宇宙的起源

宇宙起源的问题有点像这个老问题:先有鸡还是先有蛋？换句话说，是什么创造了宇宙，是什么创造了宇宙？也许宇宙，或者创造它的东西，已经存在了无限的时间，不需要被创造。直到最近，科学家们一直试图避免这些问题，认为它们属于形而上学或宗教，而不是科学。然而，在过去的几年里，人们发现即使在宇宙形成之初，科学定律仍然有效。在这种情况下，宇宙可以自给自足，完全由科学定律决定。关于宇宙是否以及如何开始的争论贯穿了整个有记录的历史。基本上有两种学派。许多早期传统，以及犹太教、基督教和*，都认为宇宙是在相对较近的过去创造的。(伍彻主教在17世纪计算出宇宙诞生的日期是公元前4004年，这个数字是通过将《旧约》中人物的年龄相加得到的。)承认人类文化和技术的明显进化，这是现代支持上述思想的事实。我们记得该性能的发起者或该技术的开发者。可以这样说，我们不可能存在这么长时间。因为否则，我们应该比现在更先进。事实上，《圣经》的创作日期类似于最后一个冰河时代的结束，这似乎是现代人首次出现的时间。

另一方面，有些人，像希腊哲学家亚里士多德，不喜欢宇宙有一个开端的想法。他们认为这意味着神的干预。他们宁愿相信宇宙已经存在，并将无限期地继续存在。不朽的东西比必须创造的东西更完美。他们对上述人类进步问题的回答是，周期性的洪水或其他自然灾害会不断地将人类带回到原始状态。

两个学派都认为宇宙基本上不会随着时间而改变。它要么以现在的形式被创造出来，要么以现在的形式无限期地维持下去。这是一个自然的信念，因为人类的生命——整个有记录的历史是如此短暂，宇宙在这一时期从未发生显著变化。在一个稳定的宇宙框架中，它是存在了无限的时间，还是在过去的有限时间里诞生了，这实际上是一个形而上学的或宗教的问题:任何理论都可以解释它。1781年，哲学家伊曼纽尔·康德写了一本里程碑式的、非常模糊的书《纯粹理性批判》。他在这本书里总结说，有同样有效的论据来支持宇宙有开始或宇宙没有开始的信念。正如他的书名所示，他只是在推理的基础上得出结论，换句话说，他只是忽略了对宇宙的观察。毕竟，它是。在一个不变的宇宙中有什么可观察的？

然而，在19世纪，证据开始积累，表明地球戏剧和宇宙的其他部分实际上随着时间而改变。地质学家认识到，岩石和化石的形成需要数亿甚至数十亿年的时间。这比神创论者计算的地球年龄要长得多。德国物理学家路德维希·玻尔兹曼提出的所谓热力学第二定律也提供了进一步的证据，证明宇宙中无序的总量(用一个叫做熵的量来衡量)总是随着时间而增加。正如关于人类进步的争论暗示它只能运行一段有限的时间，否则，它现在应该退化到一种完全无序的状态，在这种状态下，所有的事物都处于同一温度。

如果宇宙处于无边界状态，那对科学来说将是一件好事，但是我们怎么知道情况是否如此呢？答案是，无边界假设已经对宇宙应该如何运行做出了明确的预测。如果这些预测与观测不一致，我们可以得出结论，宇宙不是没有边界的。因此，在哲学家卡尔·波普尔定义的意义上，无边界假设是一个好的科学理论:它可以被观察证伪。

如果观察不符合预测，我们将知道可能的历史类型中一定有奇点。然而，这基本上是我们所知道的一切。我们无法计算这一奇怪历史的概率，因此我们无法预测宇宙应该如何运行。有些人可能认为，如果不可预测性只发生在大爆炸时，那就不会有太大的阻碍，毕竟那是100亿或200亿年前的事了。然而，如果可预测性在大爆炸的非常强的引力场中失败，只要恒星坍塌，它也将失败。这种事件在我们的星系中一周只发生几次。即使按照天气预报的标准，我们的预测能力也很差。

