大爆炸宇宙论的重要启示-五堂极简科学史课

大爆炸宇宙论是以广义相对论为基础应用已知的物理原理对宇宙观测事实作出的猜测性解释，这种理论不仅得到了一系列事实的检验，而且对现代科学认识活动也有不少启发性。

追求物理理论的统一性，是现代物理学研究的一个重要趋势。迄今为止，物理学家已经发现，自然界存在着万有引力、电磁力、强作用力和弱作用力四种相互作用力。17世纪末，牛顿万有引力把太阳系行星的运动与果园里苹果的落地统一起来了；19世纪，麦克斯韦电磁学把电力、磁力综合为电磁力，并发现了电磁波和光的统一；20世纪上半叶，物理学家发现了把质子与中子牢固地束缚在原子核中的强作用力，以及使微观物质粒子在相互转化中放出电子和中微子的弱作用力。这四种作用力分别存在于不同的物理现象中，有关它们的理论也属于不同的物理学分支领域。从思维的经济性来说，人类总是希望能用尽可能少的理论去描述尽可能多的事实，因此20世纪以来，物理学家一直在寻求用一种理论统一描述这几种物理作用的可能性。爱因斯坦为了使引力和电磁力统一起来耗费了后半生的宝贵精力，但未取得成功。60年代以前，许多著名物理学家都在这方面进行过努力探索，但均未达到最终目的。60年代末，美国物理学家温伯格和英籍巴基斯坦物理学家萨拉姆等人提出了弱电统一理论。就是说，他们用一种理论统一描述电磁作用和弱相互作用，这种理论很快得到了实验证实。这一胜利极大地鼓舞了人们的热情，进而去寻找更大的统一性理论，因此物理学家于70年代提出了大统一模型，试图发展出一种把电磁作用、弱作用及强作用都包含在内的统一理论。大统一理论认为这三种作用在能量很高的状态时将统一表现为一种作用，只有在低能状态时，才呈现出三种不同的作用。根据现有理论的计算，强作用的强度会随着能量的升高逐渐减弱，而弱作用和电磁作用的强度则会逐渐增强，这样就可能找到一个能量判据，使得处于这个能量状态时的物理过程，三种相互作用的强度相同，也就是说，在这一能量状态，三种相互作用达到了统一。根据大统一理论计算，这个能量值大约为10 24电子伏特时，宇宙中除了引力以外就只有这一种统一的相互作用了。10 24电子伏特是一个大得吓人的能量，目前人类无法制造出如此之高的能量状态，今天的高能加速器所能达到的最大能量仅有10 12电子伏左右，它对于大统一理论的能量尺度来说还是太小了。正因如此，大爆炸宇宙学对物理学的发展有了特殊重要的作用。根据大爆炸理论，宇宙大爆炸之初曾经历过能量为10 24电子伏的物理过程，这就是说，宇宙爆炸的极早期可能是检验大统一理论的唯一“实验室”。大爆炸理论还认为，在宇宙的更早期引力也被统一其中，那时只有一种形式的相互作用，称为超引力。随着宇宙膨胀，物质密度下降，超引力才开始分化为不同形式的相互作用，最早出现的是引力，然后是弱作用力和电磁作用力，最后是强相互作用力。因此，如果大爆炸理论是正确的，就可以间接证明大统一理论的合理性，自然界的四种相互作用以及它们的相互关系也将被人类真正理解。

近年来，科学家们开始把大爆炸宇宙论与粒子物理学结合起来，探讨极早期宇宙的粒子生成问题，试图解释现存世界的粒子与反粒子数目之间的不对称性现象，由此形成了粒子宇宙学这一新的研究领域。大量的观测表明，在今天的宇宙中，质子、中子、电子等基本粒子与它们的反物质粒子之间在数量上存在着严重的不对称性，宇宙中的物质基本上都是由正粒子构成的，很少有以自然状态存在的反粒子。所谓反物质粒子，大致来说，就是其他性质与通常的正物质粒子一样，只是电荷符号等性质相反的粒子。例如，反质子带有负电，而电子的反粒子——正电子却带正电。一对正反粒子相遇会发生湮灭而产生高达913兆电子伏的能量。根据大爆炸理论，今天的宇宙是从昨天的宇宙演化来的，现存的各种复杂、不对称的宇宙现象都是从简单的、对称的原初宇宙演化出来的，因此，物质粒子与反物质粒子之间在数量上的不对称现象，也应当有它的合理解释。按照大爆炸理论，宇宙极早期经历了重子数不守恒过程和正反粒子数的不对称过程。粒子物理学认为，重子数不守恒过程与质子的衰变问题相联系，正反粒子数的不对称与中性K介子衰变问题相联系。这两种过程都是极其微弱和缓慢的，但在宇宙的极早期却起过关键性的作用。我们的宇宙之所以有今天，是与它们的作用分不开的。随着这种研究的深入，人类有可能揭开粒子与反粒子在数量上不对称之谜。

