咱們的宇宙圖象

一位著名的科學家（聽說是貝特郎·羅素）曾經做過一次關於天文學方面的講演。他描述了地球如何繞着太陽運動，以及太陽又是如何繞着咱們稱之爲星系的巨大的恆星羣的中心轉動。演講結束之時，一位坐在房間後排的矮個老婦人站起來講道：「你說的這些都是廢話。這個世界其實是馱在一隻大烏龜的背上的一塊平板。」這位科學家頗有教養地微笑着答道：「那麼這隻烏龜是站在什麼上面的呢？」「你很聰明，年輕人，的確很聰明，」老婦人說，「不過，這是一隻馱着一隻一直馱下去的烏龜羣啊！」

    大部分人會以爲，把咱們的宇宙喻爲一個無限的烏龜塔至關荒謬，但是爲何咱們自覺得知道得更多一些呢？咱們對宇宙瞭解了多少？而咱們又是怎樣才知道的呢？宇宙從何而來，又將向何處去？宇宙有開端嗎？若是有的話，在這開端以前發生了什麼？時間的本質是什麼？它會有一個終結嗎？在物理學上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技術得以實現，從而對於回答這些長期以來懸而未決問題中的某些問題有所啓發。也許有一天這些答案會像咱們認爲地球繞着太陽運動那樣顯而易見——固然也可能像烏龜塔那般荒唐好笑。無論怎樣，惟有讓時間來判斷了。

    早在公元前340年， 希臘哲學家亞里士多德在他的《論天》一書中，就已經可以對於地球是一個圓球而不是一塊平板這一論點提出兩個很好的論據。第一，他認爲月食是因爲地球運行到太陽與月亮之間而形成的。地球在月亮上的影子老是圓的，這隻有在地球自己爲球形的前提下才成立。若是地球是一塊平坦的圓盤，除非月食老是發生在太陽正好位於這個圓盤中心之下的時候，不然地球的影子就會被拉長而成爲橢圓。第二，希臘人從旅行中知道，在越往南的地區看星空，北極星則顯得越靠近地平線。（由於北極星位於北極的正上方，因此它出如今處於北極的觀察者的頭頂上，而對於赤道上的觀察者，北極星顯得恰好在地平線上。）根據北極星在埃及和在希臘呈現出來的位置的差異， 亞里士多德甚至估計地球大圓長度爲4000000斯特迪亞。 如今不能準確地知道，一個斯特迪亞的長度到底是多少，但也許是200碼左右，這樣就使得亞里士多德的估計爲如今所接受數值的兩倍。希臘人甚至爲地球是球形提供了第三個論據，不然何以從地平線外駛來的船老是先露出船帆，而後纔是船身？

    亞里士多德認爲地球是不動的，太陽、月亮、行星和恆星都以圓周爲軌道圍繞着它轉動。他相信這些，是因爲神祕的緣由，他感到地球是宇宙的中心，並且圓周運動最爲完美。在公元后兩世紀，這個思想被托勒密精製成一個完整的宇宙學模型。地球處於正中心，包圍着它的是八個天球，這八個天球分別負載着月亮、太陽、恆星和五個當時已知的行星： 水星、金星、火星、木星和土星（圖1.1）。這些行星被認爲是沿着附在相應天球上的更小的圓周運動，以說明它們在天空中被觀察到的至關複雜的軌跡。最外層的天球被鑲上固定的恆星，它們老是停在不變的相對位置，可是整體繞着天空旋轉。最後一層天球以外爲什麼物一直不清楚，但有一點是確定的，它不是人類所能觀測到的宇宙的部分。

    圖1.1  從最裏面往最外面順序爲月亮球、 水星球、金星球、太陽球、火星球、木星球、土星球和固定恆星球。最中心爲地球。

    托勒密模型爲預言天體在天空的位置提供了至關精密的系統。但爲了正確地預言這些位置，托勒密必須假定月亮軌道有時離地球比其餘時候要近一倍，這意味着月亮有時看起來要比其餘時候大一倍。托勒密認可這個瑕疵，儘管如此，他的模型雖然不是廣泛地、倒是普遍地被接受。它被基督教接納爲與《聖經》相一致的宇宙圖象。這是由於它具備巨大的優勢，即在固定恆星天球以外爲天堂和地獄留下了不少地方。

