宇宙之书:从托勒密、爱因斯坦到多重宇宙-第24部分

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，所以尽管宇宙膨胀的速率决定了这个“常数”随时间缓慢增大的速率，这个理论却对宇宙的膨胀没有任何可观测的影响。
　　　　图7。10　（a）　布兰斯和迪克的引力理论预言，所谓的引力“常数”G实际上是随时间变化的，此图表示它典型的演化行为。G　的取值只有在无压强物质（“尘埃”）在宇宙中占多数时才会发生明显的变化。在宇宙以辐射为主导的时期或者在曲率为主导的开放宇宙中时，G是不变的。（b）该图表示桑德维奇、巴罗和马戈依卓的宇宙学理论所预言的精细结构常数α随时间的变化。在宇宙以辐射为主导或曲率为主导的时期，α不发生变化。在“尘埃”为主导的时期，α正比于宇宙年龄的对数
　　　　物质–反物质的宇宙
　　　　哎呀，能有什么事情呢？①
　　　　——英国童谣＇39＇
　　　　①　取自童谣“Oh　Dear！　What　Can　the　Matter　Be？”。童谣描述了小女孩望眼欲穿，期盼父亲从集市上及早带回礼物。作者利用了matter一词的另一个意义：物质会是什么样子？——译者注
　　　　1965年，微波背景辐射的发现，使得人们突然对宇宙的大爆炸理论产生了浓厚的兴趣，同时也抛弃了它的老牌竞争对手，例如稳态模型。关于我们身在“哪个宇宙”的争论，主要集中在炙热的早期宇宙究竟是各向同性的、各向异性的还是完全混沌的。但是也有一些人根本不买大爆炸理论的账。或者说，有这么一些人固守稳态模型在哲学意义上的优越性，因为这种宇宙没有开端也没有终点：它是可能存在的对称性最高的宇宙，因为它同时具有空间上和时间上的对称性。还有一些人既不看好大爆炸模型，也不看好稳态模型，而是寻求完全不同的理论，来描述膨胀宇宙甚早期时可能发生的事情。其中一个非常有趣的理论来自于反物质在宇宙中所扮演的角色。1928年，狄拉克预言了自然界中应该存在反物质。＇40＇　1932年，卡尔·安德森（Carl　Anderson，1905～1991）从宇宙射线中第一次发现了反电子（又叫“正电子”）。后来，加州大学伯克利分校的欧文·张伯伦（Owen　Chamberlain）、埃米利奥·塞格利（Emilio　Segre）、克莱德·维刚德（Clyde　Wiegand）和汤姆·伊普赛兰提斯（Tom　Ypsilantis）在1955年发现了反质子。
　　　　没过多久，反物质就在宇宙学中引发了一场争论。20世纪60年代中期，两位顶级的瑞典物理学家汉纳·阿尔芬（Hannes　Alfvén，1908～1995）和奥斯卡·克莱因（Oskar　Klein，1894～1977）提出，宇宙的开端应该包含等量的物质和反物质，并处于一个体积巨大的低密度状态——这和宇宙大爆炸理论说的完全相反。物质和反物质在万有引力的作用下缓慢地相互靠近，最终，粒子和反粒子发生碰撞，继而湮灭变成海量的辐射。这场爆炸阻止了一些粒子和反粒子继续向中心掉落，使它们转为向外膨胀。这样的过程可能不是到处都有，不过阿尔芬和克莱因认为，这就是我们现在所观察到的宇宙膨胀，因为我们必然处于其中一个粒子–反粒子发生过湮灭的区域，由收缩转为了膨胀。
　　　　阿尔芬并不是一个宇宙学家，却是等离子体物理学和磁学领域的专家，他在这方面的工作赢得了1970年的诺贝尔物理学奖。阿尔芬的物质–反物质宇宙学在学术圈内几乎没引起什么注意，而且很快就有人发现这个模型与一些观测结果不符。＇41＇这个模型要求宇宙中物质的总和必须等于反物质的总和：有一个原子，就得有一个反物质原子；有一颗恒星，就得有一颗反物质恒星。我们并没有发现任何反物质原子、反物质行星或者反物质恒星，于是正反物质湮灭时所生成的区域就必须格外广阔，以使物质和反物质完全分离——可是，这又谈何容易呢？更糟糕的是，宇宙从收缩转为膨胀时，其物质密度必须比我们现在观测到的小一百倍。宇宙中不太可能发生过这样一次反弹。