热力学是经典物理学的重要理论，它用熵概念表示热运动自发进行的方向。熵是一个系统无序程度的量度。1865年，德国物理学家克劳修斯根据热力学第二定律认为，宇宙发展的总体趋势是熵应不断增大并趋于一个极大值。1867年，他进一步提出，宇宙越接近于其熵为最大值的状态，它继续变化的机会也越减少，如果最后完全到达了这个状态，也就不会再出现进一步的运动变化，宇宙将处于死寂的永恒状态，这就是众所周知的宇宙热寂说。宇宙热寂的结论是令人懊恼的，它在感情上和理智上都无法让人接受，这一观点从克劳修斯提出之后，就不断受到物理学家和哲学家的批判。有人认为宇宙是开放的、无限的，热力学第二定律只适用于封闭的有限系统，不适用于整个宇宙，因而热寂说是错误的；有人认为热寂说导致的宇宙热死状态，为上帝的“原始推动”创造了条件，因而是错误的。1876年，恩格斯根据运动不灭和转化原理，在批判热寂说的错误时坚信：“放射到太空中去的热一定有可能通过某种途径转变为另一种运动形式，在这种运动形式中，它能够重新集结和活动起来。”因此宇宙永远不会处于热寂状态。这些批判都有一定的合理性，却不是十分彻底，而且这类批判永远不会有最终定论。热寂说是一种佯谬，因为现在世界并未出现它所得出的结论。大爆炸宇宙论的建立，可以破除这种佯谬，使“热寂说”问题迎刃而解。

大爆炸理论认为，宇宙在大爆炸之后就一直在膨胀着。根据热力学理论，对于一个膨胀着的系统来说，每一时刻熵可能达到的极大值都是不断增加的。如果系统膨胀得足够快，它每时每刻都无法达到新的平衡，实际上熵的增长也达不到极大值，而且熵的增长值与极大值之间的差距会越来越大。因此，对于一个不断膨胀的系统来说，虽然系统的熵不断增加，但它距离平衡态却越来越远。同理，对于一个膨胀着的宇宙来说，它永远达不到平衡状态，也即永远达不到热寂状态。所以，从大爆炸宇宙论观点看，根本不存在宇宙热寂状态，由此即可充分说明热寂说的荒谬性。(www.xing528.com)

自然界的事物是相互联系的，科学认识中的许多未解之谜可能与宇宙的起源和演化有关。例如，表示基本电荷作用强弱程度的精细结构常数是1/137。如果宇宙演化过程中由于某种原因，这个常数比1/137大一点或小一点，那么氢原子的半径就会与现在的不同。这样它还能不能与碳形成种类繁多的碳水化合物呢？因而以碳水化合物为基础的生命活动还能不能产生呢？为什么精细结构常数是1/137，不大也不小？这是目前的科学认识难以回答的问题。如果我们能够认识极早期宇宙各种相互作用出现时的物理过程，这个问题就有可能得到理论上的说明。与此类似的基本物理常数有好多个，对于它们，我们同样是只知其然，而不知其所以然。要真正认识它们，同样有赖于对宇宙起源和演化过程的认识。

随着科学认识的发展，越来越多的事实表明，我们人类得以产生和生活在这样一个宇宙中，是有多方面的严格条件限制的。只要自然界的安排出了一点差错，就不会有生命和人类的出现。

大爆炸宇宙论的科学价值，一方面在于其本身的合理性，另一方面在于其对现代科学认识活动的启发和影响，在这两方面都有许多问题尚需作进一步探索。