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热力学第二定律的例子到处都是——建筑物倒塌，人变老，山脉跟海岸线受侵蚀，自然资源被消耗。 于是人们发问：宇宙是一直存在着吗？ 假如说宇宙在时间上没有起源，就是说宇宙一直存在，那么，宇宙的年龄就是无穷大的了。无穷大这个概念让许多人眩晕。假如早已有了无穷多的事件，为什么我们发现我们自己是生活在现在这一时刻？难道宇宙在永恒的时间里一直是静止的，只是到了相对晚近的时候才突然活动起来？或者，在永恒的时间里，一直存在着某种活动？ 对物质世界提供某种理解的思想体系都要对世界的起源说一些话。宇宙要么是一直存在着；要么就有起始，多少有些突然地起始于过去某一特定的时刻。这两种说法长久以来一直困扰着神学家、哲学家、科学家。 另一方面，假如说宇宙是有起始的，那么就是承认了宇宙是突然从虚无中生出来的。这似乎暗示着有一个最初的事件。假如真是有，那最初事件的起因又是什么？这样的问题还有意义吗？ 许多思想家面对这些问题畏缩不前，转而去寻求科学的证据。科学在宇宙起源的问题上能告诉我们些什么？ 如今，大多数宇宙学家和天文学家都支持约在180亿年前确有天地创生的理论。当时，物质的宇宙在一场可怕的爆炸中产生了。那场爆炸就是现在人人皆知的“大爆炸”。“大爆炸”理论是很惊人的，但这一理论得到许多证据的支持。人们接受该理论的所有细节也好，不接受也好，其中的关键假说，即过去有某种创生的假说，从科学的观点来看是有力的。该理论之所以看上去令人信服，其直接理由来自热力学第二定律这一已知的物理学中最为普遍的定律所包含的庞大科学证据。就其最广泛的意义而言，热力学第二定律认为宇宙的无序程度与日俱增。宇宙在缓慢地、但却是无可挽回地坠人混沌。热力学第二定律的例子到处都是——建筑物倒塌，人变老，山脉跟海岸线受侵蚀，自然资源被消耗。 假如一切自然的活动都导致了更多的无序（以某种适当的方式测量出来的），那么，世界就一定是在不可逆转地变化，因为要使宇宙回到昨日的状态，就意味着把无序降低到先前的水平上，而这一点又是跟热力学第二定律不相容的。然而，乍一看，世上似乎很有些第二定律的反例。新建筑起来了，新结构生长了。难道每一个新生的婴孩不都是无序中生出有序的例子吗？ 在这些例子中，你得注意你所观察的是整个系统，而不仅仅是你所关心的事。在宇宙某一区域的有序增加，总是以另一处无序的增加为代价的。就以建筑一幢新大楼为例吧。建筑所用的材料不可避免地消耗了世界的资源，同时，在建筑的过程中耗用的能源也是不可回收的。做一下结算，就会发现总是无序为多。 物理学家们已发明了一个叫作熵的数学量来给无序定量。很多精心的实验也证明，一个系统中的总体的熵从来不会减少。假如一系统与其环境隔离开了，那么，该系统内的任何变化都会无情地使熵值增大，最后达到大到不能再大的程度。从此以后，就不会再有任何变化，整个系统就会达到一种热力平衡的状态。一个装有混合化学物质的匣子便是个好例。各种化学物质发生反应，或许由此产生一些热，各种物质改变它们的分子形式。诸如此类的一切变化都增加了匣内的熵。最后，匣中的物质取得了它们最终的化学形式，彼此的温度也一致了，于是，也就不会再有什么变化了。要想把最后的生成物还原到先前的状态也不是不可能，但这就得把匣子打开，再耗用能量和物质以便让已发生过的变化再变回去。这个操作过程的确会降低匣内的熵，但同时会产生更多的熵。 假如说宇宙真有一个有限的有序量，而且是在不可逆转地向着无序变化，最后达到热力学平衡，那么，就可以立即得出两个很重要的推论。推论一是，宇宙最终将会死去，消沉在它自己的熵里。这个推理，物理学家们称之为宇宙的“热死”。推论二是，宇宙不可能已有无限的过去，假如真有，那么宇宙就会在无限远的时间以前早就达到了最终的平衡状态。