    然而，1514年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一個更簡單的模型。（起初，可能因爲懼怕教會對異端的迫害，哥白尼只能將他的模型匿名地流傳。）他的觀念是，太陽是靜止地位於中心，而地球和其餘行星繞着太陽做圓周運動。將近一個世紀之後，他的觀念才被認真地接受。後來，兩位天文學家——德國的約翰斯·開普勒和意大利的伽利雷·伽利略開始公開支持哥白尼的理論，儘管它所預言的軌道還不能徹底與觀測相符合。直到1609年，亞里士多德——托勒密的理論才宣告死亡。那一年，伽利略用剛發明的望遠鏡來觀測夜空。當他觀測木星時，發現有幾個小衛星或月亮繞着它轉動。這代表不象亞里士多德和托勒密所設想的，並非全部的東西都必須直接圍繞着地球轉。（固然，仍然可能相信地球是靜止地處於宇宙的中心，而木星的衛星沿着一種極其複雜的軌道繞地球運動，表觀上看來它們是繞着木星轉動。然而哥白尼理論是簡單得多了。）同時，開普勒修正了哥白尼理論，認爲行星不是沿圓周而是沿橢圓（橢圓是被拉長的圓）運動，從而使預言最終和觀察相互一致了。

    就開普勒而言，橢圓軌道僅僅是想固然的，而且是至關討厭的假設，由於橢圓明顯地不如圓那麼完美。雖然他幾乎是偶然地發現橢圓軌道能很好地和觀測相符合，但卻不能把它和他的行星繞太陽運動是因爲磁力引發的另外一思想相互調和起來。對這一切提供解釋是晚得多的事，那是因爲1687年伊薩克·牛頓爵士出版了他的《數學的天然哲學原理》，這部也許是有史以來物理科學上最重要的單獨的著做。在這本書中，牛頓不但提出物體如何在空間和時間中運動的理論，而且發展了爲分析這些運動所需的複雜的數學。此外，牛頓提出了萬有引力定律，根據這定律，宇宙中的任一物體都被另外物體所吸引，物體質量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。這也就是使物體落到地面上的力。（因爲一個蘋果落到牛頓的頭上而使他獲得靈感的故事，幾乎確定是不足憑信的。全部牛頓本身說過的只是，當他陷入沉思之時，一顆蘋果的落下使他獲得了萬有引力的思想。）牛頓繼而指出，根據他的定律，引力使月亮沿着橢圓軌道繞着地球運行，而地球和其餘行星沿着橢圓軌道繞着太陽公轉。

    哥白尼的模型擺脫了托勒密的天球，以及與其相關的宇宙存在着天然邊界的觀念。「固定恆星」除了因爲地球繞着自身的軸自轉引發的穿越天空的轉動外，不改變它們的位置，很天然會令人設想到固定恆星是和咱們的太陽相似的物體，只是比太陽離開咱們遠得多了。

    按照他的引力理論，牛頓意識到恆星應該相互吸引，看來它們不能保持基本上不動。那麼它們會一塊兒落到某處去嗎？在1691年寫給當時另外一位最重要的思想家裏查德·本特里的一封信中，他論證道，若是隻有有限顆恆星分佈在一個有限的空間區域裏，這確實是會發生的。可是另外一方面，他推斷若是存在無限多顆恆星，多少均勻地分佈於無限的空間，這種情形就不會發生，由於這時不存在任何一個它們落去的中心點。

    當人們議論到無窮時，這種論證是你會遭遇到的一種陷阱。在一個無限的宇宙，每一點均可以認爲是中心，由於在它的每一邊都有無限顆恆星。正確的方法是好久之後才被意識到的，便是先考慮有限的情形，這時全部恆星都相互落到一塊兒，而後在這個區域之外，大致均勻地加上更多的恆星，看狀況會如何改變。按照牛頓定律，這額外的恆星平均地講對原先的那些根本沒有什麼影響，因此這些恆星仍是一樣快地落到一塊兒。咱們願意加上多少恆星就能夠加上多少，可是它們仍然老是坍縮在一塊兒。如今咱們知道，因爲引力老是吸引的，不可能存在一個無限的靜態的宇宙模型。

    在20世紀以前從未有人暗示過，宇宙是在膨脹或是在收縮，這有趣地反映了當時的思惟風氣。通常認爲，宇宙或是以一種不變的狀態已存在了無限長的時間，或以多多少少正如咱們今天所看的樣子被創生於有限久的過去。其部分的緣由多是，人們傾向於相信永恆的真理，也因爲雖然人會生老病死，但宇宙必須是不朽的、不變的這種觀念才能給人以安慰。

