大爆炸宇宙學

道生一，一生二，二生三，三生萬物。　　——《道德經》

　　創生之爆炸

　　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，在這片四大皆空的“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，隨着宇宙的迅速膨脹，其溫度迅速下降。最初的1秒鐘之後，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。隨着這鍋湯繼續變冷，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世紀20年代，在40年代得到補充和發展，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，至少現在沒有比它更好的理論。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”，或許也終將回歸於“無”。

　　沉寂的永恆

　　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，人們才開始學着把神撇開，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？

　　這個問題長久以來一直困擾着科學家、哲學家和神學家，更不用說普通人。不同版本的宗教和神話都認為世界是有起始的，並把創世的時間定在不太遙遠的過去——一般是幾千年前。這當然不足為信，因為後來地質和天文觀測都表明，地球和其它天體年齡大到在以億年來計。如此長的時間實在難以想象，因此很多人傾向於認為宇宙一直存在，在時間上沒有起源，即宇宙的年齡是無窮大。無窮大這個概念，一聽就讓人頭昏腦脹：既然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，那麼它是怎樣從“無”中突然產生的呢？我們真的需要一個創世的上帝嗎？

　　以人類短暫生命中獲得的知識，要完全弄明白這些是很難的。不過，我們可以從科學上尋求一些佐證，來儘量靠近真理。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，冥冥中似乎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到冷的地方。對任何物理系統，這都是顯而易見的特性，毫無神秘之處：開水變涼，冰淇淋化成糖水。要想把這些過程顛倒過來，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“熵”（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，但這就需要消耗一點能量；這些能量來自於你吃掉的一塊麵包；做麵包的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熵減少，都須以其它地方的熵增加為代價。

　　在一個封閉的系統裡，熵總是增大的，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的狀態，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種不可抗拒的命運，幾代智者為此懷疑人類的存在是否有意義。暫且拋開這種沮喪的情緒，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。

　　星辰遠去

　　第二定律明示了宇宙有起始，19世紀的一些科學家曾模模糊糊地談到過這個結論，如英國科學哲學家威廉·傑文斯在1873就曾提出應該有一個“創世”的時刻。不過大多數科學家都忽視了這個推論，它只是在後來成為大爆炸模型的佐證之一。該模型的提出，最早的理論基礎是愛因斯坦廣議相對論，實證基礎則是19世紀末、20世紀初的天文觀測。

　　大家都非常熟悉多普勒效應，最常見的例子是火車通過的汽笛聲：當火車快速接近我們時，汽笛的音調升高，遠去時音調則降低。音調的變化是由於聲波相對於我們的頻率發生了變化。

　　多普勒效應不僅適用於聲波，也適用於光波。當運動光源的光波到達我們的眼睛時，光波的頻率也會發生相應的改變。如果光源向着我們運動，我們看到的光就會向光譜的高頻端（紫端）偏移；反之，如果光源離我們遠去，光波就會向光譜低頻端（紅端）偏移。

　　多普勒效應是奧地利天文學家多普勒在1842年首先發現的。它首先被用於觀察太陽和行星的自轉。1968年，英國天文滂學家W·哈金斯首次應用此原理測量了天狼星的視向速度，並宣布它正以每秒47公里的速度離我們遠去。這一數字不算精確，但基本結論是對的。此後，各國天文學家對其它恆星乃至河外星系進行了大量類似的觀測。結果發現，星系光譜有普遍的紅移現象。除了幾個最近的星系外，所有的星系都在離我們遠去。

　　1929年，天文學家埃德溫·哈勃提出，這些星系的退行速度在有規律地增加，一個星系的退行速度與其距離成正比。這個規律叫做哈勃定律，它很快就為天文觀測所證實。

　　離我們越遠的星系遠去得越快，為什麼為這樣呢？設想一個表面塗滿小點的氣球，當氣球膨脹時，小點便各自遠離。假設有個小人站在任一點上，在它看來，其它所有的點似乎都在離它遠去，而且離它越遠的點遠離得越快。不論它站在哪個點上，效果都是一樣的。（這也意味着，哈勃定律決不表示地球是宇宙的中心）。

　　星系這種遠去的行為使人們覺得宇宙仿佛是在膨脹，就像膨脹着的氣球一樣。天文學家現在大都承認了宇宙膨脹這一事實。而且對愛因斯坦廣義相對論中“場方程”的解釋，能夠與膨脹宇宙相符合。　　　　

　　爆炸的起點

　　既然宇宙一直在不斷地膨脹，那麼可以合理地設想，它在過去應該比現在小。如果能把宇宙史這部影片倒過來放，我們應該會發現，在很久很久以前的某個時候，所有的星辰都是聚合在一起的，宇宙最初是一個緻密的物質核。

