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[转帖]有关大爆炸理论的庞大论题

有关大爆炸理论的庞大论题

——宇宙学家们对宇宙起源及其结构的那种自信解释经不住推敲
　　抬头看一看布满了恒星和行星的夜空，这一切都从何而来？如今多数科学家会用某种大爆炸理论的观点来解释：你会听到最初，宇宙中所有物质都集中在超高温的一点上，经极大的力开始向外爆炸。从这团不断扩展的极高温的亚原子粒子云，逐步形成了原子、恒星、行星，最后是生命。这种陈词滥调已被当作启示真理。在无数的教科书、平装本、通俗科学杂志或由计算机制作画面效果电视专题节目中，都讲述著这则最初起源的故事，并总使人感到有点《创世纪》的味道
　　这作为一则激动人心而又引人入胜的故事委实不错。同时，大爆炸理论确实看上去象是建立在事实观测和科学方法的基础之上的，因而许多人认为它比宗教关于起源的解释更为合理。其实，这个大爆炸宇宙学理论只不过是从机械论的观点出发解释宇宙的一系列尝试中最新的一个罢了。机械论是指把宇宙和人看作仅仅是物质定律下的物质活动的产物。
　　在传统意识上，科学家们都拒绝宇宙起源的超自然解释，特别是那些涉及到存在创造宇宙的至上者的解释。他们说这些与他们的科学方法相抵触。从机械的世界观看，假设有上帝的话，他也只不过是给宇宙上发条的一个微不足道的仆人角色。然后他就不能再加选择，只能让世界按照物理定律运行下去。这事实上是认为物理定律比上帝更重要。或者上帝只是成为无形的宇宙能量。在大爆炸理论家们勾勒的宇宙中，没给一个人格化的上帝，一个至上的设计者和控制者留下什么位置。薛定鄂（Schrodinger .E奥地利理论物理学家，诺贝尔奖得主，发现了量子力学基本方程）在《思想与物质》一书中说："一个只有剔除一切人格化因素才能得到的宇宙模型不会为人格化的上帝所造。由此我们可知，科学家们并不是从经验事实出发否定了上帝得存在，或限定了上帝的作用，而是他们采取的方法一开始就排除了上帝。"
　　科学家们试图用纯物理理论来解释宇宙起源。这有赖于三个假设：（1）用数学语言表达的自然定律最终可以解释一切现象；（2）这些定律适用于一切地点，一切时间；（3）基本的自然定律是简单的。
　　许多人认为这些假设是不言而喻的，但它们并没有被证明是事实——要简单地证明它们，同样也是不可能。它们只是我们探究事实真相的一种方法的一部分。面对着宇宙的复杂现象，科学家们决定采取简化论的方法。他们说："让我们来把每样事物都简化为测量数据，并用简单普遍的物理定律来解释。"但是没有任何逻辑上的理由可以预先就把其它理解宇宙的方法给排除了。而其它方法中很可能牵涉到不可简化宇宙复杂性的定律。许多科学家将他们把握宇宙的方法和宇宙的真正本性混为一谈。事先就排除了其他的任何方法。他们坚持认为宇宙完全可以用简洁的数学定律来描述。莱德曼（Lederman.L美国费米国家加速器实验实主任）说："我们希望能用一条可印在T-恤衫上的简单公式来解释整个宇宙。"
　　有些理由可说明科学家们为什么感到只能采用简化论的方法。如果宇宙的本质是可以用简单的数量定律来描述的话，那么尽管人类的头脑很有局限性，他们还是有可能把握宇宙并来操纵它的。所以他们假定宇宙可以这样来描述，并发明了无数理论。但如果宇宙是无限复杂的，那么用我们人类有限的思维和感觉能力来理解它就是很困难的。比方说，要用一个公式来描写一个有一百万个数的集合。如果它的构成很简单，大概还可以，但如果它的构成极其复杂，就根本无从猜测公式会是什么。同样，对于根本不能用数学描述的宇宙物性，科学家的办法注定会失败。
　　因此毫不奇怪绝大多数科学家紧紧地抓住现在的方法而排斥所有其它方法。这就好比一个人在暗处丢了车钥匙后跑到路灯底下去找，因为那光线更好。
　　而且，科学家坚信依据地球上的实验所发现的物理定律可适用于一切时空，这也是很成问题的。例如，仅仅在实验室里观察到电场的某种变化规律并不能保证适应于遥远的地方或亿万年以前电场。但这个假设对科学家试图解释宇宙起源或遥远的类星体等问题是至关重要的。毕竟我们不能回到宇宙亿万年前的起点；而且我们对太阳系以外的一切事物实际上也没有任何第一手资料。
　　甚至一些著名的科学家也承认以我们有限的知识来推断整个宇宙是有风险的。鲍丁（Boulding.K.E）在1980年对美国科学发展协会作的主席致词中说："宇宙学┅可能会很不可*，因为它是*一个很小的、有偏差的样本来研究巨大的宇宙。我们只是仔细观察过其整个时间跨度中极小的一部分；我们也只熟悉其整个空间跨度中更小的一部分。"但问题不仅是宇宙学家的推测不可*──下面将要提到，他们试图从可观测特征出发用简单数学模型来把握宇宙的尝试似乎有着诸多根本性的困难。

