(一) 三、展望未来
a)
如果你对“无中生有”的原始粒子论不以为然也无妨，还有–
b)
种宇宙的可能诞生方式，它的出现令宇宙学家精神为之一振、其内容是：包括我们所处的宇宙在内的众多宇宙互相交织，组成一张网，它没有惊天动地的起源，它只是时空的不断延伸。想像一下宇宙黑洞内会发生什么，可以帮助我们理解上述说法。下面，我们将有根有据地逐步进行猜测。我将探讨的问题绝不是已经创立的科学理论，甚至严格地说，它们连预测也算不上。它们是指向未来的路标，它们将为几十年后可能在此领域有所建树的研究者们指明一条路。
c)
在黑暗中，物质在引力作用下无限地坍缩，并无限接近于一个微点。黑洞中的变化是字宙从一个类似微点的物质不断向外膨胀这一过程的翻版―――两者的数学表达式完全一致，只是在时间上是倒序的。注意，只能说黑洞中的物质在无限接近于微点，而不能说成了微点。这不难理解，因为当初我们便设想字宙是从一个类
d)
似微点的物质演化而来。
e)
没有完整的关于引力的量子力学，我们便不可能准确地指出黑洞的中心究竟发生了什么。两位身居美国的研究人员，李・斯莫林和安德烈・林德分别提出了类似的猜测：在黑洞中，某种形式的反弹可能会发生，它会使坍缩逆转为膨胀，并使与奇点无限接近的物质转轨，形成该黑洞自己的时空体系。这就好比科幻小说中的描写一样，黑洞成了通向多维空间的隧道的人口。用宇宙学术语来说，这隧道叫“蠕虫洞”。他们认为：蠕虫洞是通向另一时空体系（即另一个字宙）的。在那里，来自黑洞的物质以与字宙大爆炸同样的方式向外膨胀。
f)
不仅方式相同，连结果也一样。别忘了，对微点来说，由引力造成的负能量与其本身含有的能量正好相抵。因此，如果黑洞中物质的质量相当于10个太阳的话，在蠕虫洞另一端出现的绝不会是一个质量相当于10个太阳的小型宇宙，而应是一个正常规模的宇宙，其质量也许与我们的宇宙差不多，或许还要大些。这是因为进入黑润的物质扮演了促进微点形成的催化剂的角色。
g)
如果掉入我们宇宙中黑洞的物质会发生上述变化的话（有充足证据表明事实的确如此），那么也存在我们的宇宙是由掉入其他时空体系中黑润的物质演化而来的可能。这么说来，整个时空构架就好像一系列互相关联的气泡（好像一杯啤酒上的泡沫一样），既无始又无终。
h)
我们前面提到的关于膨胀的宇宙与膨大的气球的比喻也能帮助我们理解这一点。处在襁褓时期的宇宙就好比气球上扯下的一小块皮，稍稍准备便凭自己的实力开始膨胀，然后自己成了母体，再扯下一小块皮……如此继续，以至无穷。
i)
诚然，这些说法听起来有些玄乎，它们也的确只是停留在预测阶段；但它是由受人尊敬的宇宙学家以严肃的态度作出的推测，故其可靠性并不比本世纪40年代时的大爆炸学说差。用今天的材
j)
料分析，是某种形式的膨胀使宇宙处于大爆炸状态；但没有人能有把握说清楚膨胀的原动力到底是什么：我们只知道膨胀说能够解释当今宇宙的面貌。
k)
宇宙的膨胀过程有许多常人难以想像的特点。首先，其发生速度似乎比光速还要快。光走1米还要3×10-秒呢，而宇宙从比质子还小的初始体积膨大到直径为10厘米的球，却只用了短短10-2秒。究其原因，宇宙本身像橡胶床单那样不断地拉伸，它必然也带着其内所有物质一同膨胀，这样说来，速度如此之快也并非没有可能。
l)
宇宙的快速膨胀为它的其他特征，尤其是极端均匀性提供了依据。尽管含有星系、星团，总体上看，宇宙分布仍是相当均匀的。
m)
