Question

关于宇宙的知识

……要简单鍀..谢谢……^_^

Answer 1

爱因斯坦广义相对论本身预言了：空间—时间在大爆炸奇点处开始，并会在大挤压
奇点处（如果整个宇宙坍缩的话）或在黑洞中的一个奇点处（如果一个局部区域，譬如
恒星要坍缩的话）结束。任何抛进黑洞的东西都会在奇点处被毁灭，只有它的质量的引
力效应能继续在外面被感觉得到。另一方面，当计入量子效应时，物体的质量和能量会
最终回到宇宙的其余部分，黑洞和在它当中的任何奇点一道被蒸发掉并最终消失。量子
力学对大爆炸和大挤压奇点也能有同样戏剧性的效应吗？在宇宙的极早或极晚期，当引
力场是如此之强，以至于量子效应不能不考虑时，究竟会发生什么？宇宙究竟是否有一
个开端或终结？如果有的话，它们是什么样子的？
整个70年代我主要在研究黑洞，但在1981年参加在梵蒂冈由耶稣会组织的宇宙学会
议时，我对于宇宙的起源和命运问题的兴趣重新被唤起。天主教会试图对科学的问题立
法，并宣布太阳是绕着地球运动时，对伽利略犯下了大错误。几个世纪后的现在，它决
定邀请一些专家就宇宙学问题提出建议。在会议的尾声，所有参加者应邀出席教皇的一
次演讲。他告诉我们，在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但是我们不应该去过问
大爆炸本身，因为那是创生的时刻，因而是上帝的事务。那时候我心中暗喜，他并不知
道，我刚在会议上作过的演讲的主题——空间—时间是有限而无界的可能性，就表明着
没有开端、没有创生的时刻。我不想去分享伽利略的厄运。我对伽利略之所以有一种强
烈的认同感，其部分原因是刚好我出生于他死后的300年！
为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想，必须首先按
照“热大爆炸模型”来理解为大家所接受的宇宙历史。它是假定从早到大爆炸时刻起宇
宙就用弗利德曼模型描述。在此模型中，人们发现当宇宙膨胀时，其中的任何物体或辐
射都变得更凉。（当宇宙的尺度大到二倍，它的温度就降低到一半。）由于温度即是粒
子的平均能量——或速度的测度，宇宙的变凉对于其中的物质就会有较大的效应。在非
常高的温度下，粒子会运动得如此之快，以至于能逃脱任何由核力或电磁力将它们吸引
一起的作用。但是可以预料，当它们变冷下来时，互相吸引的粒子开始结块。更有甚者，
连存在于宇宙中的粒子的种类也依赖于温度。在足够高的温度下，粒子的能量是如此之
高，只要它们碰撞就会产生出来很多不同的粒子／反粒子对——并且，虽然其中一些粒
子打到反粒子上去时会湮灭，但是它们产生得比湮灭得更快。然而，在更低的温度下，
碰撞粒子具有较小的能量，粒子／反粒子对产生得不快，而湮灭则变得比产生更快。
就在大爆炸时，宇宙体积被认为是零，所以是无限热。但是，辐射的温度随着宇宙
的膨胀而降低。大爆炸后的1秒钟，温度降低到约为100亿度，这大约是太阳中心温度的
1千倍，亦即氢弹爆炸达到的温度。此刻宇宙主要包含光子、电子和中微子（极轻的粒子，
它只受弱力和引力的作用）和它们的反粒子，还有一些质子和中子。随着宇宙的继续膨
胀，温度继续降低，电子／反电子对在碰撞中的产生率就落到它们湮灭率之下。这样只
剩下很少的电子，而大部分电子和反电子相互湮灭，产生出更多的光子。然而，中微子
和反中微子并没有互相湮灭掉，因为这些粒子和它们自己以及其他粒子的作用非常微弱，
所以直到今天它们应该仍然存在。如果我们能观测到它们，就会为非常热的早期宇宙阶
段的图象提供一个很好的证据。可惜现今它们的能量太低了，以至于我们不能直接地观
察到。然而，如果中微子不是零质量，而是如苏联在1981年进行的一次没被证实的实验
所暗示的，自身具有小的质量，我们则可能间接地探测到它们。正如前面提到的那样，
