宇宙的起源及意义

◆ 黄学成


    二零零六年十月三日,瑞典皇家科学院决定将二零零六年的诺贝尔物理学奖授予美国航天局(NASA)的约翰?马瑟(John C. Mather)和加州大学伯克利分校的乔治?斯穆特(George F. Smoot),以表彰他们“发现了宇宙微波背景辐射的黑体形式和各向异性”。“马瑟和斯穆特借助美国一九八九年发射的宇宙背景探险号(COBE)人造卫星作出的发现,为有关宇宙起源的大爆炸理论提供了支持,将有助于研究早期宇宙,帮助人们更多地了解恒星和星系的起源。” 诺贝尔奖颁发的公报如是说。

一、宇宙大爆炸理论

    人类对宇宙的探索和认识经历了一个漫长且曲折的过程。古希腊人认为宇宙和神都是永恒的。在中国古代哲学思想中,永恒宇宙论也一直占据着主导地位。东汉的科学家张衡在《灵宪》中说:“宇之表无极,宙之端无穷”。十八世纪的德国哲学大师康德(Immanuel Kant,1724-1804)在其《纯粹理性批判》中提出,宇宙有限无限的问题为纯粹理性的二律背反(也就是矛盾),即他觉得存在令人信服的论据,来证明宇宙有开端的正命题,以及宇宙已经存在无限久的反命题。但在《宇宙的自然历史和天堂理论》中,康德明确提出:宇宙必须是无限的。他并且进一步给出了纯机械宇宙模型,即有关宇宙及在宇宙中的一切事物都能通过牛顿所描述的机械定律来说明。十六世纪的意大利物理学家和天文学家迦利略(Galileo,1564-1642)发明望远镜后,他把望远镜对准夜空,发现银河系外是另一个银河系,星球的数目似乎是数不尽的。这让宇宙无限论有了可观察的“科学证据”。

    一九一五年,爱因斯坦将广义相对论引力场方程应用于宇宙的结构,在假定宇宙是无限大、均匀的前提下,他发现方程的解是不稳定的,这表明宇宙在膨胀或收缩。但他认为宇宙应该是永恒、稳定的,因此给方程加入一个起斥力作用的“宇宙常数”,从而消除了宇宙不断扩展或收缩的可能性。

    尽管宇宙永恒论在十八、十九世纪的欧洲占据着主导地位,但仍不断遇到质疑。一八二三年,德国业余天文学家奥尔伯斯医生(Heinrich W. M. Olbers,1758 - 1840)提出,如果宇宙是无限的,并且包含无穷多个、均匀分布在宇宙空间的恒星的话,那么,在无限长的时间里,这些星光聚集起来,将使宇宙中任何一点都像太阳表面一样亮,地球上也没有白天黑夜之分。而实际情况显然不是如此。这就是有名的“光度佯谬”。一八九四年,德国另一位天文学家西利格尔(Seeliger,1849 - 1924)指出:如果星球无限多而且均匀分布,那么宇宙中任一有限区域的物质(质量有限)将被区域外的物质(质量总和为无限大)所吸引,有限区域内的物质无法依靠自身的引力收缩成星体,因为恒星会受到宇宙中所有其它恒星的引力,虽然这些引力或强或弱,但最终的合力将是无穷大,从而将恒星撕成碎片。然而实际情况并不是这样,这就是所谓的“引力佯谬”。

    一九二二年俄国数学家弗理德曼(Alexander Friedman)证明宇宙几乎不可能是静止的,并求得不含“宇宙常数”项的爱因斯坦方程,表明宇宙实际上一直在膨胀。一九二七年,比利时天文数学家李密特神父(George Le Maitre,1894 - 1966)根据爱因斯坦的理论作出模型,预言宇宙有一起点—— “太初原子” (Primoeval atom),即一能量无限大而时空等于零的“奇点”。

