宇宙的起源
——霍金（翻译演讲稿件）
按照中非人的传说来讲, 世界初始之时, 仅仅存在着黑暗, 还有水, 以及伟大的Bumba上帝。有一天, Bumba上帝的胃部疼痛发作起来, 之后呕吐出了太阳。太阳把一些水给灼干了, 进而留下了土地。他的胃痛依旧没有停止, 接着吐出了月亮, 还有星辰, 随后又吐出了一些动物, 像是豹、鳄鱼、乌龟, 最后吐出的是人。
这个关于创世纪的神话, 跟其它不少神话相同, 试着去回应我们所有人都想要追问的问题: 缘何我们处于此地? 我们源自何处? 通常的回答是, 人类的起源乃是发生于相对近期的事情。人类在知识方面以及技术方面持续地获取进步。如此, 它不太可能存在那么长的时间, 不然的话, 它理应取得更为巨大的进步。这一点即便在更早的时段就理应是清晰明了的了。
例如, 依据Usher主教所著《创世纪》, 将世界的创生时间确定为公元前4004年10月23日上午9时。另一方面, 像山岳以及河流这类自然环境, 在人的生命周期当中改变极小。所以人们一般把它们视作不变的背景。要么认定其作为空洞的风景已然存在了无穷久, 要么觉得是和人类在同一时刻被创生出来的。
然而, 不是所有人都钟情于宇宙存在开端这一思想, 比如说, 希腊最具知名度的哲学家亚里士多德, 坚信宇宙已然存续了无限漫长的时间, 某类永恒的事物相较某类创生的事物更为完美, 他主张我们目睹发展处于这般情形, 是由于洪水或者别的自然灾害, 持续反复地使文明回归于萌芽状态, 信仰永恒宇宙的动机是意图规避借助神意的干预, 来创生宇宙并启动运行。与之相反的是, 存在这样一些人, 他们坚信宇宙拥有开端, 进而把这个开端, 作为论证上帝存在的依据, 还把上帝看作宇宙的首要原因, 或者是最初的动力来源。
如若人们坚信宇宙存在一个开端, 那么非常明显能察觉到的问题便是, 在开端以前究竟发生了什么? 上帝于创制宇宙之前, 他实施了什么举动? 他是在为那些对这类问题进行追问的人筹备地狱吗? 德国哲学家伊曼努尔.康德极为关注宇宙是否拥有开端的问题。他认为, 无论宇宙有无开端, 均会激发逻辑矛盾或者二律背反。要是宇宙存有一个开端, 为何在其起始之前需等待无限长的时间。他把这称作正题。另一方面, 倘若宇宙已然存续无限久, 为何它要耗费无限漫长的时间才抵达当前这个阶段。他将此称作反题, 不管是正题, 还是反题, 皆依据康德的假设, 差不多所有人亦是如此做的, 即时间是绝对的, 也就是说沿着从无限开端前行到达无限末尾的方向, 时间持续向前流逝, 时间独立于宇宙, 在这样的背景状况下, 宇宙能够存在, 也能够不存在。
直到现在, 好多科学家心里, 依旧留存着这样的画面。可是, 1915年爱因斯坦提出了他那具有革命性的广义相对论。在这个理论里, 空间和时间不再是绝对的, 不再是事件的固定背景。相反, 它们是动力量, 宇宙中的物质和能量确定其形状。它们只在宇宙中才可以定义。像这样去谈论宇宙开端之前的时间是没有任何意义的。这有点类似于去寻觅比南极还靠南的一点是没有意义的一样。它是没有定义的。
倘若宇宙本质跟随时间没有变化, 如同二十世纪二十年代之前普遍所认为的那般, 那就不存在缘由去阻碍在往昔任意及早的时刻对时间予以定义。人们一直能够把历史朝着更早的时刻去延展, 从这个层面来讲, 任何所谓的宇宙起始都是人为造就的。所以呀, 情况可能是如此这般, 这个宇宙是去年才创生的, 然而所有的记忆以及物理证据都显得它要古老许多。这就滋生出有关存在意义的深邃哲学问题。我会运用所谓的实证主义方式来应对这些问题。在这个方法里, 其思想为, 我们依据构建世界的模型去阐释自身感官的输入。人们无法询问该模型是否代表实在, 只能询问它是否行得通。首先，要是依照一个简单且优雅的模型能解释大量的观测；其次, 要是这个模型作出既可能被观察检验, 又可能被证伪的明确预言, 此模型便是一个好模型。
