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哈姆雷特也许是想说,虽然我们人类的身体受到许多限制,但是我们的精神却能自由地探索整个宇宙,甚至勇敢地闯入连“星际航行”都畏缩不前之处。
我们有限的思维何以理解无限的宇宙?甚至仅仅有这种企图是否就已经过于自信?我们是否冒着普罗米修斯命运的风险?在经典的神话中,他为了人类用火从宙斯处盗取火种,因为愚勇而受惩罚,他被链锁在岩石上,让鹰啄食他的肝脏。
每个星系都包含难以计数的亿万个恒星,其中许多恒星还被行星环绕。我们生活在围绕着一个恒星公转的行星之上,而这个恒星位于螺旋形银河系的外臂上,螺旋臂上的尘埃遮住了我们在银河系平面上的宇宙视野,但是我们在该平面的每一边的方向圆锥中的视线都非常清晰,而且能够画出遥远星系的位置。
我们发现星系大体均匀地分布于整个太空,有一些局部的聚集和空洞。星系密度在非常大的距离外显得有些下降,但这也许是因为它们如此遥远而黯淡,以至于我们看不见。尽我们所知,宇宙在空间中永远延伸出去。
我们观察宇宙的深处,我们看到亿万个星系。星系可具有不同形状和尺度,它们要么是椭圆状的,要么是螺旋状的,就像我们自身的银河系那样。
我们的行星地球围绕着位于螺旋的银河系外部区域的太阳公转。
如果恒星已经辐射了无限长的时间,那么它们就会把宇宙加热到和它们相同的温度。因为每一道视线都会要么终结于恒星的表面,要么终结于被加热至和恒星一样炽热的尘埃云团之上,所以甚至在夜晚,整个天空都会和太阳一样明亮。
如果恒星仅仅是永久地待在这里,为何它们在几十亿年前忽然点亮呢?是什么钟通知它们发亮的瞬间呢?正如我们看到过的,这个问题使那些哲学家陷入迷思。
它们之所以显得这么微小和黯淡,其距离一定非常遥远,甚至连光线都要花费几百万年甚至几十亿年才能到达我们这里。这表明,宇宙的起始不可能发生在区区几千年以前。
天文学家们已经通晓,从分析来自其他星系的光线,可以测量它们是趋近还是远离我们运动。
几乎所有的星系都运动离去。此外,它们距我们越远,则离开运动得越快。正是哈勃认识到这个发现的戏剧性含义:在大尺度上,每一个星系都从其余每个星系运动离去。
宇宙膨胀的发现是20世纪的伟大的智力革命之一。它完全出乎意外,而且彻底改变了有关宇宙起源的讨论。如果星系正在相互运动离开,则它们在过去必然更加接近。我们从现在的膨胀率,可以估计它们在100亿~150亿年前必须非常接近
罗杰·彭罗斯和我能够证明,爱因斯坦的广义相对论意味着,宇宙和时间本身有过在一个可怕的爆炸中的开端。这就解释了夜空为何黑暗:恒星发光的时间不可能比100亿~150亿年,也就是从大爆炸迄今的时间更久。
如果广义相对论是正确的,那么宇宙就在具有无限温度和密度的大爆炸奇点起始。随着宇宙的膨胀,辐射的温度降低。大约在大爆炸后的百分之一秒,温度为1000亿度,宇宙大多数成分为光子、电子和中微子(极轻的粒子),和它们的反粒子,还有某些质子和中子。在以后的3分钟,当宇宙冷却至大约10亿度,质子和中子开始结合形成氦、氢和其他轻元素的核。
几十万年以后,当温度降低至几千度,电子就缓慢到这种程度,轻核能够将它们捕获而形成原子。然而,构造我们的诸如碳和氧之类的更重元素,直到10亿年后才在恒星的中心燃烧氦而形成。
爱因斯坦的广义相对论在这一点失效,所以不能被用来预言宇宙是如何起始的。人们面临的局面似乎是,宇宙起源的问题属于科学范畴之外。
广义相对论在大爆炸邻近失效的原因是,它没有和不确定性原理相合并。爱因斯坦基于上帝不掷骰子的论断反对量子理论中的这个随机元素。
