第一章　如何營造一個宇宙

它們都處于同一平面。它們都在沿同一方向轉(zhuǎn)動你要知道，這真是完美無缺的，這真是不可思議的，這幾乎是很神奇的——天文學家杰弗里·馬西對太陽系的描述

無論怎么努力，你都永遠也想像不出質(zhì)子有多么微小，占有多么小的空間。它實在太小了。

質(zhì)子是原子極其微小的組成部分，而原子本身當然也小不可言。質(zhì)子小到什么程度？像字母"i"上的點這樣大小的一滴墨水，就可以擁有約莫5000億個質(zhì)子，說得更確切一點，要比組成1.5萬年的秒數(shù)還多。因此，起碼可以說，質(zhì)子是極其微小的。

現(xiàn)在，請你想像一下，假如你能（你當然不能）把一個質(zhì)子縮小到它正常大小的十億分之一，放進一個極小的空間，使它顯得很大，然后，你把大約30克物質(zhì)裝進那個極小極小的空間。很好，你已作好創(chuàng)建一個宇宙的準備。

我當然估計到，你希望創(chuàng)建一個會膨脹的宇宙。不過，要是你愿意創(chuàng)建一個比較老式而又標準的大爆炸型宇宙，你還需要別的材料。事實上，你需要收集現(xiàn)有的一切東西——從現(xiàn)在到宇宙創(chuàng)建之時的每個粒子——把它塞進一個根本談不上大小的極小地方。這就是所謂的奇點。

無論哪種情況，準備好來一次真正的大爆炸。很自然，你希望退避到一個安全的地方來觀察這個奇觀。不幸的是，你無處可以退避，因為奇點之外沒有任何地方。當宇宙開始膨脹的時候，它不會向外擴展，充滿一個更大的空間。僅有的空間是它一面擴展一面創(chuàng)造的空間。

把奇點看成是一個懸在漆黑無邊的虛空中的孕點，這是很自然的，然而是錯誤的。沒有空間，沒有黑暗。奇點四周沒有四周。那里沒有空間供它去占有，沒有地方供它去存在。我們甚至無法問一聲它在那里已經(jīng)多久——它是剛剛產(chǎn)生的，就像個好主意那樣，還是一直在那里，默默地等待著合適的時刻的到來。時間并不存在。它沒有從過去產(chǎn)生這一說。

于是，我們的宇宙就從無到有了。

剎那間，一個光輝的時刻來到了，其速度之快，范圍之廣，無法用言語來形容，奇點有了天地之大，有了無法想像的空間。這充滿活力的第一秒鐘（許多宇宙學家將花費畢生的精力來將其分割成越來越小部分的1秒鐘）產(chǎn)生了引力和支配物理學的其他力。不到1分鐘，宇宙的直徑已經(jīng)有1600萬億公里，而且還在迅速擴大。這時候產(chǎn)生了大量熱量，溫 度高達1000萬攝氏度，足以引發(fā)核反應，其結(jié)果是創(chuàng)造出較輕的元素——主要是氫和氦，還有少量鋰（大約是1000萬個原子中有1個鋰原子）。3分鐘以后，98％的目前存在的或?qū)嬖诘奈镔|(zhì)都產(chǎn)生了。我們有了一個宇宙。這是個美妙無比的地方，而且還很漂亮。這一切都是在大約做完一塊三明治的時間里形成的。

這個重大時刻的發(fā)生時間還是個有點爭議的問題。宇宙到底是在100億年以前形成的，還是在200億年以前形成的，還是在100億年到200億年之間形成的，這個問題宇宙學家已經(jīng)爭論很長時間。大家似乎越來越贊成大約137億年這個數(shù)字。但是，我們在后面將會進一步看到，這種事情是極難計算的。其實，我們只能說，在那十分遙遠的過去，在某個無法確定的時刻，由于不知道的原因，科學上稱之為t=0的時刻來到了。我們于是踏上了旅程。

