全方位了解“字宙”

一、宇宙从何而来

广阔宇宙从何而来，这是一个从古至今都吸引人研究的问题。远古时期，我国就流传着盘古开天辟地的故事;西方则创造了一个“上帝”。根据《圣经》中是这样记载的：上帝用说话的方式要来了天地万物、光明和黑暗。因为在古代，人们一遇到解释不了的奇怪自然现象，可能就会编出一些神话故事，借助神灵来解释，这一点不难理解。

时间过去了几千年，历史前进到了现在，关于宇宙的模型也有了好几种蕴藏着科学内涵的说法，其中影响最大的就是“大爆炸宇宙学”，它也可以解释许多观测到的事实。这个理论认为“我们的宇宙”——“观测到的宇宙”曾经有过一段从热到冷的演化史。在这一段时间里，宇宙体系在持续膨胀着，物质密度也可能是从密到疏进行演化。事实上，这一由热至冷、由密至疏的过程就像一次庞大规模的爆炸。

它的具体过程，不妨这样来理解：宇宙早期，如同一个“原始火球”，它具有100亿摄氏度以上的高温和很大的密度。由于是高温，“原始火球”非常不稳定，大概是在200亿年前，它爆炸了，于是整个体系迅速膨胀着。宇宙之中实际上充满了中子、质子、电子、光子和中微子等基本形态的物质。膨胀一直没有中断，但温度却快速地降下来。

只要短短几分钟，温度就可以下降10亿摄氏度左右，这时中子就会失去自由存在的条件，它要么发生衰变，要么和质子结合成重氢、氦等元素，宇宙中的化学元素就是从此时开始形成的;等温度下降至100万摄氏度后，早期形成化学元素的过程暂时结束;降至几千摄氏度时，爆炸产生的强烈辐射继续衰退，宇宙间遍布气态物质。最后，气体逐渐凝聚成气云，接着演化成各不相同的恒星体系，变成了我们今天看到的宇宙。

在现实中，有人模仿按比例尺画地图的方法，把过去的近200亿年的宇宙演化历程浓缩到一年中，得出一个非常直观和有趣的“宇宙日历”：1月10日，大爆炸，宇宙诞生;5月1日，浩瀚的银河系诞生;9月9日，太阳系问世;9月14日，地球形成;9月24日，地球上出现原始生命;11月12日，绿色植物破土而出;12月26日，更高级的哺乳动物来到了这个世界。12月31日0时22分30秒，原始人类站在地球上;23分46秒，北京猿人开始用火;23分59秒，中国历史的春秋时代开始;24分，全球进入了迄今仍在发展的现代化社会……从上述列表中我们不难看出，人类历史充其量只是宇宙岁月中非常短暂的一瞬间。

宇宙

宇宙的形成果真如此吗?现在，没有人能够给出肯定的答复，可是比起其他宇宙模型的观点来，大爆炸宇宙学确实可以很好地解释人们已知的神奇的宇宙现象。我们现在就来看看这些事实：据现在观测到的宇宙间所有天体的年龄都没有超过或者等于200亿年的，原因就是它们都诞生在宇宙温度快速下降之后，太阳只不过是50亿年前的产物。

相关观测还发现，很多星系的光谱事实上都有红移现象。天文学家们了解，若发光体朝着离开我们的方向运动之时，人们接收到的光谱线就会移到红色的这一端。星系光谱的红移也就意味着它们是在远离我们而去，或者说它们正在退行。所谓退行，其实就是说宇宙正在膨胀，这就像一个气球上的各点，在吹气球的时候各点的距离会因气球胀大而增大。在1929年的时候，美国天文学家哈勃(1889—1953)发现：河外星系的退行速度与它们与地球之间的距离是成正比的，也就是说距离越远，退行速度也越快。人们称这个规律为“哈勃定律”。

而第三个事实就是，天文学家们得出结论，在各不相同的天体上，氦的含量都很大，比例也相差无几，大概占30%。如果单靠恒星本身的核反应机制是不足以说明为什么会有这么多氦的，而“大爆炸”早期的高温，却可以很好地解释这一点。

另外一点，大爆炸理论的提出人之一，苏联科学家伽莫夫(1909—1968)曾经预言，今天的宇宙很冷，只有绝对温度几度。在1965年的时候，这个预言被证明了，美国的科学家发现了漫布于整个空间的“微波背景辐射”，它的温度大概是3开尔文，他们研究得出的这个结果在定性上和定量上都和大爆炸宇宙理论相吻合。

但是，大爆炸理论也是有局限性的，宇宙中还有很多疑问解答不了。如，让天文学家们着迷了17年之久的宇宙膨胀。这种“砰”一声后的自我膨胀将会有一个什么结果呢?是膨胀到一定程度时，天体间的引力使它停止，然后收缩、升温又回到“原始火球”，再爆炸，还是出现一个在扩张和崩溃之间实现临界平衡的宇宙，或者最终导致一个具有“负曲线”和无限未来的宇宙呢?又如，上面理论的提出和观测到的事实都是建立在“我们看到的宇宙”，即“总星系”中的，这就是所谓狭义的宇宙，是“我们的宇宙”。那个更为广阔的空间又是何种模样?

