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诊断地球 - 宇宙的未来  [ 返回目录页 ]


  霍金是当今最负盛名的英国理论物理学家,他战胜严重的残疾,执着地从事科学研究,他的名著《时间简史》被翻译成30多种文字,销售500多万册,成为科学著作中罕见的畅销书。霍金的研究领域主要集中在宇宙学与黑洞,他提出的一系列观点,都或多或少改变了我们对宇宙 对时空的认识,有着重要的启发性。他目前担任剑桥大学卢卡逊数学教授。这篇文章是他1991年1月在剑桥大学的讲演。
  这篇讲演的主题是宇宙的未来,或者不如说,科学家认为将来是什么样子的。预言将来当然是非常困难的。我曾经起过一个念头,要写一本题为《昨天之明天:未来历史》的书。它会是一部对未来预言的历史,几乎所有这些预言都是大锗特锗的。但是尽管这些失败,科学家仍然认为他们能预言未来。
  在非常早的时代,预言未来是先知或者女巫的职责。这些通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人。周围的牧师把她们的咒语翻译出来。而真正的技巧在于解释。古希腊的德勒菲的著名巫师以模棱两可而臭名昭著,当这些斯巴达人问道,在波斯人攻击希腊时会发生什么,这巫师回答道:要么斯巴达会被消灭,要么其国王会被杀害。我想这些牧师盘算,如果这些最终都没有发生,则斯巴达就会对阿波罗太阳神如此之感恩戴德,以至忽视其巫师作错预言的这个事实。事实上,国王在捍卫特奠皮拉隘道的一次拯救斯巴达并最终击败波斯人的行动中丧生了。
  另一次事件,利迪亚的国王克罗修斯,这位世界上最富裕的人有一次问道:如果他侵略波斯的话会发生什么。其回答是:一个伟大的王国将会崩溃。克罗修斯以为这是指波斯帝国,殊不知正是他自己的王国要陷落,而他自己的下场是活活地在柴堆上受火刑。
  近代的末日预言者为了避免尴尬,不为世界的末日设定日期。这些日期使股票市场下泻。虽然它使我百思不解,为何世界的终结会使人愿意用股票来换钱,假定你在世界末日什么也带不走的话。
  迄今为止,所有为世界末日设定的日期都无声无息地过去了。但是这些预言家经常为他们显然的失败找借口解释。例如,第七日回归的创建者威廉·米勒预言,耶稣的第二次到来会在1843年3月21日至1844年3月21日间发生。在没有发生这件事后,这个日期就修正为1844年10月22日。当这个日期通过又没有发生什么事后,又提出了一种新的解释。据说,1844年是第二次回归的开始,但是首先要数出获救者名单。只有数完了名单,审判日才降临到那些不列在名单上的人。幸运的是,数人名看来要花很长的时间。
  当然,科学预言也许并不比那些巫师或预言家的更可靠些。人们只要想到天气预报就可以了。但是在某些情形下,我们认为可以做可靠的预言。宇宙在非常大的尺度下的未来,便是其中一个例子。
  我们在过去的300年间发现了制约在所有正常情形下物体的科学定律。我们仍然不知道制约在极端条件下物体的精确的定律。那些定律在理解宇宙如何启始方面很重要,但是它不影响宇宙的未来演化,除非直到宇宙坍缩成一种高密度的状态。事实上,我们必须花费大量金钱建造巨大粒子加速器去检验这些高能定律,便是这些定律对现在宇宙的影响是多么微不足道的一个标志。
  即便我们知道了制约宇宙的有关定律,我们仍然不能利用它们去预言遥远的未来。这是因为物理方程的解会呈现出一种称作混饨的性质。这表明方程可能是不稳定的:在某一时刻对系统作非常微小的改变,系统的未来行为很快会变得完全不同。例如,如果你稍微改变一下你旋转轮赌盘的方式,就会改变出来的数字,你在实际上不可能预言出来的数字,否则的话,物理学家就会在赌场发财。
