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心灵家园

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日志

 
 

中科院士朱清时:物理学步入禅境:缘起性空(霍金颠覆基督教创世说)  

2010-04-10 13:21:57|  分类: 佛教超越科学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:朱清时教授(中科院院士,原中国科技大学校长)

  二十世纪是人类历史上一个有趣的时期,这个时期的人类一面尽情地享受着自然科学创造的巨大物质财富:核能、激光、电子技术,等等,一面却不了解甚至不接受它的一些基本观念。其实这些观念有大量严谨的科学根据,不过真正懂得它们的人太少,因此没有被人们重视和接受。

   下面这则新闻就说明了这种状况:

 【中新网】北京8月19日消息:霍金在昨天的科普报告过程中只赢得了两三次掌声,全场几乎没有会心的笑——他的理论太玄奥,以至于大多数来自北大、清华的学子都说没太听懂。据北京晨报报导,昨天下午,北京国际会议中心排起数百米的长队。门口有人私下兜售门票——最少500元一张。询问退票的人也不少,大家都期待着一睹霍金风采。但两个小时的公众科普报告尚未结束,已有人提前退场——实在听不懂。

  霍金这次讲的《宇宙的起源》,其基础是当代自然科学的最新成就——弦论。真正懂得这个理论的人,都会产生一种强烈的敬畏、惊讶和震撼感。本文尝试用大家听得懂的语言,大致解说一下弦论的主要概念,以期让读者体会些敬畏和震撼,并一窥宇宙的奥秘。

 我们从当代著名的哲学家施太格缪勒(Wolfgang Stegmuller)在《当代哲学主流》[1]一书中写的一段名言开始。他写道: “未来世代的人们有一天会问: 二十世纪的失误是什么呢? 对这个问题他们会回答说:在二十世纪, 一方面唯物主义哲学(它把物质说成是唯一真正的实在)不仅在世界上许多国家成为现行官方世界观的组成部分, 而且即使在西方哲学中,譬如在所谓身心讨论的范围内, 也常常处于支配地位。 但是另一方面, 恰恰是这个物质概念始终是使这个世纪的科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念。”这就是说, 一方面以“唯物主义”为标记的哲学广为流行, 而另一方面“物质”究竟是什么? 却又说不清。 施太格缪勒正是在这里看到了“二十世纪的失误”[2]。

 

  你可能会问,究竟什么是物质? 它为什么是科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念?

 

    早在古希腊时代,原子论者就猜想, 物质是构成宇宙的永恒的砖块,万物从它所出,最后又复归于它,它不生不灭,不增不减,是世界过程绝对同—的起点和终点。物质作为普遍的、不变的东西,必然是绝对的实体和基质。实体者,“实实在在”的客体之谓也。物质及其性质必须独立于人类的意识而存在,是客观的实体。

 

    后来,以牛顿力学为基础的经典物理学,继承了上述古代原子论的观点,把物质归结为具有某些绝对不变属性的质点的集合。质点概念本来是对作整体运动的固体的一种抽象,但它在液体、气体乃至热现象中的应用也获得了成功。对于所有这些能够具有机械运动的物质形态,物理学称之为实物。在当时的自然哲学中.又称之为实体。把物质归结为物体,进而把物质看成实体,这同质量在牛顿力学中的特殊地位和作用有关。牛顿之所以把质量定义为“物质多少”的量度,就是因为在任何机械运动过程中,乃至在化学反应中,质量始终如一。质量被理所当然地看成是物质本身所绝对固有的,被看成物质不灭或实体不变原理的具体表现。

 

    以牛顿力学为代表的经典物理学在十九世纪末所取得的巨大成功,使得认为物质是绝对实体的唯物主义成了在二十世纪处于支配地位的哲学,正如前面引用的施太格缪勒的名言所讲的。

 

    然而,二十世纪爱因斯坦发明的相对论开始揭示出了物质的实体观的谬误。首先,相对论证明质量与速度有关, 同一个物体, 相对于不同的参考系, 其质量就有不同的值。

 

    想象一个人在推一辆没有任何阻力的小板车,只要持续推它,速度就会越来越快,但随着时间的推移,它的质量也越来越大,起初像车上堆满了木柴,然后好像是装着钢铁,最后好像是装着一个地球…… 当小板车达到光速时,整个宇宙好像都装在了它上面——它的质量达到无穷大。这时,无论施加多大力,它也不能运动得再快一些。

  当物体运动接近光速时,不断地对物体施加能量,可物体速度的增加越来越难,那施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了质量。爱因斯坦在说明物体的质量与能量之间的相互转化关系时,提出了著名的质能方程:能量等于质量乘以光速的平方。不久后科学家们发现了核裂变和链式反应,把部分质量变成巨大能量释放出来。现在知道原子弹的人,都相信质量可以转化成能量。