它们可以是“暗物质”的一种形式，具有足够的引力吸引去遏止宇宙的膨胀，并使之重
新坍缩。
在大爆炸后的大约100秒，温度降到了10亿度，也即最热的恒星内部的温度。在此温
度下，质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引，所以开始结合产生氘（重氢）
的原子核。氘核包含一个质子和一个中子。然后，氘核和更多的质子中子相结合形成氦
核，它包含二个质子和二个中子，还产生了少量的两种更重的元素锂和铍。可以计算出，
在热大爆炸模型中大约4分之1的质子和中子转变了氦核，还有少量的重氢和其他元素。
所余下的中子会衰变成质子，这正是通常氢原子的核。
1948年，科学家乔治·伽莫夫和他的学生拉夫·阿尔法在合写的一篇著名的论文中，
第一次提出了宇宙的热的早期阶段的图像。伽莫夫颇有幽默——他说服了核物理学家汉
斯·贝特将他的名字加到这论文上面，使得列名作者为“阿尔法、贝特、伽莫夫”，正
如希腊字母的前三个：阿尔法、贝他、伽玛，这特别适合于一篇关于宇宙开初的论文！
他们在此论文中作出了一个惊人的预言：宇宙的热的早期阶段的辐射（以光子的形式）
今天还应在周围存在，但是其温度已被降低到只比绝对零度（一273℃）高几度。这正是
彭齐亚斯和威尔逊在1965年发现的辐射。在阿尔法、贝特和伽莫夫写此论文时，对于质
子和中子的核反应了解得不多。所以对于早期宇宙不同元素比例所作的预言相当不准确，
但是，在用更好的知识重新进行这些计算之后，现在已和我们的观测符合得非常好。况
且，在解释宇宙为何应该有这么多氦时，用任何其他方法都是非常困难的。所以，我们
相当确信，至少一直回溯到大爆炸后大约一秒钟为止，这个图像是正确无误的。
大爆炸后的几个钟头之内，氦和其他元素的产生就停止了。之后的100万年左右，宇
宙仅仅只是继续膨胀，没有发生什么事。最后，一旦温度降低到几千度，电子和核子不
再有足够能量去抵抗它们之间的电磁吸引力，它们就开始结合形成原子。宇宙作为整体，
继续膨胀变冷，但在一个略比平均更密集的区域，膨胀就会由于额外的引力吸引而慢下
来。在一些区域膨胀会最终停止并开始坍缩。当它们坍缩时，在这些区域外的物体的引
力拉力使它们开始很慢地旋转；当坍缩的区域变得更小，它会自转得更快——正如在冰
上自转的滑冰者，缩回手臂时会自转得更快；最终，当这些区域变得足够小，自转的速
度就足以平衡引力的吸引，碟状的旋转星系就以这种方式诞生了。另外一些区域刚好没
有得到旋转，就形成了叫做椭圆星系的椭球状物体。这些区域之所以停止坍缩是因为星
系的个别部分稳定地绕着它的中心旋转，但星系整体并没有旋转。
随着时间流逝，星系中的氢和氦气体被分割成更小的星云，它们在自身引力下坍缩。
当它们收缩时，其中的原子相碰撞，气体温度升高，直到最后，热得足以开始热骤变反
应。这些反应将更多的氢转变成氦，释放出的热升高了压力，因此使星云不再继续收缩。
正如同我们的太阳一样，它们将氢燃烧成氦，并将得到的能量以热和光的形式辐射出来。
它们会稳定地在这种状态下停留一段很长的时间。质量更大的恒星需要变得更热，以去
平衡它们更强的引力，使得其核聚变反应进行得极快，以至于它们在1亿年这么短的时间
里将氢用光。然后，它们会稍微收缩一点。当它们进一步变热，就开始将氦转变成像碳
和氧这样更重的元素。但是，这一过程没有释放出太多的能量，所以正如在黑洞那一章
描述的，危机就会发生了。人们不完全清楚下面还会发生什么，但是看来恒星的中心
区域会坍缩成一个非常紧致的状态，譬如中子星或黑洞。恒星的外部区域有时会在叫做
超新星的巨大爆发中吹出来，这种爆发会使星系中的所有恒星相形之下显得黯淡无光。
一些恒星接近生命终点时产生的重元素就抛回到星系里的气体中去，为下一代恒星提供
