探索之旅:關於宇宙起源的現代觀點(組圖)



道生一,一生二,二生三,三生萬物。道者,無也。 --老子《道德經》

宇宙誕生之前,沒有時間,沒有空間,也沒有物質和能量。大約150億年前,在這四大皆空的「無」中,一個體積無限小的點爆炸了。時空從這一刻開始,物質和能量也由此產生,這就是宇宙創生的大爆炸。

剛剛誕生的宇宙是熾熱、緻密的,隨著宇宙的迅速膨脹,其溫度迅速下降。最初的1秒鐘過後,宇宙的溫度降到約100億度,這時的宇宙是由質子、中子和電子形成的一鍋基本粒子湯。隨著這鍋湯繼續變冷,核反應開始發生,生成各種元素。這些物質的微粒相互吸引、融合,形成越來越大的團塊,並逐漸演化成星系、恆星和行星,在個別天體上還出現了生命現象。然後,能夠認識宇宙的人類終於誕生了。

這幅大爆炸圖景,是目前關於宇宙起源最可能的一種解釋,被稱為「大爆炸模型」。大爆炸理論誕生於20年代,在40年代由伽莫夫等人進行補充和發展,但一直寂寂無聞。直到50年代,人們才開始廣泛注意這個理論,不過也只是覺得它很好玩,並不信服。人們更願意認為,宇宙是穩定的、永恆的。

但是,越來越多的證據表明,大爆炸模型在科學上有強大的說服力。我們不得不相信,宇宙有一個開始,也將有一個終結。它產生於「無」,也終將回歸於「無」。

宇宙:可有始,可有終?

在人類歷史的大部分時期,有關創世的問題,一向是留給神去解決的。宇宙起源於何處?終點又在哪裡?生命如何產生?人類怎樣出現?對這些疑問,許多宗教都能給出一份體系完備的答案。至於上帝從哪裡來,這種問題是不該問的。

直到最近幾個世紀,人們才開始學著把神撇開,以超越宗教的角度,去思考世界的本源。這樣一來,就有一個重大的原則性問題需要解決:宇宙是永恆存在的,還是有起始的?

這兩種說法長久以來一直困擾著科學家、哲學家和神學家,對於普通人來說,更是難以理解。假設宇宙在時間上沒有起源,即過去一直存在,那麼宇宙的年齡就是無窮大了。無窮大這個概念,一聽就讓人頭昏腦脹:既然是已經過去了無窮久的時間,我們的「現在」又是什麼呢?而如果說宇宙是有起始的,那麼它就是從「無」中突然產生的了,這最初的一剎那,又是怎樣呢?

憑著人類在短暫的生命中獲得的常識,實在是很難想明白這些東西。不過,我們可以從科學上尋求一些佐證。大爆炸模型的一個基本假設是宇宙的年齡有限,這個說法令人信服的直接理由,來自物理學中一條最基本的定律--熱力學第二定律。這條科學史上最令人傷心絕望的定律,冥冥中早已規定了宇宙的命運。

簡而言之,第二定律認為熱量從熱的地方流向冷的地方。對任何物理系統,這都是眾所周知並且顯而易見的特性,毫無神秘之處:開水變涼,冰淇淋化成糖水。要想把這些過程倒過來,就非得額外消耗能量不可。就最廣泛的意義而言,第二定律認為宇宙的「嫡」 (無序程度)與日俱增。例如,機械手錶的發條總是越來越松;你可以把它上緊,但這就要消耗一點能量;這些能量來自於你吃掉的一塊麵包;麥子在生長的過程中需要吸收陽光的能量;太陽為了提供這些能量,需要消耗它的氫來進行核反應。總之宇宙中每個局部的嫡減少,都須以其它地方的嫡增加為代價。

