第19章 宇宙的起源和命运(2)

固斯提出，宇宙是以一种非常热并且相称浑沌的状况从大爆炸肇端的。这些高温表白宇宙中的粒子活动得非常快并具有高能量。正如起初我们会商过的，人们预感在这么高的温度下，强和弱核力及电磁力都被同一成一个伶仃的力。跟着宇宙收缩，它会变冷，而粒子能量降落。最后呈现了所谓的相变，并且力之间的对称性被粉碎了：强力变得和弱力以及电磁力分歧。相变的一个浅显的例子是，当水降温时会解冻成冰。液态水是对称的，它在任何一点和任何方向上都是不异的。但是，当冰晶体构成时，它们有肯定的位置，并在某一方向上整齐摆列。这就粉碎了水的对称。

如果宇宙确切是空间无穷的，或者如果存在无穷多宇宙，就会存在某些从光滑和分歧的形状开端演变的大的地区。这有点像闻名的一大群猴子锤击打字机的故事――它们所写的大部分都是废话。但是纯粹因为偶尔，它们能够可巧打出莎士比亚的一首十四行诗。近似地，在宇宙的景象下，是否我们能够刚好糊口在一个光滑和均匀的地区里呢？初看起来，这是非常不成能的，因为如许光滑的地区比浑沌的无序的地区奇怪很多。但是，假定只要在光滑的地区里星系、恒星才气构成，才气有合适的前提，让像我们如许庞大的，能天然复制的机体得以生长，这类机体能够质疑宇宙为甚么如此光滑的题目。这就是利用称为人存道理的一个例子。人存道理能够解释为：“我们看到的宇宙之以是如此，乃是因为我们的存在。”

在固斯的本来假想中，有点像在非常冷的水中呈现冰晶体，相变是俄然产生的。其设法是，正如同沸腾的水环绕着蒸汽泡，新的对称破缺相的“泡泡”在原有的对称相中构成。假想泡泡收缩并相互碰撞，直到全部宇宙处于新相。费事在于，正如同我和其他几小我指出的，宇宙收缩得如此之快，即便泡泡以光速胀大，它们也要相互分离，并是以不能归并在一起。成果宇宙变成一种非常不均匀的状况，有些地区仍具有各种力之间的对称。如许的模型跟我们察看到的宇宙不符合。

在我们能察看到的宇宙中约莫有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿（1前面跟80个0）个粒子。它们从何而来？答案是，在量子实际中，粒子能够从粒子/反粒子对的情势由能量中创生出来。但这只不过引发能量从何而来的题目。答案是，宇宙的总能量精确为零。宇宙中的物质是由正能量产生的。但是，物质本身因为引力老是吸引的。两块相互靠近的物质比两块分得很开的物质具有较少的能量，因为你必须耗损能量去降服把它们拉在一起的引力才气将其分开。如许，在必然意义上，引力场具有负能量。在空间上大抵分歧的宇宙的景象中，人们能够证明，这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量。如许，宇宙的总能量为零。

人存道理有弱的和强的意义下的两种版本。弱人存道理是讲，在一个大的或具有无穷空间和/或时候的宇宙里，只要在某些时空有限的地区里，才存在聪明生命生长的需求前提。是以，在这些地区中，如果聪明生物察看到他们在宇宙的位置满足他们存在需求的前提，他们就不该感到惊奇。这有点像糊口在敷裕街坊的富人看不到任何贫困。

也就是能够将温度降落到冰点（0°C）以下而不结冰。固斯以为，宇宙的行动也很类似：宇宙温度能够降落光临界值以下，而各种力之间的对称没有遭到粉碎。如果产生这类景象，宇宙就处于一个不稳定状况，其能量比对称破缺时更大。能够指出，这特别的分外能量闪现出反引力的效应：其感化如同一个宇宙常数。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，引进广义相对论当中去的。因为宇宙已经像大爆炸模型那样收缩，以是这宇宙常数的架空效应使得宇宙以不竭增加的速率收缩。即便在一些物质粒子比均匀数更多的地区，这一有效宇宙常数的架空感化也超越了物质的引力吸引感化。如许，这些地区也以加快暴胀的情势收缩。当它们收缩时，物质粒子就越分越开，留下了一个几近不包含任何粒子，并仍然处于过冷状况的收缩的宇宙。这类收缩抹平了宇宙中的任何不法则性，正如当你吹胀气球时，它上面的皱纹就被抹平了。如许，从很多分歧的非均匀的初始状况能够演变出宇宙现在光滑均匀的状况。

