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第18章 宇宙的起源和命运1（第1页）

从爱因斯坦广义相对论本身就能预言：时空在大爆炸奇点处开始，并会在大挤压奇点处（如果整个宇宙坍缩的话）或在黑洞中的一个奇点处（如果一个局部区域，譬如恒星坍缩的话）结束。

任何落进黑洞的东西都会在奇点处毁灭，在外面只能继续感觉到它的质量的引力效应。

另一方面，当考虑量子效应时，物体的质量和能量似乎会最终回到宇宙的其余部分，黑洞和在它当中的任何奇点会一道蒸发掉并最终消失。

量子力学对大爆炸和大挤压奇点也能有同等戏剧性的效应吗？在宇宙的极早或极晚期，当引力场如此之强，量子效应不能不考虑时，究竟会发生什么？宇宙究竟是否有一个开端或终结？如果有的话，它们是什么样子的？

我在整个70年代主要研究黑洞，但在1981年参加在梵蒂冈由耶稣会组织的宇宙学会议时，我对于宇宙的起源和命运问题的兴趣被重新唤起。

当天主教会试图对科学的问题发号施令，并宣布太阳围绕着地球运动时，对伽利略犯下了严重的错误。

几个世纪后的现在，它决定邀请一些专家做宇宙学问题的顾问。

在会议的尾声，教皇接见所有与会者。

他告诉我们，在大爆炸之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，看来他并不知道，我刚在会议上作过的演讲的主题——时空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一种强烈的认同感，其部分原因是我刚好出生于他死后的300年！

为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想，必须首先按照所谓的“热大爆炸模型”

来理解被广泛接受的宇宙历史。

这是假定从早到大爆炸时刻起宇宙就可用弗里德曼模型来描述。

在此模型中，人们发现当宇宙膨胀时，其中的任何物体或辐射都变得更凉（当宇宙的尺度大到2倍，它的温度就降低到一半。

）由于温度即是粒子的平均能量——或速度的测度，宇宙的变凉对于其中的物质就会有较大的效应。

在非常高的温度下，粒子能够运动得如此之快，可以逃脱任何由核力或电磁力将它们吸引在一起的作用。

但是可以预料到，随着它们冷却下来，粒子相互吸引并且开始结块。

更有甚者，连存在于宇宙中的粒子种类也依赖于温度。

在足够高的温度下，粒子的能量是如此之高，只要它们碰撞就会产生很多不同的粒子反粒子对一一并且，虽然其中一些粒子打到反粒子上去时会湮灭，但是它们产生得比湮灭得更快。

然而，在更低的温度下，碰撞粒子具有较小的能量，粒子反粒子对产生得不快——而湮灭则变得比产生更快。

就在大爆炸时，宇宙体积被认为是零，所以是无限热。

但是，辐射的温度随着宇宙的膨胀而降低。

大爆炸后的1秒钟，温度降低到约为100亿度，这大约是太阳中心温度的1000倍，亦即氢弹爆炸达到的温度。

此刻宇宙主要包含光子、电子和中微子（极轻的粒子，它只受弱力和引力的作用）和它们的反粒子，还有一些质子和中子。

随着宇宙的继续膨胀，温度继续降低，电子反电子对在碰撞中的产生率就落到它们的湮灭率之下。

这样，大多数电子和反电子相互湮灭掉了，产生出更多的光子，只剩下很少的电子。

然而，中微子和反中微子并没有相互湮灭掉，因为这些粒子和它们自己以及其他粒子的作用非常微弱。

这样，直到今天它们应该仍然存在。

如果我们能观测到它们，就会为非常热的早期宇宙阶段的图象提供一个很好的检验。