可怕的单子

　　大爆炸理论家所面临的巨大困难之一是，虽然他们试图解释"宇宙的起源"，但他们所假设的起源是无法用数学描述的。根据标准的大爆炸学说，宇宙最初的状态是无限稠密，无限高温，无限小的一点。这样的初始状态在数学上不可描述。对此无可非议，所有的计算变成了一团糟。正像用零去除一个数会得几？1？┅5？┅5,000,000？没有回答。这种现象的专门术语是"单子"。
　　洛弗尔（Sir Lovell.B 曼彻斯特大学射电天文学教授）谈到单子："在用物理学描述时间的起点时我们遇到了一个障碍。这对于科学地描述宇宙初始状态是否构成根本障碍以及关于最初单一存在物的概念上的困难，这些问题在现代思想中有着突出的重要性。"
　　至今，大爆炸的积极鼓吹者们也无法逾越这个障碍。诺贝尔奖得者温伯格（Weinberg.S）曾悲哀地写道："不幸的是，我无法从时间零点和无限高温开始放映这部片子（他对大爆炸的精彩描述）。"由此可知，大爆炸根本没有描述宇宙的起源，因为最初的单子从定义上就是不可描述的。
　　毫不夸张地说，爆炸理论在起点处就陷入了困境。虽然在通俗介绍时可以忽略这个困难，但它对于科学家们在专业性叙述其实际的数学含义的是一块巨大的绊脚石。霍金（Hawking.S 剑桥大学数学教授）和埃利斯（G.F.R.Ellis开普敦大学数学教授）在他们的权威著作《时空的大尺度结构》中指出："一个物理理论若预言了单子，就表明这个理论已崩溃了——这似乎是个不错的标准"他们还指出："目前的结果表明宇宙开始于一个有限的时间以前。但开始的那一刹那，即单子，是超出一切已知物理定律之外的。"
　　用一个物理上不可指述的东西来解释宇宙起源，这自然是很成问题的。还有更大的困难：单子来自何处？科学家总是嘲弄宗教家："上帝来自何处？"现在他们遇到了同样的问题。正如宗教家回答说上帝是一切原因的无缘之因，科学家所面临的局面也是宣扬一个无限密、无限小的数学上不可描述的点，存在于一切时空概念之前，作为一切原因的无缘之因。这样，不幸的科学家同样犯了他通常用来指责信徒和神秘家的不可饶恕的智力罪恶——即作物理上无法验证的超自然断言。若他确想了解一点自然的起源，他现在最好考虑一下是否有可能接受某些超越物理学之上的探究和实验方法。