　　　　20世纪60年代末期，有一些在高能物理学方面更内行的科学家，比如罗兰德·奥姆斯（Roland　Omnès）尝试在大爆炸理论的基础上，发展出一套物质–反物质对等的宇宙学理论。他的初始假设还是宇宙包含了相同数量的物质和反物质，并且这种对称的状态会一直保持下去；物质…反物质的比例不变，这在当时被认为是自然界牢不可破的守则。＇42＇为了解释我们周围的宇宙中没有任何反物质存在的证据，这个理论中必须存在纯物质和纯反物质构成的孤岛。
　　　　如果我们倒转时间的方向，逆转宇宙的膨胀过程，这些孤岛就会彼此相互靠近。一开始的时候，这些孤岛必然混作一团，形成一个充满辐射的热平衡态，其中粒子和反粒子不断在辐射的海洋中生成和湮灭。这发生在宇宙最初的千分之一秒内。我们可以计算出当等量的物质和反物质平均地混在一起，并停止湮灭时，会产生什么结果。对这个理论来说，结果是个坏消息，湮灭发生得非常充分，泽尔多维奇和丘宏义在1965年时证明，每产生1018个光子，才能残留下一个质子或反质子。＇43＇而在我们现在所观测到的宇宙中，平均每个质子大约对应　109个光子。对于等量的物质–反物质的湮灭过程来说，我们的宇宙现在包含的质子和原子太多了，而产生的热辐射又太少了。
　　　　就这样，反物质的概念从宇宙学中销声匿迹了。但很快事情就发生了变化。20世纪70年代，宇宙学中发生了一场革命，反物质又被拉回了舞台中央，并引发了宇宙学研究史上最强烈的一次思想碰撞。

　　　　第8章
　　　　混元之初
　　　　要是确实打算从零开始做苹果馅饼，那你得先把宇宙创造出来。
　　　　——卡尔·萨根
　　　　奇异的宇宙
　　　　奇异之事几乎总是意味着线索。越是平常、越是普通的罪案，越是难以理清。
　　　　——阿瑟·柯南·道尔
　　　　几乎所有我们提到过的宇宙模型都有一个显著的共同点。它们都“诞生”于过去的某个有限的时刻，而且当时宇宙的密度无穷大。正是这种怪异的诞生方式，曾遭到稳态模型创始人的强烈抵触，激发了他们寻求一种不同的理论，试图让宇宙不用经历这样的特殊时期。早在稳态模型发明之前，理查德·托尔曼就已经试着绕开这种必然的开端了，他提出了一种闭合的宇宙，膨胀和收缩的循环永不停歇，就像一个反弹的皮球。宇宙的每次反弹都是一个悬而未决的疑问，因为爱因斯坦的理论在密度和温度极高的时候不再适用。你当然不能指望当宇宙的体积降到零、密度变成无穷大的时候，一切定律都还原封不动。
　　　　从爱因斯坦方程组中解出第一批宇宙模型时，人们还存在一些不同的看法，他们大都在怀疑宇宙是否真的诞生于密度无穷大的状态。起初，爱因斯坦认为这不过是因为我们忽略了宇宙中物质的压强。他认为，如果把压强也考虑在内，当我们倒转时间的流逝，回溯宇宙的过去时，我们就会发现压强会大到足以令宇宙停止收缩，进而发生反弹，导致宇宙开始膨胀。这就像在压缩一个气球，把它的体积变得越来越小。压强会反抗这个过程，直到我们再也无法进一步压缩。
　　　　可惜，爱因斯坦的直觉在这里是错误的。在他的引力理论中，任何形式的能量都产生引力，包括压强。和我们的直觉刚好相反，压强并不会阻止宇宙塌缩到体积为零的一点；实际上，它加速了塌缩的过程，使得无穷压缩的时刻提早来临：压强产生的引力加剧了引力塌缩。
　　　　接下来，爱因斯坦设想，所谓的密度无穷大会不会是由于认为宇宙膨胀速率呈现了完美的对称性而人为得到的结果呢？如果你把球对称膨胀的过程倒过来，在过去的某个时刻，所有的一切都会汇聚到一个点上。但如果宇宙的膨胀并不完全符合球对称呢？如果你倒转膨胀的过程，宇宙的各部分就会彼此“错过”，这样就可以避免密度无穷大的状态了。在爱因斯坦看来，所谓的密度无穷大是一种“错觉”＇1＇，其他一流的宇宙学家也持此观点，例如罗伯特逊＇2＇和德希特＇3＇，那时还是在20世纪30年代早期。
