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- 简明大历史-杨长云译
宇宙的起源
所有文化的起源故事都面临着一个根本问题：如何无中生有？于是他们尝试解释宇宙的复杂性：哪些事物先出现，哪些后出现？但是不同于神话故事，万物起源的现代理论——“大爆炸”——依赖于大量经过仔细测试的信息，而且影响力很大，已得到了全世界科学家的认同。
在我们知道的所有文化中，特定社会时期的历史叙述总是内含于关于地形、动物、地球、星体和整个宇宙的历史叙述之中。所有文化都认为，历史起源于宇宙。为了了解我们是什么，我们来自哪里，我们必须了解整个宇宙的历史。宇宙学提供了一个最大可能的框架，以思考我们在时间和空间上的位置。
传统的起源故事
从表面上看，各种起源故事往往看起来彼此完全不同。不过，所有故事都试图解决相同的根本问题。最初，他们必须解释怎样可以无中生有。一些起源故事（包括创世记）声称一个或多个神创造了宇宙，并且忽略了一个难以摆脱的问题：神是怎样被创造的？很多起源故事以一种虚无开始，凭空产生某些事物，没有解释清楚如何产生和为什么产生。于是，他们碰到了一切最基本的二元性：在无和有之间。很多起源故事假定初始状态是个不完全存在也不完全不存在的混沌态；然后，从这个态中衍生出存在和不存在。这个难以理解的过程往往与有性繁殖相比较，后者是另一种生命创造的奇特形式，即两个人的结合产生第三个人。英国小说家和诗人罗伯特·格雷夫斯（Robert Graves）因神话著作而闻名于世，他讲述了一个古老的希腊神话，这个神话从混沌开始，并且混沌在某种意义上既是创造者，又是现实的基础。下面这则故事摘自芭芭拉·斯普劳尔（Barbara Sproul）的著作《原始神话》（Primal Myths），说明了起源故事如何利用富有象征意义的叙述来解决如今我们仍然质疑的问题。
起初，万物女神欧律诺墨（Eurynome）赤身裸体地从混沌中冉冉升起，然而却发现无立足之地，于是，她从天空中划分出了海洋，在海浪上孤独地跳舞。她面朝着南方跳舞，风在她身后吹动，似乎是某些崭新的东西，区别于那些开始创造的工作。她转过身来，抓住了这股北风，在两手间揉搓并注视着！这狡猾的俄菲翁（Ophion）。欧律诺墨舞动着以温暖她的身体，越来越狂野，直到俄菲翁变得贪婪，缠绕着那些神圣的肢体，然后感动地与她结成夫妇。如今，北风，也称为北风之神，受孕了：这就是为什么母马总是将它们的臀部转向风处，并且可以不借助公马而产下小马驹。因此，欧律诺墨也这样得到了孩子。接着，她假装成一只鸽子的样子，在海浪上孵蛋，并在适当的时间内产下万能蛋。按照她的吩咐，俄菲翁在这颗蛋上缠绕了七圈，直到这颗蛋被孵化，一分为二。所有存在的事物滚滚而出，她的孩子有：太阳、月亮、行星、星体、以及拥有山川、河流、树木、药草和生物的地球。（斯普劳尔，1991年，第157页）
正如这个故事所启示的，一旦解释宇宙的起源，那么起源故事都会面临很多其他复杂的问题。它们可以解释我们的宇宙丰富的多样性和复杂性吗？哪些事物先产生，哪些后产生？宇宙中的不同部分总是相冲突的，抑或整个宇宙曾经是一片和谐之地？对于这些问题，来自加利福尼亚的卡皮诺（Cupeno）部落的一个创世神话给出了具有其象征意义的答案：“起初，所有都是黑暗且虚无的。空间中挂着一个袋子，时间上它打开后分成两半。其中一半产生了丛林狼，另一半产生了野猫。它们立马就到底谁更大争吵起来”（斯普劳尔，1991年，第242页）。原始混沌、神、受精卵、性，以及一分为二的原始物，这些元素都编织出许多传统的创世神话。
早期的科学理论
