大爆炸：從原初的混沌到最早的有序

在20世紀前半葉，種種證據逐漸積累，形成了另一種理論，我們稱之為大爆炸宇宙學。它解決了熵的問題，說明宇宙并不是無限古老的；它解決了奧伯悖論，指出宇宙處在有限的時間和空間內；它還指出，宇宙正在迅速膨脹，引力（還來不及！）將所有事物都拉扯成一團，這也合理地解釋了引力的悖論。大爆炸宇宙學描述了一個有開端、有歷史的宇宙，因此，把宇宙學變成了一門歷史科學，變成了一種變化和進化的敘述。

大爆炸理論認為，宇宙從一個無限小的奇點開始迅速膨脹，并且至今仍在膨脹。至少，這種敘述在形式上類似于傳統的創世神話，即所謂的浮現神話（emergence myth）。在這類敘述中，宇宙就像一粒卵或一顆胚芽，從一個遙遠的，也許是不可確定的起點，歷經不同的階段，在內在的發展規律制約下不斷進化。1927年，大爆炸宇宙學的創始人之一喬治“·勒梅特（Georges Lemao?tre）提出，早期宇宙就像原初的原子”（primordial atom）。如同所有的浮現神話一樣，現代理論暗示宇宙在一個特定時間被創造，它有自己的歷史，而且可能在遙遠的未來消亡。新的理論解決了舊理論所遇到的許多困難。例如，它指出宇宙并不是永遠存在的，由此解釋了奧伯悖論；由于光速有限（正如愛因斯坦所言），即使到宇宙生命的盡頭，來自最遙遠星系的光也不可能到達我們這里。這個理論也與產生于20世紀初有關恒星、物質、能量的大量新數據和信息相一致。但在一開始的時候，它也不得不借助于某種不可言說的神秘。

關于起源的現代故事如下所述。宇宙誕生于大約130億年前。（這段時間有多長呢？如果每個人的壽命正好是《圣經》所說的70年，那么要相當于2億人的壽命首尾相連才能回溯到那么遠的時間。關于這些巨大的時間范圍的更多詳情，可參見附錄一。）關于開端，我們除了說出現了某種事物之外，就沒有其他任何話可說了。我們不知道它為什么出現，也不知道如何出現的。我們說不清在這之前存在著什么。我們甚至都不能說有那么一個“之前”或者“空間”，某種事物在其中存在著，因為（公元5世紀圣奧古斯丁在一場爭論中早就提出）時間和空間也許是與物質和能量在同一時刻被創造出來的。所以，關于大爆炸那一刻或者更早的時期，我們說不出什么確切的東西。

然而，從大爆炸之后一秒鐘還不到的一剎那開始，現代科學能夠根據大量證據提供一個精確而清晰的故事。大部分最有趣的“事件”都發生在這一秒鐘不到的一剎那間。事實上，把時間本身當成從這些最初的若干瞬間延伸出來，將有助于我們理解一百億分之一秒與宇宙之后數十億年的歷史是同等重要的。

一開始，宇宙極其微小，也許比原子還小。（那么原子到底有多微小呢？物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）形象地說明了原子的大小：如果把一只蘋果擴展到地球那么大，那么組成蘋果的每一個原子的體積就相當于最初的那只蘋果。）這個像原子般大小的宇宙溫度高達好幾萬億度。在這樣的溫度下，物質和能量是可以相互轉化的——正如愛因斯坦所說，其實物質差不多就是能量的一種凝聚形式。這種“能量/物質”高度致密的混沌，頗類似于各種傳統創世神話所說的原初的無序狀態。但是在現代故事中，這個微小的宇宙以令人吃驚的速度膨脹，而且正是由這種膨脹產生了最初的差異和形式。膨脹理論宣稱，大約在大爆炸之后的10-34秒至10-32秒間，宇宙以超光速（光速大約為每秒30萬千米）膨脹，在某種形式的“反引力”（antigravity）作用下迅速分離。這一過程的強度是無法想象的：在爆炸之前，整個宇宙可能比一個原子還小，而在一瞬間之后，它變得比一個星系還要大。膨脹的程度大到我們幾乎觀察不到宇宙的絕大部分，因為大部分來自宇宙的光線都過于遙遠而不能到達我們這里。我們所能見到的宇宙也許只是真正宇宙的極小一部分。就像蒂莫西·費里斯所指出的：“如果整個膨脹的宇宙像地球那么大，那么我們所能觀察到的部分比一個質子還要小。”

隨著宇宙的膨脹，它的同質性開始降低。初始的平衡被打破，不同的范型開始出現，物質和能量獲得了我們今天所見到的形式。現代核子物理學能夠說出在怎樣的溫度下會出現怎樣特定的能量或物質形式，就像我們能夠說出在怎樣的溫度下水會轉化為冰一樣。因此，如果我們能夠測算宇宙冷卻的速度，那么我們就能測算不同的力與粒子分別是在什么時候從早期宇宙混沌中誕生的。在大爆炸后第一秒內，夸克出現了，它構成原子核的主要成分——質子和中子。夸克和原子核由支配我們宇宙的四種基本力之一的強核力結合在一起。

即使以大多數創世神話的夸張標準衡量，現代創世故事在這一點上（亦即大爆炸之后不超過1/1000秒的時間宇宙就生成了），它的夸張程度也是顯而易見的。粒子以兩種形式出現，組成了幾乎等量的物質和反物質。反物質的粒子除了擁有相反的電荷之外，與物質的粒子一模一樣。當二者相遇，彼此相互抵消，而且它們的質量百分之百轉化為能量。因此，大爆炸后的第一秒鐘之內，在原子內部上演了一出逆向的搶座位游戲，其中夸克是游戲者，反夸克就是座位，10億個夸克中找不到反夸克座位的那一個夸克才是勝利者。構成我們宇宙的物質是由10億個粒子中找不到反物質伙伴的那個粒子所組成的。找到伙伴的粒子以宇宙背景輻射的形式轉化為純粹的能量，這些能量至今仍遍及宇宙。這一過程或許可以解釋為什么在今天的宇宙中，物質的粒子與能量的光子的數量之比為1∶10億。

