宇宙的精灵 #20.5

 

五

在黑洞辐射理论成功的同时，霍金的运动神经元症又进一步加重，电动轮椅又取代了三轮汽车。之后“爱因斯坦的继任人”、“轮椅上的牛顿”之类的称谓开始冠到了他的头上。然而，在人们的眼里，他缺乏大师的风范和权威的威严。别看瘦骨如柴，软塌塌地瘫在轮椅上，眼睛里依然闪烁着狡黠的目光，脸上永远绽放着孩子般顽皮的笑容，那丰富的面部表情，以至于男人都会吃醋而称他为“不可救药的调情者”。脾气还像健康时那么臭，一不高兴就开轮椅轧别人的脚趾头。据说他轧过查尔斯王子的脚趾头，而唯一的遗憾是没有机会轧撒切尔夫人的玉足。他还喜欢参加舞会，在舞场中疯狂地转动他的轮椅。

我们生活的这个地球、这个宇宙，从何处来，到何处去，是人类的终极关切。世界各民族都有自己的创世说和末日说，其中《圣经》的七日创世说和世界末日说影响最为深远和广泛，至少对西方人言。广义相对论的创立，使科学诠释这一问题成为可能。按广义相对论方程，宇宙起始于“空”——零时空、零能量（质量）。时空奇点就是时空为零，这前面说过，怎么还有个空能量空质量呢？宇宙现在如此巨大的质量和能量是凭空而来的吗？这不违反质能守恒定律吗？恰恰是不违反的。如果说宇宙的总能量是E＝mc2 ，则将万有引力解释为负能量－（E＝mc2），二者之和正好为0。也就是说，宇宙从开始到现在，以至于到毁灭的未来，其总质能永远守恒为0！这也是霍金根据广义相对论的推论。

宇宙的去处呢？黑洞就是一个缩影，它将在一个“大挤压”中，最终收缩为一个时空奇点。打住！这挨不上吧？黑洞的特点不是很大的东西压缩得非常非常小吗？哪有宇宙那么大的黑洞？你别说，还真有！

由史瓦西半径公式（(R=2GM/c2）可知，黑洞之大小，其实是由质量M决定的，如果质量很小，半径当然很小，毕竟分母——光速的平方（c2）——是一个很大的数；但如果质量很大，半径就不需要那么小。比如45亿个太阳的质量的黑洞，半径就可以达到两个太阳系的半径那么大。宇宙的质量得有多大呀，所以它要成为一个黑洞半径也可以很大。实际上广义相对论光线弯曲推论——光线的飞逝最终会回到原点，不正是揭示了一个“黑洞事件视界”吗？宇宙这个“黑洞”与一般黑洞的区别仅仅在于，彼黑洞把物质拽往中心，此黑洞却在扩张。所以我们的宇宙现在是内外颠倒的黑洞，但终有那么一天，扩张转为收缩，乃至“大挤压”，那就是名符其实的黑洞了。

罗马天主教会很乐于接受这样的科学结论。1981年，在梵蒂冈召开了一个宇宙学会议，邀请了一些宇宙学专家作科学顾问。霍金在那个会上做了一个演讲。他在《时间简史》里做了如下的记述：

会议结尾，教皇接见了与会者。他告诉我们，在大爆炸以后的宇宙演化是可以研究的，但是我们不应该去过问大爆炸本身，因为那是创生的时刻，因而只能是上帝的事务。我心中窃喜，看来他并没有听懂我刚在会议上作过的演讲的主题——时间有限而无界的可能性。这意味着它没有开端、没有创生的时刻。我不想去分享伽利略的厄运。我对伽利略之所以有强烈的认同感，其部分原因是我刚好出生在他死后的300年。

宇宙的时空奇点理论，可是霍金的起家的法宝呐，现在又要毁于一旦啦？不。霍金说：“奇点定理的真正重要性在于，它们指出引力场必然会强到不能无视量子引力效应的程度。”正是奇点这种极端的条件，才迫使以霍金为代表的宇宙学家病急乱投医，最终有希望从量子力学与广义相对论的结合中找到使宇宙学成为真正科学的药方。

广义相对论不早在1919年被爱丁顿证明了她的科学性了吗？怎么现在还要霍金来拯救？科学的证伪主义的观点是很有道理的：对于科学理论，经验不能证实它而只能证伪它。一万只黑乌鸦也不能证实“天下乌鸦一般黑” 原理，而一只白乌鸦就能颠覆这个断言。广义相对论确实有过许多伟大而精确的预言为观测所验证，然而她的宇宙方程逻辑地推导出宇宙必然存在着时空奇点，在奇点处，场方程无法定义，广义相对论在这里失效——广义相对论自己把自己给证伪了！