    甚至那些意識到牛頓的引力理論致使宇宙不可能靜止的人，也沒有想到提出宇宙多是在膨脹。相反的，他們試圖修正理論，使引力在很是大距離時成爲斥力。這不會對行星運動的預言有重大的影響，然而卻容許無限顆恆星的分佈保持平衡——鄰近恆星之間的吸引力被遠隔恆星之間的斥力所平衡。然而，如今咱們知道，這樣的平衡是不穩定的：若是某一區域內的恆星稍微互相靠近一些，引力就加強，並超過斥力的做用，這樣這些恆星就會繼續落到一塊兒。反之，若是某一區域內的恆星稍微互相遠離一些，斥力就起主導做用，並驅使它們離得更開。

    另外一個反對無限靜止宇宙的異見一般是歸功於德國哲學家亨利希·奧勃斯，1823年他發表了這個理論。事實上，牛頓的同時代的一些人已經提出過這個問題。甚至奧勃斯的文章也不是貌似有理地反駁這模型的第一篇。無論怎麼說，這是第一篇被普遍注意的文章。這無限靜止模型的困難，在於幾乎每一道視線必須終結於某一恆星的表面。這樣，人們能夠預料，整個天空甚至在夜晚都會像太陽那麼明亮。奧勃斯反駁說，遠處恆星的光線因爲被它所穿過的物質吸取所減弱。然而若是真是如此，這相干的物質將會最終被加熱到發出和恆星同樣強的光爲止。惟一的能避免整個天空像太陽那麼亮的結論的方法是，假定恆星並非永遠那麼亮，而是在有限久的過去纔開始發光。這種狀況下，吸光物質還沒加熱，或者遠處恆星的光線還沒有到達咱們這兒。這使咱們面臨着是什麼首次使恆星發光的問題。

    固然，宇宙開端的問題在這以前好久就被討論過。根據一些早先的宇宙論和猶太人／基督教／穆斯林傳統，宇宙開端於有限的、而且不是很是遠的過去的某一時刻。對這樣一個開端，有一種議論是感到必須有「第一緣由」來解釋宇宙的存在。（在宇宙中，你總能夠將一個事件解釋爲因爲另外一個更早的事件所引發的，可是宇宙自己的存在只有當存在某個開端時才能被解釋。）另外一種論證是聖·奧古斯丁在他的《上帝之城》的著做中提出的。他指出，文明在進步，咱們將記住創造這些業績和發展技術的人們。這樣人，也許宇宙，不可能已經存在了太長的時間。聖·奧古斯丁根據《創世紀》一書，接受公元前5000年做爲宇宙的被創生的時間。（有趣的是， 這和上一次的冰河時間的結束，大約公元前10000年相距不遠。考古學家告訴咱們，文明其實是從那時開始的。）

    另外一方面，亞里士多德和大多數其餘希臘哲學家不喜歡創生的思想，由於它帶有太多的神學干涉的味道。因此他們相信，人類及其周圍的世界已經而且將繼續永遠存在。古代的人們已經考慮到上述的文明進步的論點，用週期性洪水或其餘災難的重複出現，令人類回到文明的開初，來回答上面的話難。

    1781年，哲學家伊曼努爾·康德發表了里程碑般的（也是很是模糊的）著做——《純粹理性批判》，在這本書中，他深刻地考察了關於宇宙在時間上是否有開端、空間上是否有極限的問題。他稱這些問題爲純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。由於他感到存在一樣使人信服的論據，來證實宇宙有開端的正命題，以及宇宙已經存在無限久的反命題。他對正命題的論證是：若是宇宙沒有一個開端，則任何事件以前必有無限的時間。他認爲這是荒謬的。他對反命題的論證是：若是宇宙有一開端，在它以前必有無限的時間，爲什麼宇宙必須在某一特定的時刻開始呢？事實上，他對正命題和反命題用了一樣的論證。它們都是基於他的隱含的假設，即無論宇宙是否存在了無限久，時間都可無限地倒溯回去。咱們將會看到，在宇宙開端以前時間概念是沒有意義的。這一點是聖·奧古斯丁首先指出的。當他被問及：上帝在創造宇宙以前作什麼？奧古斯丁沒有這樣地回答：他正爲問這類問題的人準備地獄。而是說：時間是上帝所創造的宇宙的一個性質，在宇宙開端以前不存在。