二、时间是从什么时候开始的

让我们回到紧邻大爆炸之后宇宙的那个起始点。通常我们脑海中会闪现出这样一幅场景：在一个广阔的空间里宇宙突然地爆炸了，但这是完全错误的。大爆炸的真实情景是：空间、物质以及更为关键的时间，都是在这里同时产生的。空间不是从虚无中产生的，在创世之前并没有虚无。在大爆炸之前时间也还没有开始，所以谈论大爆炸前的某个时刻也是没有意义的。即使拥有非凡智慧的莎士比亚或者爱因斯坦也无法用通常的语言来描绘这一情景。

这也意味着当我们今天考察宇宙时，询问“大爆炸”是在哪里发生的是没有意义的。空间自身也是随着大爆炸产生的。因此，在大爆炸刚发生后的时刻，整个宇宙蜷缩在一个极小的区域，比一个原子核还要小。大爆炸发生在每一个地方，这里没有“爆心”。

对这点的一个很好的直观描述是埃舍尔的一幅著名画作，虽然它的名称比较乏味：三维空间的分割。想象你站在任何一个位于网格交叉点的立方体上，每一个接到立方体上的直杆都延伸出去。在你的视野中所有的东西都从你这里延展出去，所以你很自然地会首先感觉到自己正是位于一个特殊的地点：扩展的中心，但随后你就能意识到无论你位于网格的哪一点，看到的直杆向外扩展的景象都是一样的，事实上并没有一个中心。宇宙的情况恰好与此类似：每一个星系群看起来都在远离我们而去。如果有一个观测者在这些遥远的星星上回望我们，他也会看到同样的景象，即也可能同样地以为自己位于扩张的中心。

另一个经常被提到，而且乍看起来很有道理的问题是“宇宙有多大”。这里我们又遇到了一个大问题，就是有两个可能的答案：宇宙是有限的，还是无限的?如果是有限的，那么它的外面到底是什么?实际上这个问题是没有意义的。因为空间自身仅存在于宇宙之中，所以从字面上来说根本就没有“宇宙的外面”。另一方面，当我们提到宇宙是无限的时候，实际指的是它的大小是无法限定的。我们无法用日常的语言来解释“无限”，而且我们断定爱因斯坦也做不到——因为帕特里克曾经问过他!

还需要记住，我们要把时间看作是坐标中的一维。也就是说，不能简单地问“宇宙有多大”，因为答案会随时间变化。我们可以问“宇宙现在有多大”，但随后我们会看到，相对论的一个结果就是不可能定义一个普遍适用于整个宇宙的叫作“现在”的时刻。

谈论具有有限大小的宇宙立即会使人联想到边界。假如我们始终朝着一个方向走上100亿光年，最终会撞到一堵砖墙吗?答案是否定的。宇宙具有数学家们所说的“有限而无界”的性质。一个有用的类比是一只在圆球上漫步的蚂蚁。要是它在这个弯曲的表面上一直朝着一个方向前行，就永远也不会遇到障碍，能够游荡无穷的距离。所以虽然球的尺寸是有限的，但蚂蚁觉察不出来。与此类似，如果我们登上一艘无比先进的飞船沿着直线航行，我们也永远不可能到达宇宙的边界，但这并不是说宇宙是无限的。随后我们还会看到空间也可以被看作是弯曲的。

让我们把自己限定在能够做出科学回答的问题上，即能够通过和观测结果对比来回答的问题。我们可以确定地说可观测的宇宙(顾名思义，即发出的光线有可能到达地球的那部分宇宙)在尺寸上是有限的。因为我们目前最好的估计是宇宙的年龄为137亿年，这样可观测宇宙的边缘(从那里发出的光刚刚到达我们)离我们有137亿光年远，而且还在以每年1光年的速度扩展。实际上后面还要谈到为什么我们永远不可能看到这么远。宇宙一定比我们能看到的要大，这是我们能够确定的。

三、宇宙的多维性

宇宙空间究竟有几维?