现代科学的起源故事也面临着相同的问题和矛盾，但是它们试着在无神论甚至是无意识论的情况下解释这些问题。万物的起源真的可以完全由自然法则的作用而得到解释吗？尽管现代宇宙学已经取得了惊人的进展，时至今日，这个问题仍然存在，我们仍然不知道如何更好地解释宇宙起源的瞬间。中世纪欧洲的起源神话，现代宇宙学从中演化而来，描述了神如何创造宇宙，而宇宙的形状和移动都可由埃及天文学家托勒密提出的宇宙论模型合理地描述。在托勒密的系统中，地球为宇宙的中心，被一系列附加在行星、太阳和星体上的透明且旋转的球层包围。在很长一段时间内，托勒密的模型非常有效，并且被证实可精准地预测天文现象，比如行星和星体的运动。然而，在16至17世纪的欧洲，其他的模型取代了它。波兰天文学家尼古拉·哥白尼主张地球和行星绕着太阳转动，而意大利哲学家焦尔达诺·布鲁诺（Giordano Bruno，1548—1600）主张许多星体就是它们自己的太阳，也许每一个星体都有着它自己的太阳系统。这些在现代天文学早年提出的新模型所想象的宇宙远大于托勒密所提出的，从而地球和人类的所在地变得越来越微不足道。到17世纪末，大多数人已经接受宇宙也许是永恒且无限的这种观点。
一位画家的印象，至少有10亿年高龄的宇宙可能看起来就好像它在以前所未有的速率将原始氢转变成各种各样的星体。美国国家航空航天局和K.兰泽塔，纽约州立大学。艺术作品：A.沙勒，太空望远镜科学研究所。
膨胀的宇宙
宇宙永恒的观念产生了新的问题。天文学家约翰尼斯·开普勒指出，在一个无限的宇宙中，无论白天还是夜晚，应该都有无数的星体和无穷的光线照射到地球上。19世纪热力学理论的发展提出了另一个问题：在一个无限而古老的宇宙中，所有可用能量应该都会耗散为热，不会残留任何自由能量来产生或维持复杂物体，比如恒星、行星和生物。
这些问题的解决方案，以及关于宇宙本身的新观点，在20世纪初就出现了。首先，关于宇宙结构的研究揭示，宇宙由很多星系组成，而不仅仅是银河系，因为很多遥远的物体依靠自身转变成星系。其次，在20世纪20年代后期，埃德温·哈勃在洛杉矶外使用威尔逊望远镜发现大多数遥远的星系似乎是在远离地球观察者运动。从技术上来说，他发现来自遥远星系的光是“红移”的，或者说向低频移动，这似乎是多普勒频移的结果。（相同的效应可解释一辆救护车远离我们时汽笛音高的降低。）更令人震惊的是，他发现离开得越远，光的“红移”越明显，而且它们似乎也更快地远离地球。假设地球在宇宙中的位置并不特殊，那么宇宙中任何一处的观察者都可以观察到相同的东西，哈勃断定整个宇宙一定在膨胀。如果它现在正在膨胀，那么随之而来的结论是过去它一定更小，而且在过去的某个时刻，它一定是无限小。如果没有阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）在他的广义相对论（1916年）中也指出宇宙也许是膨胀或收缩的，那么哈勃的发现也许只不过是一桩奇事。起初，爱因斯坦是反对这个结论的，但是在20世纪20年代末，他被一个年轻的俄罗斯数学家亚历山大·弗里德曼（Alexander Friedmann，1888—1925）的工作说服，认为宇宙就像是一根直立的大头针，不可能全部稳定。事实上，它更可能是膨胀或收缩，而哈勃的证据显示它是膨胀的。
“大爆炸”理论
