大学物理素材前沿浏览宇宙主宰

第一篇 谁是宇宙的主宰人们常把自己崇拜的人、事或物冠以伟大，宏大，高大等词。但是，只有当你认识了宇宙，你才能真正懂得什么是大。所以学习、认识宇宙会使你心胸无限开阔。宇宙创造了物质无素，造就了水，造就了阳光、造就了生命、造就了人类。宇宙是万物之母，宇宙以她的时空包容了一切，以至永恒。人类创造了生产工具，创造了文字，创造了科学，创造了艺术，创造了文明。人类是宇宙之精灵，人类用自己的思想和科学实践探索宇宙的奥秘，以至无穷。宇宙给予人类的是水，空气、阳光、能源和知识、智慧。人类给予宇宙的应该是科学的改造开发和合理的保护。人与自然“天人合一”方能达到和谐共处的佳境。至于谁是宇宙的主宰，是神？是人？还是宇宙自己？读者在阅读本篇后，自会找到答案。第一章 宇宙与人类什么是宇宙？很古的时候，人们就在思索这个问题。战国尸佼中记载：“天地四方曰宇，古往今来曰宙，”墨子中也有“宇，蒙东西南北，久，合古今旦莫”的说法。这里，久是古字宙，莫即暮。古人的意思十分明白，宇指空间，宙指时间，宇宙指的是时间和空间，统称时空。时空又是与物质的存在及其运动变化相关的。随着物质的产生，它们运动变化及相互作用，宇宙经历着自己的创生、运动及变化。人类自身也是在宇宙特定的演化阶段、特定的时空中诞生的，从根本上讲，人类是宇宙创造的。如果我们说地球是孕育人类的母亲，那么宇宙则是人类的最老最老的老祖母了。宇宙创造了人类，孕育着人类，她是人类生命之母、智慧之源。宇宙创造了人，这正是宇宙的英明。试想，如果宇宙间没有能思维、懂情感的高智商生命，谁来赞叹宇宙的浩然气势，谁来探索宇宙无穷尽的奥秘，谁又来欣赏宇宙的壮观奇景？可以说如果没有人类，宇宙将虽生犹死。也许有一天，太阳将会让地球的人类毁灭，但宇宙会在另外的星系中创造新的“人类”，宇宙与人类都是永恒的。第一节 天地四方曰宇 古往今来曰宙在任何地方，天空给人的印象是一个中部隆起，四周下垂的半球形称为天穹。太阳、月球以及所有行星在天穹上运行，恒星像钻石一样镶嵌在天穹。在半球形的无穹下面，是一个圆而平的地面，中心就是观测者本人。南北朝时有民歌唱道：“天似穹庐，笼盖四野”，人类对宇宙的认识皆从此处开始。在航天技术高度发展的现代，卫星充斥地球上空，人类已经登上月球，并把探测器送到火星的土地上。人们对宇宙充满了更多的幻想和渴望。谁不想来坐坐宇航器到太空中去遨游呢？一个晴朗的秋夜，你在屋顶或凉台上仰望天穹，满天星斗闪烁，你似乎落入这浩翰的宇空，自由地去观赏。在生活中，我们计算时间用时、分、秒；而在宇宙中，时间可长至百亿年以上。空间距离不再用千米计算，而是光年，1光年等于9.451012千米，相当于太阳到地球距离的6万多倍。让我们从宇宙的最边缘出发；那里是一些奇特的类星体，经常以每秒25万千米的速度运动，类星体的中心，有巨大的黑洞，围绕黑洞的吸积盘向四周释放高能射线。图1-1类星体，它发出强烈蓝光和x射线。图11 宇宙边缘的类星体在距地球数百万光年的地带，是同我们银河系相似的许多外星系，它们均匀地分布在这个十分广阔的地带。其中，仙女座与我们银河系相邻，它是由约4000亿颗星球组成的巨大旋涡，直径约10万光年，中央聚集着高龄星球，周围是新兴的星球及星际物质（见图1-2）。我们的银河系为椭圆形，直径约15万光年（见图1-3），中心厚度15万光年，中心核呈圆形，四周的圆盘上有2000亿颗恒星，太阳是其中一颗较年轻的恒星，银河系因在天上像一条用牛奶泼洒成的河而得名，它有许多年龄各异、性质不同的星云和星座。现在让我们从数百万光年的地带来到距我们十多万光年的银河系。银河系中有数不清的星云和星系。麦哲伦星云是一个棒旋星云，中心呈棒状，旋臂由棒两端展开（见图1-4）。