一些原料。我们自己的太阳包含大约2％这样的重元素，因为它是第二代或第三代恒星，
是由50亿年前从包含有更早的超新星的碎片的旋转气体云形成的。云里的大部分气体形
成了太阳或者喷到外面去，但是少量的重元素集聚在一起，形成了像地球这样的、现在
绕太阳公转的物体。
地球原先是非常热的，并且没有大气。在时间的长河中它冷却下来，并从岩石中溢
出的气体里得到了大气。这早先的大气不能使我们存活。因为它不包含氧气，但有很多
对我们有毒的气体，如硫化氢（即是使臭鸡蛋难闻的气体）。然而，存在其他在这条件
下能繁衍的生命的原始形式。人们认为，它们可能是作为原子的偶然结合形成叫做宏观
分子的大结构的结果而在海洋中发展，这种结构能够将海洋中的其他原子聚集成类似的
结构。它们就这样地复制了自己并繁殖。在有些情况下复制有误差。这些误差多数使得
新的宏观分子不能复制自己，并最终被消灭。然而，有一些误差会产生出新的宏观分子，
在复制它们自己时会变得更好。所以它们具有优点，并趋向于取代原先的宏观分子。进
化的过程就是用这种方式开始，它导致了越来越复杂的自复制的组织。第一种原始的生
命形式消化了包括硫化氢在内的不同物质而放出氧气。这样就逐渐地将大气改变到今天
这样的成份，允许诸如鱼、爬行动物、哺乳动物以及最后人类等生命的更高形式的发展。
宇宙从非常热开始并随膨胀而冷却的景象，和我们今天所有的观测证据相一致。尽
管如此，还有许多重要问题未被回答：
（1）为何早期宇宙如此之热？
（2）为何在大尺度上宇宙是如此一致？为何在空间的所有地方和所有方向上它显得
是一样的？尤其是，当我们朝不同方向看时，为何微波辐射背景的温度是如此之相同？
这有点像问许多学生一个考试题。如果所有人都刚好给出相同的回答，你就会十分肯定，
他们互相之间通过话。在上述的模型中，从大爆炸开始光还没有来得及从一个很远的区
域传到另一个区域，即使这两个区域在宇宙的早期靠得很近。按照相对论，如果连光都
不能从一个区域走到另一个区域，则没有任何其他的信息能做到。所以，除非因为某种
不能解释的原因，导致早期宇宙中不同的区域刚好从同样的温度开始，否则，没有一种
方法能使它们有互相一样的温度。
（3）为何宇宙以这样接近于区分坍缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的速率开始，以
至于即使在100亿年以后的现在，它仍然几乎以临界的速率膨胀？如果在大爆炸后的1秒
钟那一时刻其膨胀率甚至只要小十亿亿分之一，那么在它达到今天这么大的尺度之前宇
宙就已坍缩。
（4）尽管在大尺度上宇宙是如此的一致和均匀，它却包含有局部的无规性，诸如恒
星和星系。人们认为，这些是从早期宇宙中不同区域间的密度的很小的差别发展而来。
这些密度起伏的起源是什么？
广义相对论本身不能解释这些特征或回答这些问题，因为它预言，在大爆炸奇点宇
宙是从无限密度开始的。在奇点处，广义相对论和所有其他物理定律都失效：人们不能
预言从奇点会出来什么。正如以前解释的，这表明我们可以从这理论中除去大爆炸奇点
和任何先于它的事件，因为它们对我们没有任何观测效应。空间一时间就会有边界——
大爆炸处的开端。
看来科学揭露了一组定律，在不确定性原理极限内，如果我们知道宇宙在任一时刻
的状态，这些定律就会告诉我们，它如何随时间发展。这些定律也许原先是由上帝颁布
的，但是看来从那以后他就让宇宙按照这些定律去演化，而不再对它干涉。但是，它是
如何选择宇宙的初始状态和结构的？在时间的开端处“边界条件”是什么？
一种可能的回答是，上帝选择宇宙的这种初始结构是因为某些我们无望理解的原因。
这肯定是在一个全能造物主的力量之内。但是如果他使宇宙以这种不可理解的方式开始，
