和历史学家一样，宇宙学家深知探测宇宙未来的关键在于过去。我已经从热力学第二定律的角度解释了宇宙的寿命为何是有限的。科学家几乎一致地认为，整个宇宙起源于100亿～200亿年前的一次大爆炸，并会走向它的最终命运。通过研究宇宙是如何开始的以及最初阶段的演变过程，我们可以获得关于遥远未来的重要线索。

“宇宙并不是永恒存在的”这个观念在西方文化中根深蒂固。尽管希腊哲学家思考过宇宙可能是永恒存在的，但所有西方的主流宗教都坚持认为，宇宙是上帝在过去的某个特定时刻创造出来的。

宇宙起源于大爆炸的理论具备令人信服的科学依据，最直接的证据来自对遥远星系光线颜色的研究。20世纪20年代，在亚利桑那州罗威尔天文台工作的专家维斯托·斯莱弗（Vesto Slipher）对星云进行了长期的耐心观测，而美国天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）在斯莱弗工作的基础之上，发现遥远的星系似乎比附近的星系要更偏红一些。哈勃用100英寸（254厘米）的威尔逊山望远镜仔细观测了这种现象，并绘制了一张图表。结果发现，星系具有一种系统性的特征：星系离地球越远，发出的光线看起来越红。

光的颜色与其波长有关。在白光光谱中，蓝色位于短波的一端，而红色位于长波的一端。遥远星系偏红意味着，这个星系的光波波长不知何故被拉长了。通过仔细测定许多星系光谱中特定谱线的位置，哈勃证实了这一效应。他提出，光波之所以被拉长是因为宇宙在膨胀。哈勃的这一重大发现奠定了现代宇宙学的基础。

宇宙正在膨胀的性质让许多人感到困惑。从地球的角度来看，遥远的星系似乎正在快速地远离我们。然而，这并不意味着地球处于宇宙的中心，整个宇宙的膨胀模式（平均来看）是相同的。更准确地来说，每个星系团都在彼此远离。我们最好把这种远离设想成星系团之间空间的伸展或者膨胀，而不是星系团在宇宙中的运动。

空间竟然可以延伸，这实在令人感到惊讶。1915年，爱因斯坦发表了广义相对论之后，这一概念已经被科学家熟知。广义相对论认为，引力实际上表现为空间的弯曲或扭曲，严格地来说，是时间和空间的弯曲或扭曲。从某种意义上来说，空间是有弹性的，能以某种方式弯曲或者延伸，弯曲或者延伸的程度取决于空间中物质的引力属性。这一观点已经被充分地证实了。

我们通过一个简单的类比来理解一下膨胀空间的基本概念。假设用一排纽扣代表星系，并将其缝在一根松紧带上（见图3-1）。如果你拉绳子的两端，所有的纽扣就会彼此远离，无论哪个纽扣，所有与它相邻的纽扣都在远离。宇宙各处的膨胀都是一样的，没有中心。虽然图3-1中央有一个纽扣，但这与系统的膨胀方式无关。如果带纽扣的松紧带无限长，或者闭合成一个圆，这个中心点便不存在了。

从任何一个特定的纽扣来看，相邻最近的纽扣的远离速度似乎仅仅是下一批相邻更近的纽扣的一半，以此类推可得出，纽扣离你的视点越远，它后退的速度就越快。在这种类型的膨胀中，后退的速度与距离成正比，这是一种非常显著的关系。因此，我们可以想象光波在膨胀空间中的星系之间传播的情形，随着空间的延伸，光波也会被拉长。这就解释了宇宙红移现象。哈勃发现，红移现象与距离成正比，正如图3-1所示。

如果宇宙在膨胀，那么它在过去一定是被压缩了。哈勃的观察结果以及此后所做的大量研究为膨胀率提供了一个衡量标准。如果将宇宙的运行看作一部电影，并倒着看这部电影，我们就会发现在遥远的过去，所有的星系都聚合在一起。根据当前的膨胀率，我们可以推断出，这种聚合一定发生在数十亿年前。然而，由于以下两个原因，我们很难准确地判断出这种聚合究竟发生在多少年前。