蔷薇星云距地球4600光年，直径达70光年，年龄有1000万年，它的质量为太阳的1万倍，块状气体中心温度近1000万摄氏度，压强为101325亿千帕，远远望去它像一朵绽开的蔷薇花，新的恒星正在这里形成（图1-5）。再向地球方向靠近，武仙座距地球2400光年，直径30光年，有30万颗与银河同龄的星球，年龄多在102130亿年，再看一个像海乌贼状的猎户座星云，它由三颗星球排成带状，直径为25光年（图1-6），它是一个红外天体。还有一个像指环状的天琴座星云，在黑暗中，她散发出一圈瑰丽的光辉（图1-7）。它已步入老年，外周趋于圆形，老年星云中的星球体积比其诞生时要大数十倍到数百倍。金牛座的昴宿散开星团，由100多颗闪耀亮丽蓝光的年轻星球组成，平均年龄4万年，是由气体、尘埃聚集而成的年轻星体，周围的气层云形成带蓝色的星光（图1-8）。最有趣的蟹状星云，它在一次超新星大爆炸中产生，中心有一颗中子星，直径只有数十千米，以每秒33周的频率高速旋转，可谓天空中的陀螺，由中子星的两极发出电波、光及x射线，像探照灯一样，周期地扫过漫漫长空（1-9）。我们马上要靠近太阳了。太阳系是年轻的星系，它有九大行星和许多小行星围绕它旋转（图1-10），地球是其中一颗得天独厚的蓝宝石，至今，只在地球上才诞生了人类。我们从宇宙边缘遨游回到地球，才能体验到宇宙时空的广阔无限。然而，继续阅读下去，我们会知道，以上所遨游的时空，只是我们可观察宇宙的部分，而要知道宇宙真正有多大，还为时太早。宇宙太大太大，而地球太小太小至于只有几十公斤质量的人更加微不足道。懂得了这一点，我们就不会太骄傲，就不会因人间的不顺心的事感到烦恼。当然，我们不应气馁，应该珍惜自己来到世上的一瞬间，我们甚至还有值得自豪的地方，那就是，我们在那么短短的宇宙一瞬间，站在宇宙空间中那么小小的几乎让宇宙不屑一顾的角落里，却能凭着自己的勤奋与才智，洞察宇宙的过去、现在和未来，这实在是一个奇迹，其实宇宙和人就是这么一对十分奇特的伙伴，他们之间有着十分微妙而又密切的关系。图二 仙女座图三 银河系图四 麦哲伦星云图五 蔷薇星云图六 猎户座图七 天琴座图八 金牛座的昴宿散开星团图九 蟹状星云图十 太阳系第二节 宇宙和人类的密切关系人们常说，劳动创造了人类，这是指维系人类社会自下而上的生产活动而言。从物质第一性的角度而言，创造人类的是宇宙，组成人体的轻元素就是在宇宙早期产生的，而人体的中的重元素如铁，也是在宇宙发展的特定阶段，恒星形成过程中产生的，没有组成人体基本物质元素，也就不可能有今天的人类，其次人类生存需要一定的条件如温度、水、空气。这些条件也是在宇宙发展的特定时间与空间才具备的。因此，从根本上讲是宇宙创造了人类。宇宙还是人类科学理论及知识的源泉，自然界一切真谛都存放在宇宙之中，它们时隐时现，以不同的方式乔装打扮，似乎有意去考查人们的智慧，看人类是否能发现它。人类认识自然的深化无不与人类对宇宙的了解有关。我们知道，科学技术是第一生产力，人类建立的第一个重大的系统科学理论就是牛顿理论，而牛顿理论就是在研究天体问题中诞生的。我们在本书第三章还要详细讨论这个问题。现代人们研究高能物理和基本粒子，也同研究宇宙结合在一起，因为只有在宇宙的早期才能提供极高的温度和能量。哲学是自然科学与社会科学的总和，它的发展也同人类对宇宙的认识水平密切相关。远古时期即宇宙启蒙时期，人类在开辟草丛，从事农牧业中，意识到日月运行，昼夜交替，寒往暑来这些天象变化与生产的关系；雷电、洪水、地震、干旱、霜冻以及神秘的星空使远古人类对天象从恐惧、崇敬到信服、赞叹，并且产生了对自然力的崇拜，从而有了神话与宗教。公元前9世纪古希腊诗人荷马著名诗篇伊利亚特和奥德赛中就记载着丰富的传说与神话。公元前8世纪希腊诗人肖特的神谱一诗，记载了关于宇宙创生的传说：第一个出现的是一张张开的大嘴，接着是宽博胸膛的大地，而后是爱神爱罗丝。