(一)    二、字宙的现状

a)        
宇宙的起源过程到底是怎样的？那粒“种子”――密度如同核物质的炽热火球――又是从何而来？近几十年来，宇宙学家已着手研究这些问题并得到了他们认为较满意的答案。在其研究成果的基础上，科学家作出了一些谨慎的推测。这些推测虽无法做到像对万分之一秒以后的宇宙的把握那样准确，但它们却使宇宙在时间零点的起源问题不再是神学家的专利，而已登堂人室成为严肃的科学研究课题了。本文的内容都是确凿的科学事实，它与任何对古老的过去和遥远的地方的描绘一样是真实可信的。下面将会提到一些有根有据的猜测。虽是猜测，但它们丝毫不会有损科学性，甚至正相反，它们更能引人入胜。

b)        
人们对宇宙的起源有许多不同的见解。在这里，没有必要提及每条见解，但其中有两个十分吸引入同时又密切相关的说法值得关注。你只需粗通点量子力学和经典力学便可以理解第一种说法了。

c)        
你所需了解的量子物理学知识是“测不准原理”――它是由量子力学研究的先驱，德国科学家沃纳・海森伯于20世纪20年代发现的。“测不准”是指在量子世界，不可能同时确定互相关联的、成

d)        
对的物理性质。其经典例子是：位置与动/冲量（在这里，我们把它看作与“速度”同义）。我们总是习惯性地认为：日常生活中的物体

e)        
（如-…只台球）在任意时刻总是处于某一位置并朝一特定方向运动。但在量子世界，物体（如一个电子）的运动状态并不是如此。

f)         
如果我们知道了某个电子的准确位置，那么它可能以任何速率向任何方向运动；如果我们准确地知道某个电子的运动方向、速率，那么，我们就不可能说出该电子在任意时刻的运动轨迹。

g)        
我也承认，这一例子有点极端。一般情况下我们可以同时粗略地知道电子的位置及其运动方向，但是，如果我们对这两个性质中的一个较确定的话，那我们对另一个的把握就难以准确。

h)        
不能把这一现象简单地归纳为是测量工具不先进。“测不准”是物理学与生俱来的缺陷，就连电子也不可能同时知道自己身在何处又将去何方。

i)          
尽管这一原理很引人入胜，但它不是问题的突破口。对那些急于破解宇宙起源之谜的科学家来说，重要的是另一对共扼性质，它涉及到时间和能量。研究表明，要想精确地知道一个系统在某一时刻所含有的能量是不可能的。对所含能量知道得越清楚，我们就越难以确定这是哪一时刻的能量；而当我们能精确地测得我们测知能量的时刻，我们对该时刻物体含有的能量就越拿不准。

j)          
一个令人难以理解的事实是：我们不能说一个真空区域的能量是零，因为零能量本身便是一确定的能量值。然而，能量泡是能够凭空产生的一只要它在量子学原理规定的时间内消失就行了。实际土，这一过程只是一瞬间的事，无人能察觉。这一蹊跷的事实是有其理论依据的。入所共知的爱因斯坦质能转换方程，E

k)        
=me2（E：能量；m：质量；c：光速），告诉我们：假如某一物质微粒转瞬即逝的话，它是能凭空产生的。

l)          
尽管听起来有点荒诞不经，但所谓的“虚拟粒子”的存在的确能对现实世界中的粒子施加一定的影响。比如，我们应该把带电

m)      
的粒子，如电子，看成是被虚拟的“电子云”环绕着的。我们也只有把虚拟电子的影响考虑在内，才能合理地解释电子的运动状态及其与电、磁场的相互作用。每个虚拟电子的寿命只有若干分之一秒，但一个消失了，又会有另一个来顶替。

n)        
能量泡所含有的质量和能量决定了其寿命。质能含量越多，其寿命越短――故相对来说，电子比质子更“长寿”，因为前者的质量比后者要小得多。

o)        
这儿用得上一点关于万有引力的知识。得知字宙的总能量是零时你也许会感到诧异。如果你再联想到那些恒星、星系拥有的巨大质量以及由质能方程算出的能量，就会觉得这更是匪夷所思。但别忘了，这些天体是因引力作用才聚集不散的，而引力会产生负能量，这些负能量正好能抵消宇宙中物质所含的能量。