尽管已有观测和理论结果，直到第二次世界大战之后，宇宙膨胀的观点仍然不过是一种有趣的假设。诸如俄裔美国物理学家、天文学家乔治·伽莫夫（George Gamow，1904—1968）和英国天文学家弗雷德·霍伊尔（Fred Hoyle，1915—2001）等理论学家致力于研究宇宙膨胀的含义，并且发现极有可能构建一幅出人意料的连贯图景，说明在宇宙历史的最初期，物质是如何在极热和高压下工作的。尽管如此，曾经一度，“大爆炸”理论不得不和另一种由霍伊尔等人在20世纪50年代提出的稳态理论相抗衡。（事实上，是“大爆炸”理论最激烈的反对者之一霍伊尔1950年在一次演讲中创造了词语“大爆炸”。）稳态理论试图保持一个永恒且本质上不改变的宇宙的观点，认为在整个宇宙中，物质都在持续地以一定速率产生，这个速率需要抵消膨胀的明显的速率。稳态理论还暗示宇宙一直是今天的样子，这个假设很快就得到了检验。20世纪60年代初，射电天文学的发展使得天文学家可以更细微地研究遥远的星系。由于光需要一定的时间传播，事实上这些研究都在检验宇宙早期，而且很快就发现早期宇宙和当今宇宙很不相同。显然，正如“大爆炸”理论所表明的那样，宇宙一直在变化。
1965年，两位美国科学家阿诺·彭齐亚斯（Arno Penzias，1933至今）和罗伯特·威耳孙（Robert Wilson，1936至今）关于宇宙背景辐射的发现尤为重要。在试着建造一根极其敏感的无线电天线的过程中，他们发现了来自各个方向的弱能量的持续杂音。来自空间某一特定方向的能量是有意义的，然而他们想象不出任何力可以从宇宙的各个方向产生能量，直到有人告诉他们，这正是“大爆炸”理论的预言。构建早期宇宙模型的尝试表明，由于宇宙冷却，当质子和电子结合形成原子时，那将成为一个点。不同于孤立的质子和电子，原子呈电中性，只要宇宙中原子构成了大多数物质，便失去了它的电荷。就在那时，物质和能量实际上是非纠缠的，而且能量首次是自由的，可以在宇宙间随意传播。早期的“大爆炸”理论学家表明能量的突然释放即使在今天也是可观测的，而且很快就清楚，这正是彭齐亚斯和威耳孙探测到的。稳态理论对于宇宙背景辐射没有任何解释，而“大爆炸”理论似乎很自然地就可以解释。宇宙背景辐射的发现给了稳态理论以致命一击；从那时起，“大爆炸”理论提供了现代宇宙的核心思想或范式。
美国国家航空航天局的钱德拉X射线（Chandra X-ray）观测站和哈勃空间望远镜穿透空气和灰尘层得到的一张鹰星云合成图：在几百万年前，这个区域的星体形成达到了顶峰。
“大爆炸宇宙论”
解决“大爆炸宇宙论”的所有细节仍然是一项复杂的任务，然而没有其他的理论可以更好地解释，因此即使未来某些细节可能需要修正，几乎没有宇宙学家怀疑它本质的正确性。如此确信的理由之一便是自从20世纪60年代以来这个理论新证据的出现。由于望远镜功率的提升，天文学家已经发现宇宙最遥远的部分确实不同于离我们最近的部分，而且这些差异正好吻合“大爆炸宇宙论”中指出的早期宇宙的本质。对太阳系中物质年龄的测量也未能得到年龄超过130亿年的任何东西，与最近对宇宙年龄的估计相符。此外，“大爆炸”理论指出早期宇宙的大多数物质由氢和氦组成，其他元素是在星体内或者称为超新星的巨大星体的猛烈爆炸中产生的。这和我们的观察结果也是一致的：几乎所有原子的3/4是氢，近1/4是氦，而剩下的包含其他所有元素。
概括地说，“大爆炸宇宙论”的起源故事很简单，尽管很多细节太复杂，以至于除了物理学家和宇宙学家外都难以理解。宇宙膨胀速率的最近估计表明，宇宙大约出现在137亿年前。在这之前，那里是什么，我们毫无头绪。我们甚至不知道时间和空间是否存在，传统观点认为，它们与能量及物质一起，可能是在“大爆炸”那一刻产生的。对于宇宙“大爆炸”为什么会发生，我们也一无所知。现代科学和传统的创世故事一样无力解释起源瞬间。但是，从宇宙出现之后的一小段时间开始，我们可以精准地描述发生了什么。某些事物出现在最初的虚无中。早期宇宙几乎是无限小，而且无限热。在数十亿度的温度下，时间、空间、能量和物质几乎很难区分。高度凝聚能量的压力促使早期宇宙分裂；的确，在宇宙存在的第一秒内的某个瞬间，它的膨胀已远超光速。它从原子的大小爆炸为太阳系大小的很多倍。在这个快速扩张阶段之后不久（被称为“膨胀”），物质和反物质彼此间相互碰撞和湮灭，只留下巨大的能量和微小的物质残留。随着宇宙膨胀，它开始冷却，而且由于它冷却，不同形式的能量和物质从最初的流量中分离出来。引力出现了，紧接着电磁、强相互作用和弱相互作用一起形成了原子核的行为。夸克也出现了，并且在两三分钟之内，质子和电子也相继出现。