    既然质量不再是不变的属性,那种认为质量是物质多少的量度的概念就失去了意义。既然物质与能量是可以相互转化的,能量并非“实体”,物质也就不能再被看作是实体。

    与此同时,科学家对物质结构的认识也迅速深入发展。在本世纪30年代以前,经典物理学一直认为:物质是由分子构成的,分子是由原子构成的。原子是组成物质的最小“砖块”。1932年,科学家经过研究证实:原子是由电子、中子和质子组成的。以后,科学家们把比原子核次一级的小粒子,如质子、中子等看作是物质微观结构的第三个层次,统称为基本粒子。1964年,美国物理学家马雷?盖尔曼大胆地提出新理论:质子和中子并非是最基本的颗粒,它们是由一种更微小的东西——夸克构成的。为了寻找夸克,全世界优秀的物理学家奋斗了20年,虽然一些实验现象证实了夸克的存在,然而单个的夸克至今未找到,人们始终不识庐山真面目。对此,粒子学家们的解释是:夸克是极不稳定的、寿命极短的粒子,它只能在束缚态内稳定存在,而不能单个存在。

 

    不仅如此,迄今人们所知道的300多种基本粒子中,除少数寿命特别长的稳定粒子(如光子、中微子、电子和质子)外,其它都是瞬息即逝的,也就是说,它们往往在诞生的瞬间就已夭折。例如,通过弱相互作用衰变的粒子有20余种。其中,π±介子的寿命大致为2.6 ×10-8秒(10的负8次方秒——博主注),即π±介子经过一亿分之一秒就衰变成了其它粒子。通过电磁相互作用衰变的粒子共两种,它们的寿命就要短得多了。π0介子的寿命是0.84×(10的-16次方)秒,η介子的寿命是3×(10的-19次方)秒。比起π±介子来,它们的寿命竟分别要短8~11个数量级。寿命最短的,则要算通过强相互作用衰变的“共振态粒子”(如Δ粒子、Σ粒子等)。它们的伙伴特别多,占基本粒子家族成员的一半以上,共200多种。它们的寿命之短达到了惊人的地步,以致于人们很难用确切的形容词来描述它们的衰变过程;粒子物理学家即使利用最优的实验手段也已无法直接测量它们,而只能用间接的方法推算出它们的寿命。它们只能生活一千万亿亿分之一秒左右,即寿命大致是10的-28次方秒。

 

    为什么绝大多数基本粒子都如此短命?如何理解我们的物质世界就是建立在这些瞬息即逝的“砖块”上?

 

    在二十世纪的后期,物理学的一个前沿领域——弦论的发展又使我们对物质的看法更进了一步。

 

    什么是弦论呢?爱因斯坦在后半生中,一直在寻找统一场论,即一个能在单独的包罗万象的数学框架下描写自然界所有力的理论。他渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘,由此而展示的自然界的动人美丽和优雅。爱因斯坦未能实现他的梦,因为当时人们还不知道自然界的许多基本特征。但在他去世以后的半个世纪中,人们已构筑起越来越完整的有关自然界的理论。如今,相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架,有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体--一个单一的理论,一个能描述一切现象的理论,这就是弦论。它正在实现当年爱因斯坦满怀热情追求的统一理论的理想。

 

    弦论可以用来描述引力和所有基本粒子。它的一个基本观点就是自然界的基本单元, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 看起来像粒子, 实际上都是很小很小的一维弦的不同振动模式。正如小提琴上的弦, 弦理论中的宇宙弦(我们把弦论中的弦称作宇宙弦,以免与普通的弦混淆)可以作某些模式的振动。每种振动模式都对应有特殊的共振频率和波长。小提琴弦的一个共振频率对应于一个音阶, 而宇宙弦的不同频率的振动对应于不同的质量和能量。所有的基本粒子, 如电子、光子、中微子和夸克等等, 都是宇宙弦的不同振动模式或振动激发态。每条宇宙弦的典型尺度约为长度的基本单位,即普朗克长度(10的-33次方厘米)。简言之, 如果把宇宙看作是由宇宙弦组成的大海, 那末基本粒子就像是水中的泡沫, 它们不断在产生, 也不断在湮灭。我们现实的物质世界, 其实是宇宙弦演奏的一曲壮丽的交响乐(参见〔3〕) !

