關於宇宙起源和進化的新理論(2 / 3)

在下一步發展中,科學將不需要依賴神的幹預來解釋宇宙為什麼偏向於生命,它也不需依賴幾乎是不可思議的幸運因素。宇宙對生命的厚待既不是由於特殊的創造行動,也不是由於盲目的偶然性,它是由於不斷向前的宇宙進化,跨越一長序列的相互關聯的周期而展現在人們的眼前。

二、非大爆炸宇宙學

普適常數的值一定是在大爆炸發生的時候就已經確定了,因而要想知道標準大爆炸劇情是如何能夠說明它們的微妙諧調的並不容易。但是,對這一劇情還有實際的其他選擇。

大爆炸劇情盡管得到了廣泛的稱讚,但也遇到了麻煩。我們前麵已經提到,它所遇到的問題有:無法解釋星係的形成,無法認定宇宙中的“丟失質量”,無法解決星係、恒星和作為整體的宇宙的年齡問題,無法解釋膨脹過程是如何能夠進行“開”和“關”的轉換的。除此之外,它也不能解釋觀察到的重子對光子的比率問題,同樣也不能澄清大爆炸前宇宙的起源問題和膨脹或坍縮星係中的物質在消失之後最終的命運問題。

大爆炸劇情的擁護者們指出,像這樣的許多問題對他們的模型並無傷害。例如,究竟是什麼觸發大爆炸的,對它來說並不是實質性問題;至於宇宙向何處去(重新坍縮,無限膨脹,或與之不同的什麼過程)的問題也同樣不是實質性問題,它隻是宇宙學家一定要知道但仍未確定的參數的一部分。他們還指出,無論如何,標準劇情作了一係列有意義的解釋和成功的預言,而這些都大大地超過了它的不足。有些宇宙學家走得更遠,他們宣稱,沒有一種已知的可供選擇的宇宙學能夠把可觀察到的和實驗所獲得的所有證據都解釋清楚。

對大爆炸劇情的經典替代學說是穩態宇宙學,在1965年前它一直是占統治地位的觀點,從那以後大爆炸劇情使它開始走下坡路了。在其最初的闡述中,這一概念假設了一個無明顯進化的均勻膨脹宇宙:物質均勻地創生出來以維持一個穩定的平均密度。

穩態概念要回溯到金斯的觀點。1929年金斯寫道,“從自身看上去具有某種程度固執性的一種猜測認為,星雲的中心具有‘奇點’性質,在該點物質從其他地方(完全屬於外在維)注入我們的宇宙,因此對我們這個宇宙的居民來說,它們在這些點上似乎連續不斷地在創造物質”。在1960年,H·C·阿普(H.C.Arp)和霍伊爾把這一想法發展成穩態宇宙學的現代形式,並用物質在其內部創生取代了“物質完全從外在維連續不斷地注入我們這個宇宙”的說法。但是宇宙中的物質創生不可能以恒定速率出現,這與類星體和其他具有活力的星係核的存在,與微波背景輻射的發現,與物質的基本構成是誇克和輕子的這種認識相矛盾。

按最近的(1993年以後)準穩態宇宙學說法,霍伊爾、布比傑(Burbidge)和納利卡(Narlikar)證明,物質創生突然地出現在與致密的前存在物質聚集體相聯係的強引力場中。物質是在約1016個太陽質量這樣的數量級的“小大爆炸”中創生的,因此這就沒有必要去解釋大爆炸式的膨脹過程是如何能夠進行先“開”後“關”這種轉換的。物質創生是通過負能的標量C(創生)場出現的,這種場的值是時空的函數,物質創生的總體速率由C(取整個宇宙的平均值)的時間導數的平方決定。

由於這些密集的引力事件驅動宇宙的膨脹,因此膨脹速率並不是恒定的,而是隨創生中心的數量和質量的改變而相應變化的。宇宙從總體上看一直膨脹著,其疊置振蕩周期約為400億年,正是按這樣的時間間隔物質創生周期性地收縮到宇宙的尺度要求振蕩最小值的時代。最近一次大規模的物質創生活動發生在約140億年前,這與保守的大爆炸模式所估計的非常一致。

準穩態宇宙學能說明來自範圍很廣的銀河係之外的天體(從原始星係,通過像射電星係和準星體這樣的高能事件,直到我們銀河係核中的小尺度事件)的質量和能量的總體輸出,它也能解釋星係的分布和年齡,以及可觀察到的各種不同類型的物質粒子的合成。與從創生中心放射出的物質緊密相關的隨機熱能同解釋宇宙微波背景的起源所要求的條件非常一致。

和其他幾個新近提出的模型一樣,準穩態宇宙學構成了一種多周期宇宙學,每一周期的標準長度容許有400億年的例外,該長度促進形成一個標誌“穩態”的相對穩定的包。如果例外的爆炸足夠熱和足夠密,它就近似大爆炸,從而產生背景輻射的熱化條件和光粒子所需的物理條件。因此上說,準穩態宇宙學可以看作是把大爆炸作為特例包含在內的一種宇宙學。

