苗苗含苞 / 宇宙奥妙 / 26维空间是怎么来的?

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26维空间是怎么来的?

2016-10-25  苗苗含苞
宙大爆炸理论是有关于宇宙起源中最广泛被认同的理论。其大概意思是, 在150亿到200亿年前,宇宙由一个时间和空间呈现混沌状态的大火球(大小可能有几光年)爆炸而来。仅在爆炸后的一秒内,引力就形成了。宇宙迅速膨胀,里面充满亚原子微粒,它们互相作用,形成了质子和中子。三分钟后,温度达到了2800亿度时,质子和中子形成了氢、氦、锂(三种最简单的元素)的核子。五亿年后原子得以形成,又过了3亿年,恒星和星系开始形成了。

爆炸后空间急剧增大,并且,爆炸后产生的扩张力依然使得现在的宇宙在膨胀中。 很长哦,如果不想看就算了,但是这符合你的问题。


宇宙的诞生


导论:
在人类历史上的大部分时间,人类对宇宙的认识还只是停留在神创论的阶段。在每种宗教的历史上,基本上都有创世说存在。也就是说在人类把宇宙起源作为一个科学命题研究之前,创世神话已经开始关注这个问题了。
最早的创世神话出现于古代两河流域苏美尔人文化之中,在《Enuma Elish》(I-VI)中有谈及世界创生过程的篇章。《圣经》中关于上帝创世,洪水灭世,诺亚方舟等神话故事,无疑是以古苏美尔人神话为原本的。我国古代也有盘古开天辟地,女娲补天的神话,我国古代人们认为远古的时候还没有天地,宇宙间只有一团气,它迷迷茫茫、浑浑沌沌,谁也看不清它的底细,在一万八千年前,有位盘古氏开天辟地,才有了日月星辰和大地。到了汉代才有了“道之大原出于天,天不变,道亦不变”之说。在古埃及文化中并没有明确的创世神话,古埃及人笃信灵魂不死,认为逝者将去“西卢之野”,死后可以复苏,所以他们努力将死者的遗体制成“木乃伊”。

随后,开始有一些哲学家对宇宙的形成提出不同的观点。在古代,解决宇宙形成问题的是哲学家,而不是科学家。他们是用哲学的观点来解释宇宙形成,根本上来说是非科学的。但是,其中唯物主义哲学家们是具有朴素的辩证法思想的,所以他们的解释虽然是非科学的,但是仍然带有合理的成分。

宇宙诞生的各种理论:

长久以来,关于宇宙的诞生,一直存在着两种截然不同的观点。一种观点是认为,宇宙没有所谓的起源,它就是存在,并将继续存在无限久。另一种观点是认为,宇宙并非一直存在,而是有一个起源,在某一时刻诞生的。1781年,哲学家伊曼努尔?康德在他的著作《纯粹理性批判》一书中指出,不论宇宙是有开端还是没有开端都是不可能的,这就是著名的“二律背反”。当然,今天的物理学家是不会同意康德的观点的,因为他的论证本身隐含了时间可以脱离宇宙而存在的假设,这是不能被接受的。

稳恒态宇宙观:

观点:

此一论点是认为,宇宙在根本上随时间不变,即是说,人们相信宇宙是稳恒的。可是,这一观点从一开始就值得怀疑,热力学第二定律和牛顿的引力定律都暗示了宇宙只可能运行有限的时间并且不可能处于稳恒状态。然而,稳恒宇宙的思想的影响是如此之深,以至于在20世纪之前,都没有人提到过,宇宙是在膨胀还是在收缩。就是那些意识到宇宙不可能保持稳恒的人,也总是试图去修正牛顿的理论,而不去考虑宇宙有可能是变化的。牛顿本人是知道这个问题的,但是,他相信大致均匀的分布在无限空间中的无限天体足以让宇宙保持稳恒。甚至是爱因斯坦也没有意识到宇宙的变化。爱因斯坦的广义相对论本身预言了宇宙不是在膨胀就是在收缩,然而,爱因斯坦对稳恒宇宙的思想是如此的执着,以至于要在他的公式中加入一个宇宙常数用以抗衡引力。

这个局面直到哈勃发现各星系正在以惊人的速度不断分散之后才受到致命的打击。尤其是在大爆炸理论推断出奇点的存在,也就是宇宙必然存在一个开端,这个理论才逐渐销声匿迹。

相关学说:

连续创生论

因为大爆炸理论并没有被证明是真理,所以并不是每个人都会同意大爆炸理论。在近代宇宙学史上曾经和大爆炸理论抗衡的宇宙形成理论还有连续创生论。

1948年,两位奥地利天文学家邦迪和戈尔德提出一种理论,承认膨胀宇宙但否定大爆炸。后来英国天文学家霍伊尔发展并普及了这个理论,在星系散开的过程中,星系之间又形成新的星系;形成新星系的物质是无中生有的,而且运动的速度非常缓慢,用现在的技术无法测出。结论是,宇宙自始至今基本上保持着同一状态。在过去无数个纪元中,它看上去就是现在这个样;在未来的无数个纪元中,它看上去还是现在这个样子,因此既没有开始也没有结束。

这种理论被称为连续创生论,由此形成一个稳恒态宇宙。在十多年的时间里,大爆炸和连续创生论的争论非常激烈,但没有实际的证据来决定哪一个对。

1949年,伽莫夫指出,假若大爆炸曾经发生,伴随而生的辐射在宇宙膨胀过程中应该损失能量,而现在应该以射电辐射的形式存在,作为一个均质背景从天空的四面八方射来。这种辐射在绝对温度5K(-268℃)时应该是天体的特征。美国物理学家迪克进一步发展了这一观点。

1964年5月, 德国出生的美国物理学家彭齐亚斯和美国射电天文学家R·W·威尔逊接受迪克的建议,探测到与伽莫夫预见的特征非常相似的射电波背景,它显示出宇宙的平均温度为绝对温度3度。

大多数天文学家认为,射电波背景的发现为大爆炸理论提供了结论性的证据。现在一般天文学家都接受大爆炸理论,而放弃了连续创生论的观点。所以,连续创生论已是明日黄花了。

霍金无边界条件的量子宇宙论

根据量子力学的原理,物质的存在是以波的重合,也就是所谓的波动函数来表示,所以宇宙从什么都没有而突然出现的可能性是存在的。也就是说,存在于某个时刻里的某个物质,有可能再其它时刻里突然消失。当物体缩到10-31公分的大小时,其存在的或然率会比1还要小很多,所以可能会忽而出现,忽而消失。这就是1980年皮雷基恩所认为的宇宙起源。霍金认为这个说法很奇怪,所以提出了他自己的一套理论。

霍金在1982年提出了一种既自洽又自足的量子宇宙论。在这个理论中,他主张不要将宇宙的起源当作特殊的现象,宇宙中的一切在原则上都可以单独地由物理定律预言出来,而宇宙本身是从无中生有而来的。这个理论建立在量子理论的基础之上,涉及到量子引力论等多种知识。

在他的理论中,宇宙的诞生是从一个欧氏空间向洛氏时空的量子转变,这就实现了宇宙的无中生有的思想。这个欧氏空间是一个四维球。在四维球转变成洛氏时空的最初阶段,时空是可由德西特度规来近似描述的暴涨阶段。然后膨胀减缓,再接着由大爆炸模型来描写。这个宇宙模型中空间是有限的,但没有边界,被称作封闭的宇宙模型。

从霍金提出这个理论之后,几乎所有的量子宇宙学研究都是围绕着这个模型展开。这是因为它的理论框架只对封闭宇宙有效。

如果人们不特意对空间引入人为的拓扑结构,则宇宙空间究竟是有限无界的封闭型,还是无限无界的开放型,取决于当今宇宙中的物质密度产生的引力是否足以使宇宙的现有膨胀减缓,以至于使宇宙停止膨胀,最后再收缩回去。这是关系到宇宙是否会重新坍缩或者无限膨胀下去的生死攸关的问题。

可惜迄今的天文观测,包括可见的物质以及由星系动力学推断的不可见物质,其密度总和仍然不及使宇宙停止膨胀的1/10。不管将来进一步的努力是否能观测到更多的物质,无限膨胀下去的开放宇宙的可能性仍然呈现在人们面前。

可以想象,许多人曾尝试将霍金的封闭宇宙的量子论推广到开放的情形,但始终未能成功。今年2月5日,霍金及图鲁克在他们的新论文“没有假真空的开放暴涨”中才部分实现了这个愿望。他仍然利用四维球的欧氏空间,由于四维球具有最高的对称性,在进行解析开拓时,也可以得到以开放的三维双曲面为空间截面的宇宙。这个三维双曲面空间遵循爱因斯坦方程继续演化下去,宇宙就不会重新收缩,这样的演化是一种有始无终的过程。