 

    有人会说,把物质世界看是宇宙弦演奏的一曲交响乐,不正是与物质的对立面——意识有些相同了吗?是的。按照当前流行的观点,意识是完全基于物质基础(我们的脑)而存在,但意识不是一种具体的物质实在,因为没有人在进行脑科手术时在颅骨内发现过任何有形的“意识”的存在。我们都知道贝多芬的交响乐,可以用一套乐器把它们演奏出来。但这套乐器本身并不是交响乐。意识是大脑演奏的交响乐。这个图像为理解“心物一元”,即意识和物质的统一,开辟了新途径。

 

    有人还可能说,无论宇宙弦多小,无论人们能否观察到它们,宇宙弦总归是客观实在,它们是组成物质世界的基本单元,因此物质世界也应该是客观实在。此话不准确。组成物质世界的基本单元是宇宙弦的各种可能的振动态,而不是宇宙弦自身,就像组成交响乐的单本单元是乐器上发出的每一个音符,而不是乐器自身一样。

 

    在弦论之前,物质的实在性体现在组成客观世界的砖块是上百种原子,这些原子都是由质子、中子和电子等基本粒子组成。这些基本粒子都被当作是物质实体,都是组成物质世界的“超级砖块”,因而可以把物质世界看作是物质实体。在弦论之中,情况发生了根本变化。过去认为是组成客观世界的砖块的基本粒子,现在都是宇宙弦上的各种“音符”。多种多样的物质世界,真的成了“一切有为法,如梦幻泡影,如露亦如电,应作如是观。(《金刚经》)”物理学到此已进入了“自性本空”的境界!

 

    有人会想,天啊!物质都不是客观实在了,那么世界上还有什么东西是实在的吗?回答是,有的。事物之间的关系就是实在的。我们根据二十世纪自然科学的进展, 可以用关系实在来取代绝对的物质实体, 即主张事物不是孤立的、由固有质构成的实体,而是多种潜在因素缘起、显现的结果。每一存有者都以他物为根据,是一系列潜在因素结合生成的。“现象、实在和存有被限定在一组本质上不可分离的关系结构中”〔4〕。(博主注:这正与“万法皆空,因果不空”的佛理吻合。)

    哲学家们在论述“关系实在”时使用的哲学词汇对你可能生涩难懂,我们还是用例子来解说。

    我们看见一束红光, 这是一个事件, 是一个“果”。这个果是由多种因缘聚合而产生的。首先是光的波长值, 借用哲学家们熟悉的语言,这是“第一类性质”, 这类性质还有如物体的广延性等, 是物体自身内在所固有, 它既不依赖于观察者, 也不依赖它物,也就是说, 它是无对而自行确立的。我们把这些第一性质又称为“因”。其次, 我们还需要具备一些其它条作,如眼睛正好睁开, 没有色盲, 往正确方向看, 以及眼与光源之间无障碍物,等等。我们把这些条件称为“关系参量”,又称为“缘”。这些因缘聚合产生了红光这个果。“红色”这类颜色性质是“第二类性质”, 其存在至少部分地依赖于观察者。“关系实在论”就是说,关系参量是不可消除的,没有它们, 就不会有“看见红光”这个果,因而是实在的。

  再举一个更清楚的例子。要得到一颗苹果树, 首先要有一粒苹果的种子, 这是“因”。但是单靠这粒种子也不会长成一颗苹果树,比如把种子放在仓库里,无论放多久也不会长出树来,所以单有因是结不出果的。一定要将种子放在土壤中, 并且要有适当的水分、阳光、温度、肥料等等的配合,种子才会发芽长大, 最后长成一颗苹果树,结出苹果来。这里的土壤、水分、阳光、温度、肥料等等, 就是“缘”。所以“因”一定要配合适当的“缘”,在因缘和合之下,才能生出果来。

  缘是许多的配合条件。缘有好缘,也有不好的(“恶”)缘。因此即使是同样的种子,结出的果也就很不相同了。比如, 把种子放进贫瘠的泥土里,或者施肥不够,苹果树必然长得不大,结出的苹果也不会好吃。假如把种子放在肥沃的土壤中,加上细心照料,结出的果实就会香甜好吃。由此可见, 同样的因遇到不同的缘, 结出的果便会很不相同。同时, 由于缘是由很多条件配合而成的, 所以缘会不停地变化着。既然缘会影响果, 而缘又在那么多条件配合下产生作用, 假如某个条件改变了, 甚至消失了, 那么果便可能不再存在。在苹果的例子中,如果天旱缺水,苹果树便会因之枯萎。所以当因缘散尽之时,果就会灭。换句话说:“因缘和合而生, 因缘散尽而灭。”

  有的读者可能已经发现, 以上这些关于苹果的文字,是转述潘宗光《佛教与人生》〔5〕一书有关缘起法内容。所谓“关系”者,“缘”也,“关系实在论”其实与佛学缘起说的基本思想一致。

  总之,在二十一世纪开始的时候,以弦论为代表的物理学真正步入缘起性空的禅境了。回头再看一下本文起头的那则消息,不难明白为何人们难以听懂霍金的那么生动的报告,原因就是物质是实体的观念在人们的心中太执着了!