當然，有大量的事情我們不知道，還有大量的事情我們現(xiàn)在或在過去很長時間里以為自己知道而其實并不知道。連大爆炸理論也是不久以前才提出來的。這個概念自20世紀20年代以來一直很流行，是一位名叫喬治·勒梅特的比利時教士兼學者首先提出了這種假設。但是，直到20世紀60年代中，這種理論才在宇宙學界活躍起來。當時，兩位年輕的射電天文學家無意中發(fā)現(xiàn)了一種非同尋常的現(xiàn)象。

他們的名字分別叫做阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜。1965年，他們在美國新澤西州霍爾姆德爾的貝爾實驗室，想要使用一根大型通信天線，可是不斷受到一個本底噪聲——一種連續(xù)不斷的蒸汽般的咝咝聲的干擾，使得實驗無法進行下去。那個噪聲是一刻不停的，很不集中的。它來自天空的各個方位，日日夜夜，一年四季。有一年時間，兩位年輕的天文學家想盡了辦法，想要跟蹤和除去這個噪聲。他們測試了每個電器系統(tǒng)。他們重新組裝了儀器，檢查了線路，察看了電線，撣掉了插座上的灰塵。他們爬進拋物面天線，用管道膠布蓋住每一條接縫，每一顆鉚釘。他們拿起掃帚和抹布再次爬進拋物面天線，小心翼翼地把他們后來在一篇論文中稱之為"白色電介質(zhì)"的、用更通常的說法是鳥糞的東西掃得干干凈凈?？墒撬麄兊呐z毫不起作用。

他們不知道，就在50公里以外的普林斯頓大學，一組以羅伯特·迪克為首的科學家正在設法尋找的，就是這兩位天文學家想要除去的東西。普林斯頓大學的研究人員正在研究20世紀40年代在蘇聯(lián)出生的天文物理學家喬治·伽莫夫提出的假設：要是你看到空間深處，你就會發(fā)現(xiàn)大爆炸殘留下來的某種宇宙背景輻射。伽莫夫估計，那種輻射穿過茫茫的宇宙以后，便會以微波的形式抵達地球。在新近發(fā)表的一篇論文中，他甚至提出可以用一種儀器達到這個目的，這種儀器就是霍爾姆德爾的貝爾天線。不幸的是，無論是彭齊亞斯和威爾遜，還是普林斯頓大學小組的任何專家，都沒有看過伽莫夫的論文。

彭齊亞斯和威爾遜聽到的噪聲，正是伽莫夫所假設的。他們已經(jīng)找到了宇宙的邊緣，至少是宇宙150億光年以外的可見部分。他們在"觀望"第一批質(zhì)子——宇宙中最古老的光——果然不出伽莫夫所料，時間和距離已經(jīng)將其轉(zhuǎn)變成了微波。艾倫·古思在他的《不斷膨脹的宇宙》一書中提出一種類比，有利于擺正這一發(fā)現(xiàn)的位置。要是你把觀望宇宙深處比做是在美國紐約帝國大廈的100層上往下看（假設100層代表現(xiàn)在，街面代表大爆炸的時刻），那么在彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)那個現(xiàn)象的時候，已經(jīng)有人發(fā)現(xiàn)的最遠的星系是在大約60層，最遠的東西——類星體——是在大約20層。彭齊亞斯和威爾遜的發(fā)現(xiàn)，把我們對宇宙可見部分的認識在大廳的地板上推進了約1厘米。

彭齊亞斯和威爾遜仍然找不到噪聲的原因，便打電話給普林斯頓大學的迪克，向他描述了他們遇到的問題，希望他能作出一種解釋。迪克馬上意識到兩位年輕人發(fā)現(xiàn)了什么。"哎呀，好家伙，人家搶在我們前面了。"他一面掛電話，一面對他的同事們說。

此后不久，《天體物理學》雜志刊登了兩篇文章：一篇為彭齊亞斯和威爾遜所作，描述了聽到咝咝聲的經(jīng)歷；另一篇為迪克小組所作，解釋了它的性質(zhì)。盡管彭齊亞斯和威爾遜并不是在尋找宇宙的本底輻射，發(fā)現(xiàn)的時候也不知道是什么東西，也沒有發(fā)表任何論文來描述或解釋它的性質(zhì)，但他們獲得了1978年諾貝爾物理學獎。普林斯頓大學的研究人員只獲得了同情。據(jù)丹尼斯·奧弗比在《宇宙孤心》一文中說，彭齊亞斯和威爾遜都不清楚自己這一發(fā)現(xiàn)的重要意義，直到看到《紐約時報》上的一篇報道。