第一，测量很难精确地进行，而且会有各种各样的误差。尽管现代望远镜几经改进，可观测到的星系数量大大增加了，但膨胀率的不确定性仍在两倍以内，这是一个充满争议的话题。

第二，宇宙膨胀的速度不会随着时间的推移保持不变，这是引力作用的结果。引力不仅会作用于星系之间，而且会作用于宇宙中所有形式的物质和能量之间。引力起到了刹车的作用，抑制了星系向外冲撞。因此，膨胀率会随着时间的推移逐渐减小。由此可知，过去宇宙的膨胀速度肯定比现在快。如果我们绘制一张关于可见宇宙的大小与时间的关系图，就会得到如图3-2所示的曲线。从图中我们可以看到，宇宙开始时压缩在一起，但膨胀的速度很快，而且随着时间的推移，物质的密度随着宇宙体积的增加而稳步下降。如果沿着曲线一直追溯到最初状态（图中标记为“0”），我们就会发现，宇宙起源于零体积且具有无限的膨胀率。换言之，构成我们今天所能看到的所有星系的物质从一个奇点上快速出现，爆炸的速度极快。这是对大爆炸理论的理想化描述。

我们是否应该沿着这条曲线一路追溯到起点呢？许多宇宙学家觉得这很有必要。如果宇宙曾经有过一个开端（鉴于我在前一章中讨论过的原因），大爆炸肯定是真实的。如果真是这样，那么曲线所标志的就不仅仅是一次大爆炸。请记住，这里所描绘的膨胀是宇宙空间本身的膨胀，所以零体积并不意味着物质被压缩到无限密度，而是意味着空间被压缩到零。换句话说，大爆炸是空间的起源，也是物质和能量的起源。最重要的是要认识到，宇宙大爆炸发生时，没有预先存在的空间。

同样的思路也适用于时间。物质的无限密度和宇宙空间的无限挤压也标志着时间的边界，因为时间和空间都被引力延伸了。同理，这种效应是爱因斯坦广义相对论的一系列推论，并且已经被实验证实了。大爆炸的条件意味着时间的无限扭曲，因此时间和空间的概念不能延伸到大爆炸之外。这迫使我们得出一个结论，大爆炸是所有物理事物（空间、时间、物质和能量）的开端。显然，像许多人那样询问大爆炸前发生了什么，或者是什么导致了大爆炸的发生，都显得毫无意义。因为大爆炸没有以前。如果没有时间，就没有一般意义上的因果关系。

如果宇宙大爆炸理论仅仅基于宇宙膨胀的现象，那么许多宇宙学家可能会拒绝相信它。不过，科学家1965年发现了宇宙微波背景辐射之后，该理论又有了一个重要证据。在整个宇宙中，宇宙微波背景辐射以相同的强度从天空的各个方向射向地球，自大爆炸发生后不久，它一直不受干扰地传播着。因此，宇宙微波背景辐射提供了原始宇宙状态的快照。这种辐射的光谱与存在于炉内达到了热动平衡状态的光完全匹配，这是物理学家称为黑体辐射的一种辐射形式。我们可以据此得出结论，早期宇宙处于这样一种平衡状态：所有区域都处于同一温度。

根据测量，宇宙微波背景辐射比绝对零度 大约高出3开尔文，但温度会随着时间缓慢变化。当宇宙膨胀时，温度会根据一个简单的公式冷却：当宇宙的半径增加一倍时，温度会下降一半。这种冷却与光的红移现象具有相同的效果：热辐射和光都由电磁波组成，热辐射的波长也会随着宇宙的膨胀而被拉长。低温辐射比高温辐射的波长更长。此外，如果将宇宙这部电影倒着看，我们就会发现宇宙的温度在过去更高。宇宙微波背景辐射可以追溯到大爆炸发生后的大约30万年，当时宇宙已经冷却至大约4 000摄氏度。宇宙背景热辐射至今仍然保持着完美的黑体谱，这表明，从大爆炸之后的30万年以来，辐射几乎一直在平稳地传播着，没有受到任何干扰。