   佛学认为物质世界的本质就是缘起性空。藏识海(又名如来海)是宇宙的本体。物质世界的万事万物,都是风缘引起的海上波涛,换言之,物质世界就是风缘吹奏宇宙本体产生的交响乐。

   《入楞伽经》云:“譬如巨海浪。斯由猛风起。洪流鼓冥壑。无有断绝时。藏识海常住。境界风所动。种种诸识浪。腾跃而转生。”

   这句偈语说:譬如一个大海,风平浪静,澄然湛寂,当阵阵烈风吹来时,使平静的大海,生起重重无尽的浪波,从此便如万壑怒号,天地晦冥,再没有停息澄清的时候了。宇宙的本体-藏识海(如来藏)本是澄然湛寂,随缘常住而不变的。因内外境风的吹荡,便使寂然清净的本体,随变为浪潮起伏,跟着生起前面七识的种种作用。由此波浪互相撞击,奔腾澎湃,便转生一切境界,而无有止境了。如经文所说:“青赤种种色。珂乳及石蜜。淡味众华果。日月与光明。非异非不异。海水起波浪。七识亦如是。心俱和合生。”(转引自〔6〕)。这句偈语说:须知世间种种色相,乃至如地下的矿物,林中的植物,与天上的日月光华等等,追溯根源,也都是由如来藏识一体的变相。这些物体和藏识,在本质上并非相异,可是当它们形成为万物之后,却不能说与心识的作用是无异的了。譬如海水既然转变成为波浪,波浪的形式与作用,和整个的海水便不同了;可是波浪的根本,还是由海水所转变而来的。由物的方面来说,万类的分齐差别(分化和归类)也都是从此一体所化生。由心的方面来说,七种识的分别作用,也都是由如来藏识所转生。又因心与物的和合,发生世间种种事情,于是本来澄清的识海,便永无宁日了。

(按:青赤等种种物色,是指眼根色尘的对象。珂佩是指耳根声尘的对象。乳及石蜜,是指鼻根香尘的对象。淡味众华果,是指舌根味尘的对象。日月与光明,是指身根触尘的对象。)

  这里海水与波浪的关系,正是弦与音乐的关系。它们也正是物质世界与宇宙本体的关系。当我弄懂了这个道理的时候,心里充满了敬畏和震撼。读到这里,你可能感到:“科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了!”

 注释:

[1] 施太格缪勒:《当代哲学主流》,第536页,商务印书馆,1992年。

[2]罗嘉昌:《从物质实体到关系实在》,序言,中国社会科学出版社,1996年。

[3]B.格林:《宇宙的琴弦》,李泳译,湖南科学技技术出版社,2005年。

[4]罗嘉昌:《关系实在论:纲要和研究纲领》,载《场与有》(一),第78页,东方出版社1994。

[5]潘宗光:《佛教与人生》,复旦大学出版社,2005年。

[6]南怀瑾:《南怀瑾选集》,第九卷《愣伽大义今译》, 第三章,复旦大学出版社,2005年。

 

附:                                       【松竹书院】朱清时讲物理学步入禅境语惊四座
        书法在线讯:2009年3月8日下午3时开始,朱清时院士发表了精彩的讲演:《物理学步入禅境:缘起性空》。引到了听众的的极大兴趣,对这一惊世骇俗的论点报以热烈的掌声。主题讲演完了后、著名历史学家李学勤、著名经济学家王连洲、著名美学家韩玉涛,和松竹书院主持刘正成等与会学者进行高端对话。

       朱清时先生是中国科学院院士、第三世界科学院院士、原中国科技大学校长、国际书协顾问。他作为国际著名物理学家和教育家,立足于现代物理学后最新成果,与佛教哲学相结合,探讨了物质与意识的本质意义。他以爱因斯坦的统一场论和霍金的弦论,与佛学经典《成唯识论》的“藏识海”进行比较研究,他认为是相通的。物质世界是无数宇宙弦的交响乐,与眼前世界是藏识上因风缘而起的波浪是极其相似的。他不无幽默地说:“科学家千辛万苦爬到山顶时,佛学大师已经在此等候多时了!”这一论点,可以说彻底动摇了二十世纪以来作为主流认识论唯物主义的基础。

