大爆炸：从原初的混沌到最早的有序

在20世纪前半叶，种种证据逐渐积累，形成了另一种理论，我们称之为大爆炸宇宙学。它解决了熵的问题，说明宇宙并不是无限古老的；它解决了奥伯悖论，指出宇宙处在有限的时间和空间内；它还指出，宇宙正在迅速膨胀，引力（还来不及！）将所有事物都拉扯成一团，这也合理地解释了引力的悖论。大爆炸宇宙学描述了一个有开端、有历史的宇宙，因此，把宇宙学变成了一门历史科学，变成了一种变化和进化的叙述。

大爆炸理论认为，宇宙从一个无限小的奇点开始迅速膨胀，并且至今仍在膨胀。至少，这种叙述在形式上类似于传统的创世神话，即所谓的浮现神话（emergence myth）。在这类叙述中，宇宙就像一粒卵或一颗胚芽，从一个遥远的，也许是不可确定的起点，历经不同的阶段，在内在的发展规律制约下不断进化。1927年，大爆炸宇宙学的创始人之一乔治“·勒梅特（Georges Lemaoître）提出，早期宇宙就像原初的原子”（primordial atom）。如同所有的浮现神话一样，现代理论暗示宇宙在一个特定时间被创造，它有自己的历史，而且可能在遥远的未来消亡。新的理论解决了旧理论所遇到的许多困难。例如，它指出宇宙并不是永远存在的，由此解释了奥伯悖论；由于光速有限（正如爱因斯坦所言），即使到宇宙生命的尽头，来自最遥远星系的光也不可能到达我们这里。这个理论也与产生于20世纪初有关恒星、物质、能量的大量新数据和信息相一致。但在一开始的时候，它也不得不借助于某种不可言说的神秘。

关于起源的现代故事如下所述。宇宙诞生于大约130亿年前。（这段时间有多长呢？如果每个人的寿命正好是《圣经》所说的70年，那么要相当于2亿人的寿命首尾相连才能回溯到那么远的时间。关于这些巨大的时间范围的更多详情，可参见附录一。）关于开端，我们除了说出现了某种事物之外，就没有其他任何话可说了。我们不知道它为什么出现，也不知道如何出现的。我们说不清在这之前存在着什么。我们甚至都不能说有那么一个“之前”或者“空间”，某种事物在其中存在着，因为（公元5世纪圣奥古斯丁在一场争论中早就提出）时间和空间也许是与物质和能量在同一时刻被创造出来的。所以，关于大爆炸那一刻或者更早的时期，我们说不出什么确切的东西。

然而，从大爆炸之后一秒钟还不到的一刹那开始，现代科学能够根据大量证据提供一个精确而清晰的故事。大部分最有趣的“事件”都发生在这一秒钟不到的一刹那间。事实上，把时间本身当成从这些最初的若干瞬间延伸出来，将有助于我们理解一百亿分之一秒与宇宙之后数十亿年的历史是同等重要的。

一开始，宇宙极其微小，也许比原子还小。（那么原子到底有多微小呢？物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）形象地说明了原子的大小：如果把一只苹果扩展到地球那么大，那么组成苹果的每一个原子的体积就相当于最初的那只苹果。）这个像原子般大小的宇宙温度高达好几万亿度。在这样的温度下，物质和能量是可以相互转化的——正如爱因斯坦所说，其实物质差不多就是能量的一种凝聚形式。这种“能量/物质”高度致密的混沌，颇类似于各种传统创世神话所说的原初的无序状态。但是在现代故事中，这个微小的宇宙以令人吃惊的速度膨胀，而且正是由这种膨胀产生了最初的差异和形式。膨胀理论宣称，大约在大爆炸之后的10-34秒至10-32秒间，宇宙以超光速（光速大约为每秒30万千米）膨胀，在某种形式的“反引力”（antigravity）作用下迅速分离。这一过程的强度是无法想象的：在爆炸之前，整个宇宙可能比一个原子还小，而在一瞬间之后，它变得比一个星系还要大。膨胀的程度大到我们几乎观察不到宇宙的绝大部分，因为大部分来自宇宙的光线都过于遥远而不能到达我们这里。我们所能见到的宇宙也许只是真正宇宙的极小一部分。就像蒂莫西·费里斯所指出的：“如果整个膨胀的宇宙像地球那么大，那么我们所能观察到的部分比一个质子还要小。”

随着宇宙的膨胀，它的同质性开始降低。初始的平衡被打破，不同的范型开始出现，物质和能量获得了我们今天所见到的形式。现代核子物理学能够说出在怎样的温度下会出现怎样特定的能量或物质形式，就像我们能够说出在怎样的温度下水会转化为冰一样。因此，如果我们能够测算宇宙冷却的速度，那么我们就能测算不同的力与粒子分别是在什么时候从早期宇宙混沌中诞生的。在大爆炸后第一秒内，夸克出现了，它构成原子核的主要成分——质子和中子。夸克和原子核由支配我们宇宙的四种基本力之一的强核力结合在一起。

即使以大多数创世神话的夸张标准衡量，现代创世故事在这一点上（亦即大爆炸之后不超过1/1000秒的时间宇宙就生成了），它的夸张程度也是显而易见的。粒子以两种形式出现，组成了几乎等量的物质和反物质。反物质的粒子除了拥有相反的电荷之外，与物质的粒子一模一样。当二者相遇，彼此相互抵消，而且它们的质量百分之百转化为能量。因此，大爆炸后的第一秒钟之内，在原子内部上演了一出逆向的抢座位游戏，其中夸克是游戏者，反夸克就是座位，10亿个夸克中找不到反夸克座位的那一个夸克才是胜利者。构成我们宇宙的物质是由10亿个粒子中找不到反物质伙伴的那个粒子所组成的。找到伙伴的粒子以宇宙背景辐射的形式转化为纯粹的能量，这些能量至今仍遍及宇宙。这一过程或许可以解释为什么在今天的宇宙中，物质的粒子与能量的光子的数量之比为1∶10亿。

