在构建宇宙之时，上帝有多大的选择余地？——爱因斯坦

认识宇宙，了解宇宙，是为了让我们能够对支配宇宙，并对我们的存在起决定作用的那些定律有所了解。

公元前340年，亚里士多德在《天论》中证明了地球是一个圆球（月食、不同纬度北极星的位置、地平线上船帆先于船）。

公元2世纪，托勒密形成一个完整的宇宙模型（地心说），分别承载了月球、太阳、恒星及当时所知的水星、金星、火星、木星、土星。后来，行星位置和运动的测量越来越精确，发现观测到的行星实际位置同这个模型的计算结果有偏差。

1514年，哥白尼提出了日心说。

1609年，伽利略用望远镜观测天空，发现木星周围有几颗小卫星，这说明所有天体并非如亚里士多德和托勒密所认为的那样都必然直接绕着地球运动。开普勒修正了哥白尼理论，提出形象运动的轨道为椭圆。

1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》提出了万有引力定律。根据他的定律，由于引力的作用使月球沿着椭圆轨道绕地球运动，也使得地球和其他行星遵循着椭圆形路径绕太阳运动。

1929年，哈勃的观测表面，曾经存在一个称之为大爆炸的时刻，那时宇宙为无限小，因而其密度必定无穷大。

20世纪，恒星光谱的红移表面宇宙正在膨胀，这是20世纪一项伟大的理性革命。

宇宙的起源

经典广义相对论的奇点定理表明，宇宙必然有一个开端，而且这个开端只能用量子理论来描述。只有当我们依据虚时来表述宇宙时，才不会出现任何奇点。

1、宇宙热大爆炸模型

宇宙大爆炸瞬间，宇宙的尺度为零，温度必然无穷大。大爆炸以后，宇宙可由弗里德曼模型表述。在这类模型中，随着宇宙的膨胀，宇宙中物质和辐射的温度不断下降（大爆炸后的1秒钟，温度降低约100亿度），在这一时刻，宇宙的主要成分是光子、电子、中微子以及它们的反粒子。在温度进一步下降过程中，大部分电子与反电子彼此湮灭，产生出更多的光子。大约在大爆炸后的100秒，温度下降到10亿度，质子和中子所具有的能量已不足以摆脱强核力的吸引作用，它们开始结合生成氘原子核、氦核、少量的锂和铍。在大爆炸后仅仅过了几个小时，氦和其他元素的产生过程即告停止。而且，在这之后的约100万年时间内，宇宙只是表现为继续膨胀，没有其他太多现象。最终，一旦温度跌至几千度，电子和原子核就不在具有足够的能量来克服它们之间电磁力的吸引作用。这时，它们就会开始结合在一起，并生成原子。

2、星球的形成与湮灭

宇宙持续膨胀，在密度略高于平均密度的区域内，额外的引力作用会使膨胀减慢，最终使某些区域不再继续膨胀，并再次出现坍缩。在坍缩过程中，由于区域外物质的引力作用，这些区域开始出现少量的自转，当时间足够久且速度之快足以与引力作用取得平衡，就会形成自转盘状星系。

随着时间推移，星系中的气体碎裂成一些较小的云块，它们在自身作用下发生坍缩。坍缩过程中温度增高，等到足够高时，核反应开始。氢转变为氦，释放的热量使压力增大，停止了云块的坍缩。这种状态的云块就是像我们太阳那样的恒星。在这期间， 核反应的能量继续以热和光的形式向外辐射。

某些质量很大的恒星，由于引力作用更强，需要有更高的温度与之平衡。核聚变反应会变得非常之快。当氢燃料燃烧殆尽，略有收缩，温度略有升高，氦转变成了更重的元素，如碳和氧。恒星的中心区坍缩成某种致密的状态，成为了中子星或黑洞。

有一些恒星会在一次剧烈的爆炸中将它的外层向外抛出，其中的较重元素被重新抛回星系内的气体中，为下一代恒星的形成提供了部分原料。我们的太阳就是一颗二代恒星，它是在大约50亿年前由一块自转气体形成，气体中含有更早期超新星的碎屑。云块中的大部分经演化形成了太阳，少量较重的元素聚集在一起，并形成了绕太阳做轨道运动的天体——行星，地球即是其中之一。