这可从本底射线看出来，因为它能告诉我们大爆炸发生后30万年以来宇宙的情况。前面说过，本底射线的平均温度是2.7开，COBE卫星发现来自字宙不同方向的本底射线的温度虽有不同，但其最多相差3×10-7℃，其温度差额率只有0.001%。（巧合的是，可能正是因为这一差幅的存在，星团才能形成。）这个例证能很好地说明初期宇宙的均匀程度。
n)
对这一现象的解释是：目前的字宙是由一个渺小的“种子”演化而来的，由于种子太小，差幅难以形成。另一种解释似乎更有道理。该理论认为：宇宙“种子”本身具有量于波动，它在宇宙的球径为10-5厘米――该长度为普朗克长度的1亿多倍――时爆发并随着宇宙的膨胀而放大的，这就造成了差幅。目前宇宙的所有不均匀现象（包括人类的出现）是由这些量子波动造成的。
o)
膨胀还能解释宇宙的另一个显著特征，即宇宙正处于永恒的膨大与可能发生的坍缩间的临界线上。前面我们提到过的火箭的例子在这儿又能派得上用场了。如果上升中的火箭在脱离地球引力之后燃料才用尽，那么它将飞人太空；但如果火箭停止加速时其速度仍未达到第二宇宙速度，地球引力最终将使其停止上升并得
p)
以回到地表。
q)
宇宙也面临着类似的可能性。如果其膨胀速度快到引力无法阻止其膨胀的话，宇宙膨胀将继续；如其速度比临界速度小的话，总有一天引力会止住其膨胀的势头并使其由胀到缩，最终使一切回复到万物初始的大爆炸状态；如果膨胀恰好以临界速度进行，引力将能恰好使膨胀停止，但这一过程将永远进行下去，没有终点。
r)
宇宙命运如何，取决于两个因素―其膨胀的速度（可通过红移法测量）和其含有的质量.“开放”的宇宙不断膨胀；“闭合”的宇宿终将坍陷：“平衡”的宇宙则在两者之间，处于临界状态。这些对宇宙的不同称谓来自于受引力作用后宇宙本身不同的发展状况。
s)
闭合的宇宙类似于三维的球面，如地表；开放的宇宙不断膨大，其外形近似于山隘或马鞍；平衡的宇宙则是纸张平坦的表面的三维对等物。
t)
我们已经知道了宇宙膨胀的速度，因此，只需知道其含有的质量就可以确定其命运如何了。好在宇宙内部天体的分布大体上是均匀的，因而我们不需把所有物质的质量加起来，我们只需选择有一定体积的代表性区域（它必须足够大，即应至少包含若干个星团）并测得其密度即可。我们可以相当精确地计算出宇宙处于平衡状态时的临界密度――就整个宇宙平均而言，应在每立方厘米1×10-9克~2×10-32克的范围之内。单个氢原子约重1.7x
u)
10-4克，那么，对于处在平衡状态的宇宙而言，平均每105立方厘米的空间中就应有1个氢原子，即每立方米10个氢原子。如果宇宙中所有天体分布均匀的话，其密度将只有临界密度的1/10―
v)
但全部情况并非如此简单。
w)
宇宙密度通常用参数a来表示。当Q等于1时，宇宙是平衡的；当Ω小于1时，宇宙是开放的；当Q大于1时，宇宙是闭合的。
x)
我们无法观测到宇宙中的所有物质，故而确切计算Q的值相当困难。显然，除了发光的天体之外，宇宙中也一定存在许多不发光的
y)
物质，但问题是：这样的暗物质到底有多少？在某种程度上，通过研究星系运动的情况，我们可以估测暗物质的数量。星团中不同星系间红移值的差距可以告诉我们各星系间的相对运动状况。只有引力才能使各星系聚集不散，且星系运动速度与所需引力成正比――这意味着，一定有更多的暗物质在提供着引力。研究表明，在大型星团中，暗物质的量至少是发光天体的10倍，而我们所能见到的只是冰山的一角而已。
z)
宇宙密度至少为临界密度的1/10，这是不争的事实。但即使考虑到宇宙中可能有大量暗物质未能被我们所探知，字宙密度似乎也绝不可能达到临界值。乍一看，这又像是那种差劲的宇宙学预测――只有一成把握，却去预测一个重要的宇宙学数据！这比前面我们提到的有五成的把握去预测字宙的年龄还要玄平。但是，细想一想，这一发现仍具有深远的意义。
