2　设想中的多种宇宙模型

只有模型才能让我们将种种线索串联起来，你要做的是不断假设、论证、推翻、再假设、再论证、再推翻……到最后，总会有一些金子在泥沙中闪耀！

旁人皆为专才，唯有他是全知全能。

——《布鲁斯-帕廷顿计划》（ The Bruce-Partington Plans ）

当阿尔伯特·爱因斯坦于1915年提出广义相对论时，并没有多少人相信宇宙是由巨大的恒星聚集，也就是我们所知的星系构成。当时的人们普遍认为，这些地球外的光源或者星云位于银河系中。天文学家或哲学家也都一致认为充满繁星的宇宙是静态的。

正是在这种认知背景下，爱因斯坦提出了引力新理论，包含且取代了牛顿的经典力学体系。与牛顿对引力的经典描述不同，即使宇宙在一定程度上是无限的，引力也具有描述整个宇宙的非凡能力。人们目前只找出了爱因斯坦方程式的最简单的解。但幸运的是，这个简单的答案已经很好地描述了我们所观察到的宇宙。

当爱因斯坦开始探索新方程式所揭示的宇宙时，他采用了科学家通常使用的方法——对所需解答的问题进行简化。真正的宇宙是一种复杂度远超于我们想象的存在。对我们而言，它就是一头极度复杂的“野兽”，难以应付。也正是因为如此，爱因斯坦对其进行了简化。他假设，宇宙中的物质在任何地方都是均匀分布的，也就是说，他忽略了不同区域的密度变化。他还假设，宇宙在各个方向上都保持一致。我们现在知道，这些假设都是对宇宙状态的极好诠释，宇宙学家今天仍然会在推导宇宙的整体演化情况时采用这种假设。

然而，爱因斯坦的极度苦恼也随之而来，因为他发现自己所推导的方程式要求宇宙必须随着时间的流逝不断膨胀或者收缩。这并不难理解，牛顿对万有引力的描述也符合该要求。如果你把一团尘埃粒子放入太空，由于相互之间的吸引力，粒子团会逐渐收缩，唯一能阻止这种情况发生的是某种爆炸，这样才能将粒子分开。宇宙无法保持静止的状态，除非有另外一种力量介入来对抗引力，在没有相反作用力的情况下，静态分布的恒星以及星系间的引力会使它们收缩。

爱因斯坦对自己的广义相对论推导出来的预测深感困惑。显然，他缺乏说出宇宙并非处于静止状态的自信。在当时，膨胀的宇宙是一种非常奇怪的概念。相反，他开始寻找方法来合理地修改自己的新理论，以阻止宇宙出现膨胀或者收缩的可能性。他发现，可以在数学中引入某个项来代表某种斥力，这种力与作用于物质的引力刚好相反。如果将这个他称为“宇宙常数”的项放入广义相对论中，便可以建立他想要的模型，其中，斥力正好抵消了引力。这就是我们所熟知的爱因斯坦静态宇宙（Einstein static universe）模型（见图2-1）。

1922年，来自圣彼得堡的年轻数学家兼大气物理学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann）对爱因斯坦的计算进行了研究，并发现这位大师的计算存在重大疏漏。静态宇宙虽然是修正方程式的一个解，但并非唯一的解。实际上，其他的解所描述的宇宙都是膨胀的，这也是最初广义相对论方程式预测的结果。爱因斯坦的反引力项无法阻止真实宇宙的膨胀。弗里德曼发现了所有符合广义相对论方程式的膨胀宇宙，并将研究结果转交给了爱因斯坦。

起初，爱因斯坦只是认为，弗里德曼犯了简单的计算错误，但很快，他就被弗里德曼的同事说服了。这位同事发现，包含宇宙常数的方程式推导出来的是一个不真实的静态宇宙：如果爱因斯坦的静态宇宙在最微小的程度上发生改变，就会开始膨胀或者收缩。这个宇宙的版本就如同使一根针在针尖上保持平衡，太过于脆弱。