依据实证主义方法, 人们能够对宇宙的两个模型予以比较。第一个模型是, 宇宙于去年被创生。而另是一个模型, 宇宙已然存在久远得多的时间。一对孪生子在比更早于一年前的时刻出生, 存在时间久于一年的宇宙的模型能够对诸如孪生子这类事物作出解释。
另一方面呢, 那种认为去年宇宙开始创生的模型, 没办法对这类事件作出解释, 所以第二个模型更为优良。人们没办法去质疑宇宙在一年前是不是真的存在过, 或者只是看起来像是存在过。在实证主义采用的办法那边, 它们二者不存在差异。
在一不变的宇宙里头, 不存在一个自然而然的起始之点。可是, 20世纪20年代的时候, 当埃德温.哈勃于威尔逊山上开始借助100英寸的望远镜来展开观测之际, 情形产生了根本的变化。哈勃发现, 恒星并非均匀地分散于整个空间里, 而是大量地聚集处在称作星系的集团当中。
哈勃测量了来自星系的光从而能够确定它们的速度, 他预料向我们飞来的星系与离我们飞去的星系同数量, 这是在一个随时间保持不变的宇宙中理应出现的。然而令哈勃备感惊讶的是, 诸多星系几乎都在飞速滑离我们, 此外, 当星系与我们的距离越远时, 其飞离的速度也变得越快。宇宙并非如原先所有人所认定的那样不随时间改变, 它展现出的是正在不断彭胀中的状态物理学家宇宙起源简介234范文网，星系之间的距离也正随着时间的持续推进而不断增大。
20世纪当中或者任何一个世纪里, 宇宙膨胀属于最重要的智力发现之一。它使得宇宙是否存在一个开端的争论产生了转变。要是星系当下正处于分开运动的状态, 那么, 它们在过去必定是更加靠近彼此的。倘若它们过去的速度始终保持不变, 那么大概在150亿年之前, 所有星系应当是彼此堆叠在一起的。这个时刻会是宇宙的开端吗?
许多科学家依旧不喜好宇宙存有开端, 这好像暗示着物理学瓦解了, 人们就得去借助外界的作用, 为了便利将其称作上帝, 来明确宇宙怎样起始, 所以他们提出一些理论, 在这些理论里, 宇宙当下正在膨胀, 然而并无开端, 其中一个就是邦迪、高尔德和霍伊尔于1948年提出的稳恒态理论。
稳恒态理论里, 其想法是, 伴随星系离去, 由假定在整个空间持续创生的物质构成新的星系, 宇宙会一直存在, 且在所有时刻都呈现相同模样, 这最后的特性从实证主义角度看, 作为一个能用观测检验的清晰预言, 具备极大优点, 在马丁·莱尔带领下的剑桥射电观测天文小组, 于20世纪60年代早期对弱射电源展开调查, 这些源在天空分布颇为均匀, 显示大部分源处于银河系之外, 平均来讲, 较弱的源距离较远。
稳恒态理论对源的数目对应于源强度的图的形状作出了预言, 然而观测显示, 微弱的源比所预言的还要多之情形指出在过去源的密度是较高的, 这与稳恒态理论中任何东西于时间里都是不变的这一基本假设形成了冲突, 鉴于此点, 并且由于其他缘由, 稳恒态理论被摒弃了。
还有一种企图用来避免宇宙有一开端, 那就是建议存在一个早先的收缩相, 然而因为旋转以及局部性的无规性, 物质不会落到同一个点上, 相反, 物质的不同部分会相互错开来, 宇宙继而会重新膨胀, 此时密度保持在有限状态。两位俄国人利弗席兹和哈拉尼科夫实际上宣称, 他们证实了, 没有严格对称的一般收缩总会引发反弹, 并且密度保持有限。这个结果对于马克思主义列宁主义的唯物辩证法极为便利, 原因在于它避开了有关宇宙创生的棘手问题。因此物理学家宇宙起源简介，这对于苏联科学家而言成为一篇信仰的文章。