当宇宙尺度非常微小时,正如它在邻近大爆炸的时刻,投掷骰子的次数很少,而不确定性原理则非常重要。
他喜欢解开最高机密保险柜的密码。他因活跃的性格和恶作剧而著称,而且作为一名罕见的物理学家,他成为原子弹理论的一名关键的贡献者。
允许巨大数量的可能的宇宙历史。这些历史中的大多数不适合智慧生命的发展;它们要么是空虚的,要么太短命,要么太过弯曲,或者在其他某些方面出差错。而根据理查德·费恩曼的多重历史观念,这些不可居住的历史可有相当高的概率。
宇宙必须足够古老,使某些恒星已经完成它们的演化以产生像氧和碳那样的元素,我们就是由它们构成的,而宇宙也必须足够年轻,使得某些恒星仍然在提供能量以维持生命。
如果宇宙密度低于临界值,则引力太弱,不足以阻止星系永远相互飞离。所有恒星都燃烧殆尽,而宇宙将变得越来越空虚,越来越寒冷。久远的寒冷的沉寂,万物消失,最后的恒星耗尽燃料而熄灭。
他们渴望理解世界的根本秩序。今天我们仍然亟想知道,我们为何在此?我们从何而来?人类求知的最深切的意愿足以为我们从事的不断探索提供充足的理由。
你最终必须将这些部分理论合并成一个能描述宇宙中万物的完整统一理论。然而,在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的矛盾。广义相对论描述引力和宇宙的大尺度结构。量子力学处理极小尺度。寻求一个能将其合并在一起的新理论——量子引力论。广义相对论和量子力学来描述宇宙。
他们将初始状态的问题看做玄学或宗教的事体。他们会说,无所不能的上帝可以随心所欲地启始宇宙。那也许是真的,但是,倘若那样,他也可以使宇宙以完全任意的方式演化,可是,似乎他选择使宇宙以一种非常规则的,按照一定规律的方式演化。所以,看来可以同样合理地假定,也存在着制约初始状态的定律。
设计出的新理论实际上是原先理论的一个扩展。例如,非常精确地观测水星,发现它的运动和牛顿引力理论预言之间有一个微小的差异。爱因斯坦的广义相对论预言了和牛顿理论略微不同的运动。爱因斯坦的预言和观测到的相符合,而牛顿理论做不到,这个事实是对这个新理论的一个关键的证实。然而在我们正常处理的情形下,牛顿理论和广义相对论的预言之间差异非常小,所以为了所有实用的目的,我们仍然使用牛顿理论。(牛顿理论还有一个巨大的优点,用它计算比用爱因斯坦理论简单多了!)
每回观察到与这预言相符的新的实验,则这理论就存活,并且增加了我们对它的信任度;然而若有一个新的观测与之不符,则我们只得抛弃或修正这理论。
哈勃作出了一个里程碑式的观测,即不管你往哪个方向观测,远处的星系都正急速地飞离我们而去。换言之,宇宙正在膨胀。哈勃的观测暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙的尺度无限小,而且无限紧密。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。
一点是圣·奥古斯丁首先指出的。当他被问及:“上帝在他创造宇宙之前做什么?”奥古斯丁并没有这样回答:“他正为诘问这类问题的人准备地狱。”
哲学家康德发表了里程碑般的(也是非常晦涩难懂的)著作《纯粹理性批判》。在这本书中,他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、在空间上是否有限的问题。他称这些问题为纯粹理性的二律背反(也就是矛盾)。因为他感到存在同样令人信服的论据,来证明宇宙有开端的正命题,以及宇宙已经存在无限久的反命题。