在一個封閉的系統裡,嫡總是增大的,一直大到不能再大的程度。這時,系統內部達到一種完全均勻的熱動平衡狀態,不會再發生任何變化,除非外界對系統提供新的能量。對宇宙來說,是不存在「外界」的,因此宇宙一旦到達熱動平衡狀態,就完全死亡,萬劫不復。這種情景稱為「熱寂」。

宇宙正在緩慢地、但堅定不移地走向這無法抗拒的命運,幾代智者為此懷疑人類的存在是否有意義。暫且撇開這種沮喪的情緒,作一個簡單的推理,我們就可以發現,宇宙不可能有無限的過去。很簡單,如果宇宙無限老,那它早就已經死了。以有限速率演變的東西,是不可能永遠維持下去的。換句話說,宇宙必然是在某個有限的時間之前誕生的。

大爆炸:有推論有根據

第二定律明示了宇宙有起始,但這個重要推論竟然被19世紀的科學家忽略了,它只是在後來成為大爆炸模型的佐證。該模型的提出,是基於20世紀初的天文觀測。

20年代,天文學家埃德溫.哈勃注意到,不同距離的星系發出的光,顏色上稍稍有些差別。遠星系的光要比近星系紅一些,即波長要長一些,這種現象被稱為「哈勃紅移」。它說明,各星系正以很高的速度彼此飛離。一列火車快速駛遠時,它的汽笛聲聽來會沉悶很多,因為聲波相對於我們的頻率變低、波長變長了,這就是多普勒效應。把聲波換成光,產生的效果就是紅移。哈勃對眾多星系的光譜進行研究後確認,紅移是一種普遍現象,這表明宇宙正在膨脹。這一發現,奠定了現代宇宙學的基礎。

如果宇宙正在膨脹,那它過去必定比較小。如果能把宇宙史這部影片倒過來放,我們勢必會發現,在過去的某個時刻,所有的星辰都是聚合在一起的。這個時間大概是100多億年前,要準確推斷它比較困難。

另外,宇宙膨脹的速度會隨時間發生變化,這與引力有關。萬有引力作用於字宙中一切物質與能量之間,起到剎車的作用,阻止星系往外跑,從而使膨脹速度越來越慢。在誕生初期,宇宙從高密度狀態迅速膨脹,隨著時間的推移,體積越來越大,膨脹速度越來越小。將這個過程向回追溯到宇宙創生的那一刻,可以發現當時宇宙體積為零,而膨脹速度為無限大。這就是大爆炸。



大爆炸是空間、時間、物質與能量的起源。這些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前發生了什麼、是什麼引起了大爆炸,這些問題在邏輯上就是沒有意義的。那以前所有的,只是「無」。

以上所述僅是旁證,似不足以令大多數人信服。如果150億年前發生了一場大爆炸,如此驚天動地的力量是否在今天的宇宙結構上留下了某種印跡?於是,有一陣子,科研人員熱衷於尋找宇宙創生的遺蹟,勁頭賽過當年的宗教考古學家尋找伊甸園。亞當和夏娃的文物是一樣也沒發現,原初宇宙最重要的遺蹟倒真給找出來了,這就是微波背景輻射。

按照大爆炸理論,最初的幾分鐘裡,宇宙是一個熾熱的火球,到處充滿溫度高達幾十億度的光輻射。由於此時的宇宙處於熱動平衡中,這種輻射具有獨特的光譜特徵,稱為「黑體譜」。1965年,貝爾電話公司的兩位物理學家彭齊亞斯和威爾遜偶然發現,宇宙確實浸潤在一種熱輻射之中。這種輻射以相同的強度從空間各個方向射向地球,其溫度約為3K,譜線具有完美的黑體譜特徵。微波背景輻射的發現,是對大爆炸模型最有力的支持。

知道了今天宇宙背景輻射的溫度,就很容易推算出,宇宙誕生後約1秒鐘各處的溫度約為100億度。在如此高溫下,不僅我們熟悉的物質無法存在,連原子核也會被撕得粉碎。宇宙只能是一鍋由質子、中子和電子等構成的基本粒子湯。