神秘的宇宙和人类的经验世界如此不同，我们所能感受的三维世界也许只是宇宙中多维空间的一个小岛。东京大学曾上演了一场爆棚演讲。主讲人哈佛大学理论物理学教授丽萨·兰道尔，她的登场，让所有听众躁动起来——不仅因为她的美貌，更因为她给人们呈现了一个超乎想象的多维世界。

第五维空间在哪里?

丽萨·兰道尔是近年来理论物理学界的佼佼者。1999年，她和同事拉曼·桑卓姆发表了轰动一时的两篇论文，根据论文建立的模型，她假设了宇宙中存在着超越我们所处的四维(长、宽、高组成的三维空间+时间)时空之外的第五维或更多维的宇宙空间。这一理论也恰好解释了困扰科学界多年的引力相比其他3个基本力赢弱不堪的原因。

科学家发现，宇宙基本由4种力相互作用而成。它们是引力、电磁力、强力和弱力。引力源于物体质量的相互吸引，两个有质量的物体间存在引力;电磁力是由粒子的电荷产生的，一个粒子可以带正电荷，或者带负电荷，同性电荷相斥，异性电荷相吸;强力主要是把夸克结合在一起的力;弱力的作用是改变粒子而不对粒子产生推和拉的效应，像核聚变和核裂变这两个过程都是受弱力支配的。(注：人们大都认为，物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子由电子、质子、中子等基本粒子组成，而它们则由更基本的亚粒子组成。这种亚粒子也就是人们常说的“夸克”。)

令人不可思议的是，这4种基本力的相对强度以及作用范围都有巨大区别。从相对强度上来说，假定以电磁力为1个单位强度，则强力要比这个单位大100倍，弱力只有这个单位的1/1000，引力小到几乎可以忽略不计。在微观世界中，引力只有电磁力的1/1040!从范围上看，引力主要体现在宏观世界，其他3种基本力主要在微观世界起作用。

也许你并不觉得引力微不足道，至少当我们从高处坠落时，那可不是闹着玩的。然而同电磁力比起来，它的确相当“弱”，譬如整个地球产生的引力作用在一根针上，只让它在桌子上安静地躺着，我们拿起一小块磁铁便能将它轻松吸起。奇特的是，引力在宇宙中却能左右巨大星系的运转。

对此，兰道尔的理论模型给出了解释：“我们假设引力存在于与我们所处的三维时空不同的另一张膜上，而引力膜和我们所在的膜之间，被第五维空间或更多维空间隔开。其他3种基本力被限制在我们的膜上，而引力则在宇宙中均匀分布。对我们这样的三维空间来说，它的强大力量从宇宙中多维空间中‘泄漏’出来后被大大弱化了。”

若果真如此，那么五维或多维空间到底在哪儿?它们又如何不同于我们的三维空间世界?

为什么会有多维空间?

事实上，是否存在多维空间的猜想，早在1920年就被爱因斯坦的“粉丝”德国数学家卡鲁扎提出过，后来经过瑞典理论物理学家克莱茵的改进，成为“第五维度”的思想，并被后人统称为卡鲁扎-克莱恩理论(或KK理论)。遗憾的是，这个理论未能自圆其说，最终不了了之。

后来，相对论和量子理论——这两大现代物理理论基石相继诞生，有趣的是，两者之间不能通用且充满矛盾。

爱因斯坦的广义相对论是关于引力的理论，他认为空间是有形状的，当没有任何物质或能量存在时，空间是平直光滑的，当一个大质量物体进入空间后，平直的空间就发生了弯曲凹陷。这就好比在一张绷紧的床单上放一个保龄球，床单很快就凹陷下去，而所谓的引力就是通过这样的空间弯曲而体现的。为什么地球会绕着太阳运行?因为地球滚入了太阳周边弯曲空间的一道“沟谷”。而如果物体质量太小，空间弯曲几乎为零，也就感受不到引力的作用。因此，人和人之间，甚至建筑物等普通物体之间的引力作用可以忽略不计。

但相对论的空间几何形状变化，无法解释其他3种基本力——电磁力、强力和弱力的作用原理。在微观世界里，空间根本就不是平滑的，无数的粒子在永不停息地剧烈运动，可见，广义相对论的平滑空间前提在这里讲不通。

而量子理论却能解释这3种力的行为：宇宙中所有的物质由数百种不同的基本粒子组成，而力则是由粒子的交换而来的。但粒子交换也不能解释引力现象，因为在微观世界里，粒子的自身质量不仅小到几乎没有，还总在杂乱无章地运动，它们之间的引力又从何谈起呢?