大爆炸理论:

观点:

大爆炸理论是关于宇宙形成的最有影响的一种学说,英文说法为Big Bang,也称为大爆炸宇宙论。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。

大爆炸理论的主要观点是认为我们的宇宙曾有一段从热到冷的演化史。在这个时期里,宇宙体系并不是静止的,而是在不断地膨胀,使物质密度从密到稀地演化。这一从热到冷、从密到稀的过程如同一次规模巨大的爆发。根据大爆炸宇宙学的观点,大爆炸的整个过程是:在宇宙的早期,温度极高,在100亿度以上。物质密度也相当大,整个宇宙体系达到平衡。宇宙间只有中子、质子、电子、光子和中微子等一些基本粒子形态的物质。但是因为整个体系在不断膨胀,结果温度很快下降。当温度降到10亿度左右时,中子开始失去自由存在的条件,它要么发生衰变,要么与质子结合成重氢、氦等元素;化学元素就是从这一时期开始形成的。温度进一步下降到100万度后,早期形成化学元素的过程结束(见元素合成理论)。宇宙间的物质主要是质子、电子、光子和一些比较轻的原子核。当温度降到几千度时,辐射减退,宇宙间主要是气态物质,气体逐渐凝聚成气云,再进一步形成各种各样的恒星体系,成为我们今天看到的宇宙。

大爆炸模型能统一地说明以下几个观测事实:
a)理论主张所有恒星都是在温度下降后产生的,因而任何天体的年龄都应比自温度下降至今天这一段时间为短,即应小于200亿年。各种天体年龄的测量证明了这一点。
b)观测到河外天体有系统性的谱线红移,而且红移与距离大体成正比。如果用多普勒效应来解释,那么红移就是宇宙膨胀的反映。
c)在各种不同天体上,氦丰度相当大,而且大都是30%。用恒星核反应机制不足以说明为什么有如此多的氦。而根据大爆炸理论,早期温度很高,产生氦的效率也很高,则可以说明这一事实。
d)根据宇宙膨胀速度以及氦丰度等,可以具体计算宇宙每一历史时期的温度。
按照大爆炸理论,宇宙是150亿年前从一个极小的点诞生的,从那里诞生了时间和空间、质量和能量,从而由物质小微粒聚集成大团的物质,最终形成星系、恒星和行星等。在大爆炸发生前,宇宙中没有物质,没有能量,甚至没有生命。

但是,大爆炸理论无法回答现在的宇宙在大爆炸发生之前到底是什么样,或者说发生这次大爆炸的原因是什么?按照大爆炸理论,宇宙没有开端。它只是一个循环不断的过程,从大爆炸到黑洞的周而复始,便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。

这只是一个设想,并不是一个完美的理论。

大爆炸理论虽然并不成熟,但是仍然是主流的宇宙形成理论的关键就在于目前有一些证据支持大爆炸理论,比较传统的证据如下所示:
a)红位移
从地球的任何方向看去,遥远的星系都在离开我们而去,故可以推出宇宙在膨胀,且离我们越远的星系,远离的速度越快。
b)哈勃定律
哈勃定律就是一个关于星系之间相互远离速度和距离的确定的关系式。仍然是说明宇宙的运动和膨胀。
V=H×D
其中,V(Km/sec)是远离速度;H(Km/sec/Mpc)是哈勃常数,为50;D(Mpc)是星系距离。1Mpc=3.26百万光年。
c)氢与氦的丰存度
由模型预测出氢占25%,氦占75%,已经由试验证实。
d)微量元素的丰存度
对这些微量元素,在模型中所推测的丰存度与实测的相同。
e)3K的宇宙背景辐射
根据大爆炸学说,宇宙因膨胀而冷却,现今的宇宙中仍然应该存在当时产生的辐射余烬,1965年,3K的背景辐射被测得。
f)背景辐射的微量不均匀
证明宇宙最初的状态并不均匀,所以才有现在的宇宙和现在星系和星团的产生。
g)宇宙大爆炸理论的新证据

在2000年12月份的英国《自然》杂志上,科学家们称他们又发现了新的证据,可以用来证实宇宙大爆炸理论。

长期以来,一直有一种理论认为宇宙最初是一个质量极大,体积极小,温度极高的点,然后这个点发生了爆炸,随着体积的膨胀,温度不断降低。至今,宇宙中还有大爆炸初期残留的称为“宇宙背景辐射”的宇宙射线。
科学家们在分析了宇宙中一个遥远的气体云在数十亿年前从一个类星体中吸收的光线后发现,其温度确实比现在的宇宙温度要高。他们发现,背景温度约为-263. 89摄氏度,比现在测量的-273.33的宇宙温度要高。
虽然已有上述证据存在,但是宇宙是否起源于大爆炸学说,仍然缺乏足够多的令人信服的证据。

注解:3K是什么意思?二十世纪六十年代初,美国科学家彭齐亚斯和R·W·威尔逊为了改进卫星通讯,建立了高灵敏度的号角式接收天线系统。1964年,他们用它测量银晕气体射电强度。为了降低噪音,他们甚至清除了天线上的鸟粪,但依然有消除不掉的背景噪声。他们认为,这些来自宇宙的波长为7.35厘米的微波噪声相当于3.5K。1965年,他们又订正为3K,并将这一发现公诸于世,为此获1978年诺贝尔物理学奖金。

受到的质疑:

大爆炸学说在最近开始受到严厉的挑战和质疑。如果大爆炸理论是正确的,那么这个空间里所有的物质应该生于大爆炸之后,这是个因果关系。虽然爱因斯坦的相对论原则上不需有绝对的时间和空间,但是如果宇宙有一个起源,它就有一个绝对时间的原点,破坏了时间的相对性,所以这个因果律便是一个绝对的定律。最近美国的哈伯太空望远镜观测到一些现象,显示这个绝对的因果律出了问题。也就是说宇宙可能没有起源,就像相对性的空间一样,时间也是没有原点,时间也不是绝对的。

哈伯太空望远镜的观测显示,如果宇宙真是由大爆炸所造成的,那么爆炸距现在的时间是小于很多老星球的年龄。最老星球的年龄可达一百六十亿年,但观测显示爆炸的时间顶多是一百二十亿年前而已。

结论:

从二十世纪初以来,包括爱因斯坦在内的大部分天文物理学家都相信,宇宙是由大爆炸所产生;由于质能互换原理,爆炸的能量最后转为物质。这个学说建立于三个重要的基石上。第一个,由数学上证明广义相对论只容许唯一的解,这个数学解就是在时间的原点,整个宇宙的大小是一个点,大爆炸炸开了一个三度空间。由于空间以一定的速率不断的膨胀,因此整个空间瞬间的大小也给了时间一个指针和定义。第二个基石是,美国天文学家哈伯在爱因斯坦发明了相对论的二十年后,发现了宇宙是在膨胀,并且越远的星系膨胀的速度越快。这个发现大致吻合相对论的数学解。第三个基石最具关键性,在七十年代,美国的天文学家发现了宇宙的背景辐射。由于宇宙的膨胀,大爆炸时的热能目前应已降到绝对温度数度左右,符合观测结果2.7度。从此,天文物理学家发展了一套标准模型,来解释这个膨胀的空间里一切物质的起源。但是宇宙到底确实膨胀多快,哈伯并无法确定。这个缺憾预留了一些空间让以后的天文物理学家去发展另一套不同于爱因斯坦相对论的学说。但是这些学说都是非主流。美国的哈伯太空望远镜的主要任务也就是要弥补当年哈伯观测的缺憾,要决定目前宇宙在单位距离内膨胀的速度。星球在膨胀空间里的分布就像一些点分布在正在膨胀的气球表面一样。点与点之间的距离会因膨胀而变大,分离的速度不但和气球膨胀的速度成正比,也和点与点之间的距离成正比。距离越大的两点,它们之间分离的速度越大。所以若不知任意两点之间的距离,只光知道两点分离的速度是无法知道整个气球膨胀的速度。同样的,若欲决定宇宙膨胀的速度,我们不但要知道星球之间分离的速度,也要同时知道星球之间的距离。天文学家可用所谓的都卜勒效应来测量任一星球远离地球的速度。但是,星球与地球之间的距离便不容易决定。因此哈伯常数(单位距离内的膨胀速率)相当难决定出来。