　　1922年，蘇聯數學家A·A·弗里德曼首先提出這種可能性。當時哈勃定律還沒有提出，弗里德曼完全是通過理論推導得出此結論的。在此之前，愛因斯坦已經發現自己的方程只能描述一個膨脹或收縮的宇宙。但這位科學巨匠缺乏敢於預言宇宙並非靜止的自信心，遂強行在方程中引入一個斥力，描述了一個靜態宇宙。

　　弗里德曼指出，愛因斯坦靜態宇宙是極不穩定、不可能維持的，一個膨脹的宇宙雖然聽上去有些古怪，卻更為合理。愛因斯坦被說服了。年輕的弗里德曼率先預言了宇宙膨脹。可惜天妒英才，弗里德曼未能看到他的理論被哈勃所證實。1925年他因傷寒去世，終年37歲，其成果鮮為人知。

　　1927年，比利時天文學家勒梅特獨立研究出了類似的膨脹宇宙說。由於宇宙一直在膨脹，所以它在過去某一時刻會體積非常小而密度非常大，這東西被勒梅特稱為宇宙蛋。他還提出，宇宙一直在膨脹，並且是從過去的一次超級爆炸開始的；今天的星系就是宇宙蛋的碎片；而星系相互退行，就是很久以前那次爆炸的回波。

　　勒梅特的成果在當時也未受人注意，直到更有名望的英國大科學家愛丁頓闡述膨脹宇宙論，才引起科學界的普遍關注。到20世紀30年代和40年代，俄國血統的美國物理學家伽莫夫才真正普及了宇宙起源於爆炸的觀念。有趣的是，“大爆炸”（BIG BANG）這個詞，是一位大爆炸理論的反對者造的。這位叫霍伊爾的天文學家認為，認同大爆炸模型等於“公然邀請創世理論”，與上帝妥協，不是嚴肅的科學態度。

　　大致說起來，大爆炸模型是這樣的：宇宙是不斷膨脹的，而且由於引力的作用，膨脹的速度會隨時間發生變化。萬有引力作用於宇宙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，隨着時間的推移，宇宙體積越來越大，膨脹速度越來越小。將此過程回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、物質與有量的起點。這些概念都不能外推到大爆炸之前。大爆炸之前是什麼、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”。

　　這個結論讓人接受起來很不容易。1948年，兩位奧地利天文學家邦迪和戈爾德提出另一種理論，承認膨脹宇宙但否認大爆炸。後來英國天文學家霍伊爾發展並普及了這一被稱為“連續創生論”的理論。該理論認為宇宙是穩恆態的；在星系散開的過程中，不斷有新的星系從空間中產生出來；形成星系的物質是無中生有的，而且運動速度非常緩慢，用現有技術無法測出。結論是，宇宙總是保持着同一狀態，在沒有限度的過去和沒有限度的未來中，它一直是這樣，沒有開始也沒有結束。

　　在十多年的時間裡，大爆炸和連續創生論和爭論非常激烈，但沒有實際的證據來裁決到底哪一個對。在這段時間裡，“大爆炸”這個詞是一種貶義用語，引申含義是“不嚴肅”、“可笑”。

　　光焰的餘輝

　　熱寂、宇宙膨脹等理論，似都不足以令大多數人信服大爆炸的存在。如果過去某個時候曾發生過一次大爆炸，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？既然有那麼多宗教考古學家熱衷於尋找伊甸園的舊址、亞當夏娃的文物，科學家是否該去發掘一下宇宙創生的遺蹟呢？

　　1948年，伽莫夫指導的一位年輕研究生R·A·阿爾弗在他的博士學位論文中提出，宇宙源於約140億年前的一次大爆炸，並詳述了宇宙誕生的最初幾分鐘裡，基本粒子結合成為元素的過程。論文的題目是“化學元素的起源”，發表於《物理評論通訊》雜誌上。在這篇文章里，伽莫夫玩了一個文字遊戲，將對此項研究並無貢獻的物理學家H·貝特的名字添入論文中。這樣，論文的三位作者阿爾弗、貝特、伽莫夫的名字，念起來與希臘字母表中頭三個字母阿爾法、貝塔和伽馬頗為相似。這對一篇談論宇宙起源的論文來說，實在是再合適不過了。

　　這篇論文給出了大爆炸理論的第一個數學模型。此後不久，阿爾弗與另一位科學家赫爾曼一道，在《自然》雜誌上發表了另一篇論文，提出了一個證實大爆炸理論的方法。

　　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”。隨着宇宙的膨脹，輻射的溫度不斷下降，但仍保留着黑體譜的特徵，以及總體均勻性。按照推算，現在的宇宙應存在着溫度約為5K的背景黑體輻射。