许多年之后，爱因斯坦将自己对宇宙常数的坚持称为“一生中最大的错误”。宇宙常数的引入让他错过了一个震动世界的机会，即预测出宇宙正在膨胀。这一失误让光环落到了弗里德曼的头上。但可惜的是，弗里德曼没有活着看到他的预言得到实证。7年后，埃德温·哈勃的观测最终让全世界的人们相信宇宙是膨胀的。弗里德曼为了气象研究进行了许多危险的高海拔热气球飞行，曾一度保持热气球高空飞行的世界纪录。1925年，他死于高海拔飞行后遗症。他的早逝对科学界而言是巨大的损失。去世时，他只有37岁。

尽管爱因斯坦继承了传统的静态宇宙观，但这并不意味着他的前辈否认宇宙状态可能发生变化的可能性。尽管之前未曾有宇宙膨胀或者收缩的概念，但有很多人猜测宇宙可能正在逐渐变成一个无序且不适宜居住的状态。这种想法源于人们对热量作为能量来源的研究。工业革命为科学和工程带来巨大进步，其中最重要的是人们对机器和蒸汽机的设计和理解，这些发展衍生出了热能作为能量形式的研究。大家都知道，能源是一种守恒的“商品”，它既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式变为另一种形式。

然而，事情并非这么简单。某些形式的能量比其他形式的更有用，衡量效用的方法是衡量能量存在形式的有序程度：无序程度越高，效用越小。这种被称为“熵”的混乱状态似乎在自然过程中不断增大。在某种程度上，这并没有什么神秘之处。比如，你的桌面和孩子的卧室会从一种有序状态变为一种无序状态，这种过程不可逆。有很多方式可以让事情从有序走向无序，而非相反，我们从实践经验中完全可以确定这一点。这个想法也被写入了著名的热力学第二定律，该定律表明，一个封闭系统的熵不会减小。

对蒸汽驱动引擎的痴迷让鲁道夫·克劳修斯（Rudolf Clausius） 以及其他一些科学家将宇宙本身看作一个符合热力学定律的系统。这预示了多少有点令人沮丧的宇宙前景：宇宙中的一切似乎都在朝着无趣、无结构的状态前进，所有有序的能量形式最终都将被瓦解。为了将这些想法形成逻辑，克劳修斯引入了宇宙“热寂”（heat death）的概念。他预言，在未来，“宇宙将处于一种永恒的死寂状态”，因为熵会不断增大，直至它可能达到的最大值。此后，宇宙将再无任何变化。宇宙将会停在熵值最大的状态——一个毫无特点的辐射海洋，到处都一样，再没有像恒星、行星或者生命这样的有序的东西，只有热辐射变得越来越冷，直到宇宙达到终极平衡。

另一些人则开始研究这个想法能否推演出宇宙遥远过去的状态。该想法暗示着宇宙一定有一个起点，一个具有最高秩序的状态。1873年，具有影响力的英国科学哲学家威廉·杰文斯（William Jevons）声称：

我们无法无限地追溯宇宙的热量历史。对于一个特定的（即过去的时间）负数，公式得出了一个不可能的值。已知的自然规律表明，一些初始热量的分布无法从之前的分布中产生。现在，热力学（theory of heat）让我们陷入了进退两难的境地，要么相信宇宙始于过去的某个特定日期，要么赞成自然法则的运作发生了一些我们无法解释的变化。

引人注意的是，这一论证的提出比宇宙膨胀概念的提出早50年。20世纪30年代，爱因斯坦的引力理论推导出宇宙是膨胀的，这一点被哈勃望远镜证实了。在这样的背景下，英国天文学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）重申了这一观点。他写道：