宇宙微波背景辐射不仅因其黑体形式而异，更因其在天空中的极端均匀性而异。在不同的空间方向上，辐射的温度差仅有十万分之一左右。一方面，这种平滑度表明，宇宙在很大程度上是非常均匀的，因为当任何系统的物质聚集到空间的一个区域，或者沿一个特定的方向聚集时，温度都会发生变化。另一方面，宇宙并不是完全均匀的。物质聚集成星系，星系又形成星系团，这些星系团依次排列在超星系团中。在数百万光年的规模上，宇宙呈现一种气泡状结构，也就是在一些巨大的空洞周围包围着星系膜和星系纤维。

宇宙大规模的块状聚集一定是从一个更加平滑的原始状态开始的。虽然这可能是各种物理机制造成的，但最合理的解释是，这种现象源自缓慢的引力作用。如果宇宙大爆炸理论是正确的，我们期望有证据证明，这种聚合过程的早期阶段的迹象已经留在了宇宙微波背景辐射中。1992年，美国国家航空航天局（NASA）的一颗宇宙背景探索者卫星（COBE）显示，宇宙微波背景辐射并不是精确地均匀分布的，从太空一端到另一端的辐射都具有明显的波纹或强度变化。这些微小的不均匀现象似乎是超聚集过程的温和开端。宇宙微波背景辐射忠实地保留了千古以来宇宙原始聚合的迹象，并以图形的方式证明宇宙并非以我们今天所看到的独特方式构成。物质聚集成星系和恒星是一个不断扩展的演化过程，这个过程始于宇宙几乎完全均匀的状态。

某些化学元素的宇宙丰度 也能证明大爆炸理论的正确性。知道了当前宇宙微波背景辐射的温度，我们就可以很容易地计算出，整个宇宙在大爆炸发生后一秒钟的温度约为100亿摄氏度，对现有的原子核的合成来说，这个温度太高了。那时，物质被分解成最基本的成分，形成一个由质子、中子和电子等基本粒子组成的粒子汤。然而，随着粒子汤的冷却，核聚变反应成为可能，特别是中子和质子可以自由、成对地黏在一起，而它们又结合在一起形成了氦元素的原子核。根据计算表明，这种核活动持续了大约三分钟（史蒂文·温伯格所著的《最初三分钟》的书名由此而来）。在此期间，大约1/4的物质被合成氦元素。这几乎耗尽了所有可用的中子，剩下未结合的质子注定会变成氢原子核。因此，据此预测，宇宙中应包含约75%的氢元素和25%的氦元素。这一比例与目前这些元素宇宙丰度的测量结果一致。

最初的核聚变反应还可能产生了非常少量的氘、氦-3和锂。不过，这些占宇宙物质总量1%的重元素并不是在大爆炸中产生的。相反，它们形成的时间较晚，且形成于恒星内部，我将在第4章讨论它们形成的方式。

综上所述，宇宙的膨胀、宇宙微波背景辐射以及化学元素的宇宙丰度是证实大爆炸理论的有力证据。但是，仍有许多问题尚待解决。比如，为什么宇宙当初会以那么快的速度膨胀？换句话说，为什么大爆炸的规模如此之大？为什么早期宇宙如此统一？为什么各个方向和空间中的膨胀率也如此相似？宇宙背景探索者卫星所发现的宇宙密度发生微小波动的起因是什么？这些波动对银河系和星团的形成有什么重要影响？

近年来，通过将大爆炸理论与高能粒子物理学的最新思想相结合，科学家付出了巨大努力来解决这些深层次的难题。我要强调的是，这种“新宇宙学”所依据的科学基础远不如我们之前讨论的那些主题可靠，因为涉及的粒子能量远远大于任何可以直接观察到的粒子能量，而这些过程发生的时间则是宇宙诞生后不到一秒钟的时间内。当时的情况可能非常极端，目前唯一合适的途径就是几乎完全基于理论来进行数学建模。