何以他又选择让它按照我们可理解的定律去演化？整部科学史是对事件不是以任意方式
发生，而是反映了一定的内在秩序的逐步的意识。这秩序可以是、也可以不是由神灵主
宰的。只有假定这种秩序不但应用于定律，而且应用于在空间—时间边界处所给定的宇
宙初始条件才是自然的。可以有大量具有不同初始条件的宇宙模型，它们都服从定律。
应该存在某种原则去抽取一个初始状态，也就是一个模型去代表我们的宇宙。
所谓的紊乱边界条件即是这样的一种可能性。这里含蓄地假定，或者宇宙是空间无
限的，或者存在无限多宇宙。在紊乱边界条件下，在刚刚大爆炸之后，寻求任何空间的
区域在任意给定的结构的概率，在某种意义上，和它在任何其他的结构的概率是一样的：
宇宙初始态的选择纯粹是随机的。这意味着，早期宇宙可能是非常紊乱和无规则的。因
为与光滑和有序的宇宙相比，存在着更多得多的紊乱和无序的宇宙。（如果每一结构都
是等几率的，多半宇宙是从紊乱无序态开始，就是因为这种态多得这么多。）很难理解，
从这样紊乱的初始条件，如何导致今天我们这个在大尺度上如此光滑和规则的宇宙。人
们还预料，在这样的模型中，密度起伏导致了比由伽玛射线背景所限定的多得多的太初
黑洞的形成。
如果宇宙确实是空间无限的，或者如果存在无限多宇宙，则就会存在某些从光滑和
一致的形态开始演化的大的区域。这有一点像著名的一大群猴子敲打打字机的故事——
它们大部分所写的都是废话。但是纯粹由于偶然，它们可能碰巧打出莎士比亚的一首短
诗。类似地，在宇宙的情形，是否我们可能刚好生活在一个光滑和一致的区域里呢？初
看起来，这是非常不可能的，因为这样光滑的区域比紊乱的无序的区域少得多得多。然
而，假定只有在光滑的区域里星系、恒星才能形成，才能有合适的条件，让像我们这样
复杂的、有能力质疑为什么宇宙是如此光滑的问题、能自然复制的组织得以存在。这就
是被称为人择原理的一个应用的例子。人择原理可以释义作：“我们看到的宇宙之所以
这个样子，乃是因为我们的存在。”
人择原理有弱的和强的意义下的两种版本。弱人择原理是讲，在一个大的或具有无
限空间和／或时间的宇宙里，只有在空间一时间有限的一定区域里，才存在智慧生命发
展的必要条件。在这些区域中，如果智慧生物观察到他们在宇宙的位置满足那些为他们
生存所需的条件，他们不应感到惊讶。这有点像生活在富裕街坊的富人看不到任何贫穷。
应用弱人择原理的一个例子是“解释”为何大爆炸发生于大约100亿年之前——智慧
生物需要那么长时间演化。正如前面所解释的，一个早代的恒星首先必须形成。这些恒
星将一些原先的氢和氦转化成像碳和氧这样的元素，由这些元素构成我们。然后恒星作
为超新星而爆发，其裂片形成其他恒星和行星，其中就包括我们的太阳系，太阳系年龄
大约是50亿年。地球存在的头10亿或20亿年，对于任何复杂东西的发展都嫌太热。余下
的30亿年左右才用于生物进化的漫长过程，这个过程导致从最简单的组织到能够测量回
溯到大爆炸那一瞬间的生物的形成。
很少人会对弱人择原理的有效性提出异议。然而，有的人走得更远并提出强人择原
理。按照这个理论，存在许多不同的宇宙或者一个单独宇宙的许多不同的区域，每一个
都有自己初始的结构，或许还有自己的一套科学定律。在这些大部分宇宙中，不具备复
杂组织发展的条件；只有很少像我们的宇宙，在那里智慧生命得以发展并质疑：“为何
宇宙是我们看到的这种样子？”这回答很简单：如果它不是这个样子，我们就不会在这
儿！
我们现在知道，科学定律包含许多基本的数，如电子电荷的大小以及质子和电子的
质量比。至少现在，我们不能从理论上预言这些数值——我们必须由观察找到它们。也
许有一天，我们会发现一个将它们所有都预言出来的一个完整的统一理论，但是还可能
它们之中的一些或全部，在不同的宇宙或在一个宇宙之中是变化的。令人吃惊的事实是，