aa)
除非你能想到–一些更合理的解释，否则我们只得承认：目前的宇宙是大爆炸后快速膨胀的产物；宇宙密度不可能接近临界密度这一宇宙学中惟一有意义的密度值。一方面，宇宙密度可能是临界值的千分之一，百万分之一；另一方面，是它的百万倍也不是没有可能。
bb)
只要看一看在宇宙膨胀过程中其密度与膨胀率的关系是如何变化的，你就可以意识到实际测量所得的宇宙密度将具有不同寻常的意义。设想一下，一个密度为临界值的“种子”在大爆炸后演化为一个开放的宇宙。因其膨胀速度远快于临界速度，故其密度迅速下降，从面使引力更难以阻止膨胀并加剧了使字宙闭合所需的密度与其膨胀率之间的不一致。随着宇宙的膨胀，其密度下降。因此在后继阶段，其密度与临界值越差越远。再设想一下，若开始时宇宙密度稍大于临界值，引力有效地减缓了其膨胀的速度。虽然宇宙的密度随着其膨胀而下降，但其膨胀率下降得更快，在后继阶段，引力作用相对增强，因而宇宙变得日益封闭。
cc)
因此，如果目前宇宙密度不及临界值的1/10的话，尽管宇宙的膨胀已进行了l50亿年，在往昔那更接近大爆炸的时候，其密度肯定与临界值更为接近。能接近到什么程度？如果你从头至尾分析准确的话，你将发现在膨胀的末期及大爆炸的初期，宇宙应是平衡的，其差幅应只有1/1000。那时远没有现代的密度参数测量法，预测准确的把握也只有令宇宙学家汗颜的1/10，但这一数值应当算作科学发展史上由观察得来的最精确的参数值了！
dd)
密度临界值其本身有重要意义，但十分之一的临界值则很难讲是否重要了。这一鲜明的对比、不争的事实激发了许多宇宙学家的遐想：说不定宇宙密度的确与临界值相等，说不定宇宙真是处于平衡状态，等等。
ee)
膨胀现象使这一遐想没有仅仅停留在猜测的阶段。宇宙膨胀带来的一个意外情况是：无论宇宙初始状况如何，它终将趋于平衡。想一想，梅脯的表皮是皱缩的，但一旦将其放人水中，它会逐渐胀起来，皱缩不见了，表皮平滑了――尽管如此，用宇宙学家的话来讲，这时它仍是“闭合”的。但若把它看作宇宙初期的模型，使其体积翻了100番呢？这会使其球径从若干厘米增长到102光年。后者大约是宇宙直径的100倍。也许，此时的球状物仍只是闭合的；但它太大了，以致任何繁衍其上的生物都无法感知其曲率。因而，入类设计出的每个试验都将证明“地表是平的”。膨胀说认为宇宙正是如此：它在事实上只可能是闭合的（也可能是开放的），但Q的值和其与1间的差距是入类永远无法确知的。尽管我们尚未全部发现使宇宙平衡的暗物质的踪迹，但聪明的宇宙学家已着手修正膨胀说以便为一个密度稍小于临界值的宇宙的出现寻求根据。尽管他们足智多谋，令人钦佩，但明智的入更乐于相信宇宙是平衡的。这引起了实验活动的高涨以及宇宙学家与粒子物理学家的再度联手，竭尽全力去探明遍布字宙的暗物质。
ff)
恒星、星系等发光物体的密度只有临界值的约1%；星团中星
gg)
系的运动方式表明宇宙中暗物质的量至少是其10倍。但两者相加也只不过使1/10的临界密度有了着落。因此，“宇宙处于平衡状态”这一命题要想成立，就必须有10倍于现在的暗物质。这一点可从下列情况中得到证实：在宇宙中，星团的运动总是“步履维艰”，并好像总是有东西在无形中拉它们的后腿。这给我们以启示：宇宙中不发光物体与发光物体之比极可能大于100：1。粒子物理学家对这一可能欣喜异常，其理由是：从我们对大爆炸的理解来看，大多数暗物质的构成与恒星、星云、行星、人类极不相同。
hh)
标准的大爆炸模型是于20世纪60年代产生的。它建立在日常物理学的牢固基础之上，考虑到今天最为极端的核物质的情况。