新宇宙学的一个核心假设是，宇宙可能发生了暴胀。这个假设的基本思想是，在最初的几分之一秒内的某个时刻，一个巨大的因素促使宇宙突然变大了。若想了解这意味着什么，请再次参考图3-2，图中的曲线是向下弯曲的，这表明当任何给定空间的体积在膨胀时，其膨胀速度都会减缓。相比之下，在宇宙暴胀期间，膨胀的速度增加了（见图3-3，不按比例）。大爆炸发生之初，宇宙膨胀的速度放缓，但随着暴胀的开始，速度迅速回升，曲线上升了一小段时间之后，趋势恢复正常，但与图3-2中的同一位置相比，图3-3相对应的空间区域的大小已大幅增加，远远超过图3-2所示。

为什么宇宙要以这种奇怪的方式运行呢？曲线向下弯曲是因为引力的作用，它在宇宙膨胀时起到了抑制作用。因此，向上的弯曲可以看作一种反引力或者排斥力，致使宇宙越来越大。尽管反引力听起来像是一种异端邪说，但最近的一些理论表明，反引力效应可能发生在宇宙早期的极端温度和密度条件下。

在讨论暴胀是怎么回事之前，我先来解释一下为什么暴胀理论有助于解决上文列出的一些宇宙难题。首先，暴胀可以令人信服地解释为什么大爆炸如此之大。反引力效应是一种不稳定的失控过程，可以使宇宙的大小呈指数级增长。从数学上来讲，这意味着给定空间区域的大小在固定的时间段内会成倍增大。如果将这段周期称为1个“滴答”（tick），2个滴答之后，给定空间区域的大小会膨胀4倍；3个滴答之后会膨胀8倍；10个滴答之后，该区域会膨胀千倍。计算表明，暴胀结束时的膨胀率与科学家今天观察到的膨胀率是一致的。在第6章中，我还会详细说明这个问题。

暴胀引起的宇宙空间的巨大跃升为宇宙的均匀特性提供了一种现成的解释。任何初始的不规则都会被空间的扩展消除，就像气球充气后，气球上的褶皱会消失一样。同样，宇宙任何不同方向上的早期膨胀速度引发的任何变化都将很快被暴胀消除，暴胀在各个方向上都具有相同的作用力。我们可以由此得出，宇宙背景探索者卫星发现的宇宙密度的微小变化可能是因为这样一个事实：任何地方的暴胀都可能不会在同一瞬间结束，因此某些区域的膨胀程度会略高于其他区域，从而导致密度的轻微变化。

我们可以利用一些数字来说明暴胀的程度。在简单版本的暴胀理论中，暴胀力（反引力）异常强大，导致每隔一百亿亿亿亿分之一秒（10 ^-34 秒），宇宙的大小就会增加一倍。这个几乎无穷小的时间间隔就是前文所称的“滴答”。仅仅100个滴答之后，一个原子核大小的区域就会暴胀到直径一光年左右。这足以回答之前讨论过的各种宇宙难题。

通过对亚原子粒子物理理论的研究，人们发现了几种可能致使暴胀发生的机制。所有这些机制都利用了“量子真空”概念。若想了解涉及的内容，我们必须先了解有关量子物理学的知识。量子理论始于电磁辐射（如热和光）性质的发现，尽管这种辐射以波的形式在空间中传播，但它是由粒子组成的，因为光的发射和吸收以光子这种微小能量包（或量子）的形式发生。这种由波和粒子组成的奇怪的混合体有时被称为波粒二象性，事实证明，这种现象适用于原子和亚原子尺度上的所有物理实体。因此，通常被认为是粒子的实体，比如电子、质子、中子，甚至整个原子，在某些情况下都会表现出波动的性质。

