时间简史-第16节
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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�
