宇宙的历程——第一章 宇宙的发端

试想我们仿佛首次体验地球之美——鸢飞鱼跃，飞瀑叠嶂，美不胜收。再试想地球家园之广袤以及宇宙之无垠——星系、恒星、行星，不可胜数。身处如此宏伟壮丽当中，我们不禁会问自己一个简单的问题：我们能找到一种方式将自己深深纳入这幅宏丽图景当中吗？要是能的话，这会让人类更好地参与到这颗星球上生命的生生不息当中吗？ 本书是一份邀请，邀请大家踏上一次通往壮丽辉煌的历程——一次前人无从充分体验的通往壮丽辉煌的历程。 直到我们这一代，这个宇宙故事中的诸多科学维度才首次为人类所全面了解。我们现在知道，可观宇宙诞生于一百三十七亿年前，我们目前居住在一颗绕太阳运转的行星上，而太阳只是银河系中数万亿颗恒星中的一颗，银河系外更有数十亿个星系，所有这一切都包含在一个不断演化而又充满创造性和相互关联的宇宙当中。随着我们的经验观察被现代科学大大扩展，我们现在逐渐意识到，我们的宇宙是一个极其宏大的能量的事件，最初始于一个小点，后来演化出了星系和恒星、棕榈和鹈鹕、巴赫的音乐，以及今天的你我。当代科学的一大发现就是，宇宙并不是简单一个地方，而是一个故事——一个我们身处其中、归属其中并从中而来的故事。 这个故事能让我们更深刻地体悟我们是谁。正如一花一世界，银河系是以星系形式浓缩的宇宙，我们也是以人体形式浓缩的宇宙。每次我们仰望夜空，惊叹于宇宙的大美，这时实际上是宇宙在思考它自身。 而这将改变所有的一切。 故事 每个文化都有其核心故事，不论它们是口耳相传的，还是书之文字的。这类故事包含着各自文化认为最可宝贵、最为有用、最居核心以及最是美好的东西。它们被认为包含了人们在面对种种亘古常新的挑战时应当如何定位自己的答案。这类故事当中的一些被人们如此看重，因而被一代又一代人所传颂。比如，荷马的《奥德赛》就在西方流传了或许将近二十八个世纪。而在南亚，《摩诃婆罗多》的故事也被传唱了超过两千年。以各不相同但都极为宝贵的方式，它们及其他许多故事仍在继续影响着这颗星球上的数十亿人。 这类故事毫无疑问在未来仍将被传颂，但与此同时，一个新的涵盖万端的故事已经出现。尽管它的出现只有几个世纪的时间，但它已然开始深刻地影响和改变人类了。这就是宇宙发展史的故事，就是我们的可观宇宙的演化历程的叙述。这个故事有着（并仍将继续会有）许多不同的名字。不过，要是我们可以将《新约》视为讲述了一个基督教故事，将《摩诃婆罗多》视为讲述了一个印度教故事，那么或许对于这个新叙述最简单的描述就是，它讲述了一个宇宙故事。 这个宇宙故事与其他更传统的叙述之间的一个差异在于，对于这个更新的故事，我们还有一个“关于故事的故事”，即关于我们是如何逐步觉察到这个宇宙故事的历史描述。它始于十六和十七世纪，那时我们意识到地球并不是静止不动的，而是在绕太阳运行。在十八世纪，随着我们开始意识到人类心智乃至人类社会都不是静态的，相反它们都有着经过许多个世纪才得以形成的各种形式和结构，这种思想得到了进一步扩展。接着在十九世纪，我们发现生命形式本身也随时间发生过一系列重大的转变，甚至连岩石也并非亘古不变，而是同样在整个地质历史中发生过深刻的变化。最终，在二十世纪，我们开始认识到，恒星也发生过剧烈的改变，星系也是如此，而尤为令人惊讶的是，整个可观宇宙同样经历过一系列不可逆的转变。 这次精彩的历程不仅会吸引科学家，同样也会引发非科学家的惊叹。并且它还会让一些宗教传统重新思考或扩展其世界观。显然，当初哥白尼清楚自己日心说的激进性质，所有才没有选择在生前发表。达尔文也曾纠结于自己的生命演化观点的革命性意涵。而到现在，我们仍在努力面对哥白尼、达尔文以及其他许多科学家在过去五个世纪里所带来的世界观转变。为什么会这样？