量子理论的一个核心原则是维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg）提出的不确定性原理。根据该原理，量子物体的所有属性都不具有明确定义的值。比如，电子不可能同时具有确定的位置和确定的动量。在确定的时间，它的能量也没有确定的值，而能量值的不确定性是我们关心的问题。然而，在宏观世界中，能量始终是守恒的，既不能被创造，也不能被消灭，但是在亚原子量子领域，这个定律就失效了。能量可以自发地、不可预测地在时间尺度上发生变化。间隔越短，这些量子的随机涨落就越大。实际上，粒子可以从我们不知道的地方借来能量，当然，这种借贷也需要及时偿还。不确定性原理的精确数学形式要求粒子必须尽快偿还大笔能量贷款，而小笔能量贷款则可以保留更长的时间。

能量的不确定性导致了一些奇怪的效应，比如粒子会突然从无到有，然后又很快消失，比如光子。这些粒子依靠借来的能量生存，因此也借着时间生存。我们看不到它们，因为它们如闪电一般转瞬即逝，我们通常认为空无一物的空间实际上成群地聚集着这种暂时存在的粒子，包括光子、电子、质子以及其他粒子。为了区分这些暂时存在的粒子和永久的粒子，前者被称为“虚粒子”，后者被称为“实粒子”。

除了暂时性之外，虚粒子与实粒子其实是相同的。事实上，如果系统外部以某种方式提供足够多的能量来偿还能量贷款，那么虚粒子就有可能变为实粒子，因此，虚粒子与任何其他实粒子没有什么区别。比如，一个虚电子通常只能存活约10 ^-21 秒，在短暂的生命中，它不会停留在静止状态，但会在消失之前移动10 ^-11 厘米的距离（一个原子的直径约为10 ^-8 厘米）。如果虚电子在这么短的时间内（比如从电磁场）能接收到能量，它就不会消失，可以作为正常的电子继续存在。

尽管我们看不到虚粒子，但它们真的存在于空旷的空间中，因为它们留下了可检测到的活动痕迹。虚光子可以在原子的能级上产生微小的位移，也能使电子磁矩发生同样微小的变化。这些微小的变化已经被光谱技术精确地测量出来了。

亚原子粒子一般不会自由运动，但会受到各种力的作用。而力的类型取决于所涉及的粒子的类型，这些力也作用于相应的虚粒子之间，正因为如此，上述关于量子真空的简单模型还需要修改。宇宙中可能存在多种真空状态。存在多种可能的“量子态”是量子物理学的一个常见特征，最广为人知的是原子的各种能级。一个绕原子核运行的电子可以以一定的能量且定义明确的状态存在。最低的能级被称为基态，是稳定的；较高的能级被称为激发态，是不稳定的。如果一个电子被激发到一个更高的状态，它会做一个或多个向下的跃迁回到基态，这种激发态有很明确的半衰期。

类似的原理也适用于真空，它可能有一个或多个激发态。这些真空中存在着不同的能量，尽管它们看起来是相同的，也就是说，是空的。最低能级或者基态有时又被称为真真空，这表明它处于稳定的状态，与目前可见宇宙中的真空状态相吻合。处于激发态的真空被称为伪真空。

值得强调的是，伪真空仍然是一个纯粹的理论概念，它们的性质很大程度上取决于人们引用的特定理论。伪真空的概念也出现在最新的理论中，这些理论旨在统一自然的4种基本力：我们日常生活中熟悉的引力和电磁力以及被称为弱相互作用力和强相互作用力的两个短程力。以前，人们认为电和磁是截然不同的，它们的统一过程始于19世纪初，并在近几十年中取得了进展。现在我们知道，电磁力和弱相互作用力是相互联系的，两者共同形成了单一的电弱力。许多物理学家认为，电弱力作为大一统理论的一部分，将来也会证明，强相互作用力与电弱力有关。很可能，这4种力在某个更深的层次上可以合并成一种单一的超级力。