然后宇宙膨脹的速度減慢了。在大爆炸之后的幾秒鐘內，電子出現了。電子帶著一個負電荷，而質子（由夸克構成）帶著一個正電荷。電子與質子之間的關系由另一種基本力——電磁力所控制，電磁力也出現在宇宙歷史的第一秒之內。在早期熾熱的宇宙中，攜帶電磁力能量的光子與物質帶電的粒子糾纏在一起。那時的宇宙更像今天太陽的內部：大量的粒子和光子不斷相互作用，形成一片白熱的海洋。整個宇宙在帶正電荷的質子與帶負電荷的電子以及光的相互作用下所產生的能量發出持續不斷的噼啪聲。在這個“輻射的時代”，就像埃里克·蔡森所解釋的，物質只不過像“一個極其微小的、用顯微鏡才能看見的凝結物，懸浮在由耀眼的放射線所構成的濃‘霧’中”的存在。

可能在大爆炸發生30萬年之后，宇宙的平均溫度下降到絕對零度以上4000℃，溫度的下降可能是宇宙歷史最根本的轉變之一。轉變的瞬間就像宇宙的起源一樣神秘，而且在我們的歷史中隨時都會發生。我們日常生活中最熟悉的例子之一，就是水變成蒸汽。把水加熱，在一段時間內看上去只是水溫升高。變化是漸漸發生的，我們能夠觀察到它正在發生變化。突然，越過一個臨界值，某種新的東西出現了，整個系統進入了一個新階段。原先的液體變成了氣體。為什么臨界狀態就出現在某個特定的點上呢，在我們所舉的例子中就是（海平面）100℃？有時我們能夠解釋從一種狀態到另一種狀態的轉變，而且答案無非是不同的力——如引力、壓力、熱力、電磁力等——出現不平衡。有時我們完全不知道臨界值為什么會在某個特定的點上被超越。

輻射時代的終結就是這樣一個轉變，物理學家多少可以用宇宙膨脹過程中光量子能量下降與在亞原子層次上發生作用的電磁力之間的平衡來加以解釋。隨著宇宙的膨脹，宇宙溫度降低，在宇宙間流動的光能量大為減弱，使得帶正電荷的質子能夠捕獲帶負電荷的電子，產生穩定而中性的原子。由于原子是中性的，因而不再與光子發生強烈的相互作用（雖然少數相互作用仍在發生）。因此，光量子如今可以自由地在宇宙中飄蕩。在大多數場合，物質和能量停止了相互作用。就好比猶太教——基督教——伊斯蘭教宇宙哲學中的物質和精神一樣，物質和能量成了兩個彼此分離的不同領域。這一衰退過程之后的時代可以描述為“物質階段”。

最早出現的原子極為簡單。大部分為氫原子，由一個質子和一個電子構成。還有三分之一的氦原子，氦原子由兩個質子和兩個電子構成，也有一些更大一點兒的原子。所有的原子都很微小，直徑約為一千萬分之一厘米。但它們內部仍然主要是真空。質子和中子結合在一起形成原子核，電子遵循著自己的軌道在遠處圍繞著它們運行。理查德·費曼指出：“如果我們有一個原子，并希望看到它的原子核，那我們必須把這個原子放大到像一間大房子的尺寸，這樣原子核才差不多是一顆可以用肉眼辨認的微粒，但原子所有的重量幾乎都集中在這個極其微小的原子核內。”即使在誕生30萬年之后，宇宙依然是很簡單的。它差不多全部由真空構成，由氫和氦組成的巨大云團四處飄蕩，攜帶著巨大的能量。

表1.1是宇宙早期歷史的簡明年譜。大約大爆炸之后30萬年，所有的創造物都已經出現了：時間、空間、能量，以及物質宇宙的基本粒子，包括質子、電子和原子核，如今這些粒子的大部分已組成了氫原子和氦原子。從那一刻起，已沒有什么真正意義上的變化了。同樣的能量和同樣的物質延續至今。對于下一個130億年而言，這些相同的成分以不同范型安排著自己，不斷形成和消亡。從某種觀點看，現代創世神話的剩余部分只不過是關于這些不同范型的故事而已。

但在我們看來，范型是非常重要的，因為我們自身就是一種探尋范型的生物體。出現的范型包括銀河系和恒星、化學元素、太陽系、我們的地球，以及居住在地球上的所有生物。當然，也包括我們人類。聽說有一位逸名的智者說過：“氧是一種很輕的、無味的氣體，要有足夠的時間，就會變化成為人類。”從這一觀點而言，現代創世神話和早期的創世神話一樣是充滿矛盾的。一切不變，但是一切皆變。盡管各種事物似乎獨立存在、特征各異，但實際上每個事物又是相同的。形式和質料是其背后同一本質的不同表達形式，意大利人喬爾丹諾·布魯諾于1584年在《論原因、本原與太一》中就提出了這個觀念。同樣的觀念也出現在極為深奧的宗教和哲學思想中。佛教最為尊貴經典之一的《心經》有云：“色不異空，空不異色。色即是空，空即是色。”范型是如何從早期混沌的宇宙中產生的，將是下一章的一個核心主題。