结论：宇宙并非过去一直存在。 我们在周围一切习见的系统中就可以看到热力学第二定律的作用。例如地球就不可能有无限的过去；假若有的话，那它的内核早该凉下来了。根据放射研究，地球的年龄可确定为45亿年。这跟月球以及各种陨石的年龄差不多。 而太阳则肯定不会热热闹闹地一直燃烧下去的。它的燃料储备年年在减少，故而最后它会变凉、变暗。反过来推理，则太阳肯定只是在一段有限的时间以前才燃着的，因为它没有无限的能源。根据估算，太阳的年龄只是比地球的稍大一点儿。这估算与目前认为太阳系当初是作为一个单独的单位形成的这一类理论很符合。然而，太阳系只是宇宙的一个小山的组成部分。只是根据地球与太阳的情况就得出概括宇宙的结论也未免鲁莽。但太阳的确是一颗典型的恒星，光是我们所在的星系里就有成百亿其他的恒星，它们的生命史可供天文学家们研究。现存的恒星都各自处于其演化史上的不同阶段，这就使我们能够勾勒出恒星的诞生、演化、死亡的详细图画。 恒星与行星一道形成，形成的原因是，星际间主要由氢构成的大块稀薄的气云在缓慢地收缩，分裂。今天，要想找到星系中哪些区域有恒星正在诞生是很容易的。这样的区域之一是猎户星云，肉眼就看得见。恒星并非是一下子形成的。例如，我们的太阳现在约50亿岁，然而，它的年龄充其量至多只是银河系中最老的恒星的一半。而太阳系的形成可以看作是银河系中发生了几百亿次的一个持续不断的过程所得出的一个结果而已，而这个过程将持续下去。于是，我们似乎可以说，就恒星和行星的形成而言，是谈不上什么创生的，不过是某种宇宙装配线不断地把原料（氢、氦以及很少的重元素）装配成恒星、行星罢了。 就算是一批恒星在不断地燃尽，另一批恒星又不断地形成并取而代之，难道这生生灭灭的循环从无限远的过去就一直是这么周而复始直至今日的吗？不。热力学第二定律告诉我们，不会有这种周而复始以至无穷的循环。恒星燃尽的物质永远也不会完全进入再循环。燃烧所用的能量，以星光的形式消散在太空里，要在太空中发散几百亿年。还有一些恒星的物质进入了黑洞，再也出不来了。 那种认为整个宇宙系统并非一直就是这么循环往复的观点，还有一个更为直接的理由。艾萨克·牛顿这位现代科学的奠基人之一证实，引力是一种普遍的力，作用于宇宙中一切物体之间。每个恒星，每个星系，都因引力而互相靠近。因为天体是在太空中自由漂浮的，看来它们没有任何理由不因这无所不在的引力而会聚在一起。在太阳系里，众行星因引力塌向太阳的事之所以没有发生是因为有离心力——各个行星都在绕太阳旋转。同样，银河系也在旋转。但现在我们还没有证据证明整个宇宙也在旋转。各个星系显然不能永远挂在太空中，所以，宇宙也不可能永远是目前这个样子。 尽管这个宇宙之谜自牛顿以来就被意识到了，但只是到了20世纪20年代才发现了它的解答。美国天文学家埃德温·哈勃发现，各个星系不是在相聚，而是在以很高的速度相离。哈勃注意到，各星系的光在颜色上稍稍有些异常（用术语来说就是“红移”），这说明各个星系在急速倒退。因为光是由不同的光波组成的，因此，一个移动的光源能将光波拉长或缩短，正如一辆行进中的车辆会把它发出的声波拉大或缩短一样。一辆汽车的发动机的声音或一列火车的汽笛声，在该汽车或火车急速开过我们身边时，其音高会降低很多。这里，只要把“音高”代换成“颜色”，就得到了哈勃红移。只是这里所说的各行星的退行速度比汽车或火车速度大得多。遥远的星系每秒退行成千上万英里。 哈勃的发现有时被人给以错误的解释，被认为是说明了我们所在的星系是众星系的中心，其他所有的星系都在飞离我们。这种看法是错误的。因为离我们远的星系退行速度要比近处的星系退行速度大，因而远处和近处的星系彼此间的距离也在扩大，所以，事实上每一个星系都在脱离其他的星系。这就是有名的“宇宙膨胀”。无论你从宇宙中的哪个位置上观察，星系扩散的图式看上去都是很一致的。 