作者:王艳红 文章来源:雾色清晨 点击数:444 更新时间:2006-7-11
觉来一日杂千日,问甚归程第几程
诞生、扩张、毁灭,然后从火焰中重生,开始无尽轮回里新的一环。科学家正尝试用这种模式解释一个关于宇宙的根本问题:物质——包括我们自身——为什么竟然能够存在。
在很久很久以前(到底是多久,不同的科学家有不同的说法,现在一个比较流行的数字是137亿年),什么也没有。没有物质,没有空间,甚至没有时间。从四大皆空的“无”之中,一个体积无限小的点爆炸了。这是宇宙的诞生,我们所知的一切事物的起点,一份最大的免费午餐。
宇宙诞生之后急速膨胀,直到今天还在继续,而且看来还要膨胀很久。刚刚诞生的宇宙是极其炽热和致密的,膨胀使它冷却下来,产生粒子和最初的元素。物质微粒相互吸引、融合,形成团块,并逐渐演化成星系、恒星和行星,在某些天体上出现了生命,甚至有些生物开始思考起宇宙起源和终结。
这样一幅“宇宙大爆炸”的图景,如今已经为许多人所熟悉。它是大多数科学家谈论宇宙所用的标准模式,不时地出现在新闻、小说、电影甚至电脑***里,甚至得到了罗马教廷的正式认可,虽然科学界发展这个理论的目的并不是要解决信仰问题。
大爆炸之前
尽管科学家一再强调大爆炸之后才有了时间,爱寻根究底的人还是不免要问,大爆炸之前到底是什么?科学家说,这像问 “北极以北是什么”一样没有意义。这个聪明而油滑的回答通常不能使人满意,但可以有效地堵住发问者的嘴,让他们狐疑地走开(其实,对于“无中生有”和“时间起点”,许多科学家一样觉得不太自在)。
于是美国普林斯顿大学的Paul J. Steinhardt和英国剑桥大学的Neil Turok给出了另一个答案:大爆炸之前是另一次大爆炸。我们所处的只是宇宙的某一世,能察知的这一百多亿年,只是无穷时间里无数次创生与毁灭中短短的一瞬。
这个有趣的说法听起来似乎不太新鲜,尽管它是用最新的物理学和数学工具建立的。印度教神话和古希腊哲学思想中都有类似的成分,例如斯多葛学派认为世界诞生于火,也将毁灭于火,往复循环。Steinhardt和Turok借用了这个学说的形式,根据希腊语的“大火灾”,为他们的新模型起了一个名字:火劫(ekpyrotic)。
据说火劫模型可以兼容现有大爆炸理论的成功之处,并且解决后者无法应付的一些问题。在2006年5月发表于美国《科学》杂志上的最新一篇论文中,两位研究者试图用它来解释宇宙中神秘的斥力——宇宙常数之谜。
真空的斥力
大爆炸和膨胀中的宇宙,今天看来似乎是很容易接受的概念,但几十年前还不是这样。那时许多科学家都更加喜欢一个平稳、静止、大体上恒定不变(除了混乱程度越来越高,就像没人收拾的房间)的宇宙,包括试图用广义相对论方程来描述宇宙的爱因斯坦。
1917年的爱因斯坦懊丧地发现,根据自己的理论,在一个只有引力起作用的模型中,宇宙不是静止的,要么膨胀要么收缩。其中原因很可以理解:物质会在万有引力作用下聚集和收缩,除非曾受某种爆发的驱动而相互远离,总之它们不会维持原状。
宇宙居然不是静止的,这使爱因斯坦深感困扰。静止宇宙观念在那时候大概近乎“不证自明的公理”吧,曾经为物理学带来革命的伟人竟没有信心推翻它,而是强行造出了一个“宇宙常数”来解决问题。他提出,宇宙常数代表一种未知来源的斥力,起着与引力对抗的作用,使宇宙维持静止。
苏联数学家弗里德曼很快指出,爱因斯坦在计算中犯了错误,就算引入宇宙常数也不能保证得到一个静态宇宙。而且爱因斯坦的静态宇宙非常靠不住,随时可能失去平衡,就像一根尖头朝下竖立着的针。与之相比,方程的另一个解——膨胀的宇宙更加切合实际。这在1929年被美国天文学家哈勃的观测(以及此后一直到今天的更多观测)所证实。爱因斯坦接受了弗里德曼的意见,放弃了宇宙常数,多年以后他把引入宇宙常数称为“我一生中的最大错误”。
但世事总有出人意料之处。从1998年起,陆续有证据表明宇宙的膨胀速度正在加快。如果膨胀的动力仅仅来源于创生大爆炸的推动,这速度无论如何也不可能到现在还会加快。这意味着,必须存在一种未知来源的斥力,它能够对抗万有引力,使空间膨胀、星系相互远离。——瞧这模样是不是很眼熟?在它的主人去世将近五十年后,宇宙常数从爱因斯坦的字纸篓里杀回来了,这也算是一种奇特的轮回。