  在不稳走或混饨的系统中,一般地存在一个时间尺度,初始状态下的小改变在这个时间尺度将增长到两倍。在地球大气的情形下,这个时间尺度是5天的数量级,大约为空气绕地球吹一圈的时间。人们可以在5天之内作相当准确的天气预报,但是要做更长远得多的天气预报,就既需要大气现状的准确知识,又需要一种不可逾越的复杂计算。我们除了给出季度平均值以外,没有办法对6个月以后作具体的天气预报。
  我们还知道制约化学和生物的基本定律,这样在原则上,我们应能确定大脑如何工作。但是制约大脑的方程几乎肯定具有混饨行为,初始态的非常小的改变会导致非常不同的结果。这样,尽管我们知道制约人类行为的方程,但在实际上我们不能预言它。科学不能预言人类社会的未来或者甚至它有没有未来。其危险在于,我们毁坏或消灭环境的能力的增长比利用这种能力的智慧的增长快得大多了。
  宇宙的其他地方对于地球上发生的任何事物根本不在乎。绕着太阳公转的行星的运动似乎最终会变成混饨,尽管其时间尺度很长。这表明随着时间流逝,任何预言的误差将越来越大。在一段时间之后,就不可能预言运动的细节。我们能相当地肯定,地球在相当长的时间内不会和金星相撞。但是我们不能肯定,在轨道上的微小扰动会不会积累起来,引起在十几亿年后发生这种碰撞。太阳和其他恒星绕着银河系的运动,以及银河系绕着其局部星系团的运动也是混饨的。我们观测到,其他星系正离开我们运动而去,而且它们离开我们越远,就离开得越快。这意味着我们周围的宇宙正在膨胀:不同星系间的距离随时间而增加。
  我们观察到的从外空间来的微波辐射背景给出这种膨胀是平滑而非混饨的证据。你只要把你的电视调到一个空的频道就能实际观测到这个辐射。你在屏幕上看到的斑点的小部分是由太阳系外的微波引起的。这就是从微波炉得到的同类的辐射,但是要更微弱得多,它只能把食物加热到绝对温度的2.7度,所以不能用来温热你的外卖皮萨。人们认为这种辐射是热的早期宇宙的残余。但是它最使人印象深刻的是,从任何方向来的辐射量几乎完全相同。宇宙背景探索者卫星已经非常精确地测量了这种辐射。从这些观测绘出的天空图可以显示辐射的不同温度。在不同方向上这些温度不同,但是差别非常微小,只有1/1
  0。因为宇宙不是完全光滑的,存在诸如恒星 星系和星系团的局部无规性,所以从不同方向来的微波必须有些不同。但是,要和我们观测到的局部无规性相协调,微波背景的变化不可能再小了。微波背景在所有方向上能够相等到99999/100。
  上古时代,人们以为地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一样的事实,对于他们而言毫不足怪。然而,从哥白尼时代开始,我们就被降级为绕着一颗非常平凡的恒星公转的一颗行星,而该恒星又是绕着我们看得见的不过是一千亿个星系中的一个典型星系的外边缘公转。我们现在是如此之谦和,我们不能声称任何在宇宙中的特殊地位。所以我们必须假定,在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。这只有在如果宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同时才有可能。平均密度或膨胀率的大区域的任何变化都会使微波背景在不同方向上不同。这表明,宇宙的行为在非常大尺度下是简单的,而不是混饨的。因此我们可以预言宇宙遥远的未来。
  因为宇宙的膨胀是如此之均匀,所以人们可按照一个单独的数,即两个星系间的距离来描述它。现在这个距离在增大,但是人们预料不同星系之间的引力吸引正在降低这个膨胀率。如果宇宙的密度大于某个临界值,引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压,这和启始宇宙的大爆炸相当相似。大挤压是被称作奇性的一个东西,是具有无限密度的状态,物理定律在这种状态下失效。这就表明即便在大挤压之后存在事件,它们要发生什么也是不能预言的。但是若在事件之间不存在因果的连接,就没有合理的方法说一个事件发生于另一个事件之后。也许人们可以说,我们的宇宙在大挤压处终结,而任何发生在“之后”的事件都是另一个相分离的宇宙的部分。这有一点像是再投胎。如果有人声称一个新生的婴儿是和某一死者等同,如果该婴儿没从他的以前的生命遗传到任何特征或记忆,这种声称有什么意义呢?人们可以同样他讲,它是完全不同的个体。