倒转时间，我们会发现世界上有许许多多的结构。如果我们停留在宇宙早期阶段，就会回到物质和能量可能存在最大结构的时代。再往前追溯是不可能的。因为我们将到达时空的另一端——一个我们称为“起点”的地方。我能够接受现阶段的科学理论对未来的预测，也就是宇宙将变为热寂状态。也许这是数十亿年之后的事，但沙漏中的沙子终将耗尽，我们无法逆转。我没有对这个结论本能地产生退缩心理……奇怪的是，与宗教的渴求相反，人们总是将物理宇宙终将终结的看法视作一种悲观的观点。

20世纪30年代，爱丁顿和他的挚友天文学家詹姆斯·琼斯（James Jeans）所著的读物得到普及，越来越多人知道了宇宙热寂理论。宇宙膨胀理论和克劳修斯的热寂理论相结合，加剧了人们对“宇宙中的物质将退化为无结构的热辐射状态”这一观念的恐慌。这种观点给世人带来了悲观的情绪，并且渗透进当时许多神学和哲学的著作里，甚至出现在像多萝西·L.赛耶斯（Dorothy L. Sayers）这样的当代小说家的作品中。这种观点意味着，无论在地球上，还是在宇宙其他地方，生命的灭绝都将不可避免；同时也证实，世界末日就算离我们还很遥远，也终将会到来。

有趣的是，尽管当时没有人注意到，但杰文斯和其他人关于宇宙“起点”的观点并不完全正确。尽管热力学第二定律要求宇宙的熵在我们追溯过去时变小，但这并不意味着在经过有限的时间后，它会达到零的状态，如图2-2所示。熵可以随着时间的推移呈指数级增长，也可以无限接近于零，但不会真正达到零，如图2-3所示。

另一种情况是，随着时间的推移，宇宙的熵会增大，但在局部区域里，熵会减小。这是目前在宇宙许多地方发生的情况。当地球的生物圈在局部变得更为有序时，熵的减量就超过了地球和太阳间热量交换时总体产生的熵增量。如果你打算用一些木头做一把椅子，那么在施工的过程中，木头的有序程度会提高，熵减小。然而，这些过程并未违背热力学第二定律，因为总熵，也就是能量的输出增加了，包括储存于淀粉中的、储存于身体中的以及施工所耗费的能量。事实上，我们周围所看到的物质世界的复杂性是一种精妙的呈现，自然可以创造出局部的熵减少，这可以为我们带来当所有地方的熵都增大时所不能获得的平衡。

直到最近，宇宙学家才意识到之前提出的宇宙会毁灭的预言并不会发生，也就是说，在未来，当熵达到极大值时，膨胀宇宙不会陷于之前所预测的热寂状态。虽然宇宙的熵会继续增加，但在任何特定的时间下，宇宙所能拥有的最大熵值增长的速度更快。因此，熵可能达到的极大值和宇宙熵的实际极大值之间的差距在不断增大，如图2-4所示。所以，宇宙实际上离完全平衡的“热寂”状态越来越远。

当我们计算宇宙当前的熵时，发现它的值低得惊人。也就是说，我们可以设想宇宙能量分布的方式异常无序。尽管宇宙以熵持续增加的方式膨胀了近150亿年，但它当前仍然处于高度有序的状态，其中的原因仍是一个谜。这意味着宇宙的初始状态一定极度有序，因此当时的状态必定非常特殊，可能由某些对称或者极为有效的宏大规则支配。

然而，事实证明，我们不可能利用这些想法发现这一规则，因为我们对宇宙结构的了解还不足以支撑识别出所有有序和无序的方式。因此，我们也无法完整地计算出宇宙当前的熵。1975年，物理学家雅各布·贝肯斯坦（Jacob Bekenstein）和斯蒂芬·霍金证明了黑洞具有与深量子（deep quantum）相关的熵。英国数学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）推测，类似的熵也可能与宇宙的引力场有关。对未来的宇宙学家而言，全面理解引力在热力学领域的表现是一个难题。我们将在本书的末尾回到这个问题。