这些数值看来是被非常细致地调整到使得生命的发展成为可能。例如，如果电子的电荷
只要稍微有点不同，则要么恒星不能够燃烧氢和氦，要么它们没有爆炸过。当然，也许
存在其他形式的、甚至还没被科学幻想作家梦想过的智慧生命。它并不需要像太阳这样
恒星的光，或在恒星中制造出并在它爆炸时被抛到空间去的更重的化学元素。尽管如此，
看来很清楚，允许任何智慧生命形式的发展的数值范围是比较小的。对于大部份数值的
集合，宇宙也会产生，虽然它们可以是非常美的，但不包含任何一个能为如此美丽而惊
讶的人。人们既可以认为这是在创生和科学定律选择中的神意的证据，也可以认为是对
强人择原理的支持。
人们可以提出一系列理由，来反对强人择原理对宇宙的所观察到的状态的解释。首
先，在何种意义上可以说，所有这些不同的宇宙存在？如果它们确实互相隔开，在其他
宇宙发生的东西，怎么可以在我们自己的宇宙中没有可观测的后果？所以，我们应该用
经济学原理，将它们从理论中割除去。另一方面，它们若仅仅是一个单独宇宙的不同区
域，则在每个区域里的科学定律必须是一样的，因为否则人们不能从一个区域连续地运
动到另一区域。在这种情况下，不同区域之间的仅有的不同只是它们的初始结构。这样，
强人择原理即归结为弱人择原理。
对强人择原理的第二个异议是，它和整个科学史的潮流背道而驰。我们是从托勒密
和他的党人的地心宇宙论发展而来，通过哥白尼和伽利略日心宇宙论，直到现代的图象，
其中地球是一个中等大小的行星，它绕着一个寻常的螺旋星系外圈的普通恒星作公转，
而这星系本身只是在可观察到的宇宙中万亿个星系中的一个。然而强人择原理却宣布，
这整个庞大的构造仅仅是为我们的缘故而存在，这是非常难以令人置信的。我们太阳系
肯定是我们存在的前提，人们可以将之推广于我们的星系，使之允许早代的恒星产生重
元素。但是，丝毫看不出存在任何其他星系的必要，在大尺度上也不需要宇宙在每一方
向上必须如此一致和类似。
如果人们能够表明，相当多的宇宙的不同初始结构会演化产生像我们今天看到的宇
宙，至少在弱的形式上，人们会对人择原理感到更满意。如果这样，则一个从某些随机
的初始条件发展而来的宇宙，应当包含许多光滑的、一致的并适合智慧生命演化的区域。
另一方面，如果宇宙的初始条件必须极端仔细地选择，才能导致在我们周围所看到的一
切，宇宙就不太可能包含任何会出现生命的区域。在上述的热大爆炸模型中，没有足够
的方向使热从一个区域流到另一区域。这意味着宇宙的初始态在每一处必须刚好有同样
的温度，才能说明我们在每一方向上看到的微波背景辐射都有同样温度，其初始的膨胀
率也要非常精确地选择，才能使得现在的膨胀率仍然是如此接近于需要用以避免坍缩的
临界速率。这表明，如果直到时间的开端热大爆炸模型都是正确的，则必须非常仔细地
选择宇宙的初始态。所以，除非作为上帝有意创造像我们这样生命的行为，否则要解释
为何宇宙只用这种方式起始是非常困难的。
为了试图寻找一个能从许多不同的初始结构演化到象现在这样的宇宙的宇宙模型，
麻省理工学院的科学家阿伦·固斯提出，早期宇宙可能存在过一个非常快速膨胀的时期。
这种膨胀叫做“暴涨”，意指宇宙在一段时间里，不像现在这样以减少的、而是以增加
的速率膨胀。按照固斯理论，在远远小于1秒的时间里，宇宙的半径增大了100万亿亿亿
（1后面跟30个0）倍。
固斯提出，宇宙是以一个非常热而且相当紊乱的状态从大爆炸开始的。这些高温表
明宇宙中的粒子运动得非常快并具有高能量。正如早先我们讨论的，人们预料在这么高
的温度下，强和弱核力及电磁力都被统一成一个单独的力。当宇宙膨胀时它会变冷，粒
子能量下降。最后出现了所谓的相变，并且力之间的对称性被破坏了：强力变得和弱力
以及电磁力不同。相变的一个普通的例子是，当水降温时会冻结成冰。液态水是对称的，