发表在《自然》杂志上的发现为在室女星系团内的上千颗造父变星。变星是光度有周期性变化的星,愈大的变星周期愈慢,可是愈大的星愈亮。所以变星的周期和绝对亮度有一定的关系,而造父变星的周期和绝对亮度之间的关系可以很准确的决定出来。但是,星球距地球越远看起来越暗,因此观测到的亮度并不是星球本身的绝对亮度。若是有办法知道星球的绝对亮度,再加上观测到的量测亮度,星球的距离便可知道。在天文上,远距离是无法直接测量的,造父变星提供了一个绝佳的机会来测量距离。天文学家可以量遥远变星的周期,大致上是几十天之谱,从而决定变星本身的绝对亮度,再和观测到的亮度相比,变星和地球的距离即可决定。

室女星系团距地球相当远,大约为几千万光年之遥,因此膨胀的速度可以相当快,可以利用都卜勒效应准确的测量出来。要是它的距离亦可准确的测量出来,哈伯常数便可准确地决定,大爆炸距现在的时间的上限便也能决定。造父变星的发表让天文学家准确地决定哈伯常数。宇宙在单位距离内膨胀的速率为每一百万光年27公里。它也代表大爆炸至早发生在一百二十亿年前。但是,天文学家又知道,银河系中的一些古老的星球年龄为一百六十亿年。这代表星球需要生于大爆炸之前。这个结果不符合因果律,因此大爆炸标准模型受到质疑。这个发现也让非主流学说有一个发展的空间。

其实,在逻辑的结构上,非主流派中的主流理论是可以和爱因斯坦的相对论相比美。如上所述,相对论的宇宙观是空间是相对的,没有原点,但时间是绝对的,有一个原点。相对论的宇宙观并且认为,宇宙的总能量守恒,没有凭白无故冒出多余的能量,也不能损耗总能量。但是另一个学说却认为时间和空间是相对的,两者都没有原点,所以宇宙是在一个时空的平稳状态中存在。在这种理论架构下,时间和空间有完整的对称性。为了要解释宇宙膨胀,这个学说必须放弃能量守恒的想法。它认为能量是可以无中生有,并且越来越多,物质也可以无中生有,愈来愈多。这就好象宇宙中蕴藏着无数的涌泉,随时随地冒出物质来。这些涌出的物质必须往外流,因此宇宙膨胀。因为物质随时涌出,所以不需要一个时间的绝对原点;物质随地涌出,所以空间也没有绝对原点。这个学说不需要大爆炸便可以解释宇宙的膨胀,并且也可以解决宇宙年龄的问题。可是,这个学说必须面对一个挑战,那就是如何解释宇宙背景辐射的温度。在1970年代,这个大爆炸理论的第三个基石是此学说的致命伤。在不久的将来,此学说会不会因发现造父变星而败部复活?我们可以拭目以待。

相对论宇宙模型或上述非主流的平稳态宇宙模型,对有创意的天文物理学家而言,绝非是个二选一的答案。其实,一般相对论的教科书上都不会提到广义相对论本身是有些缺陷的。从时空的完美对称性来看,它有上述需要时间原点的问题。除了时间、空间的问题之外,从物理学的相对性原则而言,它也有另一个问题,所谓的惯性坐标问题。十九世纪末,一位澳洲科学家马克提出一个宇宙学的问题。我们举目观星,如果连续看一、两个钟头,就会发现群星绕着北极星转。马克问道:“到底这是因为地球自转造成的,还是群星真的绕着地球旋转?”这个问题乍看之下相当不智,因为这像是十六世纪哥白尼时代的问题:“到底是地球绕着太阳转,或是太阳绕着地球转?”标准答案当然是地球自转所造成的。但是马克又道:“如果一切物理现象都是相对的,地球自转和群星绕地球转就必须是一体的两面。”举例来讲,要是你绕着原地自己旋转,你会感觉头晕,但是如果你站着不动,而周遭所有的物体都绕着你转的话,你也将会感到头晕。马克认为一个理想的宇宙模型应该能具有这个特性,一切都是相对的,转动也是相对的。这便是所谓的马克原则。爱因斯坦自己也承认,他是受到马克原则的启发才发明广义相对论。但是,不幸的是相对论无法做到马克原则的要求。相对论的宇宙必须很清楚地标示到底宇宙本身转不转。现存的标准宇宙模型是采取宇宙不转。所以我们对群星绕天的标准解释才会是地球自转。附带说明一点,至今还没有任何一个宇宙模型可以完全符合马克原则,上述的平稳态宇宙模型也不例外。