大嘴生出阴间和黑夜，黑夜怀胎，产生明亮的天空 和白昼；大地诞生出有星星的天空，天穹笼罩大地使之永恒不动摇；大地还生出高山和大海，山上居住喜爱山林的半神半人的女神们。从公元前6世纪到公元1世纪，宇宙学曾有过不少学派论争，中世纪后则沦入神学深渊，地心说主宰一切，这是第二个时期。在古代，自然科学还没有从哲学中分离，古希腊、古罗马时代自然科学家也就是哲字家。宇宙的本源是物质还是精神，这是宇宙观的基本问题。以苏格拉底和柏拉图为首的唯心主义学派。他们认为，宇宙的创立出于有目的的安排，给人眼睛是为了看东西，给人耳朵是为了听声音。如果不给我们鼻子，那么香味有什么用处？如果不是舌头来品尝甜、酸和可口滋味，那么对这些滋味会有什知觉呢？而这些安排都是神作用的。柏拉图是苏格拉底的弟子，他认为真实的知识源泉是灵魂对理念世界的回忆，此属绝对荒谬的理念神秘主义。留基伯（公元前500年-公元前440年）和他的学生德谟克里特（公元前460年-公元前362年）是原子论的创造者。他们认为充实坚固的东西是由原子组成的，神也是原子的某种集合。列宁称这是天才的猜测，是为科学而不是为僧侣主义指示途径的路标。卓越的罗马诗人、哲学家卢克莱修在物性论长诗中写道：恐惧所以能统治亿万众生，只是因为他们看见大地寰宇，有无数人们不懂其原因的事象，因此 以为有神灵操纵其间而当我们一朝知道无中不能生有，我们就会更清楚地猜到我们寻求的万物由之造成那些原素 以及万物之造成如何米借神助牢记这些，你就能顿悟，自然是自由自随，不受天使们的主宰宇宙自己的运动，不烦神仙理睬谁能有力量驾驭这不可名数的世界？哪里有只大手执着这硕大无朋的缰和鞭？谁能够同步同调地旋转天穹？又谁能煽起天火使大地温暖养育出稻、麦、黍、菽于无穷？谁能驾风御云使大地顿时昏暗驱驰雷霆把自己的庙宇摧残霹雳一声又使无辜者受殃 消遥法外的却是坏蛋？由于这首不朽的诗篇，马克思称誉卢克莱修为吒咤世界的大胆诗人。 今天，人类对宇宙的认识已达到 一个十分高级的阶段，从某种意义上讲，可以说已经找到了支配整个宇宙产生、发展演化的法则，并且在此认识基础上，建立或即将建立一个全新的科学的世界观，这个问题我们将在第十一章中专门讨论。人类的产生、发展是宇宙中的一个最具重大意义的现象，如果没有人类，宇宙的奥秘谁来揭示，宇宙的壮丽谁来赞叹，宇宙的不检点谁来纠正，宇宙的资源谁来开发？然而，宇宙也会毫无表情地毁灭地球上的人类。当太阳这颗恒星燃烧将尽时，会变成越来越大的红色火球，地球将被这个火球吞没。也许人类那时已能乘坐火箭转移到其他星球上去生存。现在已有一些科学家计划在火星上生产二氧化碳及氧气，需要一个世纪的时间，可在火星上产生适应人类的生存的大气层和水分 。尽管如此，人类躲避这场大的劫难最终仍十分困难。宇宙创造了人类，也会毁灭人类，但是，在特定的时间和空间，宇宙仍会再创造一些新的人类，当然这些新的人类再也不是地球上的人类了。也有一些科学家预言，在地球毁灭之前 ，人类有可能掌握十分先进技术。至少部份能转移到其他的星系上去，继续繁延和创造新的文明。这一预言能否成功，就要靠人类共同的努力了。可见人类与宇宙生死相关。第二章 古中华的宇宙观在谈到人类对宇宙的认识时，我们必须谈谈我们中华文明古国的宇宙观。古中华宇宙可总结为三大说：浑天说、盖天说、宣夜说。这些都是十分初级的朴素的宇宙观。然而，中国古代圣贤们对宇宙整体思考而抽象出的哲学思想，比如对时空的有限、无限问题，对于宇宙的生、运、返的问题。其中仍有许多闪光的思想与观点，具有时代意义，是我们民族宝贵的文化遗产。第一节 朴素的三大说公元前4世纪的孟子说：“孔子登东山而小鲁，登泰山而小天下。”即使人们站在泰山顶上，看到的仍是天圆地方的直观结果。周髀算经中就有“方属地、圆属天，天圆地方”。晋书天文志也有“天圆如张盖，地方如棋局”。