这类收缩叫做“暴胀”，意指宇宙在一段时候里，不像现在如许以减少的，而是以增加的速率收缩。遵循固斯实际，在远远小于1秒的时候里，宇宙的半径增大了100万亿亿亿（1前面跟30个0）倍。

对能人存道理的第二个贰言是，它和全部科学史的潮流背道而驰。我们当代的图象是从托勒密和他的支撑者的地心宇宙论解缆，通过哥白尼和伽利略日心宇宙论生长而来的。地球是一其中等大小的行星，它环绕着一个平常的螺旋星系外圈的浅显恒星作公转，而这星系本身只是可察看到的宇宙中约莫万亿个星系之一。但是能人存道理却宣布，这全部庞大的构造仅仅是因我们的原因而存在，这是非常令人难以置信的。我们太阳系必定是我们存在的前提，人们能够将之推行于我们的全部星系，作为让产生重元素的早代恒星存在的前提。但是，涓滴看不出存在任何其他星系的需求，宇宙在大标准上也不必在每一方向上必须如此分歧和近似。

答案很简朴：如果它不是这个模样，我们就不会在这里！

如果人们能够表白，宇宙的相称多分歧的初始布局会演变产生像我们明天看到的宇宙，起码在弱的情势上，人们会对人存道理感到更对劲。如果果然如此，则一个从某些随机的初始前提生长而来的宇宙，该当包含很多光滑均匀的地区，并且这些地区合适聪明生命演变。另一方面，如果必须极度细心地挑选宇宙的初始前提，才气导致在我们四周所看到的统统，宇宙就不太能够包含任何会呈现生命的地区。在上述的热大爆炸模型中，热来不及从一个地区流到另一地区。这意味着宇宙的初始态在每一处必须刚好有一样的温度，才气申明我们在每一方向上看到的微波背景辐射都有一样温度。其初始的收缩率也要非常切确地挑选，才气使现在的收缩率仍然这么靠近于需求用以制止坍缩的临界速率。这表白，如果热大爆炸模型直到时候的开端都是精确的，则确切必须非常细心地挑选宇宙的初始态。以是，除非作为上帝成心缔造像我们如许生命的行动，不然很难解释，为何宇宙只用这类体例肇端。

利用弱人存道理的―个例子是“解释”为何大爆炸产生于约莫100亿年之前――聪明生物约莫需求那么长时候演变。正如前面解释的，一个早代的恒星必须起首构成。这些恒星将本来的一些氢和氦转化成像碳和氧如许的元素，由这些元素构成我们。然后恒星作为超新星而发作，其裂片构成其他恒星和行星，此中就包含我们的太阳系，太阳系春秋约莫是50亿年。地球存在的头10亿或20亿年，对于任何庞大东西的生长都嫌太热。余下的30亿年摆布才用于生物退化的冗长过程，从最简朴的生命，直到能够测量回溯到大爆炸的时候的生命，就在此期间构成。

“都说没有免费午餐这回事，但是宇宙倒是最完整的免费午餐。”

人们能够提出一系列来由，来反对用能人存道理解释察看到的宇宙状况。起首，在何种意义上，能够说统统这些分歧的宇宙存在？如果它们确切相互隔开，在其他宇宙中产生的事件在我们本身的宇宙中就没有可观察的结果。

很少有人会对弱人存道理的有效性提出贰言。但是，有的人走得更远并提出能人存道理。遵循这个实际，要么存在很多分歧的宇宙，要么存在一个伶仃宇宙的很多分歧的地区，每一个都有本身初始的布局，或许另有本身的一族科学定律。这些宇宙中的大多数，不具有庞大机体生长的合适前提；只要在少数像我们的宇宙中，聪明生命才得以生长并能质疑：“为何宇宙是我们看到的这类模样？”

为了试图寻觅一个能从很多分歧的初始布局演变到像现在如许的宇宙的东西，麻省理工学院的科学家阿伦・固斯提出，初期宇宙能够经历过一个非常快速收缩的期间。

暴胀的思惟还能解释为安在宇宙中存在这么多物质。

在暴胀相，宇宙的标准增大了一个非常大的倍数。如许，可用以制造粒子的总能质变得非常大。正如固斯说过的：

零的2倍仍为零。如许，宇宙能够同时将其正的物质能和负的引力能更加，而不违背能量守恒。在宇宙普通收缩时，这并没有产生。这时当宇宙变大时，物质能量密度降落。但是，这类景象确切产生于暴胀期间。因为当宇宙收缩时，过冷态的能量密度保持稳定：当宇宙体积更加时，正物质能和负引力能都更加，如许总能量保持为零。