  如果宇宙的密度小于该临界值。它将不会坍缩,而会继续永远膨胀下去。其密度在一段时间后会变得如此之低,引力吸引对于减缓膨胀没有任何显著的效应。星系们会继续以恒常速度相互离开。
  这样,对于宇宙的未来其关键问题在于:平均密度是多少?如果它比临界值小,宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大,宇宙就会坍缩,而时间本身就会在大挤压处终结。然而,我比其他的末日预言者更占便宜。即便宇宙将要坍缩,我可以满怀信心地预言,它至少在10O亿年内不会停止膨胀。我预料那时自己不会留在世上被证明是错的。
  我们可以从观测来估计宇宙的平均密度。如果我们计算能看得见的恒星并把它们的质量相加,我们得到的,不到临界值的1/100左右。即使我们加上在宇宙中观测到的气体云的质量,它仍然只把总数加到临界值的1/100。然而,我们知道,宇宙还应该包含所谓的暗物质,即是我们不能直接观测到的东西。暗物质的一个证据来自于螺旋星系。存在恒星和气体的巨大的饼状聚合体。我们观测到它们围绕着自己的中心旋转。但是如果它们只包含我们观测到的恒星和气体,则旋转速率就高到足以把它们甩开。必须存在某种看不见的物质形式,其引力吸引足以把这些旋转的星系牢牢抓住。
  暗物质的另一个证据来自于星系团。我们观测到星系在整个空间中分布得不均匀,它们成团地集中在一起,其范围从几个星系直至几百个星系。假定这些星系互相吸引成一组从而形成这些星系团。然而,我们可以测量这些星系团中的个别星系的运动速度。我们发现其速度是如此之高,要不是引力吸引把星系抓到一起,这些星系团就会飞散开去。所需要的质量比所有星系总质量都要大得多。这是在这种情形下估算的,即我们认为星系已具有在它们旋转时把自己抓在一起的所需的质量。所以,在星系团中我们观测到的星系以外必须存在额外的暗物质。
  人们可以对我们具有确定证据的那些星系和星系团中的暗物质的量作一个相当可靠的估算。但是这个估算值仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的10/100左右。这样,如果我们仅仅依据观测证据,则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。再过50亿年左右,太阳将耗尽它的核燃料。它会肿胀成一颗所谓的红巨星,直到它把地球和其他更邻近的行星都吞没。它最后会稳定成一颗只有几千英里尺度的白矮星。我正在预言世界的结局,但这还不是。这个预言还不至于使股票市场过于沮丧。前面还有一两个更紧迫的问题。无论如何,假定在太阳爆炸的时刻,我们还没有把自己毁灭的话,我们应该已经掌握了恒星际旅行的技术。
  在大约100亿年以后,宇宙中大多数恒星都已把燃料耗尽。大约具有太阳质量的恒星不是变成白矮星就是变成中子星,中子星比白矮星更小更紧致。具有更大质量的恒星会变成黑洞。黑洞还更小,并且具有强到使光线都不能逃逸的引力场。然而,这些残留物仍然继续绕着银河系中心每一亿年转一圈。这些残余物的相撞会使一些被抛到星系外面去。余下的会渐渐地在中心附近更近的轨道上稳定下来,并且最终会集中一起,在星系的中心形成一颗巨大的黑洞。不管星系或星系团中的暗物质是什么,可以预料它们也会落进这些非常巨大的黑洞中去。