尝试性解决办法

　　为了摆脱这个不尽人意的方面，理论家们提出了许多大爆炸理论的变种来回避单子的问题。一种方法是假设宇宙并不从一个完美的单子开始。洛弗尔指出，"人们常认为大爆炸理论中的单子是由宇宙一致性假说而产生的数学难题。"标准的大爆炸宇宙模型有极好的数学对称性，一些物理学家认为这就是以数学方程解析大爆炸初时零点时会出现单子的原因。为了修正这个理论，有人就在模型中引入了和观测到的宇宙类似的不规则性，希望这能使起始状态有足够的不规则性而不至于一切都缩至一个点。不幸这种希望也破灭了。霍金和埃利斯指出，根据他们计算，在已观测到的范围内，物质分布具有不均匀性的大爆炸理论在起点处仍会有单子。

起源的问题

　　对于宇宙初始状态的起源这一问题，不管这种起源确是什么情形，单子的问题只是其中一部分。牵涉到单子的宇宙模型当然有着严重的理论困难，但即使在模型中以某种方式回避了单子，我们仍然面临宇宙来自何处的问题。为了回避整个关于起源的问题，一些科学家提出了所谓的"无限脉动宇宙模型"。即宇宙不断膨胀，收缩至单子，再膨胀，再收缩至单子，永远进行下去。这里无始无终，只是一个无限的循环，没有什么起源，物质世界一直存在著。这样就解决了宇宙起源的问题。
　　但这个模型有一些严重的问题。首先，没人能提出一种令人满意的"脉动"力学机制。而且，物理学家温伯格（Steven Weinberg）在《最初的三分种》里指出，随著每一次连续脉动，宇宙必产生了某种递进的变化。这意味必需有个起点，而不是可以无限回归。这样一来我们还是得面对起源的问题。
　　回避必要的起源问题的另一种独创性的尝试是英国天文学家戴维斯（Davies.P）提出的时间逆转脉动宇宙模型。随著时间向前流逝，宇宙不断膨胀，然后坍缩至一个单子。在下一个脉动中，时间倒流，宇宙再次膨胀，然后又缩成单子，和上一个向前的循环中起点处的单子是同一个。这个模型中，过去成了未来，未来成了过去，从而使"在开始处"这个陈述毫无意义。通过这个剧本，我们也能对宇宙学家们被起源问题所逼而构想的大量异想天开的景象略窥一斑了。