宇宙膨胀的概念与现代人关于空间、时间、运动本质的思想十分吻合。阿尔伯特·爱因斯坦在科学界中地位之高，有如圣保罗在基督徒中的地位，他那让人绞尽脑汁方能理解的相对论，极大地改变了我们对时空及运动的看法。尽管爱因斯坦的空间弯曲及时间弯曲的概念，耗时60年才进入普通大众的想象之中，物理学家们却早就接过他的时空弯曲的概念来解释引力了。 引力为一切大规模的宇宙现象提供了动力。在天文尺寸的物体中，引力要比其他的力如磁力、静电力大得多。形成星系并控制星系间的运动的，是引力。要解释宇宙的膨胀，引力就是关键。 爱因斯坦令人信服地说明，引力使空间、时间伸长或扭曲，而且这可以通过观察太阳的引力使擦过其表面的星光弯曲这一现象得到直接的验证。从地球上看，太阳背后的天空有很小的但是是明显的弯曲。时间的弯曲也可以得到证明，最直接的证明就是让钟表在空间飞行。时间在没有引力的环境中要比在地球的表面走得快。 假如太阳能拉长空间，那么，星系也能。因为星系是由很多太阳一样的恒星组成的。因而，天文学家们认为星系不是在空间中离散，而是星系间的空间在伸长。假如星系间的空间在“膨胀”，那么，每个星系的活动余地都在逐日增大。这就是说，宇宙在扩展，却不必扩展到某种外部的真空之中。 既然很多人觉得时空伸缩的概念难懂，我们就先把这些难懂的概念搁置一会儿。很明显的事是，既然宇宙在越变越大，那它以前一定要比现在小。假如过去一直就是目前这样的膨胀速度，那么，200亿或300亿年前，整个可以观测到的宇宙就会蜷缩进一个令我们感到十分陌生的小球中，在其中我们认不出任何天体。事实上，天文学家们已经发现，宇宙膨胀的速度正在变小，这就是说，那种高度压缩的状态事实上是在更早些时候发生的，距今大约是150或200亿年前（可与太阳的年龄——50亿年——做一比较）。因为当初的膨胀速度比现在的大得多，所以，星系离散在早期的时候，就像是场爆炸，而不是慢吞吞的膨胀。 有时人们说，我们今天所认识的宇宙当初是由于一种原初的“卵”发生爆炸而形成的。各星系都是当初爆炸的碎片，这些碎片现在仍在空间飞扬。这幅图景颇能反映一些真实的情况。但有时也会使人误入歧途。那个爆炸的东西之所以曾处于收缩状态，是因为空间处于收缩状态。那种认为“卵”是包裹在真空中的想法是错误的。卵有壳、有核。然而，天文学家们则认为，宇宙既没有边或壳，也没有任何具有特权的中心。 我们现在算是跟“无限”这个微妙的问题缠上了。对那些疏忽的人来说，这个问题充满了陷阱。这个问题不但对于讨论膨胀的宇宙来说很重要，而且对科学和宗教这一类更为广泛的问题来说也是很重要的，因此，偏离一下我们的主题，讲一讲这个问题还是值得的。 科学家们长久以来就认识到，需要将他们关于无限的一切思考都建立在严格推导的数学步骤上，因为测量无限会导致各种各样的佯谬。例如，我们可以想想伊利亚的芝诺（公元前5世纪）提出的有名的“兔子和乌龟”的佯谬。在一次赛跑比赛中，乌龟开始领先，但兔子跑得快，很快就追上了乌龟。显然，在赛跑过程中的每一时刻，兔子和乌龟都各自处在一个位置上。因为两者都跑一段相同的时间——即时刻的数目相同——所以，按理说，它们通过的地段是相同的。但是，兔子要想追上乌龟，就必须在相同的时间里跑更远的距离，于是就要通过更多的地段。那么，兔子怎么能追上乌龟呢？ 这个佯谬是归于芝诺名下的几个佯谬之一。要想求得这个佯谬的解答，就得仔细地陈述无限的概念。假如时间和空间是无限可分的，那么，兔子和乌龟就要跑无限段的时间、空间，在这里，“无限”的关键是，无限的一部分与无限的整体是一样的。尽管乌龟跑过的路要比兔子的短，可乌龟跑过的路段仍是与兔子的一样多（即无限），但我们知道，兔子不但跑过了乌龟跑过的路段，而且还跑了更多的路段！ 研究无限的问题，就会弄出很多这一类令人吃惊的事来。