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第八章宇宙的起源和命运

  宇宙从非常热开始并随膨胀而冷却的景象,和我们今天所有的观测证据相一致。尽管如此,还有许多重要问题未被回答:
  (1)为何早期宇宙如此之热?
  (2)为何在大尺度上宇宙是如此一致?为何在空间的所有地方和所有方向上它显得是一样的?尤其是,当我们朝不同方向看时,为何微波辐射背景的温度是如此之相同?这有点像问许多学生一个考试题。如果所有人都刚好给出相同的回答,你就会十分肯定,他们互相之间通过话。在上述的模型中,从大爆炸开始光还没有来得及从一个很远的区域传到另一个区域,即使这两个区域在宇宙的早期靠得很近。按照相对论,如果连光都不能从一个区域走到另一个区域,则没有任何其他的信息能做到。所以,除非因为某种不能解释的原因,导致早期宇宙中不同的区域刚好从同样的温度开始,否则,没有一种方法能使它们有互相一样的温度。
  (3)为何宇宙以这样接近于区分坍缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的速率开始,以至于即使在100亿年以后的现在,它仍然几乎以临界的速率膨胀?如果在大爆炸后的1秒钟那一时刻其膨胀率甚至只要小十亿亿分之一,那么在它达到今天这么大的尺度之前宇宙就已坍缩。
  (4)尽管在大尺度上宇宙是如此的一致和均匀,它却包含有局部的无规性,诸如恒星和星系。人们认为,这些是从早期宇宙中不同区域间的密度的很小的差别发展而来。这些密度起伏的起源是什么?
  广义相对论本身不能解释这些特征或回答这些问题,因为它预言,在大爆炸奇点宇宙是从无限密度开始的。在奇点处,广义相对论和所有其他物理定律都失效:人们不能预言从奇点会出来什么。正如以前解释的,这表明我们可以从这理论中除去大爆炸奇点和任何先于它的事件,因为它们对我们没有任何观测效应。空间一时间就会有边界——大爆炸处的开端。
  看来科学揭露了一组定律,在不确定性原理极限内,如果我们知道宇宙在任一时刻的状态,这些定律就会告诉我们,它如何随时间发展。这些定律也许原先是由上帝颁布的,但是看来从那以后他就让宇宙按照这些定律去演化,而不再对它干涉。但是,它是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。