三、多周期宇宙論梗概

宇宙進化的正統圖景不僅是陰暗的,而且很可能是錯的。正由於此,物理學家們正在積極尋找宇宙正統圖景的替代物。正統圖景的主要問題在於,大爆炸要求在宇宙起源時有一個奇點。所謂奇點就是物理學定律在其中失效的一個時空區域,愛因斯坦的引力理論不承認這些條件棗當時間為零和宇宙的規模無限小時,引力定律便不再成立。但是,大爆炸卻要求這種例外的條件,而且如果宇宙變成封閉的,那麼最終的爆聚(即“大破滅”)同樣也會需要這種例外條件。

另一個問題是觀察到的宇宙的大規模結構。在大爆炸的模式中,膨脹期被認為與宇宙空間中的物質分布有關,但是,不僅宇宙初期膨脹需要精細調諧這一點十分令人驚奇,而且這種過程本身也許不能說明新近發現的宇宙的大規模結構。最新的數據是通過“紅外天文衛星”對宇宙進行精確的、全方位掃描探測得到的,這種探測表明,一連串星係在天空中延伸了大約5億光年,即存在所謂的“萬裏長城”。按照某些估計,這個數字是星係最大範圍的5倍棗如果這些星係是在150或200億年前宇宙初期膨脹時由密度漲落所產生的話。

直到最近,由於發射或反射光的普通物質不足以說明形成觀察到的星係所需要的引力,所以暗物質模式被用來說明已觀察到的星係的形成。(假定宇宙中全部質量的90%~99%是由暗物質構成的,而這種暗物質是由輻射少量能量但具有與其質量相聯係的引力效應的慢移動粒子所構成。這種慢移動粒子會“團聚”成星係,而不能被光學望遠鏡觀察到。)這個發現的一個後果是對暗物質模式產生懷疑,並試圖尋找替代物。另一個也許更為重要的後果是對大爆炸理論本身產生疑問。

如果諸如“萬裏長城”之類的巨大結構不是在大爆炸後的膨脹中形成的,那麼它們又是在何時以何種方式形成的呢?一個可能的答案是,它們也許是在更早的時候由另一些“大爆炸”形成的(順便指出,“大爆炸”並非是產生宇宙的唯一事件,它應當被降級稱之為“爆炸”)。實際上,根據最近的發現,認為有不止一次“爆炸”的宇宙論已被提出,這對正統的宇宙圖景提出了嚴峻的挑戰。

新的宇宙論認為,宇宙從來不是從一個奇點狀態開始的,也永遠不會達到這種狀態,“量子宇宙”的初始狀態具有一個微小但非零的半徑。利用附加的和在某種程度上是推測的假設就有可能證明,甚至一個封閉的宇宙也不一定是一次大爆炸的產物棗大爆炸無須在“大破滅”中有一個最終結果,它隻是達到另一次“爆炸”能從中釋放出來的某個密實狀態。這樣的一個宇宙會從一種爆炸的非穩定狀態開始,經過一個完整的膨脹循環後,又回到一種爆聚的非穩定狀態,接著再到下一種非穩定狀態。在每一個循環中,物質會從真空中合成,而實粒子則會通過進化和退化階段逐步發展而達到最大量子密實狀態。宇宙可以是封閉的,但它的封閉隻能適用於單個的循環或脈動,被看作不斷進行的多重循環的實在的宇宙既無起點又無終點。

另一種新的理論認為,正是開放的宇宙才具有一係列連續的脈動。普裏高津、傑黑尼奧(Geheniau)、岡茨(Gunzig)、那多恩(Nardone)等人把“量子真空”和“物質”之間的相互作用看作宇宙的基本因素,並用數學證明,通過這種相互作用可以出現一係列可能是無限的宇宙循環。

開放宇宙多周期宇宙論給亞量子場(從理論上講,它主要被看作是“量子真空”)指定了一個積極的角色,這就是把亞量子場作為一種虛粒子從中不斷湧現的介質。當這些虛粒子獲得與其質量相對應的一定量的能量時,它們便轉變為穩定的“實”粒子並“使真空極化”,即產生可觀察到的宇宙。

普裏高津、傑黑尼奧、岡茨和那多恩等人的宇宙論認為,萬有引力給虛粒子轉變為實粒子提供了所需要的能量。引力作用在這兒起著一種毋庸置疑的作用,它不但引導和驅動物質進化,而且實際上導致進化物質的產生。

這種理論假定,有一種引力方式與攜帶負能量的宇宙大規模時空彎曲相聯係。(負能量被定義為使一個物體脫離引力方向所需要的能量。)時空的大規模幾何結構產生一個負能量的貯存器,宇宙的正引力物質從中提取正能量。在不穩定的亞量子場中,這種提取的能量被轉化為虛粒子,並使虛粒子轉化為實粒子。