ii)
该模型的一个伟大成就是：它预测了大爆炸产生的物质是以约75%的氢、25%的氨及微量的轻元素（如氟）的比例构成了最初的恒星。这一大致比例最初是由伽莫夫及其同事于40年代提出的。
jj)
到了60年代，弗雷德・霍伊尔（Fred Hoyle）及其同事又大大提高了其精确度。此外，观察家们根据观察推测，古老恒星是由原始物质组成的。该理论预测的结果与观测家所见的高度一致性使我们确信，大爆炸说确实能很好地解释时间零点后0.0001秒~4分钟之间宇宙的一切变化。（当然，理论与观察之间并非不差毫厘，但其歧异只需微调即可修正。）
kk)
还有一点不应忽略。我们的分析是建立在大爆炸中核反应（主要是氢聚合成氨）速度的基础之上的。而核反应速度又是建立在宇宙膨胀和冷却的速度（我们可通过回顾宇宙膨胀史及测知本底射线今天的温度获知其速度）、宇宙的温度及参加核反应物质的密度的基础之上的。原子核由质子和中子组成，这两种核子都是重子家族的成员，故而核内物质（其外延可推广到你、我身体的组成物质等一切日常物质，地球、太阳及宇宙中的一切可见物质）也被称作重子物质。对大爆炸中的核反应的分析与对古老恒星组成物质的观测是高度一致的，但大爆炸中产生的重子物质的密度并
ll)
未达到能使宇宙闭合的临界值，大多数天文学家认为5%是比较实际的上限；即使满打满算，宇宙中重子物质的数量也绝不会超过临界值的10%。
mm) 人体也是由重子组成的，长期以来，天文学家被一种无名的重子崇拜论所束缚，都认为宇宙的总密度只有临界值的百分之儿。
nn)
直到对星团运动的研究表明宇宙中大量的暗物质在施加着无形的影响，直到宇宙膨胀说指出宇宙具有极端的均匀性。到20世纪80年代，其神秘色彩才被打破，宇宙学家们才开始考查宇宙中的另类物质―一种未参与大爆炸期间关键核反应的非重子暗物质存在的可能性。
oo)
一旦把对非重子暗物质的研究提上议事日程，天文学家们便意识到，这也许有助于解开一个宇宙之谜：星系是如何形成的？尽管（至少大多数的）暗物质是非重子的，它们与其他物质间仍存在引力作用。宇宙仍在膨胀，如果时至今日其密度仍只有临界值的10%的话，很难想像（甚至是无法想像）在过去的150亿年中，星系、星团这样的庞然大物是如何经历原始的波动、引力的吸聚而成为今天的模样的。但加进10倍的暗物质之后，它们便能提供足够的引力来完成集聚星团的任务。
pp)
星系的形成过程可由计算机进行模拟，其结果与宇宙的实际情况极为相近。需要再次声明的是：正如同大爆炸理论中古老恒星的组成与重子物质的比例两者间的关系，计算结果与观测结果也不可能完全一致，但差异极小，仅需微调。
qq)
为了不在细节问题上作过多纠缠，宇宙学家一般不下定义，而是作描绘，并对暗物质提出假说。假设暗物质是由在大爆炸中产产生、并在太空中均匀分布的粒子组成的话，它们应以两种形式存在：高温暗物质（HDM）由比电子还要轻的粒子构成，它们以接近光速的高速在太空中穿行；低温暗物质（CDM）由比质子稍大的粒子构成，它们在宇宙中低速波动。这两种暗物质被统称为WIMP，这
rr)
–名称概括了其特征：有一定的质量（因而能与其他物质互相吸引），但很少议引力以外的方式与其他物质相互作用。
ss)
这些假说颇受粒子物理学家的欢迎。因为曾经预测了膨胀说的统一场论再次预测到了宇宙中不明非重子粒子（即CDM和HDM）的存在。此刻，研究宏观世界的宇宙学家与研究微观世界的粒子物理学家再度不谋而合，这也有力地证明，暗物质必以WIMP的形式存在。
tt)