不合理的存在
宇宙常数所代表的斥力(你可能经常在报纸上看到它的另一种表述:暗能量。这种神秘无形的东西在宇宙中占主导地位,我们所谓的“物质”只是配角)从何而来?一种说法是源自真空的能量——零点能。根据量子理论,真空并不是完全的虚无,它也拥有能量,正是这种“真空零点能”提供了宇宙常数的斥力。
但实际观测到的宇宙常数是一个接近于零的很小的正数,而理论计算出的宇宙常数很大,比观测值大10120倍还要多。也就是说,理论上宇宙中应当存在极强的排斥力,它会把一切撕得粉碎,使粒子根本无法结合在一起形成原子,更不要说恒星、行星和生命。宇宙常数理论值与观测值的巨大差异,是困扰物理学家的一个重大问题:我们的存在,似乎是非常不合理的。
有人试图用“人择原理”来解决,说我们所处的是宇宙中斥力较小的一个局部,或者许多平行宇宙中斥力较小的那一个,只有宇宙常数这么小的地方才能够生成星球,养出我们这群思考“宇宙常数为什么这么小”的家伙。这个解答可以说巧妙,也可以说什么也没说。
又有人提出,宇宙常数会随着宇宙年龄增长而不断变小,例如美国科学家L. F. Abbott在1985年给出了宇宙常数跳跃着逐级减小的“搓衣板”模型。这个模型的麻烦在于,照它的预测,宇宙常数从理论值缩小到观测值所需要的时间远远超过我们这个宇宙的年龄。宇宙扩张那么长时间的话,里面的物质会变得非常稀,简直就是一个空宇宙,这显然不是宇宙目前的样子。
去哪里找足够长的时间,又使宇宙保持充足的物质密度?照Steinhardt和Turok的意见,答案是:前世。
艰难的重生
在现代宇宙学里,一个不断毁灭又重生的宇宙也不是新鲜想法。前面提到的弗里德曼发现,如果宇宙里的物质足够多、产生的引力足够强,将可以阻止宇宙继续膨胀,并使之逆转。这时的宇宙就会进入一场大收缩或称“大坍塌”,重新变小,最后小到没有。如果膨胀和坍塌都是允许的,只需要再往前一小步就可以得出轮回的设想。
昼夜交替,寒来暑往,一代过去一代又来,传说中的凤凰会从火中重生,为什么宇宙不可以这样,在大坍塌之后再来一场大爆炸,重新开始?从感情上说,如果宇宙无法永世长存,那么比起一个会永远膨胀下去、越来越寒冷荒凉的宇宙,或者一个将在大坍塌中灭亡、不再复生的宇宙,或者随便什么其它死了就一了百了的宇宙,轮回的想法似乎要让人好受得多。
但科学家是一群爱自找苦吃的家伙,并不会因为某个理论让人好受就装作看不见那些威胁其合理性问题。先是有人提出,宇宙的熵——也就是一切事物的混乱度——会不可逆转地增加,这会妨碍宇宙以相同的尺度进行循环。另外,已经坍塌的宇宙为什么会重新发生大爆炸?虽然大爆炸看来无疑曾经发生过一次,但人们并不确信它发生的原因,更想不出再次发生的理由和方式。
按传统说法,大爆炸的起点是“无”,一个温度和密度无穷大、体积无穷小的点。对这些“无穷”,不仅日常经验完全不能对付,物理学也失效了。科学家已在理论中将时间倒推到非常接近大爆炸的时候,计算最初三分钟里的粒子合成过程,甚至最初若干亿分之一秒里宇宙的膨胀速度。但对于这个起点——在学术上叫做“奇点”,完全没有办法。我们可以假设在此刻包括物理定律在内的一切都重新洗牌,新的大爆炸将创造出完全不同的世界,但既然没法具体探讨从灭亡到新生的临界点,这都不过是瞎想罢了。
印度教主神湿婆的舞王化身那吒罗阇。湿婆在尘世的火葬场上跳着永恒的宇宙之舞,他一手持创世之鼓,一手持毁灭之焰,三只眼分别观察过去、现在和未来。宇宙就在湿婆的舞蹈中周而复始地走向毁灭和新生。
碰撞的膜
Steinhardt和Turok试图用弦论和“膜”的概念来绕过这个无法翻越的奇点。弦论是一种非常玄妙的新理论,它认为一切事物的最基本单位是一小段“能量弦线”,而且时空的维度不止4个,而有9个或更多,宇宙位于漂浮在高维空间里的一张4维时空“膜”之上。
听起来非常晕,是吧?这很正常。我们生活的空间是3维的,有3个相互垂直的方向——看一下墙角就能对此有直观认识。再加上时间,得到一个“4维时空”。就像生活在平面上的一只完全扁平的虫子不能想象“高度”的概念,我们也无法在头脑中形象地描绘高维空间。别太为难自己,把一切都降到3维里来想象吧。一条很薄很大(为了严格一点,不妨想象它无限大,完全没有厚度)的被单挂在晾衣绳上,被风吹得轻轻抖动着,我们的宇宙就在这么一张膜上。
