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宇宙的生命历程
对黑洞的研究同时使我们了解了大爆炸，两者在性质上基本一致，只不过大爆炸是发生在一个极大的尺度上，并且是黑洞的时间反演而已。
让我们回顾一下前面章节论述到的宇宙特性。
 > 宇宙在不停地膨胀，星体距离我们越远，则离我们而去的速度就越快。在大约150~200亿年以前这些星体是聚集在一点的，这就是大爆炸奇点，它的密度和空间--时间曲率均为无穷大，因此一切科学定律在此奇点处完全失效。宇宙中还存在着另一种奇点，它们是由已经'死亡'并发生引力坍缩的恒星形成的，其密度和时空曲率也时无穷大；在其强大的引力场的作用下，即使物体以光速运动也不能脱离它而逃逸到无穷远处，我们将这种星体称为'黑洞'。对黑洞的研究使我们发现，黑洞没有毛--一颗不旋转的黑洞只能是完美的球体。
当使用量子力学的观点来研究黑洞，得到了惊人的结果--黑洞正在向外辐射粒子而使自己具有表观温度，而一颗10亿吨左右的黑洞甚至是白热的！
现在让我们来看看200亿年前发生了什么事情！
在大爆炸时刻，宇宙的体积是零，所以其温度是无限热的。大爆炸开始后，随着宇宙的膨胀，辐射的温度随之降低。大爆炸1秒钟之后，温度降低到了100亿度，这个温度是太阳中心的1千倍。此时的宇宙中主要包含光子、电子、中微子和它们的反粒子（光子的反粒子就是它本身），以及少量的质子和中子。。此时粒子的能量极高，它们相互碰撞并产生大量不同种类的正反粒子对。这些正反粒子对碰到一起时又会湮灭。但此时它们的产生率远大于湮灭率。
顺便一提的是，中微子和反中微子之间以及它们和其它粒子之间的相互作用非常微弱，所以它们并没有互相湮灭掉，以致于直到今天它们仍然存在。中微子的质量被认为是零，但1981年前苏联和1998、1999年日本的研究显示，中微子可能具有微小的质量。如果被证实的话，有助于我们间接地探测到它们。
它们是'暗物质'的一种形式，具有足够的引力去阻止宇宙的膨胀并使其坍缩。 宇宙继续膨胀，温度的降低使得粒子不再具有如此高的能量。它们开始结合。与此同时，大部分正反电子相互湮灭，并产生了更多的光子。大爆炸100秒后，温度降到了10亿度，这相当于最热的恒星的内部温度。质子和中子由于强相互作用力（核力）而结合。一个质子和一个中子组成氚核（重氢）；氚核再和一个质子和一个中子形成氦核。根据计算，大约有四分之一的质子和中子转变为氦核，以及少量更重元素，如锂和铍。其余的中子衰变为质子，也就是氢核。
几个钟头之后氦和其它元素的产生停止下来。在这之后的100万年左右，宇宙什么也没有发生，只是膨胀。当温度降低到了几千度时，电子和原子核不能再抵抗彼此间相互的吸引力而结合成原子。由于宇宙存在着小范围的不均匀，区域性的坍缩开始发生。其中一些区域在区域外物体引力的作用下开始缓慢的旋转。当坍缩的区域逐渐缩小，由于角动量的守恒，它自转的速度就逐渐加快。当区域变得足够小时，自转的速度足以平衡引力的作用，象我们银河系这样的碟状星系就诞生了。另外一些区域由于没有得到旋转而形成椭圆形星系。这种星系的整体不发生旋转，但它的个别部分稳定地绕着它的中心旋转，因而也能平衡引力坍缩。
由于星系中的星云仍有不均匀性，它们被分割为更小的星云，并进一步收缩形成恒星。恒星由于引力坍缩产生的高温引发核聚变，聚变产生的能量又抵抗了继续收缩的趋势，恒星进入稳定地燃烧。质量越大的恒星燃烧的越快，因为它需要释放更多的能量才能平衡自身更强的引力。它们甚至会在1亿年这样短的时间里耗尽自己的燃料。
恒星有时会发生被称为'超新星'的巨大喷发，这种喷发令其它一切恒星都显得黯淡无光。这时一些恒星在晚期产生的重元素就会被抛回到星系中，并成为下一代恒星的原料。我们的太阳就是第二或第三代恒星，它含有大约2%的这种重元素。还有少量的重元素聚集并形成了绕恒星公转的行星，我们的地球也是其中之一。
对于宇宙的起源，我们仍然有很多问题：第一、为什么宇宙在大尺度如此的均匀？背景辐射的温度也一样？除非宇宙的不同区域刚好从同样的温度开始！第二、又为什么我们的宇宙会以如此接近临界的速率膨胀？如果它在大爆炸后1秒钟的时刻其膨胀速率只要小十亿亿分之一，那么我们的宇宙早已坍缩！第三、我们的宇宙非常光滑和规则，而从概率上来讲，紊乱的和无规则宇宙的数量应该占绝对优势，因为宇宙初始状态的选择是随机的。我们为何恰巧遇到这样渺茫的几率呢？
