史蒂芬·霍金 - 宇宙的未来

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错特错的。但是尽管有这些失败,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时,这巫师回答道:要么斯巴达会被消灭,要么其国王会被杀害。我想这些巫师盘算,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,以致忽视其巫师作错预言的这个事实。事实上,国王在捍卫特莫皮拉隘道[1]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[2]的国王克罗修斯[3],这位世界上最富有的人有一次问道: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。

近代的末日语言者为了避免尴尬,不为世界的末日设定日期。这些日期使股票市场下跌。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接口解释。例如,第七日回归的创建者威廉·米勒[4]预言,耶稣的第二次到来会在 1834 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。

我们在过去的三百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起始方面很重要,但是它不影响宇宙的未来演化,除非直到宇宙坍缩[5]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。

即使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沌的性质。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中发财。

在不稳定或混沌的系统中,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,这个时间尺度是五天的数量级,大约为空气绕地球吹一圈的时间。人们可以在五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,没有办法对六个月以后做具体的天气预报。

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沌行为,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语言它。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太多了。

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沌,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沌的。我们观测到,其他星系正离开我们运动而去,而且它们离我们越远,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[6]背景给出这种膨胀是平滑而非混沌的证据。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[7]的 2.7 度,所以不能用来温热你的外卖比萨[8]。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,只有十万分之一。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 1000,000 分之 99,999(十万分之九万九千九百九十九)。

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[9]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,而不是混沌的。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。这和起始宇宙的大爆炸相当相似。大挤压是被称作奇性[10]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?人们可以同样地讲,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。即使宇宙将要坍缩,我可以满怀信心地预言,它至少在一百亿年内不会停止膨胀。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。如果我们计算能看见的恒星并把它们的质量相加,我们得到的,不到临界值的百分之一左右。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百分之一。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很多。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百分之十左右。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。再过五十亿年左右,太阳将耗尽它的核燃料。它会肿胀成一颗所谓的红巨星[11],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[12]。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。

在大约一百亿年以后,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[13],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[14]。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,并且最终会集中在一起,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[15]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年的时间蒸发掉并完全消失,也就是“1”后面跟 90 个“0”。这比宇宙现在的年龄要长很多,它是年,也就是“1”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十分之一的确定证据。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十分之一的临界密度,都需要不可思议地仔细选取初始的密度和膨胀率。如果在大爆炸后一秒钟宇宙的密度大了一万亿分之一,宇宙就会在十年后坍缩。另一方面,如果那时宇宙的密度小于同一量,宇宙在大约十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。只有在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诘问这样的问题: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。十分之一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。这种探索导致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一千亿亿亿倍的增加,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一百五十亿年左右太多。

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未来。但是定律给出的运动通常是混沌的。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,而不是混沌的。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,现有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。[16][17]


  1. 〔特莫皮拉隘道〕一般译做“温泉关”。公元前 480 年,波斯国王薛西斯一世率领大军五十多万、战舰千艘,越过达达尼尔海峡,水陆两路进犯希腊。斯巴达国王列奥尼达斯率领 300 名斯巴达士兵在温泉关顽强抵抗波斯军,全部战死。波斯军队占领雅典,大肆焚掠。希波战争是希腊诸城邦反抗波斯侵略和压迫的战争,以希腊的胜利而结束。 
  2. 〔利迪亚〕一般译做“吕底亚”,小亚细亚西部的奴隶制国家,在今土耳其境内。 
  3. 〔克罗修斯〕一般译做“克罗伊斯”,吕底亚的末代国王(约前 560—前 546 年在位)。公元前 546 年,波斯国王居鲁士攻破其首都萨狄斯,被俘。据说他是古代的巨富之一,他的名字已成为“富豪”的同义语。 
  4. 〔威廉·米勒〕(1782—1849)美国纽约州农民,近代基督复临运动的创始人。从 1831 年起开始传道,根据《但以理书》的某些章节推算出基督将于 1843 年或 1844 年 3 月 21 日第二次降临,赢得了成千上万的追随者。预言虽然失败,但该派仍坚持教义,并于 1863 年成立了基督复临安息日会。 
  5. 〔坍缩〕天体体积缩小,密度加大。这里指整个宇宙的坍缩。 
  6. 〔微波辐射〕指宇宙微波背景辐射,即来自宇宙空间背景上的各个方向同性的微波辐射,是宇宙之初“大爆炸”的余热,温度比开氏绝对零度高 2.7 度,即 -270℃,习惯上称为 3k 辐射。1965 年美国科学家彭齐亚斯和威尔逊因共同发现宇宙微波背景辐射而获 1978 年诺贝尔物理学奖。 
  7. 〔绝对温度〕即开氏温度,1848 年由英国物理学家开尔文(1824—1907)提出,1960 年第十一届国际计量大会规定热力学温度以开尔文为单位。开氏的零度称为“绝对零度”,等于 -273.15℃。 
  8. 〔比萨〕一种意大利式馅饼。 
  9. 〔哥白尼(1473—1543)〕波兰天文学家,太阳中心说的创立者,近代天文学的奠基人。 
  10. 〔奇性〕也称“奇点”,指空间——时间曲率变得无穷大而形成的点。大爆炸宇宙学认为,宇宙起源于大爆炸,在大爆炸之前,宇宙是一个没有体积的“奇点”,时间和空间都不存在。 
  11. 〔红巨星〕光谱呈橙色、红色的巨星称为红巨星。其形成是因为在恒星演化过程中,由于内部核燃料的耗尽,热核反应的速率减弱,打破了引力与辐射压之间的平衡,恒星的外壳开始燃烧膨胀。 
  12. 〔白矮星〕一类低光度、高温度、高密度的简并态恒星,是恒星演化的一种归宿。当恒星经过红巨星阶段损失大量质量后,剩下的质量若小于 1.44 个太阳质量,这颗恒星就演化成白矮星。 
  13. 〔中子星〕恒星在核能耗尽后,经过引力坍缩,依靠简并中子的压力与引力平衡形成的星体。 
  14. 〔黑洞〕一种特殊的天体,是时间—空间的一个区域。它的基本特征是有一个封闭的视界。由于引力强大,就连光也不能从中逃逸出来,所以黑洞是看不见的。 
  15. 〔量子力学的不确定性原理〕即德国物理学家海森伯(1901—1976)提出的测不准原理。它的量子力学意义是不能在同一个态中同时准确测量出粒子的位置和速度。 
  16. 题注:节选自《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》(湖南科学技术出版社 1995 年版)。杜欣欣、吴忠超译。史蒂芬·霍金,英国理论物理学家,1942 年 1 月生于英国的牛津。先后在牛津大学物理系和剑桥大学物理系学习,23 岁获博士学位。21 岁时,患上一种运动神经细胞病,以致全身不能动弹,不能说话。他身残志坚,在大爆炸、黑洞等宇宙学理论上取得了举世瞩目的成就,被誉为当代的爱因斯坦。他的科普著作《时间简史》在全世界行销数千万册,极大地增进了人们对宇宙的认识。现任英国剑桥大学卢卡逊数学讲座教授。本文是霍金 1991 年 1 月在剑桥大学的一次讲演录。 
  17. 《普通高中课程标准实验教科书语文必修⑤》,人民教育出版社,2006 年第 2 版,第 64 页。 
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