连载 | 游子吟36宇宙的起源

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虽然起源问题无法直接用科学的方法重演,但科学家们仍在观察、推理的基础上,对宇宙的起源提出各种假说。现在,大爆炸论被广泛地接受。李志航博士在《科学对基督教的挑战》和梁斐生博士在《真金不怕洪炉火》两本书中,对此都有引人入胜的论述。

宇宙不是永恒的

19世纪30年代初期,德国医生奥伯斯(Olbers)从一个简单的观察中提出宇宙不是处于衡定状态的假说。大家都知道星与星之间的夜空是完全黑暗无光的。奥伯斯首先想到,这说明宇宙中星球的数目是有限的,不能使宇宙的每个角落都发光。其次他假设,由于星球之间的万有引力,星球之间的距离会越来越小;或者由于什么尚不清楚的原因,万有引力会被抵消,使星球间的距离不断加大,即宇宙可能在膨胀。但这种假说未引起当时科学界的注意。

本世纪20年代,美国天文学家观察到了红移现象(red-shift)。他们发现距地球很远的星球或星系射到地球的光,比离地球近的星的星光弱,而且较偏红色,即偏向可见光中的长波光谱。在声学上有一种现象叫做都普勒转移(Doppler Shift):当一个运动物体接近我们时,我们收到的它的声波频率偏高;当它远离我们而去时,我们收到的它的声波则偏向低频。一个最常见的例子是,当火车驶进站时,站在月台上的人听到它的鸣笛十分高亢;当它离站驶去时,笛声则变得低沉。因此天文学家们把红移现象解释为:远处射出红光的星球正在以高速度远离地球。

几年后,爱因斯坦于一九一七年发表了著名的普遍相对论,震动了科学界。一些科学家发现相对论的公式,包含有宇宙不恒定的结论。但爱因斯坦不同意此见解,他当时以为自己的计算有误差,于是在方程式中又加进一个常数,以抵消宇宙有不断膨胀或收缩的可能性。

一九三一年,美国天文学家哈博(Edwin Hubble)用当代最大的二百吋天文望远镜,惊奇地发现在银河系外还有千千万万个天河系,而且这些天河系明显地不断迅速向外扩张。在事实面前,爱因斯坦承认他在相对论公式中,所加的宇宙常数是他一生中最大的失误。尽管他感到有些刺激,并认为不尽合理,仍勉强地接受了「宇宙有个原始的必须性」的假说。由于理论和观察都提供了充分的证据,此后科学界再不怀疑宇宙确实是在膨胀了。

大爆炸理论的确立

基于宇宙在不断膨胀的事实,早在40年代,旅美俄裔物理学家伽莫(George Gamow)等科学家就预测说,只有一个从近于无限高温迅速冷却的宇宙,才能合理解释质子和中子的融合,以致产生今天这个含73%的氢,24%的氦,及3%的重元素的宇宙;如果宇宙是由大爆炸产生的,在整个宇宙都以测量到绝对零度(-273℃)以上约五度的微光。5 只是,他们的预测并未引起应有的重视。当时,一般实验室没有足够精密的仪器在如此低温下来侦测这种微波。

一九六四年,美国电讯公司贝尔(Bell)研究所的两位科学家彭兹雅(Arno Penzias)和威尔逊(Robert Wilson),用一种敏感的天线装置测量银河系的电波时,记录到很多杂音。他们一直以为天线有毛病,但天线经过彻底检查,确保无误后,这些杂音仍然存在,而且从各个方向测量的结果完全一样。这种杂音的强度所代表的温度是-270℃左右。

与此同时,以狄克(R. Dicke)为首的美国普林斯顿大学的一群物理学家也在寻找太空微波。他们理论计算的结果是,如果宇宙是由大爆炸而来,其遗留的爆炸微波所代表的温度应是-263℃左右。有趣的是,这两个研究小组并不相通,而且他们都不知道伽莫等人在一九四八年所作的计算。一个偶然的机会,他们得知了彼此的研究情况,并认为彭兹雅和威尔逊接收到的杂音,正是大爆炸后余留至今的微波辐射!当他们的研究结果在天文物理学报上发表后,引起强烈震动。其他科学家随后所从事的观测和计算,也完全一样。由于这一震惊世界的发现,彭兹雅等获得一九七八年诺贝尔奖。美国太空总署发布的宇宙背景探测卫星(COBE)在大气层以上测得的数据表明,宇宙是一个完全的辐射体,与爆炸论相符。