为了解释这些现象，麻省理工学院的学者阿伦·固斯提出了'暴涨宇宙模型'。他认为，早期的宇宙不是象现在这样以递减的速率膨胀，而是存在着一个快速膨胀的时期，宇宙的加速度膨胀使其半径在远远小于1秒钟的时间里增大了100万亿亿亿（1的后面跟30个0）倍。
固斯认为，大爆炸的状态是非常热和相当紊乱的。这些高温表明宇宙中的粒子具有极高的能量。在如此的高温下，强相互作用力、弱相互作用力和电磁力都被统一成为一个力；当宇宙膨胀并变冷，力之间的对称性由于粒子能量降低而被破坏，强力、弱力和电磁力变得彼此不同。这就好象液态水在各个方向上性质都相同，而结冰形成晶体后，就变成了各向异性，水的对称性在低能态被破坏了。
当宇宙暴涨时，它所有的不规则性都被抹平，就如同吹涨一个气球时，它上面的皱摺都被抹平一样。
暴涨模型还能解释为什么宇宙中存在着这么多物质。在量子理论里，粒子可以从'粒子--反粒子对'的形式从能量中创生出来。这些粒子和反粒子具有正能量，而这些粒子的质量产生的引力场具有负能量（因为靠得较近的物体比分开得较远的物体能量低），宇宙的总能量为零，这保证了能量守恒不被破坏。零的倍数仍然为零，在暴涨时期宇宙体积急剧加倍的过程中，可以制造粒子的总能量变得非常之大，以致于我们的宇宙现在大约拥有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿（1后面跟80个零）个粒子。固斯是这样形容这件事的：'宇宙是最彻底的免费午餐！'
奇点消失了
值得注意的是，既然粒子是以成双成对的出现，为什么我们今天看到的粒子比反粒子多得多？以致于尚未发现天然的反粒子，仅在粒子对撞实验中证实了它们的存在。 我们知道，在量子力学中有三个分别叫做C、P、T对称。C（电荷）对称的意义是，科学定律对于粒子和反粒子（与粒子的电荷相反）都是相同的。P（宇称，也称作镜象）对称的意义是，科学定律对于某一情形及其镜象（例如右手方向自旋的粒子镜象为左手方向自旋的粒子）是不变的。T（时间）对称的意义是，科学定律对于前进或后退的时间方向都是一样的，也就是说，如果我们颠倒粒子和反粒子的运动方向，系统应该回到原先的样子。
人们对这三个对称深信不疑，认为这是宇宙完美的体现。直到1956年，华裔物理学家杨振宁和李政道发现，弱相互作用力不服从P（宇称）对称，他们的同事吴健雄女士用实验证明了这一点。她将放射性元素的核在磁场中排列，使它们的自旋方向一致，然后看到电子在一个方向上比在另一个方向上发射出更多。杨振宁和李政道获得了次年的诺贝尔奖，非常有争议的是，获奖者却不包括吴健雄。杨李二人提出将奖金与吴健雄平分，但被吴谦逊地推却了。他们是我们华人的骄傲！
杨、李的发现意味着弱力使宇宙镜象的发展不同于我们宇宙！人们还发现。弱力也不服从C（电荷）对称，也就是说，由反粒子构成的宇宙和我们的宇宙不同！当时杨和李认为弱力服从CP联合对称--将所有的粒子以反粒子代替，由此构成的宇宙的镜象，其行为和我们的宇宙相同。然而1964年美国人J.W.克罗尔和瓦尔·费兹发现，在K介子的衰变中，甚至连CP联合对称也不服从！他们也因此获得诺贝尔奖。他们进一步得出推论：由于数学定理证明了科学定律必须服从CPT联合对称，我们将不难理解：如果定律服从T对称，同时不服从CP联合对称，那么定律将无法服从CPT联合对称--而这种对称是被数学定理证明了的。我们不得不接受这个事实--定律在时间方向颠倒的情况下必须改变，也即科学定律不服从 T（时间）对称！
虽然看似牢不可破的对称守恒已经终结，但我们对宇宙的疑问也得到了合理的解释。由于量子力学和相对论的不服从上述对称，在大爆炸及宇宙早期的膨胀过程中，虽然粒子成对产生，但粒子向其它种类转变时是不对称的--反电子变成夸克要比电子变成反夸克容易，于是早期宇宙产生的粒子中夸克和电子的数目就多于反夸克和反电子。当反夸克和反电子找到'同伴'并与之湮灭后，宇宙中过剩的夸克和电子就留了下来，组成了我们今天看到的宇宙以及我们自己。
在这里简单介绍一下夸克。夸克是构成质子、中子等'基本粒子'的更小粒子，它们有六种'味'--上、下、奇、魅、底、顶，每种味又具有三种'色'--红、绿、蓝。每个质子或中子由三个夸克组成，每个夸克一种颜色。一个质子包含两个上夸克和一个下夸克;而一个中子包含一个上夸克和两个下夸克。奇夸克、魅夸克、底夸克、顶夸克也可以构成粒子，但这些粒子质量都较大，会很快衰变为质子或中子。