物理学家们已掌握了一种可产生非重子暗物质的粒子：中微子。中微子参与了核反应，因此在分析大爆炸的核反应时它们已被考虑在内。但原先的观点认为，中微子是零质量的。因此，尽管它们在宇宙中含量很大，但它们因没有质量而无法产生引力.故无法阻挡宇宙膨胀的步伐。
uu)
尽管中微子与重子都是在核反应中大量产生的，但两者却绝少发生反应，以致于虽然早在20世纪30年代初期理论学家便预测了其存在，但直到50年代中期，美国萨凡纳河畔的核反应堆中重子物质和中微子不断产生，其存在才得到验证。现在我们知道，中微子在宇宙中无处不在，它们靠其内部核反应释放出的能量在字宙中穿行。有时它们甚至与我们擦肩而过，但对人类毫无损伤――中微子从人体甚至是地球内部穿行比光穿过一块透明的玻璃要方便得多。如果一束来自太阳内部的中微子穿过一块厚度为1000秒差距（相当于3260光年）的实心铅块，只有半数会被铅的原子核俘获。
vv)
中微子难以与其他物质反应，这使我们得以理解为什么直到80年代，人们仍难以确定中微子是否有很小的质量。在普通的核物质中，电子质量最小。其质量只有质子的1/2000，以致人们通常把它与质子、中子对宇宙产生的引力混为一谈。就算中微子真有质量，也不过是电子质量的百分之一。在大多数情况下，这是可以忽略不计的；但字宙中的中微子数量极大。大爆炸以后，其与重
ww) 子的比例降为几百万比一。80年代，天文学家终于明白了，即使单个中微子的质量微不足道，但众多的中微子加在一起，其引力合力将远远超过所有的重子（但不要指望这能增大宇宙的密度，因为中微子是由恒星的质能转化而成的，它正好补偿恒星因为m2转化成E而损失的质量：）
xx)
中微子是典型的HDM，它以接近光速的速度在宇宙（包括恒星、行星、人类）中呼啸而过。但计算机模拟实验表明，如果所有的暗物质都是以中微子（或其他HDM）的形式存在，宇宙中不会有星云、星团形成，因为这些高速运行的粒子在开始形成天体时，其结构已分裂，就像炮弹打垮不经一击的砖墙一样。重子暗物质在宇宙中分布较均匀，中微子也可通过它，因而这个问题不是今天才出现的，它是大爆炸发生后几秒内的事。那时，宇宙密度相当大（比今天恒星的密度还大），中微子起着抚平大爆炸造成的任何不平的作用。
yy)
计算机模拟实验指出，宇宙中星系、星团的最佳构成模式是：
zz)
约1/3的HDM、约2/3的CDM及微量的重子物质。在宇宙诞生初期，数量大、速度快的CDM粒子因引力而聚合，并能吸引重子物质。这些重子物质（主要是氢和氨）陷入引力场，最终将形成星系。
aaa) 但如果所有的暗物质都是以CDM的形式存在，这一过程就会显得过于强大―这样的话，星系、星团的最终模式比目前我们所见到的要更集中。（当然，计算机模拟结果不可能完全再现今天星团的真正模式，但却能呈现一个总体模式，通过它，我们可以获知不同规模星团的数量、其间的离散程度等特点，并把其与宇宙的真实倩况相比较。）因而，目前最受欢迎的模式是混合暗物质。
bbb) 由上可知，宇宙中约三分之二的物质不仅是暗物质，而且是以从未在地球上测得的多种粒子（或一种）的形式存在。据粒子物理学理论预测，它们确实存在。（这一预测是在天文学家们意识到宇宙中应有暗物质存在之前作出的。）粒子物理学家不仅能详细描绘
ccc) 这些假想的粒子的性质，甚至已为其取名，如引力子等。
ddd) 科学家们面临的主要问题是，不同的统一场论预测出了不同形式的暗物质粒子。因而，在使宇宙平衡这一“工作岗位”上，要求
eee) “竞争上岗”者太多了。但这一问题的正面影响是，如果能够确定某些粒子并测得其性质，我们就能得知哪种统一场论是正确的。
fff)
这样一来，其他的可能性也将不复存在了。