各种大一统理论都预言了一种最有可能的暴胀机制。这些理论的一个关键特征是，伪真空状态具有惊人的能量：1立方厘米的空间包含10 ⁸⁷ 焦耳能量！在这种状态下，一个原子的体积也将包含10 ⁶² 焦耳能量。相比之下，一个被激发的原子只有10 ^-18 焦耳能量。因此，激发真真空需要巨大的能量，不过我们也不期望在宇宙中发现伪真空。考虑到大爆炸发生的极端条件，这些数字是可以说得通的。

与伪真空状态相关的巨大能量具有强大的引力效应。正如爱因斯坦所指出的，这是因为能量具有质量，因此可以产生引力，就像常规物质一样。量子真空的巨大能量非常诱人：1立方厘米伪真空的质量重达10 ⁶⁷ 吨，比当前整个可见宇宙的质量（约10 ⁵⁰ 吨）还要重！这种巨大的引力无法产生膨胀，后者还需要某种反引力。然而，巨大的伪真空能量与同样巨大的伪真空压力有关，正是这种压力起了作用。通常，我们不认为压力是引力的来源，但它确实是。虽然压力产生向外的机械力，但它也能产生向内的引力。在常见的物体中，与物体质量的影响相比，压力的引力效应可以忽略不计。比如，你在地球上的重量只有不到十亿分之一的重量来自地球的内部压力。然而，压力的引力效应是真实存在的，并且在压力达到极限值的系统中，压力的引力效应可以与质量效应相媲美。

伪真空状态下既有巨大的能量，也有与之相仿的巨大压力，因此它们会争夺对引力的支配权。然而，压力的关键特性是，它是负的。伪真空的压力起的作用不是排斥而是吸引。负压力会产生负引力效应，也就是说，会产生反引力作用。因此，伪真空的引力作用凭借其能量产生的巨大吸引效应与其负压力的巨大排斥效应进行了竞争。事实证明，压力赢了，其净效应是产生一种巨大的排斥力，它可以在瞬间将宇宙炸裂。正是这种巨大的膨胀推动着宇宙的体积每10 ^-34 秒就增加一倍。

伪真空本质上是不稳定的。像所有的激发量子态一样，它倾向于衰变回基态，变为真真空。这个过程只需要几十个滴答就能完成。作为一个量子过程，它会不可避免地表现出不确定性和随机涨落，这与之前讨论过的不确定性原理有关。这意味着衰变不会在整个空间中均匀地发生，而是会有波动。一些理论家认为，这可能是宇宙背景探索者卫星发现的宇宙密度产生微小波动的根源。

当伪真空发生衰变时，宇宙会恢复其正常的膨胀速度，被锁在伪真空中的能量被释放出来，以热的形式出现。暴胀使宇宙冷却到接近绝对零度的温度；突然，暴胀终止，宇宙重新被加热到10 ²⁸ 摄氏度。随着宇宙微波背景辐射的扩散，这种巨大的热能扩散到了目前的低温状态。真空能量释放产生的副产品是，量子真空中的许多虚粒子结合另一些虚粒子，变为实粒子。经过进一步的处理和改变，这些原始粒子的残余物仍旧提供了10 ⁵⁰ 吨的物质，组成了你、我、银河系以及可见宇宙的其余部分。

如果暴胀理论是正确的，那就意味着经过10 ^-32 秒后，决定宇宙的基本结构和物理成分的过程便已经形成了。在暴胀后期，宇宙在亚原子层面上经历了许多额外的变化，使原始物质发展成了构成当前可见宇宙物质的粒子和原子，但大多数物质的处理过程仅仅在三分钟左右就完成了。

宇宙的前三分钟和最后三分钟有什么关系呢？正如子弹的命运在很大程度上取决于射向的目标一样，宇宙的命运也取决于其初始条件。接下来，我会介绍当前的可见宇宙如何从最初的起源开始膨胀以及从大爆炸中产生的物质的性质如何决定了宇宙最终的未来。宇宙的开始和结束深深地交织在一起。 kOwfm5HG9Lg5mzHQv8OEwySt+AuyaNnATf3YXZlo6RzcqMbufOBWGE8s9QHxcHS9