因为这是一个如此涵盖万端的故事，它挑战了我们对于我们是谁、我们在宇宙中可能的角色的原有理解。我们的存在是出于偶然，出于必然，出于运气，还是有其目的？这个不断变化的宇宙中的创造性，其本质又是什么？ 要想更充分地回答这些问题，并让这个宇宙故事整合进世界各地多样化的人类文化当中，这还有待时日。本书也无意要取代或忽略其他那些故事，而是试图在此阐述这样一个挑战——创造一个共享的未来。在今天我们面前的一个大好机会是，以某种方式讲述这个新的宇宙故事，从而使得它可以帮助人类在面对以下这些紧迫问题时定位自己：我们从哪里来？我们为什么存在？我们应当如何共存？地球共同体如何才能生生不息？ 宇宙的诞生 让我们从头开始讲起。宇宙如何而来？ 这显然是个令人望而生畏的大问题，但现在看来，它确实有个发端。有些科学家将这称为大爆炸。不妨把这想象成一次光和物质（包含后来最终成为恒星和星系的亮物质以及一直未被人看见的暗物质）的大迸发。所有的时间和空间、物质和能量都始于一个温度达数万亿度的点，然后一切分崩离析，开始膨胀。 发现宇宙由膨胀而来并且现在仍在膨胀是人类历史上最伟大的发现之一。在现代西方社会，长久以来的通常认知是，宇宙是万事万物（大到恒星，小到原子）所在的广袤空间。虽然科学家早已知道，宇宙中的物质会发生形态的改变，但他们仍习惯于假定，宇宙作为一个整体并不会发生变化。然而，这个假定后来被证明是错误的，因为宇宙在不断发展，宇宙有其故事——一个发端，一个中段（我们现在所处的阶段），以及或许在难以想象久远的未来，一个结尾。 这个伟大发现要部分归功于科学家埃德温•哈勃。二十世纪二十年代，在加州南部的威尔逊山上，他利用一部一百英寸口径的望远镜研究夜空，试图确定我们的银河系是否是宇宙中唯一的一个星系。结果他不仅发现了，宇宙中遍布各式各样的星系，而且他还确认了，这些星系都在相互远离。在哈勃工作的基础上，现在科学家已经认识到，整个可观宇宙曾经比一颗沙粒还小，它从一个小点经过数十亿年的猛烈膨胀才成为现在的样子。宇宙是由膨胀而来的。 然而，我们的宇宙中还存在另一种基本的作用力：将事物吸引到一起的力，我们称之为引力。随着宇宙的膨胀和冷却，引力将一些物质吸引到一起，形成星系和恒星。膨胀与坍缩，这两种相对的动态过程在宇宙的诞生之初起着主导作用。宇宙的膨胀使得物质从发端时的小点相互远离，引力则使这些物质重新聚集到一起。我们现在知道，宇宙作为一个整体，从其发端至今，一直被这两种相对且富有创造性的动态过程所塑造。 这个双重的过程与生命的呼吸和血液运动有着惊人的相似之处。我们的肺部起伏翕张，我们的心脏跳跃舒缩。借助这些基本的运动，我们才得以存在。可以说，我们的生命之所以可能，正是因为宇宙这种翕张的韵律。那么我们的一吸一呼、一舒一缩是时刻在反映我们宇宙大尺度上的动态过程吗？但有一点我们至少是确定的，正是由于宇宙的这一大“张”，生命和人类才得以出现，得以现在能在宇宙里面呼吸。 原子核与结合 在大爆炸之后几微秒内，宇宙生成了夸克和轻子等基本粒子，紧接着夸克结合形成了质子和中子，后者在一片黏稠的等离子体中漫无目的地游荡。这时的宇宙几乎没有什么结构存在。这些量子之间会相互碰撞，发生互动，然后又分解开来，继续在瞬间与不同的伙伴碰撞上上百万次。 但现有的早期宇宙的数学模型告诉我们，即便只是在大爆炸之后几分钟后，更多的结构就已经开始出现。基本粒子之间开始形成稳定的关系。一个中子可能会与一个质子发生互动，并且它们不再分解开来，而是从此结合在了一起。起初，这些新的结合体很快会被其他粒子所撞裂破坏。但随着宇宙继续膨胀和冷却，这些原始的双合体和三合体开始得以保留下来。 宇宙正是在这样的结合和分解当中，不断演化出了越来越复杂的共同体。而这些简单的原子核就是最早一批存在于基本粒子当中的复杂共同体。不过有趣的是，所有的关系都要付出一定的代价，即便在这样的量子层次上也是如此。一个中子不是简单就能与一个质子相结合。为了相结合，中子和质子都不得不进行一番转变。它们各自丧失了部分质量，而这些质量变成能量，以光的形式释放进了宇宙。以前可有谁能想象到这一点？谁能猜得到，创造一个量子共同体会要求粒子贡献出部分质量？或者其创造会伴随着光的产生？ 所以即便在诞生之初，我们的宇宙也是在不断创造关系。当然，在理论上，我们可以想象出与此不同的另一番景象。我们可以在理论上讨论另一种全然不同的宇宙，其中的粒子相互孤立，之间不存在相结合的关系。这样的一个宇宙将是一盘散沙，有的只是相互之间完全独立的不可计数的粒子。但在我们的可观宇宙中，各式各样的结合所在皆是。即便在诞生之初，宇宙就产生出了简单的原子核，并在这个过程中将大量的质量转变成了光。随着中子和质子聚变成第一批原子核，整个宇宙便充溢着这种新的辐射。总之，这样的结合处于物质的核心，也是一切的关键。 时机与创造性 置身于一个难以想象广袤和复杂的宇宙当中，我们不免会试图寻找有意义的自身定位，以便使自己的生活图景变得完整。所以诸如宇宙的本质是什么、我们在其中的角色又是什么等问题贯穿了人类历史的始终。而现如今，通过思考这类问题，我们希望能在这个全球性文明日渐成形的时代让自己的生活过得更为完整、深刻。 在探寻意义的整个过程中，我们对于宇宙所持的基本图景至关重要。不过，单幅图景无法反映宇宙的全貌，所以我们需要多幅图景或隐喻。在前文中，我们已经考虑过了至少三幅宇宙图景。我们谈到了从一个小点发展出各式结构的宇宙，谈到了像心肺那样膨胀和坍缩的宇宙，还谈到了物质的演化及其言下之意——宇宙中充斥着各种使其复杂性增加的共同体。 当我们考虑在宇宙诞生之初这些原子核的起源时，另一幅图景便自己浮现了出来，一幅种子生长的图景。当一颗种子萌芽时，它起初集中注意于根的生长，然后转而注重茎叶的生长。这个生长过程是一个复杂而富有创造性的最优化安排。类似地，宇宙在一开始专注于制造原子核。这个过程只持续了短暂的一段时间，然后就停止了，继而其他过程开始。这里一个有趣的事实是，如果宇宙当初继续进行原子核的制造，直到比如铁，那么铁原子核将永远占据大多数。 但事实上宇宙在不断膨胀和冷却，适合制造原子核的条件转瞬即逝，就像它们起初转瞬出现时那样。经过一个所有轻原子核被制造了出来的短暂阶段之后，工作重心发生了转移。某些新的东西即将出现，这与种子的生长过程不无相似之处。而这种时机的动态变化在宇宙发展史的此后将近一百四十亿年里还将反复出现。 膨胀与生命的出现 可观宇宙最令人叹为观止的特征之一是其膨胀速率的精确。要是当初其膨胀速率慢点，甚至只是略微慢点，哪怕是慢上一亿分之一，宇宙都会重新坍缩。故事结束。 反过来，要是当初宇宙膨胀得稍为快点，甚至只是快上一亿分之一，宇宙都会膨胀得太快而致使结构无法形成。到时宇宙中有的只是四散的尘埃，而没有结构去孕育生命。 我们生活在一个膨胀速率恰好适合生命出现的宇宙当中。当科学家首次发现这一迷人的事实时，他们都渴望理解其中的原因。究竟过去发生了什么，使得我们的宇宙成为现在这个样子？ 随着理论宇宙学家开始探究孕育生命的宇宙如何而来的谜团，一个理论引起了人们的注意。它最早由原苏联科学院朗道理论物理研究所的阿列克谢•斯塔罗宾斯基提出，后由如今在麻省理工学院的阿兰•古斯形成更为完整的形式。根据爱因斯坦的思想及其广义相对论，这些宇宙学家提出，一种可能的解释是，在大爆炸之后极短的时间里，引力的作用方式不是吸引而是排斥。正是这种排斥性的引力使得宇宙发生暴胀，使其恰好达到临界膨胀速率。