然后宇宙膨胀的速度减慢了。在大爆炸之后的几秒钟内，电子出现了。电子带着一个负电荷，而质子（由夸克构成）带着一个正电荷。电子与质子之间的关系由另一种基本力——电磁力所控制，电磁力也出现在宇宙历史的第一秒之内。在早期炽热的宇宙中，携带电磁力能量的光子与物质带电的粒子纠缠在一起。那时的宇宙更像今天太阳的内部：大量的粒子和光子不断相互作用，形成一片白热的海洋。整个宇宙在带正电荷的质子与带负电荷的电子以及光的相互作用下所产生的能量发出持续不断的噼啪声。在这个“辐射的时代”，就像埃里克·蔡森所解释的，物质只不过像“一个极其微小的、用显微镜才能看见的凝结物，悬浮在由耀眼的放射线所构成的浓‘雾’中”的存在。

可能在大爆炸发生30万年之后，宇宙的平均温度下降到绝对零度以上4000℃，温度的下降可能是宇宙历史最根本的转变之一。转变的瞬间就像宇宙的起源一样神秘，而且在我们的历史中随时都会发生。我们日常生活中最熟悉的例子之一，就是水变成蒸汽。把水加热，在一段时间内看上去只是水温升高。变化是渐渐发生的，我们能够观察到它正在发生变化。突然，越过一个临界值，某种新的东西出现了，整个系统进入了一个新阶段。原先的液体变成了气体。为什么临界状态就出现在某个特定的点上呢，在我们所举的例子中就是（海平面）100℃？有时我们能够解释从一种状态到另一种状态的转变，而且答案无非是不同的力——如引力、压力、热力、电磁力等——出现不平衡。有时我们完全不知道临界值为什么会在某个特定的点上被超越。

辐射时代的终结就是这样一个转变，物理学家多少可以用宇宙膨胀过程中光量子能量下降与在亚原子层次上发生作用的电磁力之间的平衡来加以解释。随着宇宙的膨胀，宇宙温度降低，在宇宙间流动的光能量大为减弱，使得带正电荷的质子能够捕获带负电荷的电子，产生稳定而中性的原子。由于原子是中性的，因而不再与光子发生强烈的相互作用（虽然少数相互作用仍在发生）。因此，光量子如今可以自由地在宇宙中飘荡。在大多数场合，物质和能量停止了相互作用。就好比犹太教——基督教——伊斯兰教宇宙哲学中的物质和精神一样，物质和能量成了两个彼此分离的不同领域。这一衰退过程之后的时代可以描述为“物质阶段”。

最早出现的原子极为简单。大部分为氢原子，由一个质子和一个电子构成。还有三分之一的氦原子，氦原子由两个质子和两个电子构成，也有一些更大一点儿的原子。所有的原子都很微小，直径约为一千万分之一厘米。但它们内部仍然主要是真空。质子和中子结合在一起形成原子核，电子遵循着自己的轨道在远处围绕着它们运行。理查德·费曼指出：“如果我们有一个原子，并希望看到它的原子核，那我们必须把这个原子放大到像一间大房子的尺寸，这样原子核才差不多是一颗可以用肉眼辨认的微粒，但原子所有的重量几乎都集中在这个极其微小的原子核内。”即使在诞生30万年之后，宇宙依然是很简单的。它差不多全部由真空构成，由氢和氦组成的巨大云团四处飘荡，携带着巨大的能量。

表1.1是宇宙早期历史的简明年谱。大约大爆炸之后30万年，所有的创造物都已经出现了：时间、空间、能量，以及物质宇宙的基本粒子，包括质子、电子和原子核，如今这些粒子的大部分已组成了氢原子和氦原子。从那一刻起，已没有什么真正意义上的变化了。同样的能量和同样的物质延续至今。对于下一个130亿年而言，这些相同的成分以不同范型安排着自己，不断形成和消亡。从某种观点看，现代创世神话的剩余部分只不过是关于这些不同范型的故事而已。

表1.1 早期宇宙年谱

资料来源：切萨雷·埃米利亚尼（Cesare Emiliani）：《科学指南：通过事实、数字和公式探索宇宙物理世界》第2版（纽约：约翰·威利出版社，1995年）, 第82页；类似的年谱也可参见斯蒂芬·霍金：《果壳中的宇宙》（纽约：矮脚鸡出版社，2001年），第78页

但在我们看来，范型是非常重要的，因为我们自身就是一种探寻范型的生物体。出现的范型包括银河系和恒星、化学元素、太阳系、我们的地球，以及居住在地球上的所有生物。当然，也包括我们人类。听说有一位逸名的智者说过：“氧是一种很轻的、无味的气体，要有足够的时间，就会变化成为人类。”从这一观点而言，现代创世神话和早期的创世神话一样是充满矛盾的。一切不变，但是一切皆变。尽管各种事物似乎独立存在、特征各异，但实际上每个事物又是相同的。形式和质料是其背后同一本质的不同表达形式，意大利人乔尔丹诺·布鲁诺于1584年在《论原因、本原与太一》中就提出了这个观念。同样的观念也出现在极为深奥的宗教和哲学思想中。佛教最为尊贵经典之一的《心经》有云：“色不异空，空不异色。色即是空，空即是色。”范型是如何从早期混沌的宇宙中产生的，将是下一章的一个核心主题。