膨胀的宇宙

　　撇开宇宙初始状态的起源不谈，当代宇宙学家还面临著其它的问题。为了能使标准大爆炸理论预测出在宇宙中我们已观察到的物质分布，必须对初始状态微调到难以置信的程度。这就产生了一个问题：初始状态为什么会是那样？麻省理工学院的物理学家古斯（Guth.A.H）提出一种可自动产生所需的微调的大爆炸模型理论，而不需将这种微调人为地引入方程。这种所谓"膨胀模型"假设在宇宙内快速扩展的超高温区域中，一小部分冷却下来，然后开始更加猛烈地膨胀，正如超冷却的水在结冰时快速膨胀一样。正是这个快速膨胀的阶段解决了标准大爆炸理论固有的一些问题。
　　但古斯的观点有它自己的一些困难。古斯必须对自己的方程进行微调以便产生他的"膨胀的宇宙"。这样他就面临著他的理论打算去克服的问题。他希望能解释大爆炸中所需的微调，但他自己的理论需要无法解释的调节。古斯和他的同事斯坦哈德（Steinhardt.P.J）承认在他们的模型中"只有当参数在一个小范围内取值时才能做出合理的预测。多数理论学家（包括我们俩）认为这种微调是不能令人信服的" 他们接著表示希望能用未来的数学理论对其模型作出合理的解释。
　　对尚不可知的未来进展的依赖性暴露了古斯的模型的另一个困难。作为膨胀宇宙理论基石的大统一理论完全是假设："从人们控制下的实验中很少得到支持，因为其中大多数涵义在实验室是中无法测量。" （大统一理论是试图将宇宙某些基本力联系起来的纯理论猜想。）
　　古斯理论的另一个是它甚至不尝试去解释超高温扩展的条件的来源，而这对他的"膨胀"的产生是至关重要的。古斯粗略考虑了三种假设。第一种是标准大爆炸，古斯认为膨胀阶段发生在它的早期。但这个模型又把我们引到了上面讨论过的棘手的单子问题。第二种是假设最初一片混沌，有的区域热，有的冷，有的扩展，有的收缩。在过热扩展的地方就开始了膨胀。但古斯承认没有什么理由解释这一想象出来的最初的混沌状态。
　　古斯本人喜欢第三种假设，即过热扩展区域是由量子机制从虚无中产生出来的。在1984年《科学美国为人》的一篇文章中，古斯和斯坦哈德写道："膨胀模型提供了宇宙从一无限小区域发展而来的一种可能机制。我们很想再进一步，即假定'宇宙产生于绝对的无 '"。
　　对于那些极力反对认为至尊智慧设立宇宙的科学家，这个主意很有吸引力，可惜它经不住推敲。古斯所说的"无"是一种假定的量子机械真空状态，这种状态出现在结合量子力学和广义相对论的尚未最终成形的大统一理论中。换句话说，这种真空状态目前甚至在理论上都无法描述。
　　不过，物理学家已描述过一种较简单的量子真空状态，视之为包含有无限大量的近乎不存在的原子颗粒"隐粒"。这些亚原粒子中不时会由真空中"蹦"出而成为物质真实，这种现象称为真空涨落。涨落现象不能直接被观察到，但建立在其上的理论已被实验所证实。理论上所发生的事是，一个粒子和一个反粒子自发地从真空中产生并几乎于同时相互抵消而化为乌有。古斯与其同事所猜想的并非仅仅一个微小的粒子，而是整个宇宙由真空中"蹦"出。而且，宇宙已持续亿万年的时间而不象粒子那样立刻消失。他们还假设宇宙刚产生出来就处于单子以后的阶段，这样就避免了单子的困难。
　　这种脚本有两个主要的缺点。首先，从我们对实验室中亚原子粒子的有限经验一下子到了整个宇宙，这样巨大的推测跨度是很惊人的。霍金和埃利斯明智地警告他们那些毫不犹豫地投入这种疯狂推测的同事们："假设实验室中确定的物理定律能适用于条件完全不同的时空，这里的外推法显然走了很远。"其次，把量子真空称为"绝对的无"是很错误的。要描述量子真空，即使是现有理论中较简单的量子真空，也需要整章整章的极其深奥的数学。这样一种存在当然是"某种东西"，这又引起了一个有趣的问题：这么复杂的"真空"怎么来的？