近40万年来，宇宙仍然太热，以至于质子和电子无法结合成为原子，因此整个宇宙充斥着电磁能量的噼啪响声。随后，在“大爆炸”之后约38万年，宇宙已经足够冷却，质子和电子结合形成了最初的氢原子和氦原子。物质呈现电中性，能量和物质开始分道扬镳，释放出瞬间能量，也就是今天探测到的宇宙背景辐射。紧接着在“大爆炸”之后的两亿年发生了一件极具意义的重大事件，氢和氦云层开始崩塌，由引力而相互拽拉，直到它们的中心温度高达1000万摄氏度。那时，氢原子开始熔化形成氦原子，在此过程中释放出巨大的能量（核反应中的能量相当于一个原子弹）。第一批星体诞生了。一个星体中心处释放的能量验证了物质云的引力崩塌，正因如此，星体才得以形成，并且可以形成一个几乎稳定的结构，在数十亿年里发出巨大的能量。在现代创世故事中，星体的地位举足轻重，因为它们提供了能量来维持地球上的生命。此外，在某些星体垂死的阶段，尤其是非常巨大的星体，可以产生足够高的温度来融合原子核，形成越来越多的复杂元素。当最大的星体也就是超新星在猛烈爆炸中死亡，元素周期表上所有剩余的元素都产生了。利用引力能量和星体倾泻而出的热能，更新和更复杂的结构由这些元素构造而成，比如行星和有机生物体。
这个故事是真的吗？这是迄今为止最好的故事，但目前还远未完成。宇宙学家还在为最早的那一时刻绞尽脑汁，令人沮丧的是，即便是检验起源瞬间的假设，他们也似乎毫无办法。而且，即使在宇宙开始之后的那一秒微小瞬间，也出现了一些复杂的谜题。最重要的是，物理学家和宇宙学家在不遗余力地解决现代物理中引力和其他基本力之间的关系。目前，电磁力和“强”“弱”核作用力之间的关系已经清楚，但是，引力如何统一仍不清晰。新的观测技术（包括卫星观测站的使用）和新的计算技术已经得到了很多关于早期宇宙的新数据，而且新信息洪流中的一些信息已经促使宇宙学家重新思考这个故事的某些部分。比如在20世纪90年代末，研究遥远星系的结果表明，在宇宙物质的地心引力下，宇宙的扩张速率并没有减缓，这正如大多数宇宙学家所预言的一样。相反，它却在加速。尽管大多数宇宙学家相信这也许是爱因斯坦某些工作中已经提及的反引力存在的证据，然而仍然不确定这意味着什么。从星系运动的研究中，更让人困扰的是减慢的实现，存在大量的“填充物”，远多于我们所能探测到的。目前，似乎极有可能我们所观测到的物质加起来不超过宇宙质量的5%，而它质量的25%可能由我们还无法探测或解释的物质（恰当地被称为“暗物质”）组成，也许70%是由我们还无法探测或完全解释的能量（被称为“暗能量”）组成。大约有宇宙总量的95%是不确定的。对现代宇宙学来说，这真是尴尬至极。
就像传统的创世故事，关于宇宙起源的现代叙述仍然是一项正在进行中的工作。然而，不同于那些故事，万物起源的现代故事都依赖于大量经过仔细检验的信息，而且足够权威，赢得了科学家的一致认同，这不是在某个文化内，而是遍及全世界。这是关于宇宙起源的第一个几乎获得普遍认同的解释。
大卫·克里斯蒂安
悉尼麦考瑞大学
首尔梨花女子大学
进一步阅读
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