　　這個傑出的預言在當時並未引起重視，而被埋沒在浩瀚的物理學文獻之中。在沒有電腦、沒有互聯網的1948年，科學家之間的交流無法與今天同日而語。阿爾弗與赫爾曼不是射電天文學家，沒辦法自己設計出合適的探測器來在太空中搜索大爆炸的殘留輻射——即使他們願意那樣做，在那個時代也沒有足夠的技術力量。而且，在40年代和50年代，在多數物理學家看來，再現宇宙早期史的細節並不是一種嚴肅的學術活動。

　　多年以後，即1965年，美國貝爾實驗室的兩位無線電工程師A·彭齊亞斯和R·威爾遜，在為跟蹤一顆衛星而校準一具非常靈敏的天線時偶然發現，接收器中存在着某種無法消除的噪聲。這表明宇宙浸潤在一種輻射當中，它相當於在電磁波譜微波波段波長7.35厘米的某種無線電信號，以相同的強度從空間各個方向射向地球，在大尺度上分布非常均勻。其溫度約為3K，譜線有完美的黑體譜特徵。與此同時，美國普林斯頓大學R·迪克領導的一個科學家小組，獨立地重新發現了阿爾弗和赫爾曼早先作過的預言，並着手設計一台探測器供搜索大爆炸的殘餘輻射。他們聽說了貝爾實驗室發現的這種輻射之後，立即將它解釋為大爆炸後原初宇宙高熱的遺蹟，即大爆炸火球黯淡下去的最後光芒。

　　由於這種背景輻射頻率集中在微波波段，因此被稱為微波背景輻射。大多數天文學家都認為，它的發現為大爆炸理論提供了結論性的依據。大多數人因此而接受了大爆炸曾經發生的說法，拋棄了連續創生論。因為這項發現，彭齊亞斯和威爾遜獲得了1978年諾貝爾物理學獎。然而，最早對微波背景輻射作出預言的阿爾弗和赫爾曼，卻未因此獲得榮譽，甚至在許多總結大爆炸理論發展史的文獻中被遺忘。

　　還應當提及的是，在1983年，人們開始獲悉蘇聯無線電物理學家什茂諾夫或許早在1958年就發現了這種輻射，並用俄文公布了這一事實。什茂諾夫建造了一具對微波信號敏感的天線，並報道探測到了某種在天空中各個方向上均勻的信號，與之相當的輻射具有的溫度在1K到7K之間。當時無論是他本人或是其他任何人都不清楚這項發現的重要性。事實上，什茂諾夫直到1983年才聞知大爆炸的預言及彭齊亞斯和威爾遜的發現，這已是他們兩位獲得諾貝爾獎五年後的事情了。像阿爾弗和赫爾曼一樣，什茂諾夫亦未能獲得應有的榮譽，科學史上往往頗多此種遺憾。

　　最初三分鐘 

　　大爆炸是什麼時候發生的呢？由於紅移容易測量，所以我們相當確切地知道星系退行的速度。但確定宇宙的年齡，我們還必須確定星系的距離。距離越大，星系退行到現在位置所需的時間也越長。但距離並不容易確定出來。科學界對宇宙的年齡有不同說法，大體在100-200億間之前，比較通行的說法是150億年。我們並不確切地知道大爆炸已經過去了多久，倒是對大爆炸剛剛發生之後1秒到幾分鐘的時間裡發生的事了解得更多。

　　最初的1秒鐘是宇宙史上的一道分水嶺。在此時刻以後，宇宙的溫度已降到一定程度，能用我們現有的物理知識來描述，從而獲得一幅大致準確的宇宙鳥瞰圖。而在1秒鐘之前，緻密、高熱的宇宙是一堆人類尚無力了解其行為的粒子，現有的物理規律不足以描述其行為。這是黑箱式的1秒鐘。

　　在1秒鐘之前，宇宙中應該存在着等量的質子和中子，因為弱相互作用會使質子與中子相互轉化，維持其數目的平衡。但到了1秒鐘時，膨脹速度變得太大了，弱相互作用不能再維持質子與中子數的平衡。由於中子比質子稍重一些，質子轉變為中子需要消耗較多能量，比中子轉變為質子困難一些。然後，弱相互作用停止，中子和質子不再大量互相轉換，留下的中子與質子相對數目有一個確定的比值——大概是1比6。

　　在最初1秒過後、3分鐘之內，中子和質子進行劇烈的聚合反應，形成氘核、氦核和鋰核，主要是形成氦核。這個過程用完了所有的中子，餘下的質子就成了氫原子核。3分鐘過後，宇宙的溫度降到10億度以下，物質密度也迅速下降，這類核反應遂告中止。計算表明，最初三分鐘裡大約有22-24%的物質形成的氦4，剩下的物質幾乎全部保持氫的形式，僅有十萬分之幾成為氦3和氘，還有百億分之幾成為鋰。