浑天说的典型代表是张衡，他在灵宪和浑天仪注中，指出“天体于阳，故圆以动；地体于阴，故平以静”。“周天三百六十五度四分度之一，又中分之，则半覆地上，半绕地下。故二十八宿，半现半隐。”可见浑天说认为天是球形的，地是一个圆形平面。张衡还讲“天如鸡子，地如鸡中黄，孤居于天内，天大而地小。天表里有水，天地各乘气而立，载水而行”。很明显，这里是对天地的内外关系和大小关系所作的比喻，并不是描述天地的形状。浑天说的主要观点可列于下：1天是一个整球，它的最高点是天顶。2地是一个圆形平面，中心叫地中，边缘有八极3天和地等半径，地心即天的球心。4地的中部是陆地，中高外卑；地的边缘是海洋，日月在那里升起和下没。5地的边缘同天相接，天被地分成上下两半。6天的转动轴是斜的，北极位于北方天空不在天顶。北极在地平上36度，南极在地平下36度。7天有周日运动，太阳有周年运动，太阳在黄道上的位置，决定了地上的节气和季节。8夏至影长1尺5寸，冬至影长1丈3尺。9夏至昼长65刻，夜长35刻；冬至昼长35刻夜长65刻。10天上有常显星和常隐星，其范围叫上规下规，上下规的直径都是72度。浑天说的理论是经得起当时天象观测的检验的。祖恒说：“自古论天者多矣，而群氏纠纷，至相非毁，窃览同异，稽之典经，仰观辰极，傍瞩四维，睹日月之升降，察五星之见伏，校之以仪象，复之以咎漏，则浑天之理，信而有征。”实践检验真理，自古而然。盖天说是另一个有影响的古宇宙说，王允论衡中说：“天平正，与地无异”。盖天说认为“天似盖笠，地法复盘”。“天地隆高相认，日去地恒八万里”。用今天的话讲，就是天地平行，天地相离而非相合，天地是二个平行的曲面。其次，盖天说认为天地对应，天上有北极，内衡、中衡、外衡；地上就有极下，内衡下地（北回归线）、中衡下地（赤道）和外衡下地（南回归线）。盖天说把地分成与天地对应的地带，“北极左右，夏有不释之冰，万物皆死”。“中衡左右，冬有不死之草，五谷一岁再熟”。宣夜说则认为“日月众星，自然浮生虚空之中，其行其止，皆须气焉”。这种浮生虚空的观点是在当时十分先进的思想。第二节 有限与无限宇宙时空的有限与无限是一个宇宙学中至今仍在争论的问题。德国诗人海湟曾在诗中感叹：“对这一问题，一个白痴才会期望有一个回答”。在古希腊，亚里士多认德为，宇宙空间之内是世俗的世界，有限之外是神灵世界。在古中华，对时空的有限与无限问题有着非常深刻的悟性。庄子讲：“有始也者，有未始有始也者，有未始有夫未始有始也者。”意思是讲，有一件事，它有自己的开始，那么在这件事还没有开始之前，还有另一件有开始的事，并且，在这另一件事未开始前仍有一件有开始的事，余此类推。庄子的话指出了时间的无限性。我们在第七章将看出庄子的这一思想与现代宇宙学的时间观有无相同的地方。战国时代的惠施说：“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一”。指出空间的无限性。其实，对照今天的科学发展，我们看到的自然界正是如此。例如对粒子物理的研究，我们发现基本粒子并不基本。原子最初被认为是最小的物质基元，以后我们发现在原子由核与核外电子组成，核又由质子和中子组成，于是把质子、中子、电子称为基本粒子；继而又发现中子、质子又由夸克组成，夸克有多种，这些基本粒子是否还可以分呢？理论上很难下结论。但有一点十分清楚，随着人类掌握加速能量技术的提高，总是能够把一些认为是基本的粒子轰击成碎片，从而得到更为基本的单位。但是，这条道路愈走愈艰难，也许有一天终将步入至小无内的境界。另一方面，宇宙是否是至大无外呢？张衡很早就认识到有限理论的困难，他讲：“过此而往者，未知或知也”。杨慎讲：“天有极乎，极之外何物也？天无极乎，凡有形必有极”。现在我们已知道存在有限无界的几何，即无限不必无界，无界不必无限。