3、宇宙没有边界

“宇宙的边界条件就是没有边界”。在以实时空为基础的经典引力理论中，宇宙的行为只有两种可取的方式。或者它永远存在，无始无终；或者在过去某个限定的时间，宇宙从奇点开始有自己的开端。事实上，从奇点定理可知，宇宙必然取第二种可能性。另外，在量子引力理论中还会出现第三种可能性，因为这时用的是欧几里得时空，时间方向与空间的各个方向完全处于同等地位，故时空在范围上可能是有限的，但不存在构成边界或边际的任何奇点。时空应当像地球的表面，没有边界，只是多了两维。在虚时中的宇宙可以是有限的，但它没有边界。这也推论出：时空可以形成一种无边界闭合曲面。

4、黑洞不黑

将广义相对论与测不准原理结合起来，可导出结论：黑洞并非黑不可知。

黑洞的边界（事件边界）由恰好无法摆脱黑洞的光线构成，这些光线路径彼此沿着平行方向运动，互相远离。而这个边界的面积具有用不变小的性质。根据热力学第二原理，一旦有含有熵的物质落入黑洞，黑洞的熵会增大，事件视界的面积就会增大。如果黑洞有熵，那么就说明有温度，而一个非零温度的物体必定会以某种确定的速率发出辐射。所以，黑洞应当会发出辐射。根据量子力学的测不准原理，经过计算发现，无论是自转黑洞还是无自转黑洞，都会产生并发射粒子。当具有负能量的虚粒子落入黑洞，部分变为实粒子，作为一个正粒子而逃逸。这在观测者来说，这个粒子便表现为是黑洞发射出来的。黑洞越小，负能量粒子在变为实粒子所必须越过的距离就越短，随之而来的发射率就越大，黑洞的表现温度越高。

因此，由于负粒子落入黑洞，黑洞的质量变小。随着黑洞质量的损失，黑洞事件视界的面积就逐渐减小，但是黑洞熵的这种减小会因所发出辐射的熵得到补偿，而且是超额的补偿，可见黑洞符合热力学第二定律。

形成黑洞：如果有一个粒子，它的能量超过所谓普朗克能量，那么它的质量会高度密集，结果是切断它与宇宙其余部分的联系，形成一个微小的黑洞。然而，目前我们在实验室所能产生的能量远远无法达到，所以，为了跨越这个鸿沟，应当需要一台比太阳系还要大的粒子加速器。

5、宇宙是完全自足的

零的2倍也是零。宇宙中的物质是由正能量生成的，然而，由于引力的存在，所有物质都会彼此互相吸引。对两块相互靠得很近的物质来说，它们所具有的能量要比同样两块物质相距很远时的能量来得小。这是因为把它们分开来一定要消耗能量。因此，你必须抗拒引力的作用，使它们不致被吸引在一起。因此，从某种意义上说，引力场具有负能量。就整个宇宙而言，可以证明这种负引力能恰好与物质的正能量相抵消。所以，宇宙的总能量为零。

随着宇宙的膨胀与冷却，力与力之间的对称性最终会出现破缺。那时，未破缺的对称性状态的多余能量会被释放出来，并再度使宇宙升温。之后，宇宙会继续膨胀并冷却。

问题：

1、为什么宇宙最初的膨胀速率如此接近坍缩值，从而恰好保证不会再度坍缩？

暴胀理论：宇宙在诞生之初，会在一段时间内呈现极高的指数式膨胀，这种膨胀称为“暴胀”。在那样高的温度下，强核力、弱核力和电磁力全部统一成单一的一种力。宇宙处于过冷态，力与力之间的对称性没有发生破缺，宇宙中任何不规则性因为膨胀而被抹平。因此，宇宙从多种不同的非均匀初始状态演化而来，膨胀的速率不断逼近到刚好能使宇宙避免再度坍缩缩需要的临界值。

2、局部性的密度涨落的原因是什么？

测不准原理所隐含的一个推论是：早期宇宙不可能完全均匀。相反，粒子在位置和速度上必定存在某些不确定性，或者说涨落。由无边界条件推知，宇宙诞生之初必然恰好具有测不准原理所容许的最小可能的不均匀性。

3、为什么物质的运动速度无法超过光速？

在真空中光速在任何情况下都保持不变，狭义相对论的前提之一在于光速不变原理，并在此基础上推出了质能方程E=mc2。在物质加速过程中，速度越接近光速，加速所学要的能量越大，而能量越大，物质的质量会增加到无穷大，这就需要无穷大的能量，所以，在目前人类的认知里，物质不可能加速到光速。

4、为什么时间总是一直向前？

热力学第二定律告诉我们，无序程度，或者说熵，总是随着时间而增大。换句话说，这也就是墨菲定律的内涵——事物总是朝坏的方向发展。熵的概念给时间一种方向，区分了过去与将来。