如果你不喜欢正在不断膨胀的宇宙，不希望它的熵在未来不断增大，可以选择另一个由弗里德曼提出的宇宙膨胀模型，其中有些宇宙模型膨胀的速度很慢，足以让物质的引力作用在遥远的未来将宇宙坍缩到大小为零的状态，这种最终状态将是极度猛烈的热寂：随着坍缩不断加剧，温度和密度将无限增大。这种宇宙的演化模型提出了循环宇宙的古老概念，即宇宙不断经历着重生，每一次都像凤凰一般从灭亡的灰烬中涅槃（见图2-5）。

根据这种观点，我们生活在一个循环宇宙的膨胀时期，它有着悠久的历史，同时也有着无限的未来。所有的行星、恒星和星系都会在宇宙陷入每一次“大坍缩”时被摧毁，然后宇宙又重新回到膨胀的状态。

尽管该模型在哲学上十分具有吸引力，并且不需要解释宇宙起源时发生了什么才导致现在的膨胀状态，但因为热力学第二定律，它也遭受了不少非议。

关于循环宇宙的反对论点是由美国物理学家理查德·托尔曼（Richard Tolman）在20世纪30年代提出的。他认为，宇宙的大小会在前一个宇宙的最大值上继续增大，因此宇宙的每个周期都大于上一个周期。这有可能发生，因为物质会逐渐耗散于辐射之中，导致对抗宇宙膨胀引力的力增大。因此，在接下来的循环中，膨胀会持续得更久。如果我们沿着一个不断增大的循环宇宙回到过去，它会变得越来越小。在当时以及之后的很长一段时间内，人们又都错误地认为，这意味着宇宙在有限的时间里从大小为零的状态开始膨胀；也可能在过去的时间里，宇宙经历了无数个周期，每个周期都比后来的周期小，但从未达到大小为零的状态（见图2-6）。

另一些人则认为，如果过去已经发生了无数个宇宙循环，那么熵的增大应该会导致现在的宇宙处于热寂状态。然而，由于没有人能够确定宇宙在每次重生时发生了什么，因此这个观点并不具有说服力。一些人推测，在每次宇宙重生的过程中，我们所谓的物理常数、熵值，甚至所有自然法则都可能会重新洗牌。如今，这类争论已经变得无足轻重，因为我们缺乏对宇宙熵值的充分理解。如果引力场以一种非同寻常的方式承载熵，那么宇宙熵值的持续增加很可能不会导致宇宙的大小从一个周期到下一个周期的稳定增长。

如果你和对宇宙学很感兴趣的人交谈，可能会发现，提到大爆炸理论就会让他想起宇宙恒稳态理论。事实上，恒稳态理论早在30年前就不是学界的主流了。尽管如此，作为大爆炸理论的竞争对手，这种理论仍然根植于大众的思想中。恒稳态理论是天体物理学家托马斯·戈尔德（Thomas Gold）、赫尔曼·邦迪（Hermann Bondi）和弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle）的思想的产物。1948年，他们在剑桥大学看了一部以回归到开始状态为结局的电影——《死亡之夜》（ The Dead of Night ），之后就提出了这个模型。“如果宇宙真是这样的呢？”他们这样问自己。他们虽然都知道宇宙在膨胀，但不喜欢宇宙应该有起点的想法，而这似乎正是膨胀的宇宙所暗示的。他们希望宇宙在任何时候，包括从无限过去到永恒未来之间，所呈现的整体外观都是一致的。所以，他们设计了这个模型，在其中，宇宙没有起点，并且从总体上看始终保持一致（见图2-7）。

他们认为，宇宙不是在过去的某个特殊时刻创造出的产物，而是不断地创造物质，并且以正确的造物速度发展，从而平衡由膨胀引起的密度稀释，最终保持宇宙物质密度的恒定。这种状态开始于无限远的过去，并将永恒地延续下去。相比之下，大爆炸理论下的宇宙膨胀导致其密度不断下降，它显然拥有一个创造物质的起点，而且造物过程并未延续下去。顺便说一下，恒稳态宇宙所需的造物速度极为微小，大约每100亿年一次，每立方米增加一个原子，而且我们永远不可能直接观测到如此微小的造物过程。造物速度如此之慢的原因是，宇宙中几乎没有物质。如果如今宇宙中的所有恒星和星系都变成统一的原子海洋，那么每立方米的空间中就只有一个原子。这可比地球上任何实验室所能产生的真空更空。外层空间实际上就是空无一物的房间——空间。