当然，人们也会说，我们不必在意遥远星球上可预测性的失败。然而，任何在量子理论中没有被实际禁止的事情都可能并且将会发生。这样，如果可能的历史类别包括奇点空间，这些奇点可以出现在任何地方，不仅仅是在大爆炸和坍塌的恒星中。这意味着我们无法预测任何事情。另一方面，我们能够预测事件的事实是反对奇点和支持无边界假设的实验证据。

那么，无边界假设对宇宙有什么预测呢？第一个预测是，因为宇宙的可能历史在其范围上是有限的，所以人们用作时间度量的任何数量都必须有一个最大值和一个最小值。这样，宇宙将有开始和结束。实时的开始是大爆炸奇点。然而，这个开始不再是想象时间中的奇点。相反，它有点像地球的北极。如果人们把地球表面的纬度看作时间的模拟，可以说地球表面是从北极开始的。然而，北极是地球上一个完全相同的点。这没什么特别的。同样的法律适用于北极，就像它适用于地球的其他地方一样。类似地，我们用来标记为“警告”的事件是时间和空间上的一个公共点，就像其他点一样。科学定律在一开始就建立了，就像在其他地方一样。

从与地球表面的类比中，人们可能会预期宇宙的终结将与开始相似，就像北极与南极相似一样。然而，南北偶极从虚拟时间延伸到真实时间，人们会发现宇宙的开始和结束在真实时间可能是非常不同的。

乔纳森·哈里维尔和我对*条件的含义做了一个近似计算。我们把宇宙看作是一个完全平滑和均匀的背景，在这个背景上存在着密度的小扰动。宇宙在上一次从一个非常小的半径扩展。最初的膨胀被称为暴涨，也就是说，宇宙规模在每一个比一秒短得多的时间间隔内都会翻倍，就像某些国家的价格每年都会翻倍一样。德国可能在第一次世界大战后创下了通货膨胀的世界纪录，几个月内一包面包的价格从1马克上升到100万马克。但是没有什么可以和早期宇宙中的飞速发展相比。宇宙的大小在一分一秒内增加了至少10万亿倍。这当然发生在*之前。

从某种意义上来说，这种暴涨是一件好事，因为它在大范围内产生了一个平滑而均匀的宇宙，而宇宙以临界速度膨胀只是为了避免崩溃。它还可以从无到有地创造宇宙的内容，这是繁荣的另一个优势。当宇宙像北极一样是一个点时，它什么也不包含。然而，在我们能观察到的宇宙中，至少有10个80次方粒子。这些粒子是从哪里来的？答案是相对论和量子力学允许物质以反粒子对粒子的形式从能量中产生。那么，创造生物质的能量来自哪里？答案是它是从宇宙的重力能量中借来的。宇宙欠负引力能很大一笔债，它与物质的正能量正好平衡。结果是凯恩斯经济学的胜利:一个物质的、动态的、不断膨胀的宇宙。引力能的债务只能在宇宙的尽头偿还。

早期的宇宙不可能是完全一致的，因为否则它将违反量子力学的不确定性原理。相反，一定有一些偏离均匀密度。无边界假设意味着这些密度差异从它们的基态开始，也就是说，相对于不确定性原理，它们尽可能小。然而，这些差异在繁荣时期被放大了。繁荣时期结束后，留下的宇宙在某些地方比在其他地方膨胀得稍快。在膨胀稍慢的地区，物质的引力会进一步减缓膨胀。该区域最终将停止扩张并收缩形成星系和恒星。这样，无边界假设可以解释我们周围看到的所有复杂结构。然而，它没有对宇宙做出单独的预测。相反，它预测了一个可能的历史家族，每个家族都有自己的可能性。也许有这样一段历史，工党赢得了上次英国大选，尽管可能性很小。

