第5讲 宇宙的起源与归宿

中心区有可能会坍缩成某种非常致密的状态，如中子星或者黑洞。恒星可能在一次剧烈的爆炸中把它的外层向外抛出，这就是超新星 42 爆发，此时恒星的亮度会超过星系中所有其他的恒星。恒星在行将寿终正寝之际所产生的一些较重元素，会被抛回到星系内的气体中，它们为生成下一代恒星提供了部分原材料。

我们自己的太阳含有2%左右此类较重的元素，因为它是一颗第二代（或第三代）恒星。太阳在大约50亿年前由一块自转气体云形成，而气体中含有更早时期超新星的碎屑。云块中的大部分气体经演化而形成太阳，或者被向外吹走。然而，有少量较重的元素会聚集在一起，并形成绕太阳做轨道运动的天体——行星，地球即是其中之一。

尚未解决的问题

宇宙从最初的极端高温状态开始，并随膨胀而冷却的图像，与今天我们所取得的所有观测证据都是一致的。尽管如此，仍有几个重要的问题尚未得以解决。首先，为什么早期宇宙会有如此高的温度？其次，为什么宇宙在大尺度上会如此均匀——为什么在空间中的不同位置、以及从不同的方向上看宇宙都是一样的？

第三，为什么宇宙最初的膨胀速率会如此接近临界值，从而恰好保证不会再度坍缩？如果大爆炸后一秒钟时的膨胀速率哪怕只是小了10亿亿分之一，宇宙就会在达到它今天的大小之前再度坍缩。另一方面，要是一秒钟时的膨胀速率增加同样的数值，那么宇宙就会极度膨胀，以至于现在它简直就会变得空无一物了。

第四，尽管事实上宇宙在大尺度上表现为高度均匀和各向同性，但其中不乏存在局部性的物质团块，如恒星和星系。人们认为，这些天体是因早期宇宙中不同区域内存在少量密度差异而演化形成的。试问，这类密度涨落的起因是什么？

仅仅依据广义相对论不可能解释这些特征，或者说无法对这些问题给出解答。这是因为广义相对论预言，宇宙最初时的密度为无穷大，也就是始于大爆炸奇点。在奇点处，广义相对论和其他所有的物理学定律全都失效。我们不可能预言从奇点会发展出什么样的东西来。正如前面我已解释过的那样，这意味着理论上同样可以不考虑大爆炸之前发生的任何事件，因为这类事件对我们来说是没有任何观测效应的。时空应当有一个边界，亦即发端于大爆炸。宇宙为什么应该从大爆炸瞬间开始，以一种确定的方式演化，并最终成为我们今天所观测到的状态呢？为什么宇宙会如此均匀，而且恰到好处地以临界速率膨胀，从而不致发生再一次坍缩呢？如果能够证明，有着多种不同初始结构的宇宙，都会演化成我们今天所观测到那种状态，那么人们便应当更为高兴了。要是情况确实如此，那么从某类随机性初始条件发展而来的宇宙，应该包含了若干个我们今天所观测到的那种区域。

也许还会存在一些与之很不相同的区域，不过这类区域可能并不适合于星系和恒星的形成。星系和恒星是进化成智慧生命所必须具备的重要先决条件，至少就我们所知应该如此。因此，这些区域就不会包含能观测到它们不同之处的任何生命。

在研究宇宙学问题时，必须考虑到选择原理，即我们生活在宇宙中一个适合智慧生命的区域中。这个显而易见的基本因素有时候被称为人择原理 43 。相反，试想宇宙的初始状态只有在经过极为仔细的选择后，才能保证会演化出我们在自己周围所看到的那些事物。如是，那么宇宙就不大可能包含任何会出现生命的区域。

在前面我已介绍过的热大爆炸模型中，早期宇宙阶段并没有足够的时间能使热量从一个区域传递到另一个区域。这意味着在诞生之初，宇宙中的不同区域必定有着严格相同的温度，只有这样才能说明下列事实：我们所看到的微波背景在不同方向上有着相同的温度。还有，宇宙膨胀的初始速率必然经过非常精确的选定，从而保证在今天之前宇宙不会再次坍缩。这就意味着，如果热大爆炸模型自时间起点以来都是正确的话，那么宇宙的初始状态确实作了非常仔细的选择。

要想解释宇宙为什么恰好应该以这种方式诞生是很困难的，除非借助上帝之手——上帝的本意就是要创造出我们这样的生命。

暴胀模型

为了避免热大爆炸模型在极早期阶段的上述困难，麻省理工学院的艾伦·古思提出了一种新的模型。在他的模型中，许多不同的初始结构都可以演化成如目前宇宙的那种状态。他认为，对早期宇宙来说，可能在一段时间内作极高速的指数式膨胀。这种膨胀称为“暴胀”——类似于每个国家中在一定程度上都会出现的物价暴涨。物价暴涨的世界纪录也许当推第一次世界大战后的德国，当时一只面包的价格从原来的不到一马克，在几个月时间内涨到数百万马克。不过，在宇宙尺度上可能出现过的暴胀甚至比这还要大得多，仅仅在一秒钟的极小一部分时间内，宇宙就膨胀了100万亿亿亿倍。当然，那时尚未有现在这样的政府。

古思认为，宇宙从大爆炸诞生之际温度极高。可以预料，在这样高的温度下，强核力、弱核力和电磁力全都会统一成单一的一种力。

宇宙的温度会随膨胀而降低，同时粒子的能量应随之减小。最后，应当出现所谓相变 44 ，而力与力之间的对称性便会发生破缺。强力会变得与弱力和电磁力有所不