换句话说，宇宙借助暴胀机制加快了自己的膨胀速率，使得其中可以孕育出结构和生命。 著名物理学家弗里曼•戴森也曾思虑及此，试图弄明白这一切。他意识到自己对在宇宙中的归属感找到了一种新的视角：“我对宇宙及其结构的细节研究得越多，我找到的表明宇宙在某些意义上必然事先知道我们将会出现的证据就越多。”①当然，无论在哪种明的意义上，人类在宇宙发端之时都并不在场。但戴森的言下之意是，生命暗地蕴含在宇宙的动态过程当中，从其发端之时便是如此，而我们现在正在逐渐认识到这当中的种种方式。 —————————————— ① Freeman J. Dyson, Disturbing the Universe (New York: Harper and Row,1979), 250. —————————————— 原子与相互吸引 相互吸引位于所有层次的存在的创造性的核心。当宇宙还不到五十万岁时，物质依然以黏稠的等离子体形式存在，其中的主要构成是氢原子核、氦原子核以及电子，而所有这些都沐浴在一片光的海洋当中。但随着宇宙继续膨胀和冷却，转变发生了——电子和质子相互吸引，形成了第一批原子。 原子的结构由带电粒子之间的电磁相互作用所主导。同性相斥，异性相吸。因此，带负电的电子和带正电的质子相互吸引，形成了氢原子和氦原子。宇宙作为一个整体也发生了转变，从一片辽阔的由基本粒子构成的等离子体海洋变成了一团团无休止涌动的由大得多的原子构成的气体云。 我们无法完全解释清楚为什么质子与电子会相互吸引。说异性相吸其实并没有回答它为何会如此的谜团。没有外在的力量把它们推到一起，它们不是受到所谓“电磁相互作用”才相互吸引。相反，它们相互吸引是各自本性使然。 异性相吸，形成原子，这个事实不禁让我们感到惊讶。而对此感到惊讶的又是谁？不是别的，正是我们人类——这些原子在很久以后的一种发展产物。质子和电子之间的相互吸引并不是又一个关于我们宇宙的孤立事实。相反，质子和电子之间的相互吸引正是宇宙孕育出更大复杂性（包括在将近一百四十亿年后出现的我们）的一种方式。 宇宙变得透明 科学家发现的一个迷人事实是，微观层次上的一个改变，竟然能够实际上改变宏观宇宙的整体属性。我们可以从第一批原子出现的影响中看到这种动态过程——随着原子的诞生，宇宙变得透明了。 这个转变可以看成是一场大雾消散。在大雾弥漫时，我们无法看见远处的东西，因为雾中水滴会使光发生散射。在早期宇宙的等离子体中，情形也是如此。光子根本还没跑出多远，就被一个电子或一个质子所吸收和散射了。 但当电子和质子开始结合成为电中性的原子时，一个光子就可以在撞上另一个带电粒子前一直不被散射。光突然间可以沿直线传播了。这些原初的光，其中一些可能会被比如低温气体云的物质吸收而消失，但大多数会在此后的百亿年里继续在宇宙中不受阻碍地穿行。而与此同时，宇宙也展开了其不断深入、不断复杂化的历程。所以今天，当我们把灵敏的仪器对准夜空时，我们就能侦测到这些来自时间发端之时的光子，并从它们那了解到宇宙诞生之初时的故事。 原子的出现让宇宙进入了其创造性的一个全新阶段。要是当初没有原子形成，那么亮物质仍会以等离子体的形式存在，并被占据主导的暗物质以各种方式分割开来，而明亮的光也仍会在轻子和强子当中来回相互作用，并持续上百亿年。但随着原子的形成，新的可能性出现了。宇宙现在能够开始孕育出新的结构——星系和恒星。 就这样，一个发生在微观层次的事件（氢原子和氦原子的形成）影响到了宏观宇宙的整个故事。宇宙的整个历程，在许多关键时刻，竟然仰赖于发生在微观宇宙里的转变，这着实让人惊奇。这也让我们不禁开始思考这样一个值得注意的想法：或许宇宙作为一个整体的性质是由其组成部分的创造性所塑造的。