它在任何一点和任何方向上都是相同的。然而，当冰晶体形成时，它们有确定的位置，
并在某一方向上整齐排列，这就破坏了水的对称。
处理水的时候，只要你足够小心，就能使之“过冷”，也就是可以将温度降低到冰
点（0℃）以下而不结冰。固斯认为，宇宙的行为也很相似：宇宙温度可以低到临界值以
下，而没有使不同的力之间的对称受到破坏。如果发生这种情形，宇宙就处于一个不稳
定状态，其能量比对称破缺时更大。这特殊的额外能量呈现出反引力的效应：其作用如
同一个宇宙常数。宇宙常数是当爱因斯坦在试图建立一个稳定的宇宙模型时，引进广义
相对论之中去的。由于宇宙已经像大爆炸模型那样膨胀，所以这宇宙常数的排斥效应使
得宇宙以不断增加的速度膨胀，即使在一些物质粒子比平均数多的区域，这一有效宇宙
常数的排斥作用超过了物质的引力吸引作用。这样，这些区域也以加速暴涨的形式而膨
胀。当它们膨胀时，物质粒子越分越开，留下了一个几乎不包含任何粒子，并仍然处于
过冷状态的膨胀的宇宙。宇宙中的任何不规则性都被这膨胀抹平，正如当你吹胀气球时，
它上面的皱纹就被抹平了。所以，宇宙现在光滑一致的状态，可以是从许多不同的非一
致的初始状态演化而来。
在这样一个其膨胀由宇宙常数加速、而不由物质的引力吸引使之减慢的宇宙中，早
期宇宙中的光线就有足够的时间从一个地方传到另一个地方。这就解答了早先提出的，
为何在早期宇宙中的不同区域具有同样性质的问题。不但如此，宇宙的膨胀率也自动变
得非常接近于由宇宙的能量密度决定的临界值。这样，不必去假设宇宙初始膨胀率曾被
非常仔细地选择过，就能解释为何现在的膨胀率仍然是如此地接近于临界值。
暴涨的思想还能解释为何宇宙存在这么多物质。在我们能观察到的宇宙里大体有1亿
亿亿亿亿亿亿亿亿亿（1后面跟80个0）个粒子。它们从何而来？答案是，在量子理论中，
粒子可以从粒子／反粒子对的形式由能量中创生出来。但这只不过引起了能量从何而来
的问题。答案是，宇宙的总能量刚好是零。宇宙的物质是由正能量构成的；然而，所有
物质都由引力互相吸引。两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量，
因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开。这样，在一定意义上，
引力场具有负能量。在空间上大体一致的宇宙的情形中，人们可以证明，这个负的引力
能刚好抵消了物质所代表的正能量，所以宇宙的总能量为零。
零的两倍仍为零。这样宇宙可以同时将其正的物质能和负的引力能加倍，而不破坏
其能量的守恒。在宇宙的正常膨胀时，这并没有发生。这时当宇宙变大时，物质能量密
度下降。然而，这种情形确实发生于暴涨时期。因为宇宙膨胀时，过冷态的能量密度保
持不变：当宇宙体积加倍时，正物质能和负引力能都加倍，总能量保持为零。在暴涨相，
宇宙的尺度增大了一个非常大的倍数。这样，可用以制造粒子的总能量变得非常大。正
如固斯所说的：“都说没有免费午餐这件事，但是宇宙是最彻底的免费午餐。”
今天宇宙不是以暴涨的方式膨胀。这样，必须有一种机制，它可以消去这一非常大
的有效宇宙常数，从而使膨胀率从加速的状态，改变为正如同今天这样由引力减慢下的
样子。人们可以预料，在宇宙暴涨时不同力之间的对称最终会被破坏，正如过冷的水最
终会凝固一样。这样，未破缺的对称态的额外能量就会释放，并将宇宙重新加热到刚好
低于使不同力对称的临界温度。以后，宇宙就以标准的大爆炸模式继续膨胀并变冷。但
是，现在找到了何以宇宙刚好以临界速率膨胀，并在不同的区域具有相同温度的解释。
在固斯的原先设想中，有点像在非常冷的水中出现冰晶体，相变是突然发生的。其
想法是，正如同沸腾的水围绕着蒸汽泡，新的对称破缺相的“泡泡”在原有的对称相中