广义相对论难道就只有这一条死路可走？路！又是惠勒的学生，费曼，为我们照亮了寻求出路的前景——寻找广义相对论与量子力学结合的圣杯。根据费曼路径积分理论，粒子的路径是宏观世界所有可能历史的波函数叠加。那么，宇宙演化的路径，也应当是她所有可能历史的求和。在量子力学中，为了容纳所有的可能性，技术上需要引进一个“虚时间”，以使薛定谔的活猫和死猫同时存在，而不像在经典的“实时间”（即你我经验到的时间）里，只能有一个活猫或死猫存在。这个虚时间是以数学符号i来表示的，我们知道，它是－1的平方根。同样，要对宇宙演化所有可能的历史求和，也只能引进虚时间坐标。这就建立了量子广义相对论的时空模型——

图20.5 有限无界的时空模型

在这个模型中，时间是某一点到北极的距离（经线），空间是过这一点所做的圆周长（纬线）。宇宙时间从大爆炸的北极开始，急剧膨胀，到赤道处达到最大面积，之后开始地方坍缩，最后到达大挤压的南极。尽管在南北二极的经线长度为0，但也不能构成奇点，物理定律在这里并不失效，正如没人会认为物理定律在地球的南北极失效一样。相应的，过去的奇点理论倒有些像地平说：大地会有一个边缘，一旦走出这个边界就会掉进无边的黑暗——物理定律失效了。于是时空奇点蒸发了，广义相对论的时空无穷小、质量无穷大的无穷灾难也被破解了！量子奇点理论超越了广义相对论奇点理论。

这个模型恰好与量子力学的时空量子化理论相协调，在这个理论中，时空也是量子化的，即一份一份的：

空间线度的量子称为“普朗克长度（Lp）”——

Lp＝1.6×10－33厘米

时间量子称为“普朗克时间（Tp）”——

Tp＝5.3×10－44秒

二者综合的“四维时空量子”——

Lp3Tp＝10－142厘米3·秒

如此看来，宇宙不可能有一个零时空作为起点，也不会大崩坠到一个零时空。时空的回溯，最早只能回溯到普朗克时间，换言之，大爆炸发生时，宇宙至少已经有了一个时间量子的“年龄”；同样，大爆炸发生时宇宙也会有一个普朗克长度，因此体积尽管很小但不可能为零，换言之，空间曲率和质量密度会非常巨大，但不是无穷大。相对论在奇点处的发散就收敛了，物理规律又回来了。对宇宙大挤压奇点的分析也是同样。于是宇宙的演化既没有开端也没有终点。

科学理论可以用一个子虚乌有的东西，一个虚时间来建构吗？（正好前几天有朋友问到这个问题）是的，模型只是我们解释经验现象的工具，只存在于我们的头脑中，而不是存在于现实中，现实存在的只有我们观察到的现象。一个模型是不是真的，或者更准确的说是不是好的，就看它能不能圆满地解释观察到的现象，哪个模型解释得更好。当然，对理论模型的进一步要求是预见未曾观测到的新颖事件，哪些个模型预见的更具有新颖性。我们通过宇宙3K背景辐射等天文观察看到的宇宙，是一个各向同性、均匀分布，但有微小扰动的宇宙，就是说宇宙的各个方向的膨胀率是相同的，物质密度的分布也是均匀的，但有微小的起落。广义相对论模型大原则上都解释得很好，但不能解释微扰。但微扰太重要了，如果按广义相对论的经典思路，理想的结果是绝对精确的，微扰是技术能力不够强大的结果，是出于经济的权宜之计。但一旦排除微扰，宇宙演化的物质密度绝对平均的分布，宇宙将永远是一个空无一物的宇宙，正是宇宙中物质密度对均匀密度的微小偏离，使局域性引力超越扩张力成为可能，星体才可能逐渐凝聚形成。而量子力学的不确定性原理恰好能解释这种微小的扰动。

非零的宇宙起点，加上真空涨落，我们就可以给出一个自足而持续演化的宇宙历史模型。一个普朗克尺度的“宇宙种子”，由于“假真空”中的能量涨落的扰动，就可能触发一次大爆炸，最后演化出群星璀璨的宇宙。不再需要一个上帝来按下大爆炸的按纽，也不需要以“物理规律失效”来回避问题。其实霍金蒸发理论已经暗示了一个宇宙循环的模型：黑洞，也可以理解为我们所处的宇宙，最后会结束于一个高温的大爆炸，而我们的宇宙，不也开始于一个大爆炸吗？那次大爆炸，会不会是前一个宇宙大挤压的结局？这可能可以成为量子广义相对论模型的一个最惊人的预言。