相对论和量子理论的尖锐矛盾使科学家不得不另寻一套理论解释世界。20世纪60年代，一个崭新的理论——超弦理论出现了。超弦理论认为，在每一个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，这根细线被科学家形象地称为“弦”。依照弦理论，每种基本粒子所表现的性质都源自它内部弦的不同振动模式，弦的振动越剧烈，粒子的能量就越大;振动越轻柔，粒子的能量就越小。振动较剧烈的粒子质量较大，振动较轻柔的粒子质量较小。而所有的弦都是绝对相同的。不同的基本粒子实际上在相同的弦上弹奏着不同的“音调”。由无数这样振动着的弦组成的宇宙，就像一支伟大的交响曲。不过，弦的运动是非常复杂的，以至于三维空间已经不能容纳它的运动模式。

在今天的超弦理论中，科学家已经计算出十维空间结构(有些方法甚至计算出了二十六维)。而空间的维数越高，越能容纳更多的运动形式。由此，宇宙的时空维数是高维的，三维空间不过是最简单的情形。

三维以上的空间是隐匿的?

如果真有十维空间，为什么我们只能察觉到2个维度呢?除了时间维度之外，另外6个又在何处?

一些科学家认为：计算出来的空间维度不一定和经验维度相同。或许另外6个维度的空间以某种方式隐匿起来，人在日常生活中难以察觉。记得获得1979年诺贝尔物理学奖的美国物理学家格拉肖曾抱怨过：“我总是被那些搞超弦理论的人打扰，因为他们从不谈一些和真实世界有关的事。”

对这个问题，兰道尔倒是泰然处之，她最近提出了一个“放松原则”：想太多不如什么都不想!“看看我们的宇宙，它一路走来，始终如一。当宇宙处于大爆炸前的初始状态时，存在多少维度都有可能。大爆炸发生后，宇宙在不断地膨胀，它会自然而然地、随时充填需要的维度，直到稳定下来。”根据兰道尔的计算，在宇宙膨胀过程中，三维和七维的宇宙处于相对稳定的状态。因此，“宇宙在演化过程中，自然会呈现出稳定的三维和七维形式。三维空间存在的范围是最大的，这也就是我们为什么只能察觉到今天这个由三维空间构成的世界”。

当然，“如果这还满足不了你的好奇心，你也可以把多维宇宙想象成一次买房的经历。当你选择房子的时候，你不仅会看房子的空间大小，还要看它的结构、质量、地理位置、升值潜力等诸多因素，这些因素就好比宇宙的其他空间形式”。

四、宇宙的尺度

说一个离我们137亿光年之外的目标当然很准确，但我们能真正地去理解宇宙的这种尺度吗?我们不难感受例如从伦敦到纽约的距离，甚至从地球到月球的距离(约3.8×105千米)，这几乎是10倍于地球上的环境。曾经乘飞机飞行过比这距离还长的大有人在，事实上有些航空公司会给予那些乘坐航班累计超过160万千米的乘客某种特权。但你如何去想象1.5亿千米——从地球到太阳的距离?这个最近的恒星，离我们有4.2光年(约4.2×1013千米)，这个距离真是难以想象!而星系更遥远。银河系最近的邻居仙女座星系距离我们有200万光年之远!

在尺度的另一个极端，想象一个原子的大小同样困难，任何普通的显微镜都无法看到单独的原子。有这样一种说法：从量级上看，人正处于从原子到恒星的尺度范围的中间。有趣的是，这也正是物理规律最为复杂的地方。在原子世界，应用量子物理学;在宇宙尺度，应用相对论。在这两个极端之间，我们对如何调和这些理论的困惑暴露无遗。牛津科学家罗杰·彭罗斯坚定地表述了他的信念：我们对基本物理原理所缺失的理解力，也是我们对人类意识所缺失的理解力。当我们思考所谓的人择原理——归纳起来就是宇宙的演化必然保证我们能够存在并认识它，这个观点尤为重要。

另一个有用的问题是，宇宙中有多少原子?某种估计给出的答案是总数高达1后面跟着79个0!

