第3章 创世及其缺陷

一些持续困扰静态宇宙模型的矛盾。

首先，永恒不变的宇宙似乎与热力学第二定律这一最普适的自然法则相冲突。这个定律称，物理系统会从有序的状态自发变化到混乱的状态。如果你把文件整齐地堆放在桌子上，当风突然吹进窗户，文件就会随机地散落在地板上。然而，你永远不会看到风从地板上吹起纸张，然后把它们整齐地堆在你的桌子上。理论上，这种混乱度的自发减少并非不可能，但是它发生的概率是如此之小，以至于从来没有发生过。

数学上，描述一个系统混乱程度的物理量被称为熵，而热力学第二定律认为孤立系统的熵只会增加。混乱会无休止地增长，直到混乱得不能更混乱了（此时熵达到最大值），这就是所谓的热平衡。在这种状态下，有序运动的所有能量都转化为热量，整个系统中的温度都是均匀的。

在19世纪中期，德国物理学家赫尔曼·冯·亥姆霍兹（Hermann von Helmholtz）首次将热力学第二定律应用到宇宙中。他认为整个宇宙可以被看作是一个孤立的系统（因为宇宙之外没有任何东西）。如果是这样的话，那么第二定律就适用于整个宇宙，因此，宇宙将不可避免地走向“热寂”，也就是热平衡态。在这种状态下，所有的恒星都会消亡，其温度与周围环境相同。除了分子的无序热运动外，所有的运动都会停止。

热力学第二定律带来的另一个结论是，如果宇宙永恒存在，那么它应该已经到达热平衡状态。由于我们没有发现自己处于最大熵的状态，因此得出的结论是宇宙不可能永远存在。亥姆霍兹没有着重强调这第二个结论，而是更关注“热寂”部分（这部分在19世纪末20世纪初成为许多末日题材小说的灵感来源）。但是其他物理学家，包括路德维希·玻尔兹曼这样的学术巨擘，都很清楚这个问题。

玻尔兹曼从热力学第二定律的统计学本质中找到了出路。即使宇宙处于最大程度的混乱状态，混乱度自发减少的事情偶尔也会发生。这种现象被称为热涨落，它在几百个分子的微观尺度上是很常见的。但当尺度变得更大时，这种现象的发生概率就会变得越来越低。玻尔兹曼认为，我们所观测到的是一个无序宇宙中的巨大的热涨落。虽然这种涨落发生的可能性非常小，但是如果耐心等待，小概率的事情最终会发生。如果你等待无限长的时间，那么它们肯定会发生。生命和观测者只能存在于宇宙中有序的部分，这就解释了为什么我们会观察到这个难以置信的罕见事件。玻尔兹曼解决方案的问题在于，宇宙中有序的部分似乎过于庞大了。只要有一块太阳系大小的有序世界，生命和观察者就足以存在。这种情况发生的概率远远高于产生一块直径长达数百亿光年的热涨落，但后者却正是我们所观测到的宇宙。

玻尔兹曼的设想还有另一个历史更悠久的问题。如果假设宇宙是无限大的，且恒星或星系大体均匀地分布在无限的空间里，那么无论你朝天空的哪个方向看，你的视线最终都会碰到一颗星星。这样，天空的每一个角落都会闪耀着光辉。这给我们留下了一个简单的问题：为什么夜空是黑暗的？这一问题被称作奥伯斯佯谬。约翰内斯·开普勒在1610年首次发现了这个问题，他的结论是宇宙不可能是无限大的。

如果宇宙的年龄是有限的，那么熵的问题和奥伯斯佯谬都自然地得到了解决。如果宇宙形成于有限的时间之前，最初处于一种高度有序（低熵）的状态，那么我们现在观察到宇宙正在从这种状态转变到混乱状态而尚未达到最混乱的状态，就不足为奇了。奥伯斯佯谬也得到了解决，因为在一个有限年龄的宇宙中，来自遥远星星的光没有充足的时间到达我们这里。我们只能观测视界半径内的恒星，这个半径等于光在等于宇宙年龄的时间中所能走过的距离。即使整个宇宙是无限大的，这一半径范围内的恒星数量仍然是有限的。

在这些争论的基础上，怎么会还有人相信我们所知道的宇宙已经永远存在了呢？这是因为宇宙开始于有限的时间之前这一想法同样引发了一些令人困惑的问题。如果宇宙是在有限的时间之前开始的，那么是什么决定了大爆炸的初始条件呢？为什么宇宙起始于均匀的各向同性状态？原则上，它可以从任何一个状态开始。我们应该把初始状态的选择归因于造物主吗？毫不令人惊讶的是，物理学家们最终花费了相当一段时间才接受大爆炸宇宙学，并且做了许多尝试来回避这些关于“初始”的问题。

接受必然

一些人最初认为，大爆炸奇点是弗里德曼为了解爱因斯坦场方程而引入的精确的同质性和各向同性假设所产生的非自然产物。在一个正在坍缩的宇宙中，如果所有的星系都径直向我们移动，那么毫无疑问它们都会在一场大挤压中撞在一起。但是如果星系的运动方向稍微偏离一些，人们认为它们可能会越过彼此，然后再次飞散开来，使宇宙再次膨胀，这样就可以避免奇点的存在。因此，人们希望建立一个振荡的宇宙模型，没有开端，只有膨胀和收缩的交替周期。

然而，事实证明，引力互相吸引的本质使这种情况变得不可能。英国物理学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）和当时还是研究生的史蒂芬·霍金证明了一系列定理，结果表明，在非常一般的条件下，奇点是不可避免