至少存在三类不同的时间箭头：第一类，热力学时间箭头，沿着这一时间方向，无序程度总是在增加。第二类，心理学时间箭头，这个方向使我们感觉到时间的流逝，沿着这一方向，我们记住了时间，但对未来一无所知。第三类，宇宙学时间箭头，沿着这一方向，宇宙在膨胀，而不是收缩。只有当前两个箭头与宇宙学箭头相一致时才会生成智慧生命。

无边界条件隐含了在收缩期间无序程度应当继续维持增大。无论是宇宙开始再度收缩，还是在黑洞内部，热力学和心理学的时间箭头都不会反转。

理论介绍

大统一理论：我们已掌握了若干局部性理论，广义相对论（有关引力的局部性理论）、支配弱核力、强核力、电磁力的局部性理论。后三种理论可以合并为大统一理论。

引力子：在广义相对论中，引力可以看作起因于一种自旋为2的粒子，这就是引力子。

中微子：静止质量为零、与物质的作用最弱、且以光速运动的中性基本粒子。

人择原理：该原理认为，正是因为有人类存在，才能解释宇宙的种种特性；如宇宙不具有现在的形态，就不会有人类这样的智慧生命来认识宇宙。

反物质：反物质是正常物质的镜像，反物质由反粒子构成，反粒子由带正电的点子和带负电的原子核构成。物质与反物质的结合会导致两者湮灭，释放出高能光子货伽马射线。

波粒二象性：光既可以看作为波，也可以看作是粒子。

红移：河外星系的恒星光谱显示它们所缺失的特征颜色组鱼银河系中的恒星情况相同，它们都朝着光谱的红端移动，这说明星系的光波频率减小，星系都在远离我们。且星系的红移量与星系的距离成正比。

昌德拉塞卡极限：对于一颗无能源的恒星来说，当它的质量大于1.5倍的太阳质量时，这颗恒星便不可能抵抗其自引力的作用而维持现状不变。这个质量就是昌德拉塞卡极限，如果一颗恒星质量小于昌德拉塞卡极限，最终会停止收缩，成为白矮星。甚至，如果继续给白矮星增加质量，该恒星是否会继续坍缩。如果一颗恒星质量超过昌德拉塞卡极限，可能会爆炸。

多普勒效应：通过测定运动的物体反射回来的无线电波脉冲频率，测出该物体的速度。

弦理论：基本客体不再是在空间中只占了一个点的粒子，代之的是以某种有长度却无其他维度的东西，犹如一条无限细的弦圈。在每一瞬刻，一个粒子仅占了空间中的一点，所以它的历史便可以用时空中的一条线来表示，称为“世界线”。另一方面，在每一瞬刻，一条弦占了空间里的一条线，因而它在时空中的历史是一个二维曲面，称为“世界面”。此类世界面是那个的任意一点，可以用两个数来描述，一个是表征时间，另一个是表征点在弦上的位置。

虚时：时间和空间之间的区别将不复存在。以虚时的时空作为事件的时间坐标属于欧几里得时空。

欧几里得时空：以欧几里得为基础的四维空间，时空中的两个图形被认为是等价的，通过一系列的平移和旋转可以把一个图形变换为另一个图形。

泡利不相容原理：原子中不可能容纳运动状态完全相同的两个或两个以上的电子。

测不准原理：你不可能同时知道一个粒子的位置和它的速度，粒子位置的不确定性，必然大于或等于普朗克常数。

热力学第二定律：一个孤立系统的熵永远不会随时间而减小。

虫洞：宇宙中可能存在的、连续两个不同时空区域的狭窄隧道。

白矮星：恒星演化末期所形成的一种致密星，体积与地球相近，密度高达每立方英寸数百吨，质量不超过太阳质量的1.44倍。

中子星：大质量恒星演化末期所形成的一种致密星，因其主要成分为中子而得名。其质量上限为2-3倍太阳质量。中子星的磁场与其周围物质有着复杂的间接性相互关系，它们会不断发出脉冲射电波。

黑洞：质量足够大、密度足够高的恒星发生坍缩，其具有的强引力场使得光也无法逃逸。也就形成了空间中一些黑不可见的空洞。

伽马射线暴：天体伽马射线辐射在短时间内突然极度增强的现象，典型持续时间为数秒钟，通常认为起因于超新星爆发。也可用于探测原初黑洞。

相变：物质系统中物理、化学性质完全相同，且与其他部分有明显分界面的均匀部分称为相，不同相之间发生的转变称为相变。

相位：对于每一个粒子遵循的每一个历史，都有两个数与之相对应，一个是波的幅度，另一个则代表它在循环中的位置，即相位。

■《大设计》主要知识整理版  2017.10.10