参考文献:小松博客 人们总想知道关于创世的奥秘。我们今天所称的宇宙是怎么来的?为什么它能存在?我们又怎么能在这里作此探思?这些问题在数千年中一直属于哲学和神学的领域。即使在四五个世纪前现代科学奠基之际,某些问题超出了科学的范围这一信念仍被普遍接受。例如,牛顿(Isaac Newton)力图解释存在于宇宙之中的物体的行为,却从不涉及宇宙本身的由来。然而今天,科学正在进入哲学的领地。现代物理学即量子物理学,正在回答诸如存在的本质、生命的本质,乃至整个宇宙的起源这样的终极问题。

是科学变成了哲学,还是哲学变成了科学?无论你如何看待,可以肯定的是,这二者之间的界线已经变得模糊,变得远不如今天大多数科学家和哲学家自己所认为的那样实在。令人惊讶的是,今天被纳入物理学的这部分哲学,是哲学中最为幽深玄奥的,被称之为形而上学,其源可上溯到两千多年前的亚里士多德)的巨著。所以,尽管这本书是天文学和物理学知识来讲述宇宙的起源,讲述宇宙如何诞生于原初火球即所谓大爆炸,看来还是有必要先回到亚里士多德,并对那些已被形而上学家们思索了许多个世纪的难题来一番浏览。

亚里士多德于公元前3幼年生于希腊北部的马其顿。他父亲是马其顿国王亚明塔斯三世[亚历山大大帝的祖父」的宫廷医生出头时曾应国王菲利普二世)之聘担任少年王子亚历山大的教师,但是亚里士多德在今天的大名并非由于他在马其顿官廷的地位。他的大量科学和哲学著作中,有两本与现代对宇宙本质的探索密切相关。一本是《物理学》,论述可见的世界。另一本是《形而上学》(字面的含义是“物理学之后”),探究潜藏的、支配可见世界的真实,即亚里士多德所称的“本原”。

按照现代的划分,这两本大作都属于哲学著作,但是亚里士多得所试图作出的区分,即我们所见的或者说可用科学仪器来测量的世界与潜在的真实之间的区分,是非常重要的,它直指现代物理学的核心。 在亚里士多德的继承者中对“本原”的研究被称为形而上学,它在许多个世纪里被哲学家看作是最基础的学科,因为它所探求的是对真实的整体性、综合性认识。

这似乎使人觉得难以把形而上学家看作是典型的哲学家,因为后者往往更致力于对事物的精细分析,而不是对世界本质的探究。有些形而上学家甚至怀疑一棵树或一间房子在没人看它时是否还真实存在,这在我们这些凡夫俗子看来简直是太可笑了。但可笑的是我们,因为,最实际和最客观的科学——物理学,在20世纪的发现已经不可抗拒地导致这样的结论,即在亚原子粒子诸如。电子和质子的层次上,物体在未被观测时的确并不“真实”存在。

这种对真实的终极本质的关注是形而上学的三大根源之一。形而上学家想要知道的,正是我们感官提供的关于真实世界的图象是否准确。我们的感官对从外部世界接受的印象产生反应,我们的大脑解释这些感官印象并指出(比方说)在花园里有一棵树。但是我们的大脑能直接知道的仅仅是感官印象,而我们对树的“知道”则是第二手的,是经过感官过滤而 进人大脑的。那么,哪个更真实——是感官印象还是树?我不准备在这里从传统哲学上详述这个问题,我要强调的是,上述讨论与20世纪20年代以来物理学家关于由实验探测的亚原子粒于世界真实性的讨论惊人地相似。从来没有人看见过电子或是原子。我们推断存在着我们称为电子或原子的东西,是因为一旦我们做某些实验,就能得出与电子和原子的存在相符的结果。但是我们确切“知道”的只是对仪表读数或荧屏上闪烁光点的感官印象,而从来不是对我们自信正在研究的粒子的直接感觉。著名的物理学家马赫,(他的贡献之一是用于衡量飞行器速度的物理量马赫数)于1883年在他的《力学》一书中曾这样概括:“原子是不可能被我们的感官觉察的,它们像所有物质一样只是思想的产物……只是一个便利于事实在思想上再生的数学模型。”50年后,另一位大物理学家爱丁顿爵士在他的《物理世界的本质》-书中也考虑了由科学仪器所报告的现实之本质这个问题。他指出,一张桌子对我们的感官表现为一样实实在在的物件,但是按照我们所钟爱的物理定律,那些探测物质结构的实验结果只能表明那桌子几乎是真空,它实际上是由许多很小的原子组成,而原子之间隔着比它们自身大得多的真空。阿尔伯特大厅中央的一粒沙,还不如那桌子里的一个原子那样孤独,那把原子束缚在一起组成桌子的看不见的电磁力倒真是“实实在在”的。感官印象中的桌子,比起由科学研究所得知的组成桌子的原子来,是更真实还是更不真实呢?所有这些已经够令人困惑的了,然而更糟糕的还在后头。