传统上我们把原子看成由三类比较基本的粒子组成：质子(带单位正电荷)、中子(不带电)和质量小得多的电子(带单位负电荷)。顺带说一下，在原子层次精确定义什么是电荷远非那么简单。可以把电荷看作是粒子的属性之一，如同大小和质量一样。电荷总是以固定的粒度出现，我们称之为单位电荷。

根据经典模型，原子就像一个小型太阳系，电子环绕中央的原子核旋转，由质子和中子组成的复合的原子核带有正电荷，并且和环绕的电子的总负电荷严格抵消。在我们的太阳系中，行星被引力保持在环绕太阳的轨道上;在原子中，是带负电荷的电子和带正电荷的原子核之间的电磁吸引力使得电子环绕原子核旋转。

过去，我们注意到这个简洁的模型能够解释很多基本的化学现象，比如，为什么原子的外层电子容易参与化学反应：因为它们离核较远，吸引力的约束较小。所以最简单的原子——氢原子，由一个质子构成的原子核和一个电子组成，整个原子是电中性的：+1加-1等于零。所有原子都具有相同数目的电子和质子。每种元素内这种粒子的数量是唯一的，称为原子序数。比如氦原子有2个质子和2个电子，所以它的原子序数是2。而碳原子的序数是6——重元素含有数目众多的电子和质子。地球上最重的自然元素——铀的原子序数是92。

在20世纪早期，曾一度流行把质子和中子看成坚实颗粒的观点。但这个图景今天已经变得模糊了。此外实验显示，电子看起来确实是不可分割，而质子和中子其实并不是最基本的。它们还能被分解成更小的颗粒，叫夸克。夸克目前被认为是最基本的单元。没有人曾经看到过夸克，但我们确定它们一定存在，因为在粒子加速器中检测到了。人们建造了粒子加速器，以不可思议的高速度把质子打碎，从而探测到夸克。在这些实验中质子似乎破碎了，所以科学家断定质子不是最基本的。自然界不喜欢形单影只的夸克，所以它总是成双或成三地出现。

五、宇宙的同谋论

让我们暂时回到现在。想象两个从地球上看去处于相反方向上的距离我们90亿光年的星系，它们之间的距离是180亿光年。在最大的尺度上，它们身处的宇宙区域看起来是一样的。其中一个可能位于星系团的中心深处，就像我们附近的仙女座星系团，另一个大概孤立得多;但是在第一个星系团附近会有孤立的星系，而在第二个星系的附近则不可避免地存在着星系团。所以每个区域都有相同比例的相同类型的星系，而且该处的温度也是一样的。

这就产生出一个被称为“宇宙同谋”的问题。宇宙年龄目前估计是137亿年，不到180亿年，所以光还没有足够的时间从一个星系传到另一个星系。而根据相对论，光是宇宙中最快的东西。如果连光都没有时间穿过两个区域间的空间，其他事情也不可能发生，没有任何东西能够从一个区域传递到另一个，所以两个区域之间的任何差异都难以消除。但是，无论我们朝什么方向看，宇宙似乎都一样，有同样类型的星系，几乎按照一样的模式分布，好像它们曾经互相商量过一样。这个事实变得令人困惑，被称作“宇宙同谋”。

为什么这会成为一个问题?莫非宇宙在各个方向上看起来一样不是很自然的事情吗?也许有某个现在还不为人所知的规律在支配大爆炸的物理变化，保证只有几乎是均匀的宇宙才能产生。但是现在我们尚未发现有任何物理理论能够预言这一现象的迹象，所以至少需要考虑如下的可能，就是宇宙诞生之时不同区域之间可能存在巨大的温度差异，比如在早期宇宙中，某区域的温度大概是另一区域温度的两倍。那么这样如何产生我们现在观察到的宇宙的均匀性呢?热量没有时间流动到宇宙中冷的部分，甚至没有时间在两个区域之间以光速发送一个消息。在这种环境下，原始的不平衡不可能被修正;而实际上，这些互相远离毫无关联的区域却是非常相似的。

我们的两个星系现在是互相远离。但是宇宙在非常年轻时要小得多，而在两边的物体有可能互相接触从而交换热量，达到今日所见的均匀性。现在的问题是，这个早期阶段的宇宙到底有多大?出乎意料地，答案相当简单。

到目前为止，我们只讨论过一种能够在天文距离上起作用的力——万有引力。它本质上是一种把物体拉到一起的吸引力。引力本身会使膨胀的速度减缓。我们可以尝试从现在反推出宇宙的大小随时间是如何变化的，而我们发现宇宙同谋的问题一直到早期宇宙都存在。换言之，宇宙从来没有小到过能够让光从一侧运动到另一侧的程度。所以从来没有小到能够使得温度差被抵消掉的程度。这个推论是建立在引力是唯一影响膨胀速度的力的基础上的，所以如果我们要解决同谋问题，就必须放弃这个观点。