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整理人: daiqisi(2001-06-08 10:51:27), 站内信件
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解释宇宙的起源
宇宙是如何起源的？探讨这样的问题有何意义？由于人们对宇宙论方面的探索向来都抱有浓厚的兴趣，可能广泛影响人类最根本的态度和信念，最明显的例子莫过于哥白尼革命对统治世界千年之久的中世纪思维方式带来的震憾。我们知道，科学不是停滞不前的，面对不断变化着的观测资料和敏感的科学学说的新结果，我们应该有勇气为这些困难而重要的问题寻找一些可能的答案。在本世纪五、六十年代这一短暂的时期里，曾经发生过一场激烈的争论。一些人认为宇宙是稳恒态的，另一些人则倾向于宇宙演化论，认为宇宙在有限的过去有一个确定的起源——一次灼热的大爆炸。这场争论最后以宇宙演化学说的支持者的胜利而结束，可以说，现代宇宙论研究成果给我们世界观带来的影响决不亚于哥白尼革命产生的震动。
从十九世纪开始，天文学的观测范围因技术上的一些进步而大大地扩大了，这些技术主要包括：制造更大的反射望远镜考察星体射电源的光谱；利用黑体辐射学说测星体表面温度；用原子物理学观点解释星云辐射温度与速度等。近年来，数学物理和观测天文学领域中一系列综合研究成果，更为现代宇宙理论奠定了重要的基础，其中最著名的成果有：⑴广义相对论的基本观念在宇宙论主题对象上的应用；⑵天文学关于星系的空间分布和红移的观测发现；⑶关于各向同性3°K宇宙微波背景辐射的资料；⑷近代粒子物理学理论对宇宙发展阶段的普遍形式的解释。
在以上各项中，首先要提及的是红移现象和3°K宇宙微波背景辐射的数据，它们表明我们所处的宇宙正在膨胀，正在变冷。正是由于这些数据所起的重要作用才使许多学者相信必须放弃近代稳恒态理论而接受某种形式的演化宇宙论理论，这些发现为推导出原始的宇宙大爆炸是宇宙发展中可以认定的最早阶段提供了重要的经验性根据。
依照多普勒的波动源的运动改变波的频率的原理，以光来说，相对于观察者的光源退行运动将使光的频率降低，辐射就会变得较红，是为红移，反之前进运动则会提高频率，使光的振动移向光谱的紫端。天文学家们用这种方法观测星云与太阳系的相对运动，根据这些观测的数据，公元1930年哈勃发现，星云所发出光线的红移跟星云退离太阳系的距离成正比，事实上，银河系外的每个星云都以其和我们银河系距离成正比的速度向后退离，最远星云的退行速度已达到光速的七分之一的高速。①
另外，早在1940年，就有科学家在研究宇宙辐射时代和物质时代时，就对低温微波背景辐射作出了非凡的预见。1965年，在贝尔实验室里工作的两位研究员发现在无线电天线上的一种无法消除的背景噪音是各向同性的，他们据此推测，这种辐射的辐射源来自于银河系以外，后来，这种低温3°K微波背景辐射又借助于先进的外太空探测器所探测到。3°K微波背景辐射可以被解释为产生于特殊的热量和能量条件下，大爆炸刚发生不久而星系还远没有形成的那段时期，当时在光子发射的那一时刻，宇宙的温度高达100亿度左右，在间隔几十亿年后，其温度现为绝对零度上约3°K，这种极低的温度代表了光子的均匀气体微弱残存的辉光，由于宇宙空间的膨胀使光子从它最初被发射的时刻起就一直在变冷。
微波背景辐射的波谱和处于热平衡状态的黑体源射出的波谱是相互对应的，微波背景辐射的频率分布和3°K黑体普朗克曲线也相互对应，黑体辐射的波长只取决于温度，也就是只取决于与辐射发生密切相互作用的物质原子的平均能量，就黑体辐射而言，这一温度是由于辐射与其周围之间温度完全互换而产生的。设想在宇宙的最早阶段，在大爆炸之后不久，个别的基本微粒在非常短暂的时间内相互起作用。结果一种能量平衡状态逐渐在它们之间普遍建立了起来。②
这样就有必要提出一种宇宙发展理论，它承认温度和能量条件在宇宙发展过程中的重要作用，现代粒子理论的特点就是在把它们应用于宇宙论研究时，特别重视研究温度与能量条件如何决定基本粒子和控制这些基本粒子相互作用的力这二者之间的关系，这是因为这些粒子和力在宇宙发展的不同阶段都在起作用。因此空间的膨胀和宇宙的冷却有着密切和重要的关系，并从而对在较低温度下起动起来的种种物理过程也有着密切和重要的关系。
这些理论都在试图理解支配着所有物理现象的四种基本的力或相互作用——引力、电磁力、强力和弱力——的性质及其相互联系。分别的看，这四种力在某些方面彼此不同，例如，引力和电磁力都有无限的作用距离，而强力和弱力则只有极短的作用距离，强力将光子和中子结合在一个原子核里面，弱力制约着原子核中的衰变现象，强力和弱力在它们的作用范围外并不发生作用，而引力在宇宙中来说，则可以是最大的——它使行星环绕太阳，便星系彼此吸引。