       著名历史学家、清华大学文科高等研究中心主任李学勤教授对朱清时院士后讲演给予了高度评价。李学勤教授说,人类已习惯于用一种思维方式来认识世界,而今天科学的进步,有可能让我用多科思他途经去认识这个世界。他还说,其实从二十世纪中期已有学者提出了一时切关认识,今天朱清时先生让这一问题摇到了哲学的高度。

       著名经济学家全国人大法工委《证券法》起草组组长王连洲教授也十分赞赏朱清时院士到讲演,他结合的国际经济学界“重回马克思”现状,谈到了金融海啸已经远远超出经济学范畴,它实际上已是一个经济、政治、社会、哲学等跨学科的问题。

       松竹书院主持刘正成先生结合余英时先生最近围绕“李约瑟问题”著文讨论西方科学渊源,並认为西方科学是建立在天文学和数学这个核心基础上,向朱清时院士提出问题:“蝴蝶效应能不能运用数学模式来表述?如果可能的话,就能马上找到应对金融海啸的最佳方案。”朱院士断然说:“不行。”他说:“高级计算机也只能处理小数点以后9位数的计算,如果9位数以后的数无限放大,计算机的结论就是错误的。”


附:

                     霍金19日北京关于宇宙弦学论演讲全文

                                       宇宙的起源

http://www.sina.com.cn 2006年06月19日 21:55 新浪科技


6月19日上午,著名科学家霍金教授参加在人民大会堂举行的2006年际弦理论大会开幕式,并作“宇宙的起源”主题讲座。

  新浪科技讯 6月19日上午,世界科学大师斯蒂芬·霍金教授参加在人民大会堂举行的2006年国际弦理论大会开幕式,并作“宇宙的起源”主题讲座。据大会主办方之一中国科学院理论物理研究所透露,在北京期间,霍金教授将向科学界和公众作两场“宇宙的起源”主题讲座。

  以下为霍金的演讲全文

宇宙的起源

根据中非Boshongo人的传说,世界太初只有黑暗、水和伟大的Bumba上帝。一天,Bumba胃痛发作,呕吐出太阳。太阳灼干了一些水,留下土地。他仍然胃痛不止,又吐出了月亮和星辰,然后吐出一些物,豹、鳄鱼、乌龟、最后是人。

  这个创世纪的神话和其它许多神话一样,试图回答我们大家都想诘问的问题:为何我们在此?我们从何而来?一般的答案是,人类的起源是发生在比较近期的事。人类正在知识上和技术上不断地取得进步。这样,它不可能存在那么久,否则的话,它应该取得更大的进步。这一点甚至在更早的时候就应该很清楚了。

  例如,按照Usher主教《创世纪》把世界的创生定于公元前4004年10月23日上午9时。另一方面,诸如山岳和河流的自然环境,在人的生命周期里改变甚微。所以人们通常把它们当作不变的背景。要么作为空洞的风景已经存在了无限久,要么是和人类在相同的时刻被创生出来。

  但是并非所有人都喜欢宇宙有个开端的思想。例如,希腊最著名的哲学家亚里士多德,相信宇宙已经存在了无限久的时间。某种永恒的东西比某种创生的东西更完美。他提出我们之所以看到发展处于这个情形,那是因为洪水或者其它自然灾害,不断重复地让文明回复到萌芽阶段。信仰永恒宇宙的动机是想避免求助于神意的干涉,以创生宇宙并启始运行。相反地,那些相信宇宙具有开端的人,将开端当作上帝存在的论据,把上帝当作宇宙的第一原因或者原动力。

  如果人们相信宇宙有一个开端,那么很明显的问题是,在开端之前发生了甚么?上帝在创造宇宙之前,他在做甚么?他是在为那些诘问这类问题的人准备地狱吗?德国哲学家伊曼努尔.康德十分关心宇宙有无开端的问题。他觉得,不管宇宙有无开端,都会引起逻辑矛盾或者二律背反。如果宇宙有一个开端,为何在它起始之前要等待无限久。他将此称为正题。另一方面,如果宇宙已经存在无限久,为甚么它要花费无限长的时间才达到现在这个阶段。他把此称为反题。无论正题还是反题,都是基于康德的假设,几乎所有人也是这么办的,那就是,时间是绝对的,也就是说,时间从无限的过去向无限的将来流逝。时间独立于宇宙,在这个背景中,宇宙可以存在,也可以不存在。

