時間簡史The Origin and Fate of the Universe (part 2)－8

 The Brief History of Time—Stephen Hawking

 

8－The Origin and Fate of the Universe (part 2)

 

愛因斯坦的廣義相對論，預示了宇宙開始於密度無限大的big bang singularity, 在這個singularity, 所有的理論，包括廣義相對論，都失去意義，所以廣義相對論不能用來解釋我們在上麵part 1裏提出的那些問題。根據不確定理論，宇宙是按照某些基本原理來發展進化的，如果我們知道某一時間點的狀態，我們就能預測它的未來。我們不禁猜測，也許上帝在一開始創造宇宙時製定了這些基本規則，而後上帝讓它依照這些規則來自我發展，而沒有再次幹預。

 

由於宇宙發展的規則性，我們不難相信宇宙的起始也應該有序可循。有一種原理叫chaotic boundary conditions，暗示了宇宙要麽在空間上具有無限性，要麽有無限個宇宙，而任何一種特定的宇宙組成形式，它出現的可能性都是相同的，所以我們現在的這種宇宙存在形成具有可能性和偶然性。

 

雖然看上去不太可能，我們假設在宇宙開始的某一領域，在宏觀上發展成我們現在看到的平滑一致的宇宙狀態，而隻有在這種平滑一致的宇宙中某個區域的微小波動，才能產生銀河係和其他星球。從這一點上，我們又發展出宇宙人類原理學（anthropic principle）。

 

人類原理學認為，“We see the universe the way it is because we exist.” 也就是說，宇宙因我們的存在而存在。這個原理又分為弱人類原理（the weak) 和強人類原理（the strong）。 弱人類原理認為，在廣大無邊的宇宙空間中，生命的產生隻局限在某個能夠給予生命存在發展的空間。它解釋了為什麽宇宙的起源追溯到100億年前，因為生命的產生和進化需要這麽長的時間。首先，必須形成第一代星球，這些星球才能把氫和氦轉化為生命必須的碳和氧。然後這些星球通過爆炸重新組合成新一代星球，其中就包括了有50億年之久的我們的太陽係。而地球需要10-20億年從炙熱狀態逐步冷卻到生命可以發展的溫度，然後單細胞需要另外30億年來進化到我們現在的狀態。

 

強人類原理認為，要麽有許多不同的宇宙，要麽一個宇宙有許多不同的區域，而每個宇宙或區域有它們特有的組成形式和遵循它特有的一套基本原理。絕大部分的宇宙或區域都不適合生命的進化，隻有在少數像我們這樣的宇宙生命才能存在發展。也就是說，如果宇宙跟我們現在所處的不一樣，我們就不可能存在，因此，宇宙為我們而存在。

 

但是，以上的理論都不能解釋為什麽宇宙從一開始的雜亂狀態轉化為現在我們生存的平滑一致狀態。是不是在時間起始點時上帝極為精確的製定了宇宙大爆炸的膨脹速度，從而造成宇宙以一個關鍵的臨界速度不斷向外擴張？

 

美國麻省理工學院的Alan Guth認為，宇宙大爆炸後的某一段時期向外加速膨脹。大爆炸後宇宙溫度非常高，以至於把粒子之間的強核力，弱核力和電磁力結合成一個統一的力源。當宇宙降溫時，粒子能量下降而最終把這三種力的對稱性打破，從而釋放出大量的能量並使宇宙處於一個不穩定的狀態。而這種釋放的能量具有反萬有引力作用，推動宇宙以一個更快的速度向外膨脹。宇宙越向外膨脹，粒子之間的距離越開，最終就像一個被吹起的氣球，所有的褶皺都被撫平，宇宙變得平滑而一致。我們可以說這種平滑一致的狀態是從早先的雜亂狀態中演變來的。

 

而宇宙的這種膨脹性也解釋了為什麽宇宙中會有如此多的物質。根據量子力學，粒子可以從正能量粒子和負能量粒子以配對形式製造出來。那麽能量從哪裏來？事實上宇宙的能量為0，物質代表了正能量，而萬有引力代表負能量。而2個0也是0，所以當宇宙不斷向外膨脹，當負能量的萬有引力加倍時，宇宙間含有的正能量的物質相應加倍。

 

1983年，俄國科學家Andrei Linde提出一個新的也更完美的科學模型，叫做the Chaotic Inflationary Model。這個模型摒棄了有爭議的冷卻階段的力轉化過程，提出宇宙有一個spin 0的領域，根據量子力學，這個spin 0的領域含有大量的能量，起到反萬有引力的作用，從而推動宇宙以加速度向外膨脹。這個模型包納了先前模型所有有價值的地方，避免了能量轉化階段，並合理確定了我們實際環境中短波溫度的偏差範圍。

 

這種膨脹模型有效地避免了我們需要借上帝之手，以精確的手段來界定宇宙大爆炸時刻膨脹速度這一局限。