形成。泡泡膨胀并互相碰撞，直到整个宇宙变成新相。麻烦在于，正如同我和其他几个
人所指出的，宇宙膨胀得如此之快，甚至即使泡泡以光速涨大，它们也要互相分离，并
因此不能合并在一起。结果宇宙变成一种非常不一致的状态，有些区域仍具有不同力之
间的对称。这样的模型跟我们所观察到的宇宙并不吻合。
1981年10月，我去莫斯科参加量子引力的会议。会后，我在斯特堡天文研究所做了
一个有关暴涨模型和它的问题的讲演。听众席中有一年轻的苏联人——莫斯科列别提夫
研究所的安德雷·林德——他讲，如果泡泡是如此之大，以至于我们宇宙的区域被整个
地包含在一个单独的泡泡之中，则可以避免泡泡不能合并在一起的困难。为了使这个行
得通，从对称相向对称破缺相的改变必须在泡泡中进行得非常慢，而按照大统一理论这
是相当可能的。林德的缓慢对称破缺思想是非常好的，但过后我意识到，他的泡泡在那
一时刻必须比宇宙的尺度还要大！我指出，那时对称不仅仅在泡泡里，而且在所有的地
方同时被破坏。这会导致一个正如我们所观察到的一致的宇宙。我被这个思想弄得非常
激动，并和我的一个学生因·莫斯讨论。然而，当我后来收到一个科学杂志社寄来的林
德的论文，征求是否可以发表时，作为他的朋友，我感到相当难为情。我回答说，这里
有一个关于泡泡比宇宙还大的瑕疵，但是里面关于缓慢对称破缺的基本思想是非常好的。
我建议将此论文照原样发表。因为林德要花几个月时间去改正它，并且他寄到西方的任

Answer 2

宇宙知识
一、人类对宇宙的认识过程 在中国西周时期，生活在华夏大地上的人们提出的早期盖天说认为，天穹像 一口锅，倒扣在平坦的大地上；后来又发展为后期盖天说，认为大地的形状也是 拱形的。公元前 7 世纪 ，巴比伦人认为，天和地都是拱形的，大地被海洋所环绕， 而其中央则是高山。古埃及人把宇宙想象成以天为盒盖、大地为盒底的大盒子， 大地的中央则是尼罗河。古印度人想象圆盘形的大地负在几只大象上，而象则站 在巨大的龟背上，公元前 7 世纪末，古希腊的泰勒斯认为，大地是浮在水面上的 巨大圆盘，上面笼罩着拱形的天穹。 最早认识到大地是球形的是古希腊人。公元前 6 世纪，毕达哥拉斯从美学观 念出发，认为一切立体图形中最美的是球形，主张天体和我们所居住的大地都是 球形的。这一观念为后来许多古希腊学者所继承，但直到 1519～1522 年，葡萄 牙的 F.麦哲伦率领探险队完成了第一次环球航行后 ，地球是球形的观念才最终证 实。 当代天文学的研究成果表明，宇宙是有层次结构的、物质形态多样的、不断 运动发展的天体系统。
二、宇宙的层次结构 行星是最基本的天体系统。 太阳系中共有九大行星： 水星 金星 地球 火星 木 星 土星 天王星 海王星 冥王星（目前只有极少数科学家同意开除它，降为矮行 星） 。除水星和金星外，其他行星都有卫星绕其运转，地球有一个卫星 月球，土星的卫星最多，已确认的有 26 颗。行星 小行星 彗星和流星体都围绕中心天体太 阳运转，构成太阳系。太阳占太阳系总质量的 99.86％，其直径约 140 万千米，最 大的行星木星的直径约 14 万千米。 太阳系的大小约 120 亿千米 （以冥王星作边界） 。 有证据表明，太阳系外也存在其他行星系统。2500 亿颗类似太阳的恒星和星际物 质构成更巨大的天体系统——银河系。银河系中大部分恒星和星际物质集中在一 个扁球状的空间内，从侧面看很像一个“铁饼”，正面看去则呈旋涡状。银河系的 直径约 10 万光年，太阳位于银河系的一个旋臂中，距银心约 3 万光年。银河系外 还有许多类似的天体系统，称为河外星系，常简称星系。现已观测到大约有 10 亿 个。星系也聚集成大大小小的集团，叫星系团。平均而言，每个星系团约有百余个星系，直径达上千万光年。现已发现上万个星系团。包括银河系在内约 40 个星 系构成的一个小星系团叫本星系群。若干星系团集聚在一起构成更大、更高一层 次的天体系统叫超星系团。超星系团往往具有扁长的外形，其长径可达数亿光年。 通常超星系团内只含有几个星系团，只有少数超星系团拥有几十个星系团。本星 系群和其附近的约 50 个星系团构成的超星系团叫做本超星系团。目前天文观测范 围已经扩展到 200 亿光年的广阔空间，它称为总星系。