  直至今天,在许多科学家的心中,仍然保持这样的图景。然而,1915年爱因斯坦提出他的革命性的广义相对论。在该理论中,空间和时间不再是绝对的,不再是事件的固定背景。相反地,它们是动力量,宇宙中的物质和能量确定其形状。它们只有在宇宙之中才能够定义。这样谈论宇宙开端之前的时间是毫无意义的。这有点儿像去寻找比南极还南的一点没有意义一样。它是没有定义的。

      如果宇宙随时间本质上不变,正如20世纪20年代之前一般认为的那样,就没有理由阻止在过去任意早的时刻定义时间。人们总可以将历史往更早的时刻延展,在这个意义上,任何所谓的宇宙开端都是人为的。于是,情形可以是这样,这个宇宙是去年创生的,但是所有记忆和物理证据都显得它要古老得多。这就产生了有关存在意义的高深哲学问题。我将采用所谓的实证主义方法来对付这些问题。在这个方法中,其思想是,我们按照我们构造世界的模型来解释自己感官的输入。人们不能询问这个模型是否代表实在,只能问它能否行得通。首先,如果按照一个简单而优雅的模型可以解释大量的观测;其次,如果这个模型作出可能被观察检验,也可能被证伪的明确预言,这个模型即是一个好型。

     根据实证主义方法,人们可以比较宇宙的两个模型。第一个模型,宇宙是去年创生的,而另一个是宇宙已经存在了远为长久的时间。一对孪生子在比一年前更早的时刻诞生,已经存在了久于一年的宇宙的模型能够解释像孪生子这样的事物。

  另一方面,宇宙去年创生的模型不能解释这类事件,因此第二个模型更好。人们不能诘问宇宙是否在一年前确实存在过,或者仅仅显得是那样。在实证主义的方法中,它们没有区别。

  在一个不变的宇宙中,不存在一个自然的起始之点。然而,20世纪20年代当埃德温.哈勃在威尔逊山上开始利用100英寸的望远镜进行观测时,情形发生了根本的改变。哈勃发现,恒星并非均匀地分布于整个空间,而是大量地聚集在称为星系的集团之中。

  哈勃测量来自星系的光,进而能够确定它们的速度。他预料向我们飞来的星系和离我们飞去的星系一样多。这是在一个随时间不变的宇宙中应有的。但是令哈勃惊讶的是,他发现几乎所有的星系都飞离我们而去。此外,星系离开我们越远,则飞离得越快。宇宙不随时间不变,不像原先所有人以为的那样。它正在膨胀。星系之间的距离随时间而增大。

  宇宙膨胀是20世纪或者任何世纪最重要的智力发现之一。它转变了宇宙是否有一个开端的争论。如果星系现在正分开运动,那么,它们在过去一定更加靠近。如果它们过去的速度一直不变,则大约150亿年之前,所有星系应该一个落在另一个上。这个时刻是宇宙的开端吗?

  许多科学家仍然不喜欢宇宙具有开端。因为这似乎意味着物理学崩溃了。人们就不得不去求助于外界的作用,为方便起见,可以把它称作上帝,去确定宇宙如何起始。因此他们提出一些理论。在这些理论中,宇宙此刻正在膨胀,但是没有开端。其中之一便是邦迪、高尔德和霍伊尔于1948年提出的稳恒态理论。

  在稳恒态理论中,其思想是,随着星系离开,由假设中的在整个空间连续创生的物质形成新的星系。宇宙会永远存在,而且在所有时间中都显得一样。这最后的性质从实证主义的观点来看,作为一个可以用观测来检验的明确预言,具有巨大的优点。在马丁.莱尔领导下的剑桥射电观测天文小组,在20世纪60年代早期对弱射电源进行了调查。这些源在天空分布得相当均匀,表明大部分源位于银河系之外。平均而言,较弱的源离得较远。

  稳恒态理论预言了源的数目对应于源强度的图的形状。但是观测表明,微弱的源比预言的更多,这表明在过去源的密度较高。这就和稳恒态理论的任何东西在时间中都是不变的基本假设相冲突。由于这个,也由于其它原因,稳恒态理论被抛弃了。

  还有另一种避免宇宙有一开端的企图是,建议存在一个早先的收缩相,但是由于旋转和局部的无规性,物质不会落到同一点。相反,物质的不同部分会相互错开,宇宙会重新膨胀,这时密度保持有限。两位俄国人利弗席兹和哈拉尼科夫实际上声称,他们证明了,没有严格对称的一般收缩总会引起反弹,而密度保持有限。这个结果对于马克思主义列宁主义的唯物辩证法十分便利,因为它避免了有关宇宙创生的难以应付的问题。因此,这对于苏联科学家而言成为一篇信仰的文章。