此外,根据大爆炸理论,宇宙中最先形成的元素是原子量小于7的元素,主要是氢和氦。氢和氦在宇宙中的比例的理论推算,与现今在宇宙中测定的是吻合的。二十年来,物理学家用核子加速器研究不同核子、粒子高速碰撞的结果,用以推测宇宙形成过程中不同核子的比例,其推测结果也与今天实际观测的比例一致。

大爆炸理论是否合符客观实际,需要进一步被检验;宇宙是否有百亿年的历史,也值得商榷;该理论在细节上也存在不少问题。但因它合理地解释了宇宙的膨胀,找到了大爆炸的直接证据;加之,按此理论推算的结论和在加速器中得到的数据,大都与在宇宙中观测的实际情况相符。因此,大爆炸理论已成为现今被广泛接受的理论。

大爆炸理论的超然性质

大爆炸理论的观点、推论和实际观测结果中,包含了许多奇特、不可思议和超越自然律的部分。对此,梁斐生博士在《真金不怕洪炉火》一书中有详尽论述,我这里只简要地举出几点。

第一,现在多数宇宙学家都认为,在大爆炸之前,只有虚无,连时间和空间也没有。可是,如果什么都没有,爆炸怎么会发生呢?而且,宇宙这种「无中生有」的起源是与热力学第一定律不相符的。

第二,前面提到,当一个过程处于初始阶段时,冷热不均衡,熵质很低,然后冷热趋于均匀,熵质不断增高。但英国著名天文学家彭罗斯(Roger Penrose)却提醒人们,原始爆炸的火球原是处于热膨胀平衡状态,具有极高的熵值。这又是与热力学第二定律尖锐地对立。

第三,根据宇宙新膨胀论,在大爆炸发生后的10秒的一瞬间,宇宙膨胀了十倍,其膨胀速度可高达10米/秒,远远地超越了相对论中的光速极限(3×10  米/秒)。

第四,现在大多数学者对大爆炸后10秒以后的过程,已有不少共识,但对大爆炸后10秒之内的情况,却根本无法窥测。因为在这段时间内,温度极高,可达10℃,一切自然律都失去了功效。换句话说,宇宙是在超自然的状况中产生的。

另外,我们一般人都会认为,如此剧烈大爆炸的结果,一定是杂乱无章的,就像炸弹的爆炸一样。然而实际情况却大出人的预料。美国太空总署为侦测大爆炸遗留的背景微波辐射,而特别发射的卫星,于一九八九年十一月升空后,两年内收集到的数据表明,宇宙每一个方向的背景温度完全一致,只相差万分之一凯尔温度!到一九九二年,科学家从该卫星收集到的几亿个测量数据中发现,它们只相差万分之三度!也就是说,大爆炸所产生的微波细浪是出奇地均匀、平滑!这是大大超乎人们的想象的。更奇妙的是,正是从这极微小的不均匀中,各种元素、星云、星系得以产生,形成今日的宇宙!

加拿大天文学家罗斯(Hugh Ross)指出:科学家们发现,在宇宙中形成生命所需的必须物质,宇宙中的很多特征一定要被精细微调。他在书中列举了人们已发现的二十五种特征。这些特征之精确,使人瞠目。比如,宇宙的膨胀率不能与现今的膨胀率相差10分之一!又比如,宇宙中电子与质子数目相等的精确度是10分之一,否则宇宙的电磁力就将克服各种引力,使星体不能形成。10 7 分之一是什么概念呢?罗斯有个形像的比喻。把十亿个北美洲大小的面积铺上一角钱的硬币,从地球一直铺到月亮那么高,其硬币的总数就约为10 7。把其中一个硬币涂上红漆后,再混到硬币堆里去。在这个堆里找到这枚红漆硬币的可能性就是10 7 分之一!随着对宇宙精妙的不断认识,科学家们不能不面对科学的创造者。「某人精调大自然」、「超智慧」、「耍弄」、「无可抗拒的设计」、「上帝的手」、「最终目的」、「上帝的思想」、「优美的秩序」、「非常精密的平衡」、「超然聪颖」、「超自然结构」、「超自然机制」、「合身裁剪」、「超然存在者」、「神工斧凿」等等,已成为天文学家们描述这位造物主的常用语。宇宙必有一个开始,一个超越自然律的开始。这个结论与进化的模式无法协调,却与神创造宇宙的创造模式完全吻合。