p)        
可用广义相对论来详细解释这一结论，但有一种方法可以向你展示其缘由。首先，你应知道当一团物质因受万有引力作用而体积变小时，它会释放出能量。这就是太空中一团气体或尘埃形成恒星的原因――它们先缩小，再以热的形式向外释放能量，因此它的温度升高，当其中心温度达到约1.5×107℃时，核反应开始了，其产生的能量在保证有足够核燃料的前提下提供给该物质，使其不再继续缩小。

q)        
其次，这一系统内的所有物质都分解为其组成原子并向各方向扩散，以致无限远。万有引力遵循乎方反比率，故在相距无限远的地方，各粒子间不存在作用力――其作用力与距离平方的倒数成正比，当距离为无穷大时，其作用力是零。这一系统中不存在作用力，故不存在与之相对应的能量。但如果（通过外力推动）使这些离散的粒子重新合为一体，又会有能量放出。总结一下，开始时该系统的总能量是零。其间陆续有能量放出，故最后该系统含有的能量为负值。

r)         
如果你运用爱因斯坦的质能方程计算这一过程中的能量损耗

s)        
的话，你将发现：设该系统质量为m，当该系统缩小到极限时，其释放出的能量恰好为m2。换句话说，该系统因作用力而含有的能量-mc2与其本身含有的质能m2正好数量相等，正负相反。

t)         
如果你对上述内容感到难以理解也不用羞愧，看看下面的例子吧。二战时，伽莫夫任美国政府的顾问，他的任务之一便是每隔几周便把满满一公文包的研究报告送交住在普林斯顿的爱因斯坦。这些满纸是奇思异想的研究报告出自一些自称能研制出特效武器并使大战尽快结束的发明家的笔下。爱因斯坦此前曾在专利局工作，他理应是发现他们的继缪的最佳人选。上述关于系统总能量的计算最早是由伽莫夫的同事帕斯加尔・乔丹提出的。在伽莫夫的自传《我的世界线》中，他披露一件鲜为人知的事情：一天，在从爱因斯坦家到普林斯顿高级研究所的路上，伽莫夫不经意地向爱因斯坦提及了乔丹的计算过程。

u)        
“当时，爱因斯坦立即停了下来，”伽莫夫回忆道，“而我俩正在过马路，往来的汽车也只好停了下来。”

v)        
现在，这一使爱因斯坦驻足的想法已被应用于整个字宙。有的宇宙学家甚至把它看作是宇宙起源的答案。作为一个零能量的系统，宇宙有可能真是“无中生有”而来的。前面说过，一个系统能量很小的话，其寿命会较长。那么，一个零能量的系统倒真有可能做到生生不息。

w)      
这一想法在20世纪70年代浮出水面，但当时人们并未重视它。这并非没有原因。你认为量子力学会帮你的忙，你认为宇宙可能从一个虽比量子稍大、却远小于原子核的微点中产生，但从常理来看，别说宇宙了，就是一颗恒星能从这微点中产生也是笑话。

x)        
如果你认为宇宙中的所有物质都挤作只有量子那么大的一团，那你就大错特错了。照你所说，这量子将处在一个强大的引力场中，这样的话，引力不会使各物质分离，只会使它们坍缩。

y)        
乍一看，宇宙这一庞然大物一定是短命的。它应该稍纵即逝

z)        
才对。但在80年代，宇宙学家发现了一种使量子离散成我们今天的宇宙这般大小的方法：膨胀。

aa)    
关于膨胀的一个有趣的事实是，其立论基础并非来源于宇宙学，而是来源于粒子物理学。天文学家研究的是宏观物体，而物理学家研究的是微观物体，这正好构成两个极端。物理学家曾希望把自然界各种力统一起来，在他们寻求“统一场论”的过程中，他们自然地发现了膨胀现象。

bb)    
测量出的恒星年龄与计算出的宇宙年龄是吻合的。与此类似，微观世界与宏观世界在这一点上也是吻合的。这发出了一个强烈的信号：物理学家对宇宙起源、演化问题的研究已步人正轨。