  当利弗席兹和哈拉尼科夫发表其断言时,我是一名21岁的研究生,为了完成博士论文,我正在寻找一个问题。我不相信他们所谓的证明,于是就着手和罗杰.彭罗斯一起发展新的数学方法去研究这个问题。我们证明了宇宙不能反弹。如果爱因斯坦的广义相对论是正确的,就存在一个奇点,这是具有无限密度和无限时空曲率的点,时间在那里有一个开端。

  在我得到第一个奇点结果数月之后,即1965年10月,人们得到了确认宇宙有一个非常密集开端的思想的观察证据,那是发现了贯穿整个空间的微弱的微波背景。这些微波和你使用的微波炉的微波是一样的,但是比它微弱多了。它们只能将匹萨加热到摄氏负270.4度,甚至无法将匹萨化冻,更不用说烤熟它。实际上你自己就可以观察到这些微波。把你的电视调到一个空的频道去,在荧幕上看到的雪花的百分之几就归因于这个微波背景。早期非常热和密集状态遗留下的辐射是对这个背景的仅有的合理解释。随着宇宙膨胀,辐射一直冷却下来,直至我们今天观察到它的微弱的残余。

  虽然彭罗斯和我自己的奇性定理预言,宇宙有一个开端,这些定理并没有告诉宇宙如何起始。广义相对论方程在奇点处崩溃了。这样,爱因斯坦理论不能预言宇宙如何起始,它只能预言一旦起始后如何演化。人们对彭罗斯和我的结果可有两种态度。一种是上帝由于我们不能理解的原因,选择宇宙的启始方式。这是约翰.保罗教的观点。在梵蒂冈的一次宇宙论会议上,这位教皇告诉代表们,在宇宙起始之后,研究它是可以的。但是他们不应该探究起始的本身,因为这是创生的时刻,这是上帝的事体。我暗自庆幸,他没有意识到,我在会议上发表了一篇论文,刚好提出宇宙如何起始。我可不想象伽利略那样被递交给宗教裁判厅。

对我们结果的另外解释,这也是得到大多数科学家赞同的解释。这个结果显示,在早期宇宙中的非常强大的引力场中,广义相对论崩溃了,必须用一个更完备的理论来取代它。因为广义相对论没有注意到物质小尺度结构,而后者是由量子理论制约的,所以人们预料总要进行这种取代。在通常情况下,因为宇宙的尺度和量子理论的微观尺度相比较极为巨大,所以是否取代无所谓。但是当宇宙处于普朗克尺度,也就是1千亿亿亿亿分之一米时,这两个尺度变成相同,必须考虑量子理论。

为了理解宇宙的起源,我们必须把广义相对论和量子理论相结合。里查德.费恩曼对历史求和的思想似乎是实现这个目标的最佳方法。里查德.费恩曼是一位多姿多彩的人物。他在帕沙迪那的脱衣舞酒吧里敲小鼓,又是加州理工学院卓越的物理学家。他提议一个系统从状态A到状态B经过所有可能的路径或历史。

每个路径或者历史都有一定的振幅和强度。而系统从A到B的概率是将每个路径的振幅加起来。存在一个由兰干酪制成月亮的历史。但是其振幅很低。这对于老鼠来说不是一个好消息。

宇宙现在状态的概率可将结局为这个状态的所有历史迭加得到。但是这些历史如何起始的呢?这是一个改头换面的起源问题。是否需要一个造物主下达命令,宇宙如此这般起始呢?还是由科学定律来确定宇宙的初始条件呢?

事实上,即便宇宙的历史回到无限的过去,这个问题仍然存在。但是如果宇宙只在150亿年前起始,这个问题就更加急切。询问在时间的开端会发生甚么,有点像当人们认为世界是平坦的,询问在世界的边缘会发生甚么一样。世界是一块平板吗?海洋从它边缘上倾泻下去吗?我已经用实验对此验证过。我环球旅行过,我并没有掉下去。

正如大家知道的,当人们意识到世界不是一块平板,而是一个弯曲的面时,在宇宙的边缘发生甚么的问题就被解决了。然而,时间似乎不同。它显得和空间相分离。像是一个铁轨模型。如果它有一个开端,就必须有人去启动火车运行。

爱因斯坦的广义相对论将时间和空间统一成时空。但是时间仍然和空间不同,它正像一个通道,要么有开端和终结,要么无限地伸展出去。然而,詹姆.哈特尔和我意识到,当广义相对论和量子论相结合时,在极端情形下,时间可以像空间中另一方向那样行为。这意味着,和我们摆脱世界边缘的方法类似,可以摆脱时间具有开端的问题。