ggg) 要想俘获一个CDMWIMP并非易事。因为它们与中微子样，很难与其他物质发生反应，但其质量比中微子大，再加上广布于宇宙，因此这也并不一定有想像中的那么难。有一种粒于是属于CDM的，其质量与质子相当。在宇宙空间中平均每5立方厘米就有1个。（我所指的不是每5立方厘米的“空”间，而是指宇宙内任何体积为5立方厘米的地方，也许是太阳内部，也许是你正在读这些文字的地方，都有可能。）如此算来，你吸人的每升空气都含有好几百个WIMP呢！
hhh) 要想俘获这样一个WIMP，你应监控、跟踪CDM粒子与普通原子（严格地说，是原子核）的撞击。每个WMP探测器（目前世界上有数个这样的机器在运行）的主要部件是一小块冷却后温度只有几开尔文的（与本底射线温度大致相同）矿石晶体。它是用来监测WIMP的动能转化为热能所带来的温度突升的。上述情况下，晶体温度会上升1度的千分之几。
iii)
目前，尚没有人宣称自己已探知此种物质；但在未来几年中，这随时可能发生。那些对不为人所见的三分之二宇宙物质感兴趣的物理学家现在正于寻找CDMWIMP―不是靠窥视太空奥秘的大型天文望远镜，而是靠安置在地下实验室内的远离任何外界干扰的过冷晶体。
jjj)
还有一种方法可寻找暗物质。宇宙初期的物质分布必然会对目前仍遍布宇宙的宇宙短波射线产生影响。这些本底射线的具体结构情况取决于当时和现在字宙中的物质含量。其结构十分复
kkk) 杂，以致CDBE卫星上的仪器也难以弄清楚。但不同的宇宙学理论可预测本底射线的结构，暗物质的数量、种类。专为调查本底射线而设计的新一代卫星将于21世纪初发射，它可把宇宙密度精确到0.01。最迟至2010年，我们定能确切地知道暗物质到底有多少以及WIMP所占的比率到底有多大。现在，正有一场关于尽快寻找WIMP踪迹的激烈较量，一方是宇宙学家，另一方则是粒子物理学家。
lll)
新一代卫星还将提高哈勃常数的精确度，并把这一困扰了字宙学家几十年的问题的迷底揭开。在不到20年的时间内，宇宙学将像本世纪六七十年代设想的那样大功告成。但别认为这门科学将到此为止。几位目光长远的学者已为下世纪宇宙学的发展竖起了路标，其中最有意思的设想来自于李・斯莫林。他扩展了“新生宇宙”的概念，并认为：一个新生宇宙诞生后，一种类似达尔文进化论的过程就将开始。他还认为：宇宙的亲代与子代在性状上即所遵从的物理规律上一将有微小的变异，不同代宇宙间在“性状”上的突变将为其膨胀提供竞争的环境。
mmm)
这一理论是爱因斯坦相对论和达尔文自然选择学说相结合的产物。它还预测，在无限的多维时空体系中，会有更多的宇宙产生。虽尚未被人们广泛接受，却引起了宇宙学家的瞩目。也许，该理论会被淘汰，但它却能鼓励天文学家去设计新的实验、采取新的方法来研究宇宙。即使该理论最后被证明是错的，这些实验也无疑将为宇宙学研究提供新的思路。如果这一推断被证明是正确的，那它将是自哥白尼推翻“地心说”以来科学界最大的成就。
nnn) 以上只是当前宇市学发展的一个横断面：有根有据的预测与观测、实验结果结合起来，深化了我们对宇宙的认识。我并不想把推测留给大家；相反，我想为你提供可靠的、既成的事实和大爆炸的标准模型――描述了时间零点的十万分之一秒以后宇宙的演化情况。本文的附录描述了宇宙生命前30万年的情况，其中没有丝
ooo)毫的猜测成分。尽管有反对意见，但仍有人认为人类对宇宙初期生命运动的了解是人类智慧最伟大的结晶。只用很短的篇幅便把它总结出来也是一个不小的成就。爱因斯坦曾说过：“世界的永久奥秘在于其可知性……其能够为人所知的事实本身就是奇迹。”