然而这四种基本的力之间却有一种潜在的统一性，近年来人们对能量均匀性理论进行的研究，旨在找到一种能包容全部四种基本力的令人满意的一致性，在均匀性起作用的地方，实体或系统表现出某种恒定性，并且展示出一种特定的守恒现象，这种恒定性是和各类属于微粒场的守恒量——能量、电荷、质量、自旋等等——联系在起的。在最高的能量水平上，所有四种力都被统一在一起，这时只有在一种力，而且所有的力都处于一种完全的完美的均匀状态之中。当能量和温度下降后，这种均匀状态就被打破，于是力的分化就发生了，在这一阶段，有两种力存在，一是引力，一是结合了电弱力和强力的单一力。随着能量和温度的下降，第二次冻结发生了，在这一阶段有三种力出现，即电弱力、强力和引力。最后，在更低的能量和温度下，四种力之间常见的区别就产生了。因此，这种对连续不断的冻结的描绘体现了宇宙演化过程的主要阶段上四种力之间不同的分化坪，各种不同的力以及它们所包容的微粒都从一种相对而言尚未分化的统一体或母体产生出来。③
于是我们这样假定，宇宙始于一种无限的密度和温度状态，一个巨大的原始的火球，它发生了爆炸。这是一次灼热的、壮观的大爆炸，大爆炸之后10-35秒时，宇宙经历了迅速的，以若干次幕的方式无数倍地增长的膨胀性扩展，其中包含激烈的相移。以水的相变为例，水由气体到液体到固体，有一定数量的能量和热量被转换，但在一定的条件下，液体温度低于一般冰点时仍可继续保留其液相状态，直到遇到适当内核而冻结，则释放的潜热会使相变中的固体温度上升。当然，宇宙爆炸中的相移应比上述情况远为复杂和迥然不同，根据高斯的设想，物质和能量的均匀相位随后很可能进入一种超冷状态即1022°K这么低的温度，在这种状态下，宇宙迅速发生加速膨胀和变冷。最后，均匀性被打破了，宇宙进入非均匀性的相位，在这个相移期间，大量的潜在热量被释放出来，受影响的各空间区域又被重新加热到接近于1027度K的温度，然后在此基础上又按空间上一致的方式不断扩展，并且在其膨胀和冷却的过程中引起了各种物理的、天文的以及其它现象。④
为了解释宇宙演化过程的主要阶段，天文学家们有理由有信心把遥远过去的进化一直追溯到以“普朗克时”（10-43秒）命名的那一刹那，已经使详细描述与理解“普朗克时”之后的各种事件成为可能，但是不能再向这一时间之前推溯，因此人们往往认为，解释t=0这一点上宇宙的起源的答案甚至是毫无意义的，于是许多天文学家宁可放弃探究在此之前发生过什么的一切努力。
虽然就目前的宇宙论知识水平而言，t=0点上的任何答案都会被认为是带有很大推测性质和完全是试探性的。但是有很多宇宙论学家仍坚持认为可以使这个问题变得有意义和可能予以解答。一个基本的想法就是把宇宙的起源解释为起因于真空状态发生了偶然的、自发的、完全不可预知的一种波动，这些理论是对宇宙产生于无这一信条的新的婉解，因此也是非常精妙的解释。
最早的设想出自于爱德华.P.特芮昂的一篇论文中，他发现许多标准守恒物理量合计为0。这种守恒量在普遍物理学中处处可见，例如能量、动量、电荷等。其后，特芮昂又设法表明，宇宙中所有守恒量的净值都为0，这样一来，人们或许有理由说：包容这些量的宇宙本身便是起源于无的，在从真空脱颖而出的过程中，宇宙并不违反任何守恒定律，因为真空状态本身的能量为0。⑤
于是假定宇宙产生前是处于虚假的真空状态，是一个小的空洞无物的球体，里面没有物质，而且是一种稳定的时空状态。而真正宇宙则是诞生于一场量子力学上的遂道效应（势垒洞穿），宇宙创始的过程也纯粹是一场可能性有限的事，这样诞生之后，宇宙便发展到一个火球阶段，正是在这一阶段，产生了粒子，火球随后经历了膨胀与变冷的过程，而在这一过程中，粒子停止产生。
当然，如果我们要想使前面所讲的建议有意义，显然要承认，在这方面所谓的“虚无” 并不意味着“绝对无物”，既然真空能通过量子的波动和隧道化过程产生一个宇宙，就必然具有其自身的真实性。
参考文献
①斯蒂芬.F.梅森《自然科学史》，532
②Physics Today(September 1980),30-39
③Perfect Symmctry(New york:Simon and schuster,1985)
④“The Early universe” Nature 294(1988),521-526
⑤“is the universe a Vacuum Fluctuation?” Nature (1990), 396-397
2000年5月写于中大
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