这个无边界的假设对商鞅在宇宙事务中的作用有深远的影响。现在人们普遍认为宇宙是根据定义明确的定律进化的。这些定律可能是上帝制定的，但违反这些定律似乎不会干扰宇宙。然而，直到最近，人们才相信这些定律不能应用于宇宙的起源。它依靠上帝来结束，让宇宙按照它的意愿运行。这样，宇宙的现状是上帝选择初始条件的结果。

然而，如果类似无边界假设的东西是正确的，情况将会大大改善。在这种情况下，物理定律甚至适用于宇宙的开端，所以上帝没有选择初始条件的*。当然，它仍然可以*选择宇宙应该遵守的法则。然而，这里没有太多选择。也许只有几条目的法则。这些定律是自洽的，可以导致像我们一样复杂的生物的存在。他可以问上帝的本质是什么。

即使可能的定律只有一个族，它也只是一个方程族。是什么给了这些方程生命之火去创造一个受它们支配的宇宙？统一的终结理论如此激进，以至于它自己的实现是不可避免的吗？尽管科学可以解决宇宙如何起源的问题，但它仍然不能回答这个问题:为什么宇宙必须存在？对此我没有答案。

[终点]

稳定宇宙的想法遇到的另一个困难是，根据牛顿引力定律，宇宙中的每颗恒星必须互相吸引。如果是这样的话，他们怎么能保持一个恒定的距离，然后停在那里呢？

牛顿知道这个问题。在给当时一位著名哲学家理查德·本特利的一封信中，他同意这样一种观点，即有限的一群恒星不可能是静止的，所有的恒星都会落在某个中心点。然而，他得出结论，无限多的恒星不会一起坠落，因为没有它们坠落的中心点。这个论点是人们谈论无限系统时遇到的陷阱的一个例子。用不同的方法将宇宙中无限多恒星中其余恒星作用在每颗恒星上的力相加，将会给出恒星是否保持恒定距离的不同答案。我们现在知道，正确的步骤是考虑恒星的有限区域，然后添加更多大致均匀分布在该区域之外的恒星。有限的恒星区域将会塌缩在一起，根据牛顿定律，在这个区域之外增加更多的恒星并不能防止它们塌缩。这样，无限多的恒星不可能处于静止状态。如果他们在某个时刻没有做相对运动，他们之间的吸引力将导致他们开始向对方坠落。另一种情况是，它们可能相互远离，重力降低了退化的速度。

尽管恒定宇宙的概念有这些困难，但在17、18、19世纪甚至20世纪早期，都没有人提出它。宇宙可能随着时间的推移而进化。牛顿和爱因斯坦都没有失去预测宇宙是收缩还是膨胀的机会。因为牛顿生活在观测发现宇宙膨胀之前的250年，人们真的不能责怪他。但是爱因斯坦应该更清楚。他在1915年对广义相对论的预测正在扩展。然而，他对稳定的宇宙如此着迷，以至于他不得不在自己的理论中加入一个因素，以使其与牛顿的理论相一致，并对抗重力。

埃德温·哈勃在1929年发现宇宙膨胀，彻底改变了关于宇宙起源的讨论。如果你把星系的当前运动追溯到过去的时间方向，看起来它们应该在100亿到200亿年前的某个时间点重叠。在这个被称为大爆炸奇点的时刻，宇宙的密度和时空的曲率应该是无限的。在这种情况下，所有已知的科学定律都是无效的。这对科学来说是一场灾难。所有科学能告诉我们的是，宇宙现在的状态是如此，因为它在过去是以那种形式存在的。但是科学无法解释为什么在大爆炸后的瞬间会是这样。

这样，许多科学家对这个结论不满意就不足为奇了。为了避免大爆炸奇点的存在以及由此产生的时间已经开始的结论，已经进行了几次尝试。其中一个叫做稳态理论。这个想法是，由于恒星不会彼此分离，新的星系将在星系之间的空间中由不断产生的物质形成。这样，宇宙不仅会以今天的状态存在，而且会无限期地继续存在。