膜有质量,因此运动的膜有着很大的动能。如果我们的宇宙所在的膜与另一个4维时空膜在第5维上相撞(请想象两条被单靠到一起),动能就转变成热能。Steinhardt和Turok在2002年提出他们的循环宇宙模型时说,大爆炸的原初“火球”可能就是这么来的。
两个膜相撞之后,开始相互远离。在这期间宇宙加快扩张和冷却,最终越来越空旷、稀薄和暗淡,这一过程大约会经历上万亿年(所以说,我们的宇宙还年轻得很呢)。但膜与膜之间那更高维度的“真空”中存在某种力量,像弹簧一样,在拉伸到极限之后开始收缩,使两个膜再度靠近,相撞,如此反复。
在生活在其中一张膜上的我们看来,这就是大坍塌和新一次大爆炸,无尽重复的轮回。灭于火也生于火,轮回即是宇宙的“火劫”。坍塌的终点即爆炸的起点不是一个什么都无穷的奇点,而是一个密度和温度非常之高、但终究有个限度的东西。宇宙曾经是很小的,但并不是小到什么都没有。
由于膜存在小小的抖动,并不完全平整,所以两张膜上各个部分相撞的时间略有差异,使宇宙是大致平坦、但小地方有差异的。这个特点非常重要,否则我们就不会在这里:如果宇宙大尺度上不平坦,将是非常奇怪的样子;但如果完全均匀,又将只是一锅质量上乘绝无瑕疵的粒子汤,不会有星系形成。为了解释宇宙为什么是这个样子,科学家正努力对大爆炸理论修修补补。而据说用膜的碰撞来描述,就好解释得多。
无数的万亿年
这样一个循环的图景,给宇宙常数的缩小提供了足够的时间。Steinhardt和Turok的最新论文把他们的循环宇宙与Abbott的搓衣板结合在一起。宇宙常数会那样衰减,所需要的时间很长很长,但是没有关系,宇宙的一生以万亿年计,并且可以轮回无穷多次。大爆炸以来的137亿年相对于万亿年来说只是一瞬,而万亿年相对于宇宙常数变到这么小所需的时间也只是一瞬。
膜反复地相撞,宇宙不断重生。每次重生时,其它的东西都从头开始,但新的宇宙会保留一点前世的记忆:宇宙常数在新一次大爆炸时不会重置。每次大爆炸时都会重新产生物质和能量,所以宇宙不会因为扩张得太久而变空。于是,在合适的宇宙中有了合适的常数,我们的存在似乎是合理的。
这样“玄而又玄”的理论,怎么证明它是否有道理?Steinhardt和Turok说,他们的理论是可以检验的。例如,传统理论认为大爆炸时的“原初引力波”留下的痕迹依然存在,循环宇宙模型对此有不同的预测。探测引力波可以比较哪一个理论更接近事实,欧洲航天局计划于2007年发射的“普朗克”探测器有可能做到这一点。另外根据预测,宇宙常数的衰减过程会产生一些奇怪的粒子比如“轴子”,寻找这些粒子也是一种检验办法。
两位科学家承认,相比起经过了几十年发展的大爆炸宇宙学,他们的轮回宇宙太新、太不完善,还需要很多研究。他们的许多同行对这个模型不以为然,包括霍金。事实有可能证明这个理论是错的,不过研究者本人不在乎这一点。用Steinhardt的话说,要是一个理论物理学家没有一半以上的假设是错的,“说明他不够有想象力”。
即使这理论是对的,人类也不可能生存到新一次大爆炸来临的时候,没办法把什么信息传递给宇宙的下一世。虽然轮回看起来让人好受些,但其实它与我们这些微末的个体距离太过遥远,无助于消解身前身后事的悲伤。然而在另一面,造化搭好舞台让这脆弱的心灵登场,等待的时间从137亿年延伸了到无数的万亿年,又是一种常识难以测度的神奇。宇宙运转,并无善意或恶意,笑或哭,只是一念间的事。
天文学家对一个原始星系的艺术想象图(Copyright: European Space Agency and Wolfram Freudling)。这是大爆炸之后几亿年、宇宙早晨的情景。第一代恒星正通过超新星爆发的形式壮烈地死去,将铁等重元素洒向宇宙空间。很久以后这些元素形成了行星和生命,转绕着后世的恒星运转。星星的生死轮回,在可能存在的更大循环中,只是一刹那。
参考资料:http://zhihai.heshang.net/Article/fytd/fxys/200607/34828.html
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