cc)     
目前，地球上的任何加速器都难以进行试验来检验各种作用力和粒子的性质。从这个意义上来说，本世纪末，粒子物理学已成为宇宙学的一部分了。该理论是关于能量和温度的极端条件的。在宇宙演化史上，这种条件只出现过一次。那就是宇宙诞生的那一刹那间――即从密度极大、温室极高的“种子”出现到宇宙万物的密度与原子核相同的那万分之一秒的时间。初期的宇宙好比一个实验室。只有在那种极端条件下，我们才能通过观察那些物理过程是如何作用于宇宙并使其演化的、通过比较理论与现实来验证我们的粒子理论。

dd)    
由于完整的关于引力的量子理论尚未形成，故引力在我们的宇宙图景中仍是一个谜。此外，宇宙的起点―也即时间的起点――也是一个谜。有一种量子计时法，其时间单位是世界上最小的，这就是普朗克时间，它是以量子学研究的另一位先驱，麦克斯・普朗克命名的。普朗克时间的单位出奇地小―一只有10-3秒，用十进制写出来是小数点后接有和42个“0”和1个“1”。目前我们所能说清楚的是：宇宙出现（你也可以说是“诞生”）之前，在其前身――就是那粒原始的“种子”――内部，引力已能独立作用了，其年龄却只有10-9秒，其球径只有10-33厘米（这一距离也被称为

ee)    
普朗克长度）。如此看来，当初引力为什么没把“种子”挤破呢？

ff)       
粒子物理学家把这归因于自然界中其他力的作用。其一是我们日常生活中很熟悉的电磁力；其他两个力通常只作用于原子核，它们是强、弱核力。前者使原子核聚集不散，后者负责放射现象根据统一场论，在宇宙诞生之初，这三三种力在力量上势均力敌，在行动上步调一致，且都是远距离作用力。待宇宙冷却之后，这一均衡被破坏了，这三种力发生分化，形成了其各自不同的性质。这一过程被称作“相移”，它与液体冷凝成固体（如水凝成冰）的过程是类似的。

gg)    
在水蒸气凝结成水或水冷凝成冰的过程中，因为后一种状态比前一种状态储存的能量少，故都有能量以潜热的形式放出。与之类似，在宇宙诞生初期，“相移”导致能量释放，它给种子以极大的外推力，从而扮演着反引力的角色，并使宇宙在极短的时间内迅速膨胀。

hh)    
宇宙膨胀的最大特点是它呈指数增长。也就是说：在膨胀过程中，每过1个单位时间，其体积在原有基础上胀大1倍。这就像在童话中，你穿着1步7里格（旧时长度单位，1里格约为5000米）的靴在走路。第1步跨了1米，第2步2米，第3步4米，依此类推。以这一速度，第10步跨了不止1000米，第100步则不止100千米，这比10”光年的距离还要长。这样发展下去，连宇宙也难以控制自己的膨胀了。

ii)        
有人预测，宇宙初期体积每膨大一次需要10-4秒（还有的人预测的速度更快），但字宙膨胀的过程总共才持续了10-2秒。听起来好像一眨眼的工夫就结束了，事实却的确如此。在此其间字宙体积已翻了100番，这就是说短短的约10-2秒过后，宇宙的体积已是原来的2100倍。打个粗略的比方，原先你有一个只有质子10~0大的果核，结果呢，你得到一个球径为10厘米的果子。10-32秒过后，膨胀过程便戛然而止，接下来靠惯性宇宙还能稍稍膨大。

jj)        
这正如上升过程中的火箭因燃料耗尽而靠惯性上升，终会因重力的牵引而完全停顿下来。但对字宙来说，因其膨胀得太快，以致引力要花几亿年的时间才能扼制住其膨胀的势头。今天宇宙所作的几乎是线性膨胀。这就像你平素走路，你所走的每一步距离大致相等（实际上，因引力不断阻止宇宙膨胀，故后一步比前–一步要略小一些）。综上所述，这就是许多物理学家设想的宇宙膨胀，也即大爆炸过程。尽管看起来有些像天方夜谭，它却是学者们对宇宙初期状况的基本共识，同时也是当今大多数宇宙学研究的基础。

kk)     
我们也应认识到，它们留有不少疑问有待后人去解决。