数学家们花了许多个世纪进行逻辑论证，以便全面理解正确处理无限问题的规则。奇特的是，世上的无限不止一种。有东西的无限，可用整数代表（1，2，3，……，无穷大），还有一种更大的无限，用全部的整数都不足以表达出来。 说到几何学，人的直觉能把人搞得很迷糊。就以包围着一块给定面积的土地的篱笆为例吧。很容易看出，在面积已定的情况下，细长条形的土地需要的篱笆要多于正方形的土地。圆形土地需要的篱笆最少。但是，这块面积已定的土地周边到底能有多长？图1是一形状奇特的周边，是一次次地在三角形上再开三角形造成的。每开一次三角形，篱笆的周边都增长一些，它所圈的面积都要增多一点。但那周边永远也不会伸到外接圆之外去，所以，它所圈的面积永远是有限的。然而，随着在周边上开三角的次数的增多，周边就可以无限延长。这样，我们就能够想象，一无限长的篱笆围着一块面积有限的土地。 这一切与宇宙的创生又有什么关系呢？首先，这一切表明，“无限”之类的概念不应滥用，否则会导致无意义。第二，这一切表明，人们所获得的问题的答案常常跟直觉和常识相悖。这是科学给人的大教训之一。人们常常必须要依靠抽象的东西，依靠正规的数学操作来理解世界。平常的经验有时是不可靠的向导。 宇宙的体积是无限大吗？假如空间的体积是无限大，我们就可以想见有无穷多的星系散布其间，而且其密度也大体一致。于是，很多人就不能理解，一个无限大的东西怎么还能膨胀？它要膨胀到哪里去呢？这个问题不难回答：无限的体积可以膨胀，但体积不变。（请记住“乌龟”教给我们的东西吧。）但是，当我们把这个模型拿来比附“宇宙卵”时，就出现了形象化方面的问题。假如到处都有星系，那么，从前就不可能有过一个体积有限，又有外壳，而且外壳之外没有物质的宇宙卵。因此，卵的比喻行不通。 设想一下，有这样一个无限的宇宙，这宇宙是一球体，包容了极大的体积的空间，其中有很多星系。现在再设想空间到处都在急速收缩，就像奇境中的爱丽丝吃过魔饼之后的情况一样。于是，该球体的半径就会越缩越小，然而不管怎样缩小，总是有无尽的空间，而且其外还有无限多的星系。假如该球体真是缩小到了无限小，那么，这就产生了一个从数学角度讲是棘手的问题，即一个无限缩小的无限宇宙。这个球体宇宙仍是没有中心也没有边界的，然而，任何这一类的球体不管当初是多么地大，经过无限缩小之后，其中所有的星系便会被压缩成一个点。天文学家们认为，宇宙发生爆炸之前，就处于这种无限收缩却无界的状态之中。 事实上，还有一个可用的宇宙模型可以避免诸多无限的纷扰。这个模型是爱因斯坦本人在1917年提出的。在确认空间能够弯曲这一事实之后，爱因斯坦说，空间能以许多种人所意想不到的方式把自己连接起来。可以拿地球的曲面为类比。地球的表面，面积是有限的，但它是无界的，一个旅行者走到哪里都不会碰上地球的边缘或边界。同样，空间也可能体积有限却没有边界。这种奇异的图景怕是没几个人能真正看明白，但数学自会替我们把其中的细节勾画出来的。该形体叫作超圆体（hypersphere）。假如宇宙是一超圆体，宇航员原则上就可以像麦哲伦一样作环宇航行了。他可以驾着火箭向同一个方向飞，一直飞到他的出发点。 尽管爱因斯坦所提出的超圆体宇宙是有限的，但却没有中心，也没有边界（正如地球的表面也没有中心，没有边界），因而，当它收缩时，也不像一只宇宙卵。我们可以想象这超圆体缩至无限小，体积消失，就像一个圆面缩小到了半径为零一样（见图2）。 对能伸能缩的空间进行的研究，使宇宙学家们提出了一个在细节上与圣经大不相同的宇宙创生的理论。他们所提出的科学理论最惊人的一点就是，他们认为空间本身，而不仅仅是物质，也是在大爆炸中创生的。假如你把图2正在膨胀的气球，即从无中膨胀起来的气球倒过来看，把它看成是正在收缩的气球，并以此作为宇宙的模型，那么，你就算是大致知道现代物理学是如何讲述宇宙创生的了。