    當大部分人相信一個本質上靜止不變的宇宙時，關於它有無開端的問題，實在是一個形而上學或神學的問題。按照宇宙存在無限久的理論，或者按照宇宙在某一個有限時刻，以給人的印象彷佛是已經存在了無限久的樣子啓動的理論，咱們能夠一樣很好地解釋所觀察到的事實。但在1929年，埃德溫·哈勃做出了一個具備里程碑意義的觀測，便是無論你往那個方向看，遠處的星系正急速地遠離咱們而去。換言之，宇宙正在膨脹。這意味着，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，彷佛在大約100億至200億年以前的某一時刻，它們恰好在同一地方，因此那時候宇宙的密度無限大。這個發現最終將宇宙開端的問題帶進了科學的王國。

    哈勃的發現暗示存在一個叫作大爆炸的時刻，當時宇宙的尺度無窮小，並且無限緊密。在這種條件下，全部科學定律並所以全部預見未來的能力都失效了。若是在此時刻以前有過些事件，它們將不可能影響如今所發生的一切。因此咱們能夠不理它們，由於它們並無可觀測的後果。因爲更早的時間根本沒有定義，因此在這個意義上人們能夠說，時間在大爆炸時有一開端。必須強調的是，這個時間的開端是和早先考慮的很是不一樣。在一個不變的宇宙中，時間的端點必須由宇宙以外的存在物所賦予；宇宙的開端並無物理的必要性。人們能夠想像上帝在過去的任什麼時候刻創造宇宙。另外一方面，若是宇宙在膨脹，何以宇宙有一個開端彷佛就有了物理的緣由。人們仍然能夠想像，上帝是在大爆炸的瞬間創造宇宙，或者甚至在更晚的時刻，以便它看起來就像發生過大爆炸似的方式創造，可是設想在大爆炸以前創造宇宙是沒有意義的。大爆炸模型並無排斥造物主，只不過對他什麼時候從事這工做加上時間限制而已！

    爲了談論宇宙的性質和討論諸如它是否存在開端或終結的問題，你必須清楚什麼是科學理論。我將採用頭腦簡單的觀點，即理論只不過是宇宙或它的受限制的一部分的模型，一些聯結這模型和咱們所觀察的量的規則。它只存在於咱們的頭腦中，（無論在任何意義上）再也不具備任何其餘的實在性。若是它知足如下兩個要求，就算是好的理論：它必須在只包含一些任意元素的一個模型的基礎上，準確地描述大批的觀測，並對將來觀測的結果做出肯定的預言。例如，亞里士多德關於任何東西是由四元素，土、空氣、火和水組成的理論是足夠簡單的了，但它沒有作出任何肯定的預言。另外一方面，牛頓的引力理論是基於甚至更爲簡單的模型，在此模型中兩物體之間的相互吸引力和它們稱之爲質量的量成正比，並和它們之間的距離的平方成反比。然而，它以很高的精確性預言了太陽、月亮和行星的運動。

    在它只是假設的意義上來說，任何物理理論老是臨時性的：你永遠不可能將它證實。無論多少回實驗的結果和某一理論相一致，你永遠不可能判定下一次結果不會和它矛盾。另外一方面，哪怕你只要找到一個和理論預言不一致的觀測事實，便可證僞之。正如科學哲學家卡爾·波帕所強調的，一個好的理論的特徵是，它能給出許多原則上能夠被觀測所否認或證僞的預言。每回觀察到與這預言相符的新的實驗，則這理論就倖存，而且增長了咱們對它的可信度；然而如有一個新的觀測與之不符，則咱們只得拋棄或修正這理論。至少被認爲這早晚總會發生的，問題在於人們有無才幹去實現這樣的觀測。

    實際上常常發生的是，所設計的新理論確實是原先理論的推廣。例如，對水星的很是精確的觀測揭露了它的運動和牛頓理論預言之間的很小差別。愛因斯坦的廣義相對論所預言的運動和牛頓理論略有不一樣。愛因斯坦的預言和觀測相符，而牛頓的預言與觀測不相符，這一事實是這個新理論的一個關鍵證據。然而咱們在大部分實際狀況下仍用牛頓理論，由於在咱們一般處理的情形下，二者差異很是小。（牛頓理論的另外一個巨大的優勢在於，它比愛因斯坦理論容易處理得多！）

    科學的終極目的在於提供一個簡單的理論去描述整個宇宙。然而，大部分科學家遵循的方法是將這問題分紅兩部分。首先，是一些告訴咱們宇宙如何隨時間變化的定律；（若是咱們知道在任一時刻宇宙是什麼樣子的，則這些定律即能告訴咱們之後的任一時刻宇宙是什麼樣子的。）第二，關於宇宙初始狀態的問題。有些人認爲科學只應過問第一部分，他們認爲初始狀態的問題應是形而上學或宗教的範疇。他們會說，全能的上帝能夠爲所欲爲地啓動這個宇宙。也許是這樣。可是，假若那樣，他也可使宇宙以徹底任意的方式演化。但是，看起來他選擇宇宙以一種很是規則的、按照必定規律的方式演化。因此，看來能夠一樣合理地假定，也存在着制約初始狀態的定律。