三、宇宙的起源 热大爆炸宇宙模型描绘了我们的宇宙的起源和演化史： 我们的宇宙起源于 200 亿年前的一次大爆炸，当时温度极高、密度极大。随着宇宙的膨胀，它经历了从 热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程，直至 10～20 亿 年前，才进入大规模形成星系的阶段，此后逐渐形成了我们当今看到的宇宙。
四、关于外太空的小知识
1、宇宙中有超过 1000 亿个星系。最大的星系有将近 4000 亿星体，我们所 在的星系——银行系可以确定有 1000 亿星球，如果你要数星星，单单银河系的， 一秒数一个，你也要花上 3000 年才数完；
2、“日”是太阳系里面最大块头的，它大约占据太阳系的总质量的 98%（130 万个地球都可以塞到太阳里面，太阳的表面温度有 6000℃，而内部温度则高达 15,000,000℃） ；
3、木星是太阳系中最大的行星，同时也是自转最快的行星，在木星上一天只 有 9 小时 55 分钟； 4、土星是太阳系中第二大的行星，同时还是太阳系中最明亮的星体，它的密 度低到可以在水上漂浮；
5、 在象太空一样的真空中， 两个干净、 平坦表面的同类金属会立即瞬间黏附， 只需要将它们轻轻合在一起（这就是冷焊接，或者说接触焊）；
6、宇航员在太空不会打嗝（因为重力过低，胃部气体不会从液体中分离，因 此打嗝是不可能的）；
7、在外太空，飘逸的液体都会变成球状（这是由于液体的表面张力以及低重 力）；
8、太空中，你怎么叫都没人听到（因为没有空气传递你惨叫的声波）。

Answer 3

《时间简史》
暴涨的思想还能解释为何宇宙存在这么多物质。在我们能观察到的宇宙里大体有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿（1后面跟80个0）个粒子。它们从何而来？答案是，在量子理论中，粒子可以从粒子/反粒子对的形式由能量中创生出来。但这只不过引起了能量从何而来的问题。答案是，宇宙的总能量刚好是零。宇宙的物质是由正能量构成的；然而，所有物质都由引力互相吸引。两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量，因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开。这样，在一定意义上，引力场具有负能量。在空间上大体一致的宇宙的情形中，人们可以证明，这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量，所以宇宙的总能量为零。

零的两倍仍为零。这样宇宙可以同时将其正的物质能和负的引力能加倍，而不破坏其能量的守恒。在宇宙的正常膨胀时，这并没有发生。这时当宇宙变大时，物质能量密度下降。然而，这种情形确实发生于暴涨时期。因为宇宙膨胀时，过冷态的能量密度保持不变：当宇宙体积加倍时，正物质能和负引力能都加倍，总能量保持为零。在暴涨相，宇宙的尺度增大了一个非常大的倍数。这样，可用以制造粒子的总能量变得非常大。正如固斯所说的：“都说没有免费午餐这件事，但是宇宙是最彻底的免费午餐。”

Answer 4

战国初有个士子叫：尸皎，他首次提出了宇宙的概念：“上下四方曰宇，往古来今曰宙。”

Answer 5