这里的一个重要论点是，我们这里所谈的宇宙不管是爱因斯坦的超圆体（即气球模型），还是体积无限的宇宙，要想设想空间无限收缩之后是什么样子是不可能的。大爆炸发生的最初那一刻，空间是无限收缩的，那一刻就代表着空间停止存在的时间边界。物理学家们把这边界称作奇点。 空间原来竟是从无中生出来的，这个离奇的想法是很多人觉得难以理解的，因为他们早已习惯把空间看成是“无”。然而，物理学家则把空间看成是一种能伸缩的媒介，而不是空空如也的“无”。的确，在下面的几章里我们就可以看到，由于量子效应，即使最纯的真空也能引起活动，其中充满了转瞬即逝的结构。对物理学家来说，“无”意味着“没有空间”以及没有物质。 离奇的事还多着呢。空间是与时间分不开的，于是，空间能伸能缩，时间也能伸能缩。大爆炸代表着空间的创生，同样，也代表着时间的创生。空间和时间都不能存在于奇点之前。简单地讲就是，时间本身也是从大爆炸之时起始的。 这一大堆稀奇古怪的观点只能够求助于数学才能完全把握。人的直觉是力不从心的向导。这也是科学方法之所以取得成功的主要原因之一。科学以数学为语言，就能够描述完全超乎人类想象力的东西。而现代物理学的大部分内容也的确是人的想象力所不及的。若没有数学所提供的抽象描述，物理学永远也不会超越简单的力学。当然，物理学像每个人一样，头脑里也有一些原子的模型，光波的模型，膨胀宇宙的、电子的以及其他诸如此类的东西的模型，但是，这些头脑中的模型常常是很不精确、十分离谱的。事实上，从逻辑上讲，任何一个人要想能正确地想象某些诸如原子之类的物理系统都是不可能的，因为那些物理系统包含着一些纯属我们经验世界之外的东西（第八章谈量子论时，我们就会明白这一点）。 人的想象抓不住实在的某些关键的东西，这就警告我们，我们不能期望通过日常经验获得一些简单的关于空间、时间和物质的概念，就以为某些重大的宗教真理（例如创世的本质）有了依据。 人们一直难于从理智上解释时间的起源。这并不是个新问题。亚里士多德、圣托马斯·阿奎那都认为，时间不是被创造的东西，否则就是说有第一事件了。第一事件的原因是什么？无，因为第一事件就是说没有在它之前的事件。 时间的有限其实并不一定是意味着有一个第一事件。我们可以设想一些用数字代表的事件，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。如果有人问：“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，因为所有的分数，不管多小，都总能被2除。同理，也没有第一事件。 若说时间无限，也同样让人为难，正如伊曼纽尔·康德后来所强调的那样： 假如我们设想世界在时间上是没有开始的，那么，对应于每一给定的时刻，都有无限的时间已经过去，而且世界上已经过去了相续的事态的一个无限序列。序列的无限就是它永远不能通过连续的综合而被完成。于是，这就是说，无限的世界序列已经过去是不可能的，因而世界有一个开始是世界存在的必要条件。① 我们必须记住芝诺给我们的教训，在处理无限的时候要小心谨慎。按康德的推理，兔子“通过连续的综合”永远也不能跑完无限序列的步数去追上乌龟。然而我们都知道，兔子肯定会追上乌龟。但是，要是说芝诺佯谬中的过去的时间是有限的，而康德所指的是无限的延续时间的过去，这也不能驳倒康德。芝诺和康德所涉及的都是无限的时刻。任何一个数学家都能证明，无限时间中的时刻并不比一分钟当中的时刻为多。芝诺和康德也都涉及了一个无限的数目，而这无限的数目并不能靠着“无限的延伸”而增大。 人们对康德的推理的另一个驳难是，他们认为时间是“流逝”的，这就是说时间是流动的、运动的。没有几个物理学家会承认时间真的是流动的或运动的。时间与空间一样，只是存在而已（我们在第九章要再谈这个话题）。 