宇宙的起源和科学家的信仰

笔者过去以为,并相信现在很多学生、学者仍然以为,科学研究的结果是最客观、可靠的,因为科学家是不偏不倚、完全公允地从实验、观测数据中得出结论的。可惜,事实并非如此。这里姑且不论那些不时被曝光的伪造实验数据的丑闻。对一般科学家而言,由于世界观和信仰不同,在科学研究中总会有意无意地、或多或少地重视或偏爱自己所预期的结果,会接受和坚持那些证据并不十分充分、但符合自己世界观和信仰的假说或理论。真正要做到客观、公正,敢于在真实面前修正自己的观点是相当不容易的。这在宇宙起源的研究中也看得很清楚。

不少受人文主义影响的科学家坚持宇宙永恒、自然演化的无神论观点。在红移现象被发现、推测宇宙在不断膨胀的假说提出后不久,爱因斯坦推出相对论。当别人指出相对的公式中含有宇宙膨胀结论时,爱因斯坦不接受,以为自己的计算有误,所以特别引进一个宇宙常数,以消除宇宙膨胀或收缩的可能性。虽然现在有些科学家认为,作为一种反重力的因素,爱因斯坦的这个宇宙常数是可能存在的(参见《Reason’s to Believe》, Third Quarter/1999, Vol/1 No/3, P.3),但当年爱因斯坦加上这一宇宙常数,并非出于科学的洞见,而是信仰的支配。因为他不愿意相信宇宙有个开始。所以,在他公开承认失误,接受了宇宙在膨胀、宇宙必有个开始后,心里仍感到别扭。他在和朋友的通信中说:「宇宙膨胀之说,对我有点刺激。」「承认这些证据的可能性,似乎不合理。」不过,这位科学巨匠是值得钦佩的,他毕竟有承认错误的勇气。

宇宙膨胀获得充分证据后,伽莫等科学家早在本世纪40年代就提出大爆炸论的假说,但不受科学界青睐。一九四八年,三位英国天文物理学家邦迪(Herman Bondi)、高特(Thomas Gold)和荷尔(Fred Hoyle)提出宇宙衡态论(Steady State),认为宇宙虽在膨胀,但宇宙可以从一个尚不知晓的地方,不断产生新物质(可能是氢),以填补宇宙膨胀后留下的空间,使宇宙的平均密度保持不变。此假说并无充分的事实依据,但因它既能解释宇宙的膨胀这个事实,又表明宇宙不需要有个开始,因此立即获得科学界的广泛支持。可见,世界观有时比事实更重要。

现在,大爆炸理论已站住脚跟,衡态论已失去优势,但仍有科学家不愿接受宇宙有个开始的结论。于是又有人提出一种新的假说,循环论(Oscillating Theory)。这个假说承认宇宙是由大爆炸而来,宇宙在膨胀之中;但由于万有引力,有一天宇宙不再膨胀,进而开始收缩,密度和温度不断增高后,复变成原始火球,于是又发生大爆炸。如此膨胀、收缩,周而复始,所以宇宙仍然不需要有开始。循环论也并没有什么事实根据。李志航在《科学对基督教的挑战》一书中指出,循环论面对两大难题。第一,除非宇宙的物质再增加十倍,否则没有足够的万有引力可以阻止宇宙的膨胀。第二,根据物理学和热力学的理论计算,如果宇宙真有不断膨胀收缩的周期,每一周期中光子对核子的比例会越来越大;如果宇宙无尽地膨胀──收缩循环,今天光子对核子的比例应是无限大,但这显然与事实不符。

当然,也确有不少科学家在研究宇宙起源中进一步认识了神。因发现大爆炸余留的微波辐射而获得诺贝尔奖的彭兹雅(Penzias)就公开表示。《圣经》的记载和当前天文学最佳的科学左证不谋而合。当美国著名的劳伦斯‧巴克莱(Lawrence Ber-kely)实验室的科学家,于一九九二年发现大爆炸遗留的微波辐射是那样均匀雅致,那样精美绝伦时,他们说这好像是亲眼看到了神一样!如第五章所述,戴维斯(Paul Davies)、荷尔(Fred Hoyle)等科学家的无神论世界观正在改变之中。神一直借着《圣经》和大自然向人们启示祂自己,凡真诚寻求真理的科学家都能认识祂。

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