    畢全功於一役地設計一種能描述整個宇宙的理論，看來是很是困難的。反之，咱們是將這問題分紅許多小塊，併發明許多部分理論。每一部分理論描述和預言必定有限範圍的觀測，同時忽略其餘量的效應或用簡單的一組數來表明之。可能這方法是全錯的。若是宇宙中的每一件東西都以很是基本的方式依賴於其餘的任何一件東西，極可能不能用隔離法研究問題的部分去逼近其完備的答案。儘管如此，這確定是咱們在過去取得進展所用的方法。牛頓引力理論又是一個經典的例子，它告訴咱們兩個物體之間的引力只決定於與每一個物體相關的一個數——它的質量；而與物體由何物組成無關。這樣，人們不須要太陽和行星結構和成份的理論就能夠計算它們的軌道。

    今天科學家按照兩個基本的部分理論——廣義相對論和量子力學來描述宇宙。它們是本世紀上半葉的偉大的智慧成就。廣義相對論是描述引力和宇宙的大尺度結構， 也就是從只有幾英哩直到大至1億億億（1後面跟24個0）英哩，便可觀測到的宇宙範圍的尺度的結構。另外一方面，量子力學處理極小尺度的現象，例如萬億分之一英寸。然而，惋惜的是，這兩個理論不是互相協調的——它們不可能都對。當代物理學的一個主要的努力，以及這本書的主題，便是尋求一個能將其合併在一塊兒的理論——量子引力論。咱們尚未這樣的理論，要得到這個理論，咱們可能還有至關長的路要走，然而咱們已經知道了這個理論所應具有的許多性質。在如下幾章，人們將會看到，咱們已經知道了至關多的量子引力論所應有的預言。

    如今，若是你相信宇宙不是任意的，而是由肯定的定律所制約的，你最終必須將這些部分理論合併成一套能描述宇宙中任何東西的完整統一理論。然而，在尋求這樣的完整統一理論中有一個基本的自相矛盾。在前面歸納的關於科學理論的思想中，假定咱們是有理性的生物，既能夠隨意自由地觀測宇宙，又能夠從觀察中得出邏輯推論。在這樣的方案裏能夠合理地假設，咱們能夠愈來愈接近找到制約咱們宇宙的定律。然而，若是真有一套完整的統一理論，則它也將決定咱們的行動。這樣，理論自己將決定了咱們對之探索的結果！那麼爲何它必須肯定咱們從證據獲得正確的結論？它不也一樣能夠肯定咱們引出錯誤的結論嗎？或者根本沒有結論？

    對於這個問題，我所能給出的回答是基於達爾文的天然選擇原理。這思想是說，在任何自繁殖的羣體中，存在有不一樣個體在遺傳物質和發育上的變異。這些差別代表，某些個體比其餘個體對周圍的世界更能引出正確的結論，並去適應它。這些個體更可能存活、繁殖，所以它們的行爲和思惟的模式將愈來愈起主導做用。這一點在過去確定是真的，即咱們稱之爲智慧和科學發現的東西給咱們帶來了存活的好處。這種狀況是否仍會如此不是很清楚：咱們的科學發現也能夠將咱們的一切都毀滅。即便不是這樣，一個完整的統一理論對於咱們存活的機會不會有很大影響。然而，假定宇宙已經以規則的方式演化至今，咱們能夠預期，天然選擇賦予咱們的推理能力在探索完整統一理論時仍然有效，並所以不會致使咱們獲得錯誤的結論。

由於除了最極端的狀況外，咱們已有了對全部一切都足夠給出精確的預言的部分理論，看來很難以現實的理由爲探索宇宙的終極理論辯護。（值得指出，雖然可用相似的論點來攻擊相對論和量子力學，但這些理論已給咱們帶來了核能和微電子學的革命！）因此，一套完整的統一理論的發現可能對咱們種族的存活無助，甚至也不會影響咱們的生活方式。然而自從文明開始，人們即不甘心於將事件看做互不相關而不可理解的。他們渴求理解世界的根本秩序。今天咱們仍然渴望知道，咱們爲什麼在此？咱們從何而來？人類求知的最深切的意願足覺得咱們所從事的不斷的探索提供正當的理由。而咱們的目標偏偏正是對於咱們生存其中的宇宙做完整的描述。