牛顿的理论变得只适用于低速运动狭义相对论后来又被广义相对论所取代。当广义相对论对微小的量子世界失效时，它便被量子理论所取代那么是否存在一个最终的完美无缺的不可能再被改良的理论呢？答案是否认的。我们不能想象世上会有一幅完美无缺的图画或一曲完美无缺的交响乐同样，也不会有什么完美无缺不可改良的理论。因此我们不能说量子宇宙理论是正确或是错误，我们也不能说，量子宇宙理论是最终的宇宙学理论我们只能说量子宇宙学理论是到目前为止对宇宙的起源和终结的最好的解释。它