以是，我们应当用经济道理，将它们从实际中割撤除。另一方面，它们若仅仅是一个单一宇宙的分歧地区，则在每个地区里的科学定律必须是一样的，不然人们就不能从一个地区持续地活动到另一地区。在这类环境下，分歧地区之间的独一的分歧是它们的初始布局。如许，能人存道理即归结为弱人存道理。

或许有一天，我们会发明一个将它们统统都预言出来的完整的同一实际，但是另有能够它们当中的一些或全数，在分歧的宇宙或在一个单一宇宙当中是窜改的。值得重视的究竟是，这些数值看来是被非常纤细地调剂到让生命得以生长。比方，如果电子的电荷只要略微有点分歧，则要么恒星不能够燃烧氢和氦，要么它们没有爆炸过。当然，或许存在其他情势的、乃至还没被科学胡想作家胡想过的聪明生命。它并不需求像太阳如许恒星的光，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。固然如此，看来很清楚，答应任何聪明生命情势的生长的数值范围是比较小的。对于大部分数值的调集，宇宙也会产生，固然它们可以是非常美的，可惜不包含任何一个能为如此斑斓而倾倒的人。人们既能够以为这是在创生和科学定律拔取中的神意的证据，也能够以为是对能人存道理的支撑。

在如许一个其收缩由宇宙常数加快，而不因物质的引力吸引使之减慢的宇宙中，初期宇宙中的光芒就有充足的时候从一个地区观光到另一个地区。这就解答了起初提出的，为安在初期宇宙中的分歧地区具有一样性子的题目。

明天宇宙不是以暴胀的体例收缩。如许，必须有一种机制，它能够消去这一非常大的有效宇宙常数，从而使收缩率从加快的状况窜改成如同明天如许由引力减慢的状况。人们能够预感，在宇宙暴胀时各种力之间的对称终究会破缺，正如过冷的水终究会凝固一样。如许，未破缺的对称态的分外能量就会开释，并将宇宙重新加热到刚好低于使各种力对称的临界温度。今后，宇宙就以标准的大爆炸形式持续收缩并变冷。但是，现在我们能够解释，为何宇宙刚好以临界速率收缩，并且为何分歧的地区具有不异的温度。

在水的景象，只要你充足谨慎，就能使之“过冷”：

我们现在晓得，科学定律包含很多根基的数，如电子电荷的大小以及质子和电子的质量比。起码现在，我们不能从实际上预言这些数值――我们必须由观察找到它们。

不但如此，宇宙的收缩率也主动变得非常靠近由宇宙的能量密度决定的临界值。这就能够解释，不需假定宇宙初始收缩率曾被非常细心地挑选过，为何现在的收缩率仍然这么靠近临界值。

1981年10月，我去莫斯科插手量子引力的集会。会后，我在斯特堡天文研讨所做了一个有关暴胀模型和它的题目的报告。在此之前，我请其别人替我宣读讲稿，因为大多数人听不懂我的声音。但是这一次我来不及筹办讲稿，以是我本身讲，让我的一名研讨生逐字逐句地反复我的话。演讲停止得很顺利，并且使我有多很多的时候和听众扳谈。听众席中有一名年青的苏联人，莫斯科列别捷夫研讨所的安德雷・林德。他说，如果泡泡是如此之大，使得我们的宇宙地区被全部地包含在一个伶仃的泡泡当中，则能够制止泡泡不能归并在一起的困难。为了使这个行得通，从对称相向对称破缺相的窜改必须在泡泡中产生得非常迟缓，但是遵循大同一实际这是完整能够的。林德的迟缓对称破缺思惟非常好，但是过后我认识到，他的泡泡在那一时候必须比宇宙的标准还要大！我指出，当时对称不但仅在泡泡里，并且在统统的处所同时被粉碎。这会导致一个正如我们察看到的分歧的宇宙。我被这个思惟弄得非常冲动，并和我的一个门生因・莫斯会商。但是，当我厥后收到一个科学杂志社寄来的林德的论文，收罗是否能够颁发时，作为他的朋友，我感到相称难为情。我答复说，这里有一个关于泡泡比宇宙还大的瑕疵，但是内里关于迟缓对称破缺的根基思惟是非常好的。我建议将此论文照原样颁发。因为林德要花几个月时候去改正它，并且他寄到西方的任何东西都要通过苏联的检查，这类对于科学论文的检查既无技能可言又很迟缓。我和因・莫斯便越俎代庖，为同一杂志写了一篇漫笔。我们在该文中指出这泡泡的题目，并提出如何将其处理。