当物理学家试图探测电子和组成原子的其他粒子的精确性质时,他们发现那“真实”粒子的概念溜掉了。为了解释电子、质子和其他粒子的行为,他们不得不在20世纪20年代发展出一种新型的物理学,即量子物理学。“物理学之后”正是量子物理学,这样说并不夸张;更奇妙的是,量子物理学又正是用来解开形而上学疑难的法宝。在这个粒子物理的新世界里,粒子和波原来只是同一事物的两个方面。光曾被认为是电磁波,现在则必须被看作还是一种叫做光子的粒子流;电子曾被看作是像小弹子球那样的粒子,现在则必须被认为也是一种波。更糟的是,当20世纪20年代的物理学家试图运用量子物理的新认识来预测电子或其他粒子在实验装置中的行为时,他们发现这是不可能做到的,除非是在统计意义上。按照量子物理学,当你不看一个电子时,你无法知道它在哪里、在于什么。如果你测量一个原子的某种性质并得到结果人那么你所能做的一切只是计算下一时刻你作同样测量而得到结果日的概率。可是当你真的测量时,又会有一定的概率得到不是B而是C的结果。

这种状况听起来的确使人无所适从,以至于今天的大多数科学家和工程师都对它置之不理,而继续把电子当作小小的、可预测的弹子球,尽管他们用来设计激光或核反应堆的方程式是基于20世纪20年代得出的那些古怪的量子物理定律,量子物理学已经提供了形而上学三大难题之一的“答案”,那就是,如我在《薛定谔之猫探秘》一书中所讲的,按我们对“真实”这个术语的日常理解,没有什么东西是真实的。所以,量子物理学对付的基本难题是,物体当你不看它们时是什么样的,以及即使你在看时它们又是否真是实在的。形而上学三大难题之二是关于生命的起源和本质,现在也能依据量子物理学来理解,因为这门新物理学提供了原子之间相互作用的基本定则,正是这些定则允许包括双螺旋生命分子DNA在内的分子存在。同关于真实本质的难题一样,量子物理学与生命奥秘的联系也得用一整本书来讲,于是我又写了一本《双螺旋探秘》。上述两个难题不在这里进一步讨论,因为现在我要着手对付第三个也是最大的一个形而上学难题:这一切怎么会存在?我们的世界亦即宇宙是从哪里来的?20世纪20年代发现的量子物理学基本定则,同样也对这一难题作了洞察,尽管当时没有人意识到这一点。物理学家已经用60年来领会那些定则的形而上学含义,直到80年代才首次比较令人满意地解释了宇宙是怎么演变成今天这个样子的,它又是怎么开始出现的,自20世纪50年代以来,大爆炸理论已成为“最流行”的宇宙学理论,它认为宇宙起源于一种极高密度和极高温度状态的爆发,但是,大爆炸本身又是怎么来的呢?这是现在正在回答的问题,我希望在本书里告诉你人们是如何得出答案的。20世纪20年代以后,对大爆炸的探索是沿着两条分离的途径,这两条途径最近才会聚成现在的答案。量子物理学家继续忙于研究原子和粒子世界的性质,却很少(如果 还曾有过的话)抬眼看看天空,并想想他们的小世界是否还能告诉我们一点这个大世界的由来。与此同时,天文学家在沿着另一条途径前进,那条途径与形而上学沉思的关联并不亚于量子物理学家关于真实本质的难题。

从柏拉图到康德到现在,哲学家们在苦苦思索时间和空间的本质。这个问题虽被公认为不及真实性问题或万物之源问题那样难,但也击中了要害。我们都知道,必须确定空间和时间这二者,才能准确地标记一个事件。如果你安排“6点在钟楼下”见某人却没说是四月个钟楼,或者指定了钟楼却没说是什么时候见,显然都是不妥的。但是时间和空间比原子和电子更真实吗?它们会不会只是我们感觉的产物呢?试图从科学上建立认识时间和空间以及二者相互关系的框架的人,就是爱因斯坦,他也正是由此引导科学家们走上了通往大爆炸之路。
可以说,宇宙是由空间和时间组成的,同时我们也知道,宇宙是由物质组成的,既然是物质,那它必然就有起源与灭亡。