总而言之，一派人认为宇宙是无始无终的，另一派人认为宇宙的年龄是有限的，其过去的边界是奇点。这两派人的观点似乎都没什么大错。假设后一派的观点是正确的，这是不是就是说科学支持圣经关于天地创始的说法呢？ 基督徒之间对圣经所描述的创世的真实性也没有一致的看法。1951年，教皇庇护十二世在罗马就现代科学宇宙学的问题②对主教科学院发表了讲话，拐弯抹角地提到了大爆炸理论，说“一切似乎都在表明，宇宙在有限的时间里有一个宏伟的开端。”他的话引发了激烈的反应（主要是神职人员的反应，科学家们的反应倒在其次）。当代的神学家们仍在争论不休，定不下宇宙创生之初的大爆炸是否就是《圣经》作者们据说受到启示而描述出来的上帝创造天地。美国圣母大学的厄南·麦克穆林最近写过一篇文章，题目是“宇宙学与神学应是何等关系？”其结论是，“首先，我们不能说基督教神创造天地的信条'支持’大爆炸模型；次之，我们不能说大爆炸模型'支持’神创造天地的信条。”③然而，当今很多百姓因受到要他们把大部分旧约看作是虚构的压力，现在看到现代科学的宇宙学给创世之说带来了显明的证据，于是感到快慰。 如果我们认为空间和时间就是在大爆炸中从无中爆发出来的，那么，就显然有“创世”，宇宙显然是年龄有限的。于是，热力学第二定律的佯谬也就立刻解开了。宇宙之所以还没有达到热力学平衡，是因为宇宙的无序化过程才进行了约180亿年，这过程离着完成还远着呢。而且，我们现在也可以明白，所有的星系为什么没有聚集起来。爆炸的力量把众星系炸散了，尽管现在它们离散的速度正在减小，但众星系重聚的时间还没有到来。 假如大爆炸理论只是以哈勃和爱因斯坦的工作为支撑，那么，该理论就不会得到它今天所得到的广泛支持。幸运的是，还有一些有说服力的证据。 宇宙诞生时惊天动地的力量爆发肯定会在宇宙的结构上留下某些印迹，我们可以设想宇宙创生之初的某些遗迹留存到今天。于是，寻找宇宙创生的遗迹现在就成了最热门的科研工作之一，而且，或许人们似乎不敢相信，这工作竟很有经济意义！原初的宇宙为我们提供了一个天然实验室，地球上最复杂的科学设备都不能模拟出来的超高温超高压的物理条件，在这天然实验室里却得到实现。为了验证他们关于物质在那些极端条件下的行为的理论，物理学家们必须求助于有关宇宙初创时的知识。他们希望，宇宙今天仍可能保留下一些遗迹以给我们提供一些线索，使我们得以了解有关宇宙创生之初短短的一瞬间所发生的物理过程。然后，就可以通过计算来看看那些物理过程与理论家们所提出的关于物质在极端条件下的行为理论是否相符合。 在20世纪60年代中期，原初宇宙最重要的遗迹被偶然地发现。两位贝尔电话公司的物理学家无意中发现来自空间的某种神秘的辐射。经过仔细分析，揭示出这种将整个宇宙都浸润其中的辐射是原初宇宙高热的遗迹，是原初宇宙火球正在暗淡下去的最后光芒。宇宙大爆炸，就像任何爆炸一样，产生了大量的热。宇宙气体花了100000年才冷却到太阳表面的温度。又过去了180亿年，宇宙温度降低到谷底，只是比绝对零度高3度。然而，现在仍有大量的能量被锁闭在宇宙热辐射里。 知道了作为宇宙创生遗迹的热辐射现在的温度是多少，那么，要想得到它在各个时期的值就是个简单的计算问题了。宇宙典型的区域在体积上每扩大1倍，其温度就要下降50%。反过来计算，就很容易推算出，宇宙创生后第1秒时的温度是100亿度。这似乎是相当热了，但这个温度完全是在实验室可模拟的范围之内。运用现代粒子加速器产生高能对撞，就有可能在极短的一瞬间模拟出原初宇宙爆炸后亿分之一秒时的情况，当时的温度是令人咋舌的千万亿度。因而，天文物理学家可以相当有把握地模拟出很多个大爆炸发生之后的物理过程。 利用这样的模型，就可能通过计算得知宇宙在爆炸诞生之后的每个时期，宇宙间的物质是什么形态。例如在大爆炸发生之后的5秒到5分钟这一期间，当时的物理条件适合发生核反应。主要的物理过程是氢核通过聚变成为氦以及一些氘。