 定宇宙的开端正如地球的南极,其纬度取时间的角色。宇宙就在南极作为一个起始点。随着往北运动,代表宇宙尺度的常纬度的圆就膨胀。诘问在宇宙开端之前发生了甚么是没有意义的问题。因为在南极的南边没有任何东西。

  时间,用纬度来测量,在南极处有一个开端。但是南极和其它的点非常相像。至少我听别人这么讲的。我去过南极洲,没有去过南极。

同样的自然定律正如在其它地方一样,在南极成立。长期以来,人们说宇宙的开端是正常定律失效之处,所以宇宙不应该有开端。而现在,宇宙的开端由科学定律来制约,所以反对宇宙有开端的论证不再成立。

  詹姆.哈特尔和我发展宇宙自发创生的图景有一点像泡泡在沸腾的水中形成。

 其思想是,宇宙最可能的历史像是泡泡的表面。许多小泡泡出现,然后再消失。这些对应于微小的宇宙,它们膨胀,但在仍然处于微观尺度时再次坍缩。它们是另外可能的宇宙,由于不能维持足够长的时间,来不及发展星系和恒星,更不用说智慧生命了,所以我们对它们没有多大兴趣。然而,这些小泡泡中的一些会膨胀到一定的尺度,到那时可以安全地逃避坍缩。它们会继续以不断增大的速率膨胀,形成我们看到的泡泡。它们对应于开始以不断增加的速率膨胀的宇宙。这就是所谓的暴胀,正如每年的价格上涨一样。

 通货膨胀的世界纪录应归一战以后的德国。在18月期间价格增大了一千万倍。但是,它和早期宇宙中的暴胀相比实在微不足道。宇宙在比一秒还微小得多的时间里膨胀了十的30次方倍。和通货膨胀不同,早期宇宙的暴胀是非常好的事情。它产生了一个非常巨大的均匀的宇宙,正如我们观察到的。然而,它不是完全均匀的。在对历史求和中,稍微具有无规性的历史和完全均匀和规则历史的概率几乎相同。因此,理论预言早期宇宙很可能是稍微不均匀的。这些无规性在从不同方向来的微波背景强度上引起小的变化。利用MAP(微波各向异性)卫星已经观察到微波背景,发现了和预言完全一致的变化。这样,我们知道自己正在正确的道路上前进。

 早期宇宙中的无规性,意味着在有些区域的密度,比其它地方的稍高。这些额外密度的引力吸引使这个区域的膨胀减缓,而且最终能够使这些区域坍缩形成星系和恒星。请仔细看这张微波天图。它是宇宙中一切结构的蓝图。我们是极早期宇宙的量子起伏的产物。上帝的确在掷骰子。

 在过去的百年间,我们在宇宙学中取得了惊人的进步。广义相对论和宇宙膨胀的发现,粉碎了永远存在并将永远继续存在的宇宙的古老图像。取而代之,广义相对论预言,宇宙和时间本身都在大爆炸处起始。它还预言时间在黑洞里终结。宇宙微波背景的发现,以及黑洞的观测,支持这些结论。这是我们的宇宙图像和实在本身的一个深刻的改变。

 虽然广义相对论预言了,宇宙来自于过去一个高曲率的时期,但它不能预言宇宙如何从大爆炸形成。这样,广义相对论自身不能回答宇宙学的核心问题,为何宇宙如此这般。然而,如果广义相对论和量子论相合并,就可能预言宇宙是如何起始的。它开始以不断增大的速率膨胀。这两个理论的结合预言,在这个称作暴胀的时期,微小的起伏会发展,导致星系、恒星以及宇宙中所有其它结构的形成。对宇宙微波背景中的小的非均匀性的观测,完全证实了预言的性质。这样,我们似乎正朝着理解宇宙起源的正确方向前进,尽管还有许多工作要做。当我们通过精密测量空间航空器之间距离,进而能够检测到引力波,就会打开极早期宇宙的新窗口。引力波从最早的时刻自由地向我们传播,所有介入的物质都无法阻碍它。与此相比较,自由电子多次地散射光。这种散射一直进行到30万年后电子被凝结之前。

尽管我们已经取得了一些伟大成功,但并非一切都已解决。我们观察到,宇宙的膨胀在长期的变缓之后,再次加速。对此理论还不能理解清楚。缺乏这种理解,对宇宙的未来还无法确定。它会继续地无限地膨胀下去吗?暴胀是一个自然定律吗?或者宇宙最终会再次坍缩吗?新的观测结果,理论的进步正迅速涌来。宇宙学是一个非常激动人心和活跃的学科。我们正接近回答这古老的问题:我们为何在此?我们从何而来?谢谢各位。 

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