　　现在让我们回头看看最初古斯试图用他的膨胀理论解决的问题：试图去掉为了导出现有宇宙而必需的初始状态的微调。我们已看到，他并未成功。但另一个问题是：有没有任何一种版本的大爆炸理论的观点，包括古斯的，确实预测出了现有宇宙？古斯所能从他的复杂的初始状态中导出的只是一个大约四英寸跨度的宇宙，内部除了均匀超密过热的气体外没有别的东西。这宇宙能继续扩展、冷却，但没有任何理由可以假设除了一团均匀分布的气体云外，还能发展出什么。事实上，所有大爆炸理论所能提供给你的也就是这些。如果说，古斯的理论仅为了得到一个充满均匀分布气体的宇宙就得做这么多令人难以信服的修补工作，那我们就可以想象要导出我们现在所知的宇宙还需要什么。一个好的科学解释能从简单的理论框架中演绎许多复杂现象，可是在古斯的膨胀宇宙模型中——实际上在所有标准大爆炸理论中——情形恰好相反：从极其纷繁复杂的方程式中，我们只得到了一个扩展的均匀气体球。尽管如此，科学杂志还是连篇累牍地刊登大量膨胀模型的文章，并配有高科技方法获得的图书资料使读者以为古斯已到达了最终目的，即解释了宇宙的起源。事情似乎并不是这样。也许科学杂志上最好开辟专栏以刊登每个月的宇宙起源理论。
　　我们可以想象一下要产生现在这个有着丰富的结构和有机体的宇宙所需初始条件的复杂性。宇宙中的一切安排得如此精确以至很难认为它可仅由物理定律加以解释。思考的结果倾向于认为存在设计者。可一些著名的理论家根本就不能考虑一下这种观点。在这点上他们求助于他们所称的"人类原则"。
　　理论家们认为量子真空不断产生无数的宇宙。绝大多数宇宙的构成无法产生生命。这些宇宙里就不存在能够研究它们的观察者。但另一些宇宙，包括我们所在的这个，其构成能够产生观察者，因此这些观察者发现他们的宇宙有着如此令人震惊的精确条件以产生生命，这就不足为怪了。按照这种推理，观察者就是应期望会发现如此复杂的条件。事实上，"人类原则"是用人类的存在未来解释宇宙为什么会如此构成以至产生人类。这种逻辑上的把戏当然不能算是什么解释。
　　科学家们玩弄的另一种文字游戏是说宇宙产生于偶然必须指出这根本也不是一种解释。说某件事由于机遇发生了一次实质上等于只是说了"它生了"或"它存在着"。这种陈述不是科学解释，因为最终你不比开始时知道得更多。换句话说，无论是通过机遇或是人类原则，科学家都没有对宇宙起源作任何解释。
　　现在我们说科学家选定的方法不足以完成这个任务，他们应当不会见怪了。除了以上讨论过的问题，宇宙学家们赖以研究宇宙发展的两大智力工具——广义相对论和量子力学，似乎有着一定的缺陷。这两个理论在描述某些物理现象上确实很成功，但这并不证明他们在各方面都完美。广义相对论描述弯曲的时空。它是所有流行的宇宙起源理论的不可或缺的一部分。包括大爆炸和古斯的膨胀模型。若广义相对论需要修改的话，那任何建立在其基础上的理论也必须修改。
　　爱因斯坦的广义相对论和他早期的狭义相对论的主要困难是它们排除了我们通常理解的时间概念。在牛顿力学中，时间被看作一个独立于空间的变量。这样就可以如下地描述在时空中运动物体的轨迹：在每一特定时间点，确定物体在空间中的特定位置。当时间变化时，其空间位置也发生变化。
　　但在爱因斯坦的相对论中，这种概念消失了。时间和空间被编织成一个四维空间连续绕。我们不再把一个事物描述成在每个特定时间占据特定的空间位置。对一个物体的相对论的描述将展现其整体的时空存在，从产生到结束。例如，一个人被描述成从胎儿到尸体的整个过程。这被称为"时空蠕虫"。物理学家不让这个蠕虫说："现在我是个成人。以前我是个孩子。"没有时间的流逝，整个序列作为一个整体存在。如果我们是时空蠕虫，那我们就只是物质复合体，而不是有知觉的人物。这种人类定义使我们个人对过去、现在、未来的感知都显得无效，并认为这种感知是不真实的。
　　爱因斯坦在给贝索（Besso.M.）的信中写道："你必须接受一个观念：强调'现在'的主观时间没有客观意义。"贝索死后，爱因斯坦写信安慰他的妻子："贝索领先我一步离开了这个奇怪的世界，但这并不重要。我们这些物理学家深信，关于过去、现在、将来的分别，虽然很固执，却不过只是一种幻觉。"这实际上是否定了知觉，而知觉需要体验当前时刻的真实性。我们体验到在每个特定的时间我们拥有特定的身体形态。尽管相对论把一系列事件改论为单一的整体时空存在，我们确实可以依次体验到一系列不同的时间。以上说明了建立在相对论上的宇宙起源理论无法解释我们对时间的知觉，从而是不完整的和不可接受的。