    一九二九年,美国天文学家哈伯(Edwin Hubble)用当时最大的二百吋天文望远镜观察到,在银河系外还有千千万万个银河系。不同距离的星系发出的光,在颜色上稍有不同。远星系的光要比近星系弱一些,红一些,即偏向可见光谱中的长波光谱。这种现象称为“哈伯红移”。当一列火车快速驶远时,它的汽笛声听来会沉闷很多,因为声波相对于我们的频率变低、波长变长了,这就是多普勒效应。把声波换成光,产生的效果就是红移。哈伯对众多星系的光谱进行研究后确认,红移是一种普遍现象,这表明宇宙正在膨胀。

    二十世纪四十年代,旅美俄籍物理学家伽莫夫(George Gamow,1904 - 1968)接续李密特等人,继续倡导宇宙大爆炸理论。因为,在各种不同天体上,氦丰度相当大,而且大都是30%。用恒星核反应机理不足以说明为什么有这么多的氦,而一个从无限高温迅速冷却的宇宙却能合理说明这一事实。伽莫夫并预言,如果宇宙是由大爆炸产生的,在整个宇宙内都可以测量到绝对温度0K(- 273?C)以上约2.7度的微光,也就是宇宙微波背景辐射,即大爆炸的灰烬。

    一九六四年,这个证明宇宙大爆炸理论最重要的证据,被美国电讯公司贝尔研究所的彭齐亚斯(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson)找到了。这一年,他们为了检验一台巨型天线的低噪声性能而把天线对准了没有明显天体的天区进行测量。结果发现,无论把天线指向何方,总能收到一定的噪声。开始,他们以为天线有毛病,但天线经过彻底检查,确保无误后,这些噪声仍然存在,后来发现噪声信号来自外部空间。进一步的精确测量显示,这种微波辐射的温度相当于绝对温度3K(-270?C)的黑体辐射。由于这种辐射充满整个天球,形成了整个宇宙背景的辐射,所以称为3K宇宙微波背景辐射。彭齐亚斯和威尔逊也因此而获得了一九七八年的诺贝尔物理学奖。

    马瑟和斯穆特等人的成就主要表现在两点:一是精确地测量出宇宙微波背景辐射的波长分布的黑体谱形;二是发现宇宙微波背景辐射在不同方向上有着极其微小的温度差异,这种微小差异揭示了宇宙中的物质如何积聚成恒星和星系。他们的工作是迄今为止对宇宙大爆炸理论所作出的最强有力的支持。他们被授予本年度的诺贝尔物理学奖,这是第二次有人因在宇宙微波背景辐射研究领域作出杰出贡献而获得诺贝尔奖。所以,尽管对宇宙的年龄、宇宙如何膨胀等细节问题,还有不同观点,但宇宙有一起源,是宇宙研究领域广泛接受的科学事实。

二、可兰宇宙论证(The Kalam Cosmological Argument)

    如果宇宙有个起源,这对我们意味着什么呢?或者说,宇宙起源的意义是什么呢?对此问题,有人会认为,没有意义,在宇宙之前所有的,只是“无”,宇宙就是从“无”中自然地产生了“万有”。正如无神论者史密斯所说: “最有理的信仰是,我们不由何而来,不藉何而造,不为何而活(from nothing,by nothing,and for nothing)”。然而有神论者罗斯(Hugh Ross)则说:“如果宇宙的起源只是一个偶然事件,那宇宙就没有意义,因而,我们的存在也没有意义。……?,如果宇宙是创造的,但创造者没有位格,那么爱、情怀、关怀就只是虚谎;反之,如果创造者是有位格的,那么这些品性,以及其它诸如美、怜悯、无私和公义,就是真的,有意义的。并且,如果宇宙创造者被限制在宇宙之内,那么宇宙本身就是终极存在,宇宙本身就是主宰。但如果宇宙的创造者不受宇宙时空的限制而存在,那么,超时空现象,如神迹、天堂、地狱、三一性,所有这些都是可理解的。”所以,从某种意义上说,探究宇宙起源的意义,就是探询生命的意义和目的。

    早期的基督徒从《圣经》有关神造天地的记载出发,相信宇宙源自于神的创造。四世纪的埃及基督徒哲学家、亚力山大的斐罗庞那斯(John Philoponus)从亚里斯多德“宇宙是无限的”出发,证明神的存在。之所以这样做,据他说,是因为如果宇宙有一起源,那证明神的存在就太容易了。到后来伊斯兰在中东和北非兴起,由于伊斯兰也相信宇宙来源于创造,所以,十世纪的伊斯兰学者加扎利(al-Ghazali ,1058-1111)为了论证宇宙有第一因,提出了著名的可兰宇宙论证,并指出,宇宙的第一起因是一位有位格的神。可兰论证后来经过中世纪的犹太学者传回讲拉丁语的基督教世界。十三世纪的意大利哲学家Bonaventure和十七世纪的英国哲学家John Locke都使用过该论证证明神的存在。

    可兰论证主要分为三段:

    1. 凡是有起源的,都有起因(Whatever begins to exist has a cause),

    2. 宇宙有起源 (The universe began to exist),

    3. 因此,宇宙有起因(Therefore, the universe has a cause)。


    第一个前提“凡是有起源的,都有起因”似乎是不证自明的,没有任何事物能没有原因地从无中生有。比方说,屋子里突然有了一张新桌子,那一定是某个人造了它。大街上,停了一部新汽车,必定是汽车厂造了它,被某人买来,停放在那里。实际上,宇宙大爆炸理论提出来之前,这一点几乎是被所有人接受的。那时,对该论证的反驳都集中在宇宙是否有一个起源上。只是在大爆炸理论被提出后,宇宙有起源无可置疑,才有人质疑该前提的真伪性。他们也提不出反证来,只是说,你也不能证明它。对此,美国塔柏(Talbot)神学院的研究教授克雷格(William Lane Graig)说,这个原则从来只被证实,而从无被证伪过。在生活中,我们也是接受它是真的。例如,我们从来不必担心房间里会无缘无故冒出一匹马,糟塌了地毯!在科学研究方法上,这被称作“经验证据”原则──即,凡在经验上总是成立、从无错谬的,就是正确的理论。而第二个前提“宇宙有起源”已得到现代科学理论“宇宙大爆炸理论”的强力支持,所以“宇宙有一个起因”的结论,就是自然而然的了。

    可兰论证告诉我们,宇宙有第一因。那可兰论证是否能告诉我们,宇宙的第一因是一个有位格的神呢?对此,克雷格指出:可兰论证不仅告诉我们宇宙有个超然原因,它也暗示一个有位格的创造者。克雷格解释说,对一个问题的解答,可以是科学的,也可以是有位格的(Personal)。科学的解答使用一套科学定律和初始条件。有位格的解答诉诸某个人、或人的意志或意愿。比如说,你到厨房里,看到炉子上茶壶中的水开了,你问为什么水开了,你妻子的回答可以是:炉子的热量通过茶壶的底传给炉子中的水,热能转换为动能,使水分子运动速度加快,一部分的水分子甚至蒸发成气态的水,导致水开了。这是科学的解答。你妻子也可以只是简单地说,我想泡杯咖啡,所以烧了一壶水。这是有位格的回答。对宇宙的第一因,不能有一个科学的解释。既然它是第一因,宇宙形成的初始条件和自然规律都由它而来,它就不能用初始条件和自然定律来解释。所以,如果对宇宙的第一因有一个解释,解释就只能是有位格的。第二,宇宙的原因必须超越时间和空间,它不能是个物理实在。相反,它必须是非时间或非物质的。只有两类事物是非时间和非物质的。一是抽象概念,像数字或数学领域的存在。然而,抽象概念不能引发任何事情。第二种非物质的实在是意志(Mind)。意志能成为原因。所以,说宇宙是某个非实体化的意志的产物,是说得通的。第三,如果宇宙是个只要充分条件满足就发生的机械结果(实际上,充分条件永恒地被满足),那么,它应该在永恒的过去就已经存在了。这样一来,结果和原因是共永恒的(Co-eternal)。那么,怎么解释有限的宇宙起源于非时间原因呢?克雷格说,我只能考虑一个解释,即宇宙的原因是一个有着自由意志的有位格的存在。他能在没有先决条件下创造一个结果。他能决定说,“要有光”(参创世纪1:3),宇宙就呈现出来了。

三、创造的确据

    宇宙原始奇点的大爆炸,并不是一次杂乱无章、毫无目的的爆炸。实际上,从它孕育的那一刻起,宇宙就必须精确微调到无法想象的程度,以得到一个复杂有序、结构精密、以适合于生命存在的宇宙。随着科学技术的进步和测试手段的发展,现代的物理学家和天文学家能够对宇宙的特性及其形成所需要的条件进行研究。他们惊异地发现,其中许多参数的精调程度超乎我们的想象。例如,如果重力或弱作用力仅改变10100分之一,生命之发展绝无可能。4He、 8Be、 12C and 16O的基态能量不能稍高或稍低4%,否则宇宙就没有足够的氧和/或碳,使任何形式的生命存在。宇宙的膨胀速率必须精调到1/1055的精度,才能出现我们现在所看到的复杂有序的星球和星系的形成。也就是说,如果宇宙膨胀速度比现在低1/1055,那么宇宙将崩缩成一个火球;如果宇宙膨胀速度比现在高1/1055,那么宇宙将像普通炸弹一样炸成一堆碎片。实际上,大约有50个常数和参数——例如,宇宙中可使用的能量值、质子和中子的质量差、自然的基本作用力比、物质与反物质比等——必须被平衡到数学上无限小的程度,宇宙之形成才有可能。下面是其中部分参数的摘要:

    1. 引力偶合常数

    * 如果稍大:没有质量是太阳质量1.4倍以下的恒星存在;恒星寿命缩短。

    * 如果稍小:没有质量是太阳质量0.8倍以上的恒星存在;没有生成地球之类的岩石型星球所需要的重元素(质量大于氢、氦的元素)。

    2. 强核子力偶合常数

    * 如果稍大:没有氢;生命所需要的核子不稳定。

    * 如果稍小:除了氢外,没有其它元素。

    3. 弱核子力偶合常数

    * 如果稍大:所有的氢在大爆炸中转化为氦,因而有太多的重元素。

    * 如果稍小:没有氦从大爆炸中产生,因而没有足够的重元素。

    4. 电磁偶合常数

    * 如果稍大:没有化学键,原子不能结合形成物质;质量比碳原子大的元素不能稳定地核裂变。

    * 如果稍小:没有化学键。

    5. 中子与电子数量比

    * 如果稍大:电磁力超过重力,阻止星系、恒星和行星的形成。

    * 如果稍小:电磁力超过重力,阻止星系、恒星和行星的形成。

    6. 中子与电子质量比

    * 如果稍大:没有化学键。

    * 如果稍小:没有化学键。

    7. 宇宙膨胀比

    * 如果稍大:没有星系形成。

    * 如果稍小:宇宙在恒星形成前坍塌。

    8. 宇宙的熵值

    * 如果稍大:没有原始星系内的恒星收缩。

    * 如果太小:没有原始星系的形成。

    9. 宇宙的质量密度

    * 如果稍大:来自于大爆炸的重氢太多,因而恒星燃烧太快。

    * 如果稍小:没有来自于大爆炸的氦,因而没有足够的重元素。

    10. 宇宙背景原始辐射的均匀性

    * 如果稍均匀:恒星、星群和星系不会形成。

    * 如果稍不均匀:无法形成恒星和星系,宇宙现在主要是黑洞和真空。

    11. 星球间的平均距离

    * 如果稍大:重元素密度太薄,岩石类行星不能形成。

    * 如果稍小:行星轨道不稳。

    12. 太阳光度

    * 如果增加太早:太强的温室效应。

    * 如果增加太晚:冰冻的海洋。

    13. 精细结构常数(其它三个基本常数――谱朗克常数、光速和电荷――的函数,它们中的每一个都必须精细微调)。

    * 如果稍大:没有质量是太阳质量0.7倍以上的恒星存在。

    * 如果稍小:没有质量是太阳质量1.8倍以下的恒星存在。

    14. 质子衰变速率

    * 如果稍快:生命将因辐射的释放而灭绝。

    * 如果稍慢:宇宙中没有足够多的物质,以维持生命的存在。

    15. 12C 16O能量数量比

    * 如果稍高:没有足够的氧。

    * 如果稍低:没有足够的碳。

    16. 8Be的衰变速率

    * 如果稍慢:重元素的裂变将在所有的恒星里产生灾难性的爆炸。

    * 如果稍快:没有Be以下的元素形成,因而,没有生命化学所需要的所有物质。

    17. 中子和质子的质量差

    * 如果稍大:质子将在稳定的原子核形成前衰变。

    * 如果稍小:质子将在稳定的原子核形成前衰变。

    18. 核子对反核子的原始过量

    * 如果稍高:太多的辐射,以至于行星不能形成。

    * 如果稍低:没有足够的物质,使星系或恒星行星形成。

    与霍金合作证明宇宙奇性定理,从而获得一九八八年沃尔夫物理奖的理论物理学家朋罗斯(Roger Penrose)计算估计到:“若要形成类似今日我们所居住的宇宙,宇宙创造者瞄准设计的精确度应准确到1010123分之一。……,我们根本无法将这整个数字写出来。我们在1之后要写上10123个零。假若我们将整个宇宙中所有的中子、电子、质子,甚至一切的粒子数,都乘10,然后再互相相乘,所得到的数字仍小于1010123。”所以,宇宙之形成,决不是个纯机会的自然结果。正如克雷格所说:“所有这些,充分证明,在宇宙创造后面有一智慧设计者的存在。实际上,别的解释都说不通。”

    一九八九年十一月十八日,美国太空总署发射宇宙背景探险号(COBE)人造卫星,用来更精确地测量原始大爆炸的背景微波辐射。COBE 头二年所提供的资料清楚地肯定,在宏观宇宙中,每一个的背景温度,完全一致均匀到万分之一绝对温度。一九九二年四月二十三日,此年度诺贝尔奖得主、天文物理学家斯穆特惊人地发现,COBE卫星所收集到的三亿六千万个测试数据,显示出只有十万分之三的差异,宇宙原始大爆炸所引发的细微波浪,极其均匀。斯穆特解释说:“这些波浪中较细致的,已经形成银河系和星系群,以及太空中广无边际的空间。” 斯穆特为他的发现公开宣称: “这好像张开眼睛看到神一样。其中的秩序多么精美,多么均匀雅致,促使我们联想到宇宙背后必然有其设计。”其他的无神论的科学家,也因着这些设计证据的发现而改变了他们对宇宙成因的看法。最早提出稳恒态宇宙理论的著名天文学家何伊(Fred Hoyle)在一九八二年说,“超极智慧玩弄了物理学,以及化学和生物学。” 一九八三年还在提倡无神论的英国物理学家戴维斯(Paul Davies)在一九八四年说,“(物理)定律自我显明,其是一极其奇妙的设计的产物。” 在他出版于一九八八年的《宇宙蓝图》(The Cosmic Blueprint)一书中,他见证到:“对我而言,存在强有力的证据显示,在这一切的背后,某种东西在运作。”

    生活于公元前一千五百年左右的希伯来先知摩西在《创世记》中写到:“起初神创造天地。”(创世记1:1),生活于公元前一千年左右的古犹太国王大卫发出赞叹:“诸天述说神的荣耀;穹苍传扬他的手段。”(诗篇19:1),今天,当我们抬头仰望,面对如此浩瀚、深邃复杂又精致有序的宇宙,思想宇宙起源的奇妙时,我们不得不承认:宇宙有一个创造者;也不能不从内心发出由衷的赞美:创造宇宙的神啊,你真神奇伟大。

参考资料:

    1. Lee Strobel,“The Case For A Creator”,Zondervan,Grand Rapids,2004。

    2. Hugh Ross,“The Creator and The Cosmos”,3th edition, NavPress, Colorado Springs,2001。

    3. 梁斐生,“真金不怕洪炉火”,加拿大恩福协会,2003。