当时, 利弗席兹与哈拉尼科夫发表了他们的断言, 那时我作为一名21岁的研究生, 正为完成博士论文而寻觅一个问题。因为我不相信他们给予的所谓证明, 所以着手与罗杰.彭罗斯一同去发展新的数学方法来研究该问题。我们证实没有宇宙能够反弹这种情况。假设爱因斯坦的广义相对论是正确的, 那么就会存在一个奇点, 此奇点意味着具有无限的密度以及无限的时空曲率, 并且时间在这个点上是有一个开端的。
数几个月后, 我得以首个奇点结果, 此为1965年10月时分, 人们获观察证据, 用以确认宇宙有极密集开端思想状况, 那是发现微弱微波背景贯穿全空间, 这些微波与你用微波炉的微波一样, 不过微弱得多, 它们仅能把匹萨加热到摄氏负270.4度, 连化冻匹萨都成问题, 更别说烤熟其了, 事实上你自身就能观察到这些微波, 将电视调至空频道, 荧幕出现雪花, 其中百分之几就归功于这微波背景。由于早期遗留至今的高度炽热且极为密集状态下出现的辐射, 是针对这个背景唯一合理的解释, 随着宇宙不断膨胀, 辐射因之朝着冷却方向持续变化, 直至我们如今观测到它呈现微弱残余的这般情景。
纵使彭罗斯与我自身所拥有的奇性定理作出了宇宙存在一个开端的预言, 可这些定理却并未将宇宙起始的方式相告。广义相对论方程于奇点之处已然走向崩溃态势。如此一来, 爱因斯坦的理论便无法对宇宙如何起始予以预言, 它仅仅能够预言宇宙一旦起始之后会怎样进行演化。人们对于彭罗斯和我的结果存在着两种态度展现。一种是上帝基于我们无法理解的缘由, 去挑选宇宙的启始方式。这属于约翰.保罗教所持的观点。在梵蒂冈举办的一次宇宙论会议当中, 这位教皇向代表们表明, 在宇宙起始之后, 对其展开研究是可行的。但是, 他们不应当去深入探究起始的本身, 可是, 这乃是创生的时刻, 并且这是属于上帝的事体。我在内心暗自庆幸着, 庆幸他并未意识到, 我于会议之上发表了一篇论文, 而这篇论文恰好提出了宇宙是怎样起始的哩。我可不愿意像伽利略那样被递交给宗教裁判厅。
对我们结果的另外一种解释, 这还是得到大多数科学家认可赞同的解释。这个结果表明, 在早期宇宙里的特别强大的引力场当中, 广义相对论瓦解崩溃了, 得要用一个更完善完备的理论去取代它。因为广义相对论没留意到物质小尺度结构, 而这小尺度结构是受量子理论约束制约的, 所以人们预期预料总是要开展进行这种取代。在平常通常情况下, 由于宇宙的尺度跟量子理论的微观尺度相比较起来极为庞大巨大, 所以是否取代没什么所谓。可是, 当宇宙处在普朗克尺度, 即1千亿亿亿亿分之一米的时候, 这两个尺度会变为相同, 此时必须要斟酌量子理论。
我们要理解宇宙的起源, 就得将广义相对论与量子理论相结合, 里查德.费恩曼对历史求和的思想好像是达成这个目标的最佳办法, 里查德.费恩曼是个多姿多彩的人物, 他在帕沙迪那的脱衣舞酒吧里敲过小鼓, 还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会经过所有可能的路径或历史。
存有一定振幅以及强度者, 乃为每个路径或者历史。而系统从A至B的概率此情况, 是把每个路径的振幅予以相加起来。有着一个由兰干酪制成月亮的历史存在。然而其振幅是很低的。这对于老鼠来讲并非是一个好消息。
能通过将结局为此状态的所有历史迭加, 得出宇宙现在状态的概率。然而, 这些历史是怎样起始的? 这是一个换了形式的起源问题。是需要一个造物主下达指令, 让宇宙如此这般起始吗? 还是由科学定律去确定宇宙的初始条件?