  因此可以假定,星系或星系团中的大部分物体最后在黑洞里终结。然而,我在若干年以前发现,黑洞并不像被描绘的那样黑。量子力学的不确定性原理讲,粒子不可能同时具有定义很好的位置和定义很好的速度。粒子位置定义得越精确,则其速度就只能定义得越不精确,反之亦然。如果在一颗黑洞中有一颗粒子,它的位置在黑洞中被很好地定义,这意味着它的速度不能被精确地定义。所以粒子的速度就有可能超过光速,这就使得它能从黑洞逃逸出来,粒子和辐射就这么缓慢地从黑洞中泄漏出来。在一颗星系中心的巨大黑洞可有几百万英里的尺度。这样,在它之内的粒子的位置就具有很大的不确定性。因此,粒子速度的不确定性就很小,这表明一颗粒子要花非常长的时间才能逃离黑洞。但是它最终是要逃离的。在一个星系中心的巨大黑洞可能花10的90次方年的时间蒸发掉并完全消失,也就是:后面跟90个0。这比宇宙现在的年龄要长得多,它是10的10次方年,也就是:后面跟10个0。如果宇宙要永远膨胀下去的话,仍然有大量的时间可供黑洞蒸发。
  永远膨胀下去的宇宙的未来相当乏味。但是一点也不能肯定宇宙是否会永远膨胀。我们只有大约为使宇宙坍缩的需要密度1/10的确定证据。然而,可能还有其他种类的暗物质,还未被我们探测到,它会使宇宙的平均密度达到或超过临界值,这种附加的暗物质必须位于星系或星系团之外。否则的话,我们就应觉察到了它对星系旋转或星系团中星系运动的效应。
  为什么我们应该认为,也许存在足够的暗物质,使宇宙最终坍缩呢?为什么我们不能只相信我们已有确定证据的物质呢?其理由在于,哪怕宇宙现在只具有1/10的临界密度。都需要不可思议地仔细选取初始的密度和膨胀率。如果在大爆炸后1秒钟宇宙的密度大了:万亿分之一,宇宙就会在10年后坍缩。另一方面,如果那时宇宙的密度小了同一个量,宇宙在大约10年后就变成基本上空无一物。
  宇宙的初始密度为什么被这么仔细地选取呢?也许存在某种原因,使得宇宙必须刚好具有临界密度。看来可能存在两种解释。一种是所谓的人择原理,它可被重述如下:宇宙之所以是这种样子,是因为否则的话,我们就不会在这里观测它。其思想是,可能存在许多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近临界密度的能存活得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质。只有在那些宇宙中才有智慧生物去洁问这样的问题:密度为什么这么接近于临界密度?如果这就是宇宙现在密度的解释,则没有理由去相信宇宙包含有比我们已探测到的更多物质。1/10的临界密度对于星系和恒星的形成已经足够。
  然而,许多人不喜欢人择原理,因为它似乎太倚重于我们自身的存在。这样就有人对为何密度应这么接近于临界值寻求另外可能的解释。这种探索导至极早期宇宙的暴涨理论。其思想是宇宙的尺度曾经不断地加倍过,正如在遭受极端通货膨胀的国家每隔几个月价格就加倍一样。然而,宇宙的暴涨更迅猛更极端得多:在一个微小的暴涨中尺度的至少1000亿亿亿倍的增加,会使宇宙这么接近于准确的临界密度,以至于现在仍然非常接近于临界密度。这样,如果暴涨理论是正确的,宇宙就应包含足够的暗物质,使得密度达到临界值。这意味着,宇宙最终可能会坍缩,但是这个时间不会比迄今已经膨胀过的150亿年左右长大多。
  如果暴涨理论是正确的,必须存在的额外的暗物质会是什么呢?它似乎和构成恒星和行星的正常物质不同。我们可以计算出宇宙在大爆炸后的最初3分钟的极早期阶段产生的各种轻元素的量。这些轻元素的量依赖于宇宙中的正常物质的量而定。我们可以画一张图,在垂直方向标出轻元素的量,沿着水平轴是宇宙中正常物质的量。如果现在正常物质的总量大约只为临界量的1/10,则我们可以得到和观测很一致的丰度。这些计算也可能是错误的,但是我们对于几种不同的元素得到观测到的丰度这个事实,令人印象十分深刻。
  如果存在暗物质的临界密度,那么其主要候选者可能是宇宙极早阶段的残余。基本粒子是一种可能性。存在几种假想的候选者,那是些我们认为也许存在但还没有实际探测到的粒子。但是最有希望的情形是中微子,我们对它已有很好的证据。它被认为自身没有质量,但是最近一些观测暗示,中微子可能有小质量。如果这一点得到证实并发现具有恰好的数值,中微子就能提供足够的质量,使宇宙密度达到临界值。
  黑洞是另一种可能性。早期宇宙可能经历过所谓的相变。水的沸腾和凝固便是相变的例子。在相变过程中原先均匀的媒质,譬如水,会发展出无规性。在水的情形下会是一大堆冰或蒸汽泡。这些无规性会坍缩形成黑洞。如果黑洞非常微小的话,它们由于早先描述的量子力学的不确定性原理的效应,迄今已被蒸发殆尽。但是,如果它们超过几十亿吨(一座山的质量),则现在仍在周围,并且很难被探测到。
  对于在宇宙中均匀分布的暗物质,它对宇宙膨胀的效应是唯一探测其存在的方法,由测量遥远星系离开我们而去的速度便可确定膨胀的减慢程度。其关键在于,光离开这些星系向我们传播,所以我们是在观测在遥远的过去的这些星系。人们可以绘一张图,把星系的速度和它们的表观亮度或星等作比较,星等是它们离开我们的距离的测度。这张图上的不同曲线对应于不同的膨胀减慢率。向上弯折的曲线对应于将要坍缩的宇宙。初看起来观测似乎表示坍缩的情景。但是麻烦在于,星系的表观亮度不能很好地标度离开我们的距离。不仅在星系的本征亮度存在相当大的变化,而且还有证据说明其亮度随时间而改变。由于我们不知道允许的亮度演化是多少,所以我们还不能说减慢率是多少:它是否快到使宇宙最终坍缩,或者宇宙会继续永远膨胀下去。这必须等到我们发展出更好的测量星系距离的手段后才行。但是我们可以肯定,减慢率没有快到使宇宙在今后的几十亿年内坍缩的程度。
  宇宙在1000亿年左右既不永远膨胀也不坍缩是一个非常激动人心的前景。我们是否有所作为使将来变得更加有趣呢?一种肯定可为的做法是让我们驾驶到一颗黑洞中去。它必须是一颗相当大的黑洞,比太阳质量的100万倍还要大。在银河系的中心很可能有颗这么大的黑洞。
  在一颗黑洞中会发生什么我们还不很清楚。广义相对论的方程允许这样的解,它允许人们进入一颗黑洞并从其他地方的一颗白洞里出来。白洞是黑洞的时间反演。它是一种东西只出不进的物体。在宇宙的其他部分可能会有白洞。这似乎为星系际的快速旅行提供了可能性。麻烦在于这种旅行也许是过于迅速了。如果通过黑洞的旅行成为可能,则似乎无法阻拦你在出发之前已经返回。那时你可以做一些事,譬如讲杀死你的母亲,因为她一开始就不让你进入黑洞。
  看来物理定律不允许这种时间旅行,这也许对于我们(以及我们母亲们)的存活是个幸事。似乎有一种时序防御机构,不允许旅行到以前去,使得这个世界对于历史学家是安全的。如果一个人向以前旅行,似乎要发生的是,不确定性原理的效应会在那里产生大量的辐射。这种辐射要么把时空卷曲得如此之甚,以至于不可能在时间中倒退回去,要么使时空在类似于大爆炸和大挤压的奇性处终结。不管哪种情形,我们的过去都不会受到居心叵测之徒的威胁。最近我和其他一些人进行的一些计算支持这个时序防御假设。但是,我们过去不能将来永远也不能进行时间旅行的最好证据是,我们从未遭受到从未来来的游客的侵犯。
  现在小结如下:科学家相信宇宙受定义很好的定律制约,这些定律在原则上允许人们去预言将来。但是定律给出的运动通常是混饨的。这意味着初始状态的微小变化会导致后续行为的快速增大的改变。这样,人们在实际上经常只能对未来相当短的时间作准确的预言。然而,宇宙大尺度的行为似乎是简单的,而不是混饨的。所以,人们可以预言,宇宙将永远膨胀下去呢,还是最终将会坍缩。这要按照宇宙的现有密度而定。事实上,现在密度似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区分开来的临界密度。如果暴涨理论是正确的,则宇宙实际上是处在刀锋上。所以我正是继承那些巫师或预言者的良好传统,两方下赌注,以保万无一失。
   杜欣欣 吴忠超 译
   (选自《霍金讲演录》,湖南科技出版社1994年版)
  


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