宇宙的起源一直是一个令人费解的问题,有一个被大多数人认同的说法——宇宙大爆炸。因为宇宙是在不断的膨胀着,所以,只需将各个行星及星系按照他们的运动往时间的过去推,则就必会有一点是各个星球重合的一点,这一点就是大爆炸的起点,也由此推算出了宇宙的年龄。这一个点其实就是一个巨大的极高密度的能量点,当这个点被压缩到一定程度时,就不可避免的发生了大爆炸,而产生一个能量点并压缩它就需要一个能量源,但在宇宙出现之前,空间又是一个什么概念,许多科学家只能将其解释为“无”,那么宇宙的起点又是从这个“无”中哪里来的呢,能量又是从哪里来的呢?也许这一切只能归结为上帝的创造。

且不说能量的源头在什么地方,在大爆炸以后,从虚无中产生的物质扩散开来,它们构成了最初的宇宙,而我认为,最初的物质很有可能是能量的一种表现形式,能量构成了物质的基本形式,在宇宙不断的膨胀中,物质逐渐形成了自己的基本微粒,能量也随之一点点的流失到宇宙中。我对宇宙的膨胀有着一种自己的看法,在宇宙大爆炸发生的同时,也产生了一个纯能量源,可能就是一个巨大无比的白洞,而在宇宙中存在着另一种物质——反物质,在初期,物质与反物质不可避免地进行着大量的接触,它们之间反应所产生的巨大能量,也足以摧毁n的n次方个太阳系。正是这两种能量,不断的促进着宇宙的膨胀,然后就有了我们现在观测到的宇宙。

现在,从地球的角度来考虑,人是地球上现在的主宰,人也就像是一个欲望不断的孩子,想要寻求出一切事物的真理,当发明出了太空飞船与望远镜这种东西时,而人类也就能更好地了解宇宙了。现在的望远镜可以观测到好几亿光年以外的东西,光年这个单位,既可以表示距离,也可以表示时间。我们都知道,我们通过望远镜观测到的星系都是几亿年前的现象,它们的现状我们不得而知。根据爱因斯坦的相对论,我们不可能得到超过光速的速度,也就是说乘坐飞船去那些遥远的星球几乎是不可能的,那我们是不是就不能够彻底了解宇宙的情况了呢?可以说是这样的,但通过科学家们的推理与计算,未来的某一天也许我们能够得到答案。但是现在也存在着许多学说,像黑洞中存在着时间隧道,它连接着某个时间的某个空间,只要进入了黑洞,就能够到达宇宙中的另一个地方;还有一种就是我们所观察到的星空,看似遥远,其实却离我们很近,是某些扭曲的时间与空间将它们的象折射得很远。如果类似这样的假说能够成立,那我们对宇宙的一切研究似乎又要从零开始了。但是,在我们没有将宇宙研究透彻时,任何假设都是有可能成立的。

就像生死各有天数一样,宇宙也应该有它的灭亡,前面提到了宇宙爆炸时产生了白洞,当这个白洞散尽了它所有的能量时,也就是宇宙膨胀该停止的时候,此时这个能量源就要向自己本身吸收能量,同时也产生了不可抗拒的巨大引力,宇宙也因此向回收缩,空间与时间被迫压缩扭曲,各个星系都不可避免的遭到了粉碎性的毁灭,宇宙将又回到它的起始点,就是那个纯能量点。这时就出现了一个问题,就是这个能量点的结局会是怎样,没准儿它会继续被压缩,然后爆炸,产生另一个宇宙……因此,我们宇宙的起点也许是另一个宇宙终点,宇宙这个空间就在不停的循环往复。

现在有许多不能解释的东西,像时间的起点,宇宙之外的空间……有时候,这些事情越想越觉得不可理解,不可想象。我很欣赏一句话:进化的终点是灭亡。在未来,我们的后人也许会发现或创造出像科幻片中出现的超空间,因而轻而易举的在宇宙中四处旅行,到那时,真理穷尽,人们不再有新的探求,这就是走向灭亡的第一步。最终宇宙的灭亡到来,这是人们无法抗拒的伟大的自然力量,但能在灭亡之前了解到世界上的各种奥秘其实也是一种幸福。按照我们的科技发展速度来说,我们只能将我们的梦想与问题留给后人去解释了。
 

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