实际上, 就算宇宙的历史回溯至无限久远的过去, 此问题依旧存在, 然而要是宇宙仅在150亿年前开始起源, 那这个问题就愈发迫切。去探究在时间的起始之际会出现什么情况, 有点类似于当人们认定世界是平整的时候, 去询问在世界的边缘会发生什么状况。世界是一块平板模样吗? 海洋会从它的边缘倾泄下流吗? 我现已通过实验对这进行了验证。我展开过环球旅行, 我并未掉落下去。
好似众人所晓得的那般, 当人们察觉到世界并非是一块平板, 而是一个呈现弯曲状态的面时, 在宇宙边缘所会发生什么的问题便被处理掉了。然而呢, 时间显得不一样。它看上去和空间相互分开。就如同一个铁轨模型那样。要是它存在一个开端, 那就必定得有人去促使火车开始行驶。
空间与时间被爱因斯坦的广义相对论统一成了时空, 然而时间还是和空间不一样, 它好似一个通道, 此通道要么有终结还有开端, 要么会朝着无限的方向往外伸展。但詹姆.哈特尔跟我察觉到, 广义相对论同量子论相结合时, 在极度特殊的情况下, 时间能够如同空间里的另一个方向那般表现。这就表明, 如同我们摆脱世界边缘的办法一样, 能够摆脱时间存在开端的这个问题了。
假设宇宙的起始之处如同地球的南极点, 在这里其纬度担当起时间的功能。宇宙于南极这个位置为起始点。随着朝着北方移动, 那代表宇宙规模大小的具有固定不变纬度的圆形便会扩张膨胀起来。追问在宇宙开始之前究竟发生了什么, 这是个毫无意义的问题。原因在于在南极点的南边不存在任何事物。
对时间而言, 是运用纬度去进行测量的, 于南极的地方存在着一个开端。然而, 南极之地与其他的点极为相像, 可以确定最少对我提及此事之人有着这样的表示, 至于我呢, 我曾去到过南极洲, 但是却不曾去过南极。
在别处成立的同样自然定律, 于南极也是成立的。长久时间里, 人们讲宇宙的起始是正常定律失效的地方, 故而宇宙不该存在开端。而当下, 宇宙的起始受科学定律的约束, 于是反对宇宙存在开端的论证不再站得住脚。
宇宙自发创生的图景, 是由詹姆.哈特尔和我共同开发呈现的, 这种图景呈现出一种类似泡泡在温度处于沸腾状态的水中逐渐形成的样子。
其思想表现为, 宇宙具备最大可能性的历史恰似泡泡的表面模样。众多小泡泡得以出现, 随后又消失不见。这些小泡泡相当于微细的宇宙, 它们会进行膨胀, 不过在依旧处于微观尺度的时候就再度坍缩。它们属于另外具备可能性的宇宙, 鉴于无法维持足够长的时间, 以至于来不及去发展星系以及恒星, 更不要说是智慧生命了, 所以我们对它们并没有太大的兴趣。然而, 这些小泡泡之中的一部分会膨胀至一定的尺度, 到了那个时候便能够安全地避开坍缩。它们会持续以不断增大的速率进行膨胀, 进而形成我们所看到的泡泡。它们对应于宇宙, 该宇宙开始以不断增加的速率膨胀。这就是所谓的暴胀, 其情形正如每年的价格上涨一样。