宇宙恒稳态理论的优点之一是具有确定性，对宇宙应该呈现的模样做出了非常肯定的预测，因此很容易被我们观测所得的结果反驳。事实上也的确如此。如果宇宙在所有的时期里都保持一致，那么就不存在所谓的特定的宇宙历史时期，例如，当星系开始形成，或是类星体普遍存在的时期。射电天文学起源于第二次世界大战时期对雷达的研究，这种新科学使天文学家能够以无线电波而非可见光的形式观察那些发射能量的物体。天文学家利用射电望远镜观测到了非常古老的星系，这些星系是无线电波的重大来源。他们观察这类星系以确定它们是否就像大爆炸理论所预测的那样，出现于宇宙的某个特定时期，抑或像宇宙恒稳态理论所预测的那样，一直保持同样的星系数量。20世纪50年代末，不断累积的观测结果表明，过去的宇宙与今天的宇宙大相径庭。在宇宙历史的不同时期，能够发射强烈的无线电波（射电星系）的星系数量并不相同。

当我们观察遥远天体发出的光线时，就好似回到了过去，看到的是光离开时这些天体的模样，所以当我们观察本质上相似但离地球距离不等的天体时，便能了解宇宙在不同时期的模样。当然，我们仍然可以对这些观测结果提出异议。射电天文学家发现，射电星系在过去的数量比现在多得多，当他们试图说服宇宙恒稳态理论的支持者时，引发了两个派系间的激烈争论。

关于宇宙大爆炸理论与恒稳态理论的辩论给大众留下了深刻的印象。1950年由BBC推出的一系列电台节目奠定了舆论基调，该系列节目名为《宇宙的本质》（ The Nature of the Universe ），在当时非常受欢迎。弗雷德·霍伊尔是当时的主持人，他在节目中创造了“大爆炸”（big bang）这个词汇，对宇宙学做了贬义描述。他说宇宙起源于过去某个有限的时间，并从一个密集的状态膨胀而来。

这场激烈的辩论终止于1965年，因为在这一年，阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了宇宙微波背景辐射。在一个稳定的宇宙中不可能存在这样的热辐射，因为恒稳态宇宙从未经历过这样高密度且炽热的过去。相反，它通常是冷静而沉寂的。此外，科学家也观测到宇宙中存在大量的最轻元素，这一结果与大爆炸模型的预测相吻合，这些最轻元素诞生于宇宙膨胀之初的前三分钟出现的剧烈核聚变反应。恒稳态模型无法对这些物质的大量存在提出任何自然的解释，因为恒稳态宇宙从未经历过核聚变反应得以发生的高密度且炽热的早期阶段。

这两项与预测完全吻合的观测结果敲响了恒稳态模型的丧钟，尽管它的一些支持者仍试图以不同的方式来修补该理论，但它再也不能成为宇宙起源模型的候选。大爆炸模型成功地整合了我们对宇宙的观测结果，并确立了它在宇宙起源方面的稳固地位。但人们必须明白，“大爆炸模型”一词的含义只不过描绘了一幅不断膨胀的宇宙图景，它让我们知晓宇宙的过去比现在更加炽热、密度更高，除此之外再无其他。另外，学界还存在着许多不同的宇宙理论学说。宇宙学家的工作则是确定宇宙的膨胀历史，从而确定星系形成的方式，解释为什么星系以星团的方式聚集、为什么宇宙以现在的速度膨胀，解释宇宙的形状以及它内部的物质和辐射间的平衡问题。 mv/wfPLTE2mkuiVBY+hrq/tVAektZV1rN6jwhLFoVGP7LhaG8JqmcKjPNESRXBZC