順便說一句，來自宇宙本底輻射的干擾，我們大家都經(jīng)歷過。把你的電視機調(diào)到任何接收不著信號的頻道，你所看到的鋸齒形靜電中，大約有1％是由這種古老的大爆炸殘留物造成的。記住，下次你抱怨接收不到圖像的時候，你總能觀看到宇宙的誕生。

雖然人人都稱其為大爆炸，但許多書上都提醒我們，不要把它看做是普通意義上的爆炸，而是一次范圍和規(guī)模都極其大的突然爆炸。那么，它的原因是什么？

有人認為，那個奇點也許是早年業(yè)已毀滅的宇宙的殘余——我們的宇宙只是一系列宇宙中的一個。這些宇宙周而復始，不停地擴大和毀滅，就像一臺制氧機上的氣囊。有的人把大爆炸歸因于所謂的"偽真空"，或"標量場"，或"真空能"——反正是某種物質(zhì)或東西，將一定量的不穩(wěn)定性帶進了當時的不存在。從不存在獲得某種存在，這似乎不大可能，但過去什么也不存在，現(xiàn)在有了個宇宙，事實證明這顯然是可能的。情況也許是，我們的宇宙只是眾多更大的、大小不等的宇宙的部分，大爆炸到處不停地發(fā)生。要不然也許是，在那次大爆炸之前，時間和空間具有某種完全不同的形式——那些形式我們非常不熟悉，因此無法想像——大爆炸代表某個過渡階段，宇宙從一種我們無法理解的形式過渡到一種我們幾乎可以理解的形式。"這與宗教問題很相似。"斯坦福大學的宇宙學家安德烈·林德博士2001年對《紐約時報》的記者說。

大爆炸理論并不是關(guān)于爆炸本身，而是關(guān)于爆炸以后發(fā)生的事。注意，是爆炸以后不久?？茖W家們做了大量計算，仔細觀察粒子加速器里的情況，然后認為，他們可以回顧爆炸發(fā)生10－43秒之后的情況，當時宇宙仍然很小，要用顯微鏡才看得見。對于每個出現(xiàn)在我們面前的非同尋常的數(shù)字，我們無須把自己搞得頭昏腦漲，但有時候也許不妨理解一個，只是為了不忘其難以掌握、令人驚奇的程度。于是，10－43秒就是0.0000000000000000000000000000000000000000001秒，或者是一千億億億億分之一秒。我們知道的或認為知道的有關(guān)宇宙初期的大部分情況，都要歸功于一位年輕的粒子物理學家于1979年首先提出的膨脹理論。他的名字叫艾倫·古思，他當時在斯坦福大學工作，現(xiàn)在任職于麻省理工學院。他當時32歲，自己承認以前從沒有作出過很大的成績。要是他沒有恰好去聽那個關(guān)于大爆炸的講座的話，很可能永遠也提不出那個偉大的理論。開那個講座的不是別人，正是羅伯特·迪克。講座使古思對宇宙學，尤其是對宇宙的形成產(chǎn)生了興趣。

最后，他提出了膨脹理論。該理論認為，在爆炸后的剎那間，宇宙突然經(jīng)歷了戲劇性的擴大。它不停地膨脹——實際上是帶著自身逃跑，每10－34秒它的大小就翻一番。整個過程也許只持續(xù)了不到10－30秒——也就是一百萬億億億分之一秒——但是，宇宙從手都拿得住的東西變成了至少10億億億倍大的東西。膨脹理論解釋了使我們的宇宙成為可能的脈動和旋轉(zhuǎn)。要是沒有這種脈動和旋轉(zhuǎn)的話，就不會有物質(zhì)團 塊，因此也就沒有星星，而只有飄浮的氣體和永恒的黑暗。

根據(jù)古思的理論，在一千億億億億億分之一秒之內(nèi)產(chǎn)生了引力。又過了極其短暫的時刻，又產(chǎn)生了電磁以及強核力和弱核力——物理學的材料。之后，又很快出現(xiàn)了大批基本粒子——材料的材料。從無到有，突然有了大批光子、質(zhì)子、電子、中子和許多別的東西——根據(jù)標準的大爆炸理論，每種達1079-1089個之多。

