然而,如果中微子不是零質(zhì)量,而是如蘇聯(lián)在1981年進(jìn)行的一次沒(méi)被證實(shí)的實(shí)驗(yàn)所暗示的,自身具有小的質(zhì)量,我們則可能間接地探測(cè)到它們。正如前面提到的那樣,它們可以是“暗物質(zhì)”的一種形式,具有足夠的引力吸引去遏止宇宙的膨脹,并使之重新坍縮。
在大爆炸后的大約100秒,溫度降到了10億度,也即最熱的恒星內(nèi)部的溫度。在此溫度下,質(zhì)子和中子不再有足夠的能量逃脫強(qiáng)核力的吸引,所以開(kāi)始結(jié)合產(chǎn)生氘(重氫)的原子核。氘核包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。然后,氘核和更多的質(zhì)子中子相結(jié)合形成氦核,它包含二個(gè)質(zhì)子和二個(gè)中子,還產(chǎn)生了少量的兩種更重的元素鋰和鈹。可以計(jì)算出,在熱大爆炸模型中大約4分之1的質(zhì)子和中子轉(zhuǎn)變了氦核,還有少量的重氫和其他元素。所余下的中子會(huì)衰變成質(zhì)子,這正是通常氫原子的核。
1948年,科學(xué)家喬治·伽莫夫和他的學(xué)生拉夫·阿爾法在合寫(xiě)的一篇著名的論文中,第一次提出了宇宙的熱的早期階段的圖像。伽莫夫頗有幽默——他說(shuō)服了核物理學(xué)家漢斯·貝特將他的名字加到這論文上面,使得列名作者為“阿爾法、貝特、伽莫夫”,正如希臘字母的前三個(gè):阿爾法、貝他、伽瑪,這特別適合于一篇關(guān)于宇宙開(kāi)初的論文!他們?cè)诖苏撐闹凶鞒隽艘粋€(gè)驚人的預(yù)言:宇宙的熱的早期階段的輻射(以光子的形式)今天還應(yīng)在周?chē)嬖冢瞧錅囟纫驯唤档偷街槐冉^對(duì)零度(一273c)高幾度。這正是彭齊亞斯和威爾遜在1965年發(fā)現(xiàn)的輻射。在阿爾法、貝特和伽莫夫?qū)懘苏撐臅r(shí),對(duì)于質(zhì)子和中子的核反應(yīng)了解得不多。所以對(duì)于早期宇宙不同元素比例所作的預(yù)言相當(dāng)不準(zhǔn)確,但是,在用更好的知識(shí)重新進(jìn)行這些計(jì)算之后,現(xiàn)在已和我們的觀測(cè)符合得非常好。況且,在解釋宇宙為何應(yīng)該有這么多氦時(shí),用任何其他方法都是非常困難的。所以,我們相當(dāng)確信,至少一直回溯到大爆炸后大約一秒鐘為止,這個(gè)圖像是正確無(wú)誤的。
大爆炸后的幾個(gè)鐘頭之內(nèi),氦和其他元素的產(chǎn)生就停止了。之后的100萬(wàn)年左右,宇宙僅僅只是繼續(xù)膨脹,沒(méi)有發(fā)生什么事。最后,一旦溫度降低到幾千度,電子和核子不再有足夠能量去抵抗它們之間的電磁吸引力,它們就開(kāi)始結(jié)合形成原子。宇宙作為整體,繼續(xù)膨脹變冷,但在一個(gè)略比平均更密集的區(qū)域,膨脹就會(huì)由于額外的引力吸引而慢下來(lái)。在一些區(qū)域膨脹會(huì)最終停止并開(kāi)始坍縮。當(dāng)它們坍縮時(shí),在這些區(qū)域外的物體的引力拉力使它們開(kāi)始很慢地旋轉(zhuǎn);當(dāng)坍縮的區(qū)域變得更小,它會(huì)自轉(zhuǎn)得更快——正如在冰上自轉(zhuǎn)的滑冰者,縮回手臂時(shí)會(huì)自轉(zhuǎn)得更快;最終,當(dāng)這些區(qū)域變得足夠小,自轉(zhuǎn)的速度就足以平衡引力的吸引,碟狀的旋轉(zhuǎn)星系就以這種方式誕生了。另外一些區(qū)域剛好沒(méi)有得到旋轉(zhuǎn),就形成了叫做橢圓星系的橢球狀物體。這些區(qū)域之所以停止坍縮是因?yàn)樾窍档膫€(gè)別部分穩(wěn)定地繞著它的中心旋轉(zhuǎn),但星系整體并沒(méi)有旋轉(zhuǎn)。