夸克之间由强相互作用力束缚在一起，这种力由一种叫做胶子的粒子携带。强力有一种叫做'色禁闭'的古怪性质，它总是将粒子结合为无色的状态。例如一个红夸克只能和一个绿夸克以及一个蓝夸克结合在一起（红+绿+蓝=白）。因此我们不能得到单独的夸克。另一种可能性是夸克和反夸克相结合在一起（红+反红=白，余类推），这种粒子被称为介子。介子是不稳定的，因为正反夸克会湮灭而产生电子和其它粒子。胶子也有颜色，因此我们只能看到由几个胶子组成的被称为胶子团的不稳定粒子。
色禁闭既然使我们不能看到单独的夸克或胶子，那么把夸克和胶子作为单独的粒子来研究就有点想象的成分了。事实上，如果在高能的状态下，强力相对来讲变得弱得多，夸克和胶子的行为就会象自由粒子那样了。科学家们也的确拍到了高能粒子碰撞后释放出来的自由夸克。
1981年在梵蒂冈举行的一次宇宙学会议上，教皇作了演讲。他宣称：'大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但我们不应该去过问大爆炸本身，因为那是创生的时刻，因而是上帝的事务。'
然而奇点定理的真正意义在于指出了引力场必然会强到某种程度，使我们不能再忽视量子力学的效应。当采用量子力学的观点来研究奇点理论时，以霍金为首的科学家们加入'虚时间'（用数学中的虚数计量的时间）的概念。虚时间是基于费因曼的'对历史求和'原理。所谓'对历史求和'是指粒子可以沿着任何时空中的任何路径前进。该原理是从'测不准原理'推导出来的。
让我们看看虚时间所揭示的情形吧。如果时空从一个奇点（例如'大爆炸'）开始向前发展，那么它将沿着任何可能的路径延伸，结果时空将形成一个封闭的曲面（例如球面）。时空将如同我们的地球一样--当宇宙膨胀的最大尺度就是'时空赤道'，而大爆炸和大挤压是'时空北极'和'时空南极'，这就形成了一个有限但无界的曲面。它们如同地球的南北极一样，虽然纬度为零，但比起地球上的其它点来说并没有任何奇异之处。通常的科学定律在这里同样有效，我们不用针对奇点提出新的理论，因为量子力学中没有任何奇点。
我们看到，在虚时间中，奇点消失了！
随着黑洞向外辐射粒子，导致黑洞最终蒸发殆尽。它会形成一个微小的并且是自足的'婴儿宇宙'。霍金研究发现，这种'婴儿宇宙'可以从时空分岔中重新回到我们所在的区域，这种情形在我们看来则是物质落入黑洞中，并且从另一个黑洞中被辐射出来。虽然这些物质回到了我们的区域，但其形态已经完全不同，甚至其粒子的种类也大相径庭，唯一相同的是它们的质量和能量。大爆炸和黑洞的周而复始就是宇宙的循环往复。
空间--时间形成一个在尺度上有限而没有任何边界的曲面，这个论断对于上帝在宇宙事务中所扮演的角色非常不利。时空没有边界，也就没有使科学定律失效的奇点，所以也我们不需要上帝来给定宇宙的定律和边界条件--因为宇宙的边界条件就是'没有边界'！正如霍金教授精辟的指出：
'宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被创生，也不被消灭。它就是存在！'
结篇：物理学的未来--大统一理论
科学家们一直试图寻找一个单一的理论来完整的描述我们的宇宙，这是爱因斯坦的梦想，他晚年的致力于这方面的工作，但是由于当时的科学条件，他的梦想没有实现。爱因斯坦拒绝相信量子力学的真实性，虽然他在量子力学的建立和发展中起了极其重要的作用。他难以接受'测不准原理'，并认为'上帝不会掷色子'。然而霍金声称：爱因斯坦错了--量子力学是宇宙理论的一部分，上帝的确是在掷色子！
有人说：如果爱因斯坦的最后十五年在太平洋的一个小岛上钓鱼，那么对当代物理学没有丝毫的影响。不错，爱因斯坦最后阶段的研究离开了主流的研究方向，他在自己的研究中实现自己的理念。他在晚年无不遗憾地对好友说：'看来这项工作我完不成了……'但世人仍然为他的精神所感动！而现在看来，大统一理论已经初见端倪。科学家们已经在实验中证明，在大于100吉电子伏的能量下（这个能量被称为'弱电统一能量'），弱力和电磁力之间的差别完全消失！同时科学家们预测，当能量更大时（大约在一千万亿吉电子伏）--我们称为大统一能量--强力、弱力、电磁力的差别将消失，这三种力的统一就是'大统一理论'。
但这还不够，因为引力场和这三种力尚不协调，或者说广义相对论和量子力学尚不完全协调。对黑洞和大爆炸的研究，已经使我们掌握了很多这方面的知识，霍金教授对于找到终极理论表示了谨慎的乐观。也许我们有机会看到用一组单一的方程来描述整个宇宙。
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