　　因此，大爆炸模型預言宇宙中應有22-24%的物質為氦，余大絕大部分為氫。最初三分鐘裡形成的氫和氦，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，只占宇宙總質量的不到1%，它們大部分是在大爆炸之後很久於恆星的內部形成的。

　　對宇宙各處的氦、氘及其它元素等的觀測，極好地證實了上述豐度值的普適性。簡單的大爆炸模型與嚴格的天文觀測間形成了美妙的一致。這一預言是大爆炸圖景最大的成功。

 　　時空盡頭

　　大爆炸模型並不是終極真理。它只是現有宇宙起源理論中最好的，但仍有許多難題未能解決。例如最初三分鐘過後的許多年裡，物質如何聚集成團形成星系、恆星，依舊是一個模糊的過程。此外，把“大爆炸之前是什麼”簡單地歸為邏輯上不合理的問題而不予回答，雖然很高明卻似乎有點不負責任。

　　對於大爆炸模型，科學界目前存在的一個主要分岐在於，宇宙是“開放”的，抑或是“閉合”的。這個問題關聯到宇宙的終結。

　　根據推斷，宇宙的形成距今約100-200億年。天文觀測表明，各種天體的年齡均小於200億年，這與大爆炸理論符合得很好。我們的地球大概是50億年前形成的，至於人類出現的歷史便短得不值一提了。宇宙現在還算得上年輕，擔憂末日來臨，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（臨界質量），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”，這樣的宇宙是“閉合”的。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，即“開放”的。

　　開放宇宙和閉合宇宙兩種理論都很流行，且相持不下。這是因為給宇宙過磅實在過於困難，無論從實際觀測或理論推導上都不易實現。最近幾年，天文觀測結果似乎更多地支持開放理論，即宇宙總質量太輕，達不到引起收縮的臨界質量；甚至有人聲稱發現了造成宇宙加速膨脹的“反引力力”。不過，這些結果沒有一項是決定性的。

　　有趣的是，科學家發現，無論宇宙是開放或閉合的，它都必須非常接近臨界質量。如果質量太大造成引力太大，宇宙便會在膨脹後不久就開始收縮，活不了太長。這樣，恆星還來不及形成，生命和人類就更不用提。如果宇宙質量太小，宇宙就會膨脹得太快，物質很快就變得非常稀薄，不足以聚集成恆星、星系，生命也不會產生。在這兩類宇宙里，都不會產生人類這種對宇宙起源尋根究底的麻煩東西。或許在某些地方存在着與臨界質量相距很遠的宇宙，但既然眼前這個宇宙里有我們的存在，那末它的質量必須與臨界質量相差不大。這個事實無形中使確定宇宙是開放或閉合更為困難——我們需要非常精確的數據來確定宇宙的質量到底是大於或小於臨界質量。

　　因此，我們不得不對兩種未來都進行一下預言。

　　如果宇宙永遠膨脹下去，在非常遙遠的將來——譬如1億億億年以後，所有的恆星都已燃燒完畢，茫茫黑暗中，潛伏着一些黑洞、中子星等天體。宇宙的尺度已經膨脹到今天的1億億倍，而且還在擴張下去。在這個系統裡，引力不足以使膨脹停止，但不動聲色地消耗着系統的能量，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，最終全都以光和熱的形式蒸發掉。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。這些粒子緩慢地運動，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，與傳統意義上的“熱寂”並不相同，荒涼程度卻甚為相似。

　　如果宇宙質量大於臨界質量，終有一天開始收縮，又將何如呢？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，收縮的過程起初很慢，隨後越來越快。在從膨脹到收縮的轉折點過後，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裡的物質被擠進一個很小的體積中，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。在最後的1秒鐘里，質子和中子也無法區分，擠成一堆由夸克構成的等離子體。在最後的時刻里，引力成為占絕對優勢的作用力，它毫不留情地把物質和空間碾得粉碎，時空曲率不斷加大。在這場“大坍塌”中，所有的物質都不復存在，一切“存在”的東西，包括時間和空間本身，都被消滅。剩下的只有一個時空奇點。

　　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。多少億年的輝煌燦爛，連一絲回憶也不會留下。

　　碧聲註：從前給《環球》雜誌寫過一篇較短的同題目文章，蒙諸位網友青眼四處轉載。後經補充成為現在這篇，算是2.0版。不過其中仍頗有些地方經不起推敲，如熱寂問題與宇宙的結局等。正在努力讀書，也許有一天會拿出一個更好的版本來罷。

　　田園將蕪，雨雪載途，胡為乎泥中。