隨著這鍋湯變冷,核反應發生了。中子和質子很容易聚合在一起,產生由兩個質子、兩個中子組成的氦核。計算表明,氦核形成的過程持續了大約3分鐘,形成的氦約佔宇宙物質總質量的四分之一。這個過程用完了所有的中子,餘下的質子就成了氫原子核。

因此,大爆炸模型預言宇宙應當由大約25%的氦和75%的氫組成,這與天文測量結果極為符合。最初三分鐘裡形成的氫與氦,構成了宇宙中99%以上的物質。形成行星和生命的豐富多彩的重元素,只佔宇宙總質量的不到l%,它們大部分是在恆星內部形成的。

根據推斷,宇宙的形成距今約100∼200億年。

生命:既永恆又無恆

天文觀測表明,各種天體的年齡均小於200億年,這與大爆炸理論契合得非常好。我們的地球大概是50億年前形成的,人類出現的時間更短得不值一提。宇宙現在還算得上年輕,擔憂末日的來臨,對單個人來說是十分無聊的事。然而,為全人類的命運想一想這個問題,還是有必要的。

按照大爆炸模型,宇宙在誕生後不斷膨脹,與此同時,物質間的萬有引力對膨脹過程進行牽制。如果宇宙的總質量大於某一特定數值,那麼總有一天宇宙將在自身引力的作用下收縮,造成與大爆炸相反的「大坍塌」。如果宇宙總質量小於這一數值,則引力不足以阻止膨脹,宇宙就將永遠膨脹下去。

在非常遙遠的將來,比如1億億億年以後,所有的恆星都燃燒完畢,茫茫黑暗中,潛伏著一些黑洞、中子星等天體。宇宙的尺度已經膨脹到如今的1億億倍,而且還在擴張下去。在這個系統裡,引力雖不足以使膨脹停止,但會不露聲色地消耗著系統的能量,使宇宙緩慢地走向衰亡。黑洞在霍金效應的作用下釋放出微弱的輻射,最終全都以熱和光的形式蒸發掉。足夠長的時間之後,連質子這樣穩定的基本粒子也衰變、消亡了,宇宙最終變成一鍋稀得難以置信的湯,其中有光子、中微子,越來越少的電子和正電子。所有這些粒子都在緩慢地運動,彼此越來越遠,不會再有任何基本物理過程出現。

這是寒冷、黑暗、荒涼而又空虛的宇宙,它已經走完了自己的歷程,面對的是永恆的生命,抑或永恆的死亡。這種情景,差不多就是「熱寂」了。

如果引力足夠強大,宇宙終有一天開始收縮,又將如何呢?在大尺度上,收縮過程與大爆炸後的膨脹是對稱的,像一場倒放的電影。收縮的過程起初很緩慢,隨後越來越快。在轉折點過後,宇宙的體積開始縮小,背景輻射溫度上升。漆黑寒冷的宇宙變成一個越來越熱的熔爐,生命無處可逃,全都被煮熟烤焦。最後,行星、恆星也毀滅了,分布在如今浩瀚空間中的物質被擠進一個很小的體積內,最後三分鐘來臨了。

溫度變得如此之高,連原子核也被撕毀,宇宙又成了一鍋基本粒子湯。然而這種狀態也只能生存幾秒鐘的時間。隨後,質子和中子也無法區分,擠成一堆由夸克構成的電漿體。在最後的時刻,引力成為佔絕對優勢的作用力,它毫不留情地把物質和空間碾得粉碎。在這場與大爆炸的「暴脹」相對的「暴縮」中,所有的物質都因擠壓不復存在,一切有形的東西,包括空間和時間本身,都被消滅。

這就是末日。它是一切事物的末日。大爆炸中誕生於無的宇宙,此刻也歸於無。無數億年的輝煌燦爛,連一絲回憶也不會留下。

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