根据计算预测，氦与氢质量的最终比率应是25%，这个比率很接近我们今天所观测到的这两种元素的相对宇宙丰度（氢与氦构成了宇宙中99%以上的物质）。计算预测与实际测量的结果有如此惊人的一致，这使我们对热大爆炸理论基本概念的正确性有了信心。 大爆炸发生之后1秒之内的各个时期涉及极高能物理。在那极高的温度下，物质完全破碎，其主要构成成分（将在第十一章讨论）呈裸露状态。这极早期即宇宙诞生后的第1秒现在是理论物理学家们的热门研究课题。有一些理论物理学家认为，早期宇宙的很多情况都可以用当时发生的物理过程给以解释。在接下来的一章里，我将描述这方面某些较新近的发展。 大爆炸理论在很大程度上已被天体物理学家看成是理所当然的了，而氦丰度的计算长久以来也已经成为标准宇宙学的一部分了，因而，那些早先取得的科学研究成就的重大意义也就容易被人忽视。要是19世纪的一个考古学家声称发现了伊甸园，并拿出了一件文物可以确凿无疑地证明是上帝创世第一天的作品，那么，他的话就得引起轰动。氦或许是大多数人所不大熟悉的，但很容易买到它的工业制品。这平平常常的实验室制备的物质竟是在原初宇宙的火炉里形成的，它不是在那火炉燃着的第一天而是在那头几分钟里形成的，这真是太不可思议了。 尽管当前的科学观点为创世论提供了强有力的证据，然而，我们还得要记住，宇宙从此以后能长生不老这种看法却找不到任何逻辑的理由。从物理学上看，宇宙永生的主要困难是热力学第二定律，这一点我们已经说过。但是，物理学家们时时提出一些机制来克服这一困难，其中之一是赫尔曼·邦迪、托马斯·戈尔德、弗雷德·霍伊尔提出的稳态理论（the steady-statetheory）。这一理论有很多翻版，但所有的翻版也都一致认为，宇宙在年龄上是无限的。提出这一理论的物理学家也明白，若说宇宙的年龄是无限的，便会碰上热力学意义上的热死问题，但他们绕过了这个问题，办法是假定新的低熵物质在被不断地创造出来。这样，物质就不是一下子出现在一场原初的大爆炸中，而是在极长的时间里逐渐地、或者很可能是零星分散地在多次小爆炸中出现的。新物质出现的平均比率是受调整的（很可能是受某种反馈机制的调整），这样，当宇宙膨胀，现存物质的密度降低时，新出现的物质就会填充空档，因而维持了大致均衡的宇宙物质密度。于是，众星系离散形成的越来越大的空地方就这样被新创生的星系填补了，宇宙的总体也就经历了多少时代而面貌不变。从整体上看，一切都没有变化（见图3）。大爆炸模型则与此相反，星系的密度在稳步地减小，宇宙的结构和排列都在演变。 霍伊尔试着提出一种新型的、携带负能量的场来解释物质持续不断的创生。这种场的稳步增强提供了物质创生所需的正能量（能量变物质将在下一章里描述）。于是，稳态模型中就完全没有上帝的地位了。因为，第一，创造物质所必需的原初能量不必被创造，只要将负能量储入另外的某个系统，就会有原初的能量；第二，空间和时间不是由创生而来的，而是一直就存在的。 稳态模型在哲学上对很多科学家有极大的吸引力。这些科学家们为这一模型的优美、简洁所吸引。然而，天文学的进展了结了这一理论的所有简洁版本，1965年发现的宇宙背景热辐射道道地地成了钉在装殓这一理论的棺材上的最后一颗钉子。不过，它仍然是一重要的理论，因为它证明，一个既不是突然创生、也不会有热死的宇宙在逻辑上是可能的，而且，在这样的一个宇宙中，一切过程、包括物质出现的过程，都可以在自然的机制中找到原因。 现代宇宙学为天地的创始提供了强有力的物理证据，这一事实很让宗教思想家们满意。然而，光有天地创始还不够。圣经告诉我们说，上帝创造了宇宙。科学能够对大爆炸的原因提出任何解释吗？这个问题，就是下面一章的主题。 |
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