這么大的數(shù)量當然是難以理解的。我們只要知道，剎那間，我們有了一個巨大的宇宙，這就夠了——根據(jù)該理論，這個宇宙是如此之大，直徑至少有1

000億光年，但有可能是從任何大小直至無窮大——安排得非常完美，為恒星、星系和其他復雜體系的創(chuàng)建準備了條件。

從我們的角度來看，令人不可思議的是，這個結(jié)果對我們來說是那么完美。只要宇宙的形式稍稍不同——只要引力稍稍強一點或弱一點，只要膨脹稍稍慢一點或快一點——那么，也許就永遠不會有穩(wěn)定的元素來制造你和我，制造我們腳底下的地面。只要引力稍稍強一點，宇宙本身會像個沒有支好的帳篷那樣塌下來，也就沒有恰到好處的值來賦予自己必要的大小、密度和組成部分。然而，要是弱了一點，什么東西也不會聚集在一起。宇宙會永遠是單調(diào)、分散、虛空的。

有的專家之所以認為也許有好多別的大爆炸，也許有幾萬億次大爆炸，分布在無窮無盡的永恒里，這就是原因之一；我們之所以存在于這個特定的宇宙，是因為這個宇宙適合于我們的存在。正如哥倫比亞大學的愛德華·p.特賴恩所說："要回答它為什么產(chǎn)生了，我的敝見是，我們的宇宙只是那些不時產(chǎn)生的東西之一。"對此，古思補充說："雖然創(chuàng)建一個宇宙不大可能，但特賴恩強調(diào)說，誰也沒有統(tǒng)計過失敗的次數(shù)。"

英國皇家天文學家馬丁·里斯認為，有許多個宇宙，很可能是無數(shù)個，每個都有不同的特性，不同的組合，我們只是生活在一個其組合的方式恰好適于我們存在的宇宙里。他以一家大服裝店作為例子來進行類比："要是服裝品種很多，你就不難挑到一件合身的衣服。要是有許多宇宙，而每個宇宙都由一套不同的數(shù)據(jù)控制，那么就會有一個宇宙，它的一套特定的數(shù)據(jù)適合于生命。我們恰好在這樣的一個宇宙里。"

里斯認為，我們的宇宙受到6個數(shù)據(jù)的支配，要是哪個值發(fā)生哪怕是非常細微的變化，事物就不可能是現(xiàn)在的這個模樣。比如，現(xiàn)在的宇宙若要存在，就要求氫以準確而較為穩(wěn)定的方式——說得具體一點，要以將千分之七的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為能量的方式——轉(zhuǎn)化為氦。要是那個值稍稍低一點——比如從千分之七降至千分之六——那么就不可能發(fā)生轉(zhuǎn)化：宇宙只會由氫組成。要是那個值稍稍高一點——高到千分之八——結(jié)合就會不間斷地發(fā)生，氫早已消耗殆盡。無論是哪種情況，只要這個數(shù)據(jù)稍有變動，我們所知的而又需要的宇宙就不會存在。