　　　　这些简单的直觉都来自牛顿之类的旧体系，很快就被证明是错误的。1932年，勒梅特考虑了一种非球对称的、各向异性的宇宙。他证明，这种宇宙也有一个密度无穷大的开端，就像各向同性的宇宙一样。＇4＇卡斯纳的各向异性宇宙和托尔曼的非均匀宇宙也都体现了同样的无穷大性质。＇5＇当然，可能还会存在其他更复杂的不对称性，例如旋转的宇宙可能就不会经历那么一个密度无穷大的状态。这个密度无穷大的状态，后来人们称之为原初“奇点”①。
　　　　①　此处，奇读作qí。奇点意为奇异的点。如果时空中包含了奇点（singularity），我们就说这种时空是奇异的（singular）。——译者注
　　　　无穷大的东西总是让人吃惊。如果在地球表面一些特定的地方散步，你就可能捡到　40亿年前形成的岩石；结构最原始的细菌大约出现在　30亿年以前，而现代人的祖先大约出现在20万年以前。地球和太阳系的年龄比这些表层岩石大不了多少，大约是46亿年。然而，宇宙的膨胀表明，如果我们向过去再追溯大约三倍的时间（138　亿年以前＇6＇），时间就不存在了，宇宙也不存在了，什么都不会存在了。这是一个惊人的结论。这时我们看上去非常接近万物的开端了。
　　　　人们认识到，压强和不对称性并不能简单地驱走原初奇点的幽灵。除此之外，在20世纪60年代早期，还有一种颇有影响力的看法认为，奇点并不是宇宙模型的物理性质，因此我们并不需要为奇点的物理实在性操心。受到朗道的启发，一组由尤金·栗弗席兹领导的苏联物理学家提出，大爆炸的奇点以及所谓的密度无穷大和时间的开端都是假的，不会产生危害。＇7＇借用一个熟悉的类比，设想地理学家有一个地球仪，上面覆盖了经线和纬线构成的网络，这样就能给地球表面上的每一个地点分配一组独一无二的标记。我们称之为“坐标系”，因为这能让我们标注地球上的不同地点。当我们朝着北极和南极看时，我们就会发现所有的经线都汇聚到了极点上：地图的坐标系退化到了一个特殊类型的“奇点”上。但这并不意味着地球表面上会有奇怪的事情发生。我们只不过选取了这样的坐标系来绘制地图。我们完全可以在极点附近换上另外一套网格，这样地图的坐标系就不会在那里失效了。
　　　　这就是栗弗席兹和他的同事所提出的观点，当我们倒转宇宙的膨胀回溯过去时，就会发生类似的事情。大爆炸只不过是由于描述宇宙时选取了不好的坐标系，从而导致了一个无害的地图奇点。＇8＇如果碰到这个假想的奇点时，我们就应该换一套表述，如果一套不行，那就再换一套。苏联的研究小组因而总结说，在物理学意义上，大爆炸的奇点并不是真实的，它并不是宇宙的开端。不幸的是，最终人们意识到，这种通过不断更换地图坐标系来避免奇点的办法仍然是一种错觉：它无法说明当你不断更换坐标系时到底发生了什么事情。人们在进一步研究后发现，一个真正的物理奇点，就像地球表面上一个真正的洞一样，是不会通过坐标系的连续变换而被移除的。
　　　　20世纪60年代早期的时候，由此导致的困惑迫使宇宙学家们更加认真地思考奇点究竟代表了什么含义。如果把宇宙空间想象成一张随时间变化的床单，那么奇点就是床单上密度变成无穷大的点。现在，假设我们可以把这些点都剪下来扔掉。于是我们就得到了一张新的（带孔的）床单，能够描述一片完美无瑕的宇宙空间，不含奇点。这看起来有点作弊的嫌疑。从某种意义上讲，这样带孔的宇宙显然是奇异的。但是如果我们找到了一个无奇点的宇宙，我们如何知道用这种寻找和描述宇宙的方法，会不会像刚才剪床单那样，不恰当地将真正的奇点“剪掉”了呢？
　　　　1963年，米斯纳提出了一种回答，立刻改变了宇宙学家对奇点的理解。＇9＇这个想法抛弃了传统的奇点定义，不再把奇点看成是物质的密度或者其他什么物理量变成无穷大的那一点。我们说的奇点，应该是时空中任何物质的粒子或者光线的运动路径（包括它的一切“历史”路径）的终点，无论如何，路径也不会再延伸下去。
　　　　还有什么爱丽丝漫游奇境般的经历比沿着其中这样一条路径运动更为“怪异的”呢？在路径的终点，光线抵达了时空的边缘。再往前就什么都没有了。
　　　　用这样简单的方法定义奇点的妙处在于，如果一种物理性质，如物质的能量或密度在