一战以后的德国应归属通货膨胀的世界纪录, 在18月这段期间, 价格增大到了一千万倍, 然而, 和早期宇宙中的暴胀相比, 它实在是微不足道, 宇宙在比一秒还要微小得多的这样一个时间段里, 膨胀了十的30次方倍, 与通货膨胀不一样的是, 早期宇宙的暴胀是非常好的一件事情, 它产生了一个非常巨大且均匀的宇宙, 就如同我们所观察到的那样, 不过, 它并不是完全均匀的, 在对历史进行求和的时候, 稍微带有无规性的历史与完全均匀且规则历史的概率几乎是相同的。因此, 理论作出预言, 早期宇宙极有可能是略微不均匀的。这些无规性致使从不同方向而来的微波背景强度产生小的变化。利用MAP（微波各向异性）卫星对微波背景进行了观察, 发现了与预言完全相符的变化。如此一来, 我们知晓自己正行进在正确的道路之上。
宇宙之早期, 其中存在着无规性, 按此而言即为, 密度于某些区域, 相较于其他地方, 会稍显高些。这般情况下会产生, 额外密度对引力引发吸引之现象, 进而又致使此区域, 原有膨胀态势缓慢下来, 并且最终, 还能够使得该区域, 出现向内坍缩之状况, 导致星系还有恒星逐渐由此形成。请认真些去观测这张微波天图。它担当起宇宙里所有结构之蓝图角色。我们实则亦属于极早期宇宙量子起伏产生之结果。上帝确实在进行掷骰子之动作呐。
在往昔的百年当中, 于宇宙学里我们收获了令人震惊的进展。广义相对论的发觉, 还有宇宙膨胀的发觉, 打破了向来存在且会一直持续存在的宇宙的陈旧影像。转而取代的是, 广义相对论做出预言, 宇宙以及时间自身皆是在大爆炸那里起始的。它还做出预言, 时间是在黑洞里终结的。宇宙微波背景的发觉, 和黑洞的观测, 对这些结论进行支持。这是我们的宇宙影像以及实在自身的一次深刻的变动。
即便广义相对论有所预言, 宇宙起源于往昔一个具备高曲率的阶段, 可它没办法预言宇宙怎样经由大爆炸得以形成。所以, 广义相对论自身无法解答宇宙学的关键问题, 也就是宇宙缘何会是这般。但是, 要是广义相对论跟量子论互相合并, 那就有可能预言宇宙是怎样起始的。它开端是以持续增大的速度进行膨胀。这两个理论的结合做出预言, 在这个被称作暴胀的时期, 细微的起伏会发展起来, 进而致使星系、恒星以及宇宙里所有其他结构的形成。观测宇宙微波背景里小的非均匀性, 完全证实了预言的性质, 这样, 我们好像正朝着理解宇宙起源的正确方向行进, 尽管仍有诸多工作要做。当我们借助精密测量空间航空器之间的距离, 进而能够检测到引力波时, 就会开启极早期宇宙的新窗口。引力波从最早的时刻自由地朝我们传播, 所有介入的物质都没法阻碍它。与之相比, 自由电子多次散射光, 这种散射一直持续到30万年后电子被凝结之前。
虽说我们已然拥有了某些伟大成功, 可并非所有问题都已被解决, 我们察觉到, 宇宙的膨胀于长期变缓之后, 又再度加速了。对于这种情况理论一直未能洞悉明白, 因缺乏这样的理解, 所以对宇宙的未来尚难以确定, 它会持续不断地无限膨胀下去吗? 暴胀是一条自然定律吗? 抑或是宇宙最终会再度坍缩呢? 新的观测成果, 理论的进展正迅猛涌现, 宇宙学是一个极为激动人心且活跃的学科, 我们正逐步迈向解答这古老问题的道路: 我们为何身处此地? 我们源自何处?
谢谢各位。