我要說，到目前為止，一切都恰到好處。從長遠來說，引力也許會變得稍強一點；有朝一日，它可能阻止宇宙膨脹，讓自己將自己壓癟，最后坍縮成又一個奇點，整個過程很可能重新開始。另一方面，引力也許會變得過弱，那樣的話，宇宙會永遠地膨脹，直到一切都互相遠離，不再可能發(fā)生實質(zhì)性的相互作用，于是宇宙就成為一個非常空曠呆滯而又沒有生命的地方。第三種可能是，引力恰如其分——就是宇宙學所謂的"臨界密度"——它把宇宙控制在一個恰當?shù)姆秶?，使事物永遠繼續(xù)下去。宇宙學家有時輕浮地把這稱之為"金發(fā)姑娘效應"——一切都處于恰如其分的狀態(tài)。（需要說明的是，這三種可能出現(xiàn)的宇宙分別叫做封閉式宇宙、開放式宇宙和扁平式宇宙。）大家遲早會想到一個問題，那就是，假設你來到宇宙邊緣，把頭伸出簾幕，那會發(fā)生什么？你的頭會在什么地方(要是它不再是在宇宙里的話)？你會看到對面是什么？回答是令人失望的：你永遠也到不了宇宙的邊緣。倒不是因為去那里要花很長時間——雖然沒錯兒，的確要花很長時間——而是因為，即使你沿著一條直線往外走，不停地堅持往外走，你也永遠到不了宇宙的邊緣。恰恰相反，你會回到起始的地方（到了這種地步，你很可能會灰心喪氣，放棄這種努力）。其原因是，按照愛因斯坦的相對論（我們屆時將會講到），宇宙是彎曲的。至于怎么彎曲，我們也不大能想像出來。眼下，你只要知道，我們并不是在一個不斷膨脹的大氣泡里飄浮，這就足夠了。確切點說，空間是彎曲的，恰好使其無限而又有限。恰當?shù)卣f，甚至不能說空間在不斷膨脹，這是因為，正如諾貝爾獎獲得者、物理學家史蒂文·溫 伯格指出的："太陽系和星系不在膨脹，空間本身也不在膨脹。"倒是星系在飛速彼此遠離。這對直覺都是一種挑戰(zhàn)。生物學家j.b.s.霍爾丹有一句名言："宇宙不僅比我們想像的要古怪，而且比我們可能想像的還要古怪。"

為了解釋空間是彎曲的，人們經(jīng)常提出一個類比，他們試圖想像，有個來自平面宇宙、從來沒有見過球體的人來到了地球。不管他在這顆行星的表面上走得多遠，他永遠也走不到邊。他很可能最終回到始發(fā)地點。他當然會稀里糊涂，說不清這是怎么一回事。哎呀，我們在空間的處境，跟那位先生的處境完全相同。我們只是糊涂得更厲害罷了。

如同你找不著宇宙的邊緣一樣，你也不可能站在宇宙的中心，說："宇宙就是從這兒開始。這是一切的最中央。"我們大家都在一切的最中央。實際上，我們對此缺少把握。我們無法用數(shù)學來加以證實。科學家們只是推測，我們確實是在宇宙的中央——想一想，這會意味著什么——但是，這種現(xiàn)象對所有地方的所有觀察者來說都是一樣的。不過，我們真的沒有把握。

據(jù)我們所知，自形成以來，宇宙只發(fā)展到光走了幾十億年那么遠的距離。這個可見的宇宙——這個我們知道而且在談論的宇宙——的直徑是1.5億億億（即1500000000000000000000

000）公里。但是，根據(jù)大多數(shù)理論，整個宇宙——有時候稱之為超宇宙——還要寬敞得多。根據(jù)里斯的說法，到這個更大的、看不見的宇宙邊緣的光年數(shù)，不是"用10個0，也不是用100個0，而是用幾百萬個0"來表示。簡而言之，現(xiàn)有的空間比你想像的還要大，你不必再去想像空間外面還有空間。

很長時間以來，大爆炸理論有個巨大的漏洞，許多人對此感到不解——那就是，它根本無法解釋我們是怎么來到這個世界上的。雖然存在的全部物質(zhì)中有98％是大爆炸創(chuàng)造的，但那個物質(zhì)完全由輕的氣體組成：我們上面提到過的氦、氫和鋰。對于我們的存在至關(guān)重要的重物質(zhì)——碳、氮、氧以及其他一切，沒有一個粒子是宇宙創(chuàng)建過程中產(chǎn)生的氣體。但是——難點就在這里——若要打造這些重元素，你卻非要有大爆炸釋放出來的那種熱量和能量不可?？墒?，大爆炸只發(fā)生過一次，而那次大爆炸沒有產(chǎn)生重元素。因此，它們是從哪兒來的？有意思的是，找到這個問題答案的人卻是一位壓根兒瞧不起大爆炸理論的宇宙學家，他還創(chuàng)造了大爆炸這個詞來加以諷刺挖苦。

我們很快就會講到他。不過，在討論我們怎么來到這里之前，我們先花幾分鐘時間來考慮一下到底什么是"這里"，這也許是很值得的。