隨著時(shí)間流逝,星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星云,它們?cè)谧陨硪ο绿s。當(dāng)它們收縮時(shí),其中的原子相碰撞,氣體溫度升高,直到最后,熱得足以開(kāi)始熱驟變反應(yīng)。這些反應(yīng)將更多的氫轉(zhuǎn)變成氦,釋放出的熱升高了壓力,因此使星云不再繼續(xù)收縮。正如同我們的太陽(yáng)一樣,它們將氫燃燒成氦,并將得到的能量以熱和光的形式輻射出來(lái)。它們會(huì)穩(wěn)定地在這種狀態(tài)下停留一段很長(zhǎng)的時(shí)間。質(zhì)量更大的恒星需要變得更熱,以去平衡它們更強(qiáng)的引力,使得其核聚變反應(yīng)進(jìn)行得極快,以至于它們?cè)?億年這么短的時(shí)間里將氫用光。然后,它們會(huì)稍微收縮一點(diǎn)。當(dāng)它們進(jìn)一步變熱,就開(kāi)始將氦轉(zhuǎn)變成像碳和氧這樣更重的元素。但是,這一過(guò)程沒(méi)有釋放出太多的能量,所以正如在黑洞那一章描述的,危機(jī)就會(huì)發(fā)生了。人們不完全清楚下面還會(huì)發(fā)生什么,但是看來(lái)恒星的中心區(qū)域會(huì)坍縮成一個(gè)非常緊致的狀態(tài),譬如中子星或黑洞。恒星的外部區(qū)域有時(shí)會(huì)在叫做超新星的巨大爆發(fā)中吹出來(lái),這種爆發(fā)會(huì)使星系中的所有恒星相形之下顯得黯淡無(wú)光。一些恒星接近生命終點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生的重元素就拋回到星系里的氣體中去,為下一代恒星提供一些原料。我們自己的太陽(yáng)包含大約2%這樣的重元素,因?yàn)樗堑诙虻谌阈牵怯?0億年前從包含有更早的超新星的碎片的旋轉(zhuǎn)氣體云形成的。云里的大部分氣體形成了太陽(yáng)或者噴到外面去,但是少量的重元素集聚在一起,形成了像地球這樣的、現(xiàn)在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的物體。
地球原先是非常熱的,并且沒(méi)有大氣。在時(shí)間的長(zhǎng)河中它冷卻下來(lái),并從巖石中溢出的氣體里得到了大氣。這早先的大氣不能使我們存活。因?yàn)樗话鯕猓泻芏鄬?duì)我們有毒的氣體,如硫化氫(即是使臭雞蛋難聞的氣體)。然而,存在其他在這條件下能繁衍的生命的原始形式。人們認(rèn)為,它們可能是作為原子的偶然結(jié)合形成叫做宏觀分子的大結(jié)構(gòu)的結(jié)果而在海洋中發(fā)展,這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒑Q笾械钠渌泳奂深?lèi)似的結(jié)構(gòu)。它們就這樣地復(fù)制了自己并繁殖。在有些情況下復(fù)制有誤差。這些誤差多數(shù)使得新的宏觀分子不能復(fù)制自己,并最終被消滅。然而,有一些誤差會(huì)產(chǎn)生出新的宏觀分子,在復(fù)制它們自己時(shí)會(huì)變得更好。所以它們具有優(yōu)點(diǎn),并趨向于取代原先的宏觀分子。進(jìn)化的過(guò)程就是用這種方式開(kāi)始,它導(dǎo)致了越來(lái)越復(fù)雜的自復(fù)制的組織。第一種原始的生命形式消化了包括硫化氫在內(nèi)的不同物質(zhì)而放出氧氣。這樣就逐漸地將大氣改變到今天這樣的成份,允許諸如魚(yú)、爬行動(dòng)物、哺乳動(dòng)物以及最后人類(lèi)等生命的更高形式的發(fā)展。
宇宙從非常熱開(kāi)始并隨膨脹而冷卻的景象,和我們今天所有的觀測(cè)證據(jù)相一致。盡管如此,還有許多重要問(wèn)題未被回答:
(1)為何早期宇宙如此之熱?
(2)為何在大尺度上宇宙是如此一致?為何在空間的所有地方和所有方向上它顯得是一樣的?尤其是,當(dāng)我們朝不同方向看時(shí),為何微波輻射背景的溫度是如此之相同?這有點(diǎn)像問(wèn)許多學(xué)生一個(gè)考試題。如果所有人都剛好給出相同的回答,你就會(huì)十分肯定,他們互相之間通過(guò)話(huà)。在上述的模型中,從大爆炸開(kāi)始光還沒(méi)有來(lái)得及從一個(gè)很遠(yuǎn)的區(qū)域傳到另一個(gè)區(qū)域,即使這兩個(gè)區(qū)域在宇宙的早期靠得很近。按照相對(duì)論,如果連光都不能從一個(gè)區(qū)域走到另一個(gè)區(qū)域,則沒(méi)有任何其他的信息能做到。所以,除非因?yàn)槟撤N不能解釋的原因,導(dǎo)致早期宇宙中不同的區(qū)域剛好從同樣的溫度開(kāi)始,否則,沒(méi)有一種方法能使它們有互相一樣的溫度。
(3)為何宇宙以這樣接近于區(qū)分坍縮和永遠(yuǎn)膨脹模型的臨界膨脹率的速率開(kāi)始,以至于即使在100億年以后的現(xiàn)在,它仍然幾乎以臨界的速率膨脹?如果在大爆炸后的1秒鐘那一時(shí)刻其膨脹率甚至只要小10億億分之1,那么在它達(dá)到今天這么大的尺度之前宇宙就已坍縮。
(4)盡管在大尺度上宇宙是如此的一致和均勻,它卻包含有局部的無(wú)規(guī)性,諸如恒星和星系。人們認(rèn)為,這些是從早期宇宙中不同區(qū)域間的密度的很小的差別發(fā)展而來(lái)。這些密度起伏的起源是什么?
廣義相對(duì)論本身不能解釋這些特征或回答這些問(wèn)題,因?yàn)樗A(yù)言,在大爆炸奇點(diǎn)宇宙是從無(wú)限密度開(kāi)始的。在奇點(diǎn)處,廣義相對(duì)論和所有其他物理定律都失效:人們不能預(yù)言從奇點(diǎn)會(huì)出來(lái)什么。正如以前解釋的,這表明我們可以從這理論中除去大爆炸奇點(diǎn)和任何先于它的事件,因?yàn)樗鼈儗?duì)我們沒(méi)有任何觀測(cè)效應(yīng)。空間一時(shí)間就會(huì)有邊界——大爆炸處的開(kāi)端。
看來(lái)科學(xué)揭露了一組定律,在不確定性原理極限內(nèi),如果我們知道宇宙在任一時(shí)刻的狀態(tài),這些定律就會(huì)告訴我們,它如何隨時(shí)間發(fā)展。這些定律也許原先是由上帝頒布的,但是看來(lái)從那以后他就讓宇宙按照這些定律去演化,而不再對(duì)它干涉。但是,它是如何選擇宇宙的初始狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的?在時(shí)間的開(kāi)端處“邊界條件”是什么?
一種可能的回答是,上帝選擇宇宙的這種初始結(jié)構(gòu)是因?yàn)槟承┪覀儫o(wú)望理解的原因。這肯定是在一個(gè)全能造物主的力量之內(nèi)。但是如果他使宇宙以這種不可理解的方式開(kāi)始,何以他又選擇讓它按照我們可理解的定律去演化?整部科學(xué)史是對(duì)事件不是以任意方式發(fā)生,而是反映了一定的內(nèi)在秩序的逐步的意識(shí)。這秩序可以是、也可以不是由神靈主宰的。只有假定這種秩序不但應(yīng)用于定律,而且應(yīng)用于在時(shí)空邊界處所給定的宇宙初始條件才是自然的。可以有大量具有不同初始條件的宇宙模型,它們都服從定律。應(yīng)該存在某種原則去抽取一個(gè)初始狀態(tài),也就是一個(gè)模型去代表我們的宇宙。
所謂的紊亂邊界條件即是這樣的一種可能性。這里含蓄地假定,或者宇宙是空間無(wú)限的,或者存在無(wú)限多宇宙。在紊亂邊界條件下,在剛剛大爆炸之后,尋求任何空間的區(qū)域在任意給定的結(jié)構(gòu)的概率,在某種意義上,和它在任何其他的結(jié)構(gòu)的概率是一樣的:宇宙初始態(tài)的選擇純粹是隨機(jī)的。這意味著,早期宇宙可能是非常紊亂和無(wú)規(guī)則的。因?yàn)榕c光滑和有序的宇宙相比,存在著更多得多的紊亂和無(wú)序的宇宙。(如果每一結(jié)構(gòu)都是等幾率的,多半宇宙是從紊亂無(wú)序態(tài)開(kāi)始,就是因?yàn)檫@種態(tài)多得這么多。
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