标准宇宙学可以给出一个有限无界的宇宙，而自复制暴涨宇宙学可以给出一个无限有界的宇宙。它正好对应至大无外的思想。第三节 神择、人择与自择对于宇宙的产生、演化发展之原因，从古至今有不计其数的解释与学说，归结起来大致有三种，第一是上帝或神创造了宇宙，宇宙的一切发展变化也是上帝和神安排好了的；第二种回答是宇宙之所以是这样的，是因为不这样就不能产生人类；第三种回答是宇宙之所以是这样，是宇宙自己所选择的。下面我们将稍微细致一点讨论人择与自择。因为神择用不着介绍，人们也知道是怎么回事了。人择论的基本思想是宇宙的存在与人的存在是有关系的。我们举一个例子说明，问：宇宙为什么如此之大？答：提这个问题的是人，人是一种生物，生命需要碳，碳生于恒星，超新星爆发使碳弥散于空间，恒星在核燃烧后才能产生超新星爆发，核燃烧需时间1010年以上，所以宇宙大小至少应为1010光年。人择观依赖于人对自然的认识，它确能说明一些看来十分难以回答的问题。比如物理学中有一些常数，为什么会如此，也可以用人择原理来回答。地球的质量适于人的生存从而决定了引力常数G。人要靠不断的新陈代谢活着，这些反应只有在适当温度下才能顺利进行。适当的温度应当是热能与人体中的分子相互作用能相近。分子作用能Em10-2eV（电子伏），地球温度，K是玻耳兹曼常数，于是可估算T100K，这的确是地球的温度量级，地球的大气有100K的温度，则地球的质量必须足够大，以满足，其中（K=1.3810-23焦耳/开） (G=6.6710-11米3/秒2千克)是质子质量，R是地球半径，G是引力常数，ME是地球质量，ME41025克。此外，人在地球上要运动，若运动中受到冲撞不致使人体断裂，则要求地球的质量ME满足ME1028克。要得到上面的结果，我们将人体简化为一球形，体积、面积分别与球的直径之立方和平方成正比。设球直径为D，单位体积原子数为N，则单位面积两侧相互作用原子约有对，每对原子相互作用能为O10eV。当人受撞击时，承受作用面积SD2，维持不断裂的能量为ED2n2/3EO 而人在地球上活动能量约为人体重力势能的1/20即其中是人的质量，要保证人体不断裂，显然有于是取 D=100厘米可得ME1028克。以上对地球质量的限制综合起来为1025 克1028克显然ME=61027克正在其中。由于对地球质量限制条件要用到原子作用能E0和分子作用能EN，而它们由物理常数决定，即物理常数的变化可能使以上两个条件不能同时成立，这说明，人只能存在于具有特定物理常数的宇宙中，人的存在与物理常数的取值是分不开的。这就是人择原理对物理常数的解释。物理规律是否也与人的存在有关？人择原理认为物理规律必须具有人可理解的性质，即合乎逻辑的性质。要知道不是所有的规律形式都能符合“合乎逻辑”的要求。爱因斯坦说过：“我真正关心的是，是否上帝能以不同方式建造出这个世界，就是说，逻辑简单性这一要求是否还留下任何一点什么自由”，意思是讲合乎逻辑的规律是没有太多的选择余地的。从上面关于人择原理的说明，可以看到，无论是神择还是人择，一个唯心一个唯物，但都强烈受到确定论思想的统治。它们认为宇宙在产生之初，一切条件都是给定的，然后按照确定的物理规律演化。简言之，每一步都是确定的，包括初始条件。实际上，我们宇宙世界并非如此单一，它是受多个法则支配的，除了确定论的法则，还有随机论，混沌论的法则。我们认为正确回答宇宙为什么会这样，很可能是古中华我们的祖先早已准备好的答案宇宙今天的状况是宇宙的自择。中西方文化有一个重要差异，那就是西方对自然现象的观察研究十分重视其微观，大多从局部来了解整体，并用部分的结构来解释整体的机理。中华文化却不同，它对自然现象的观察研究十分重视整体全局，并善于悟解整体具有的而局部却没有的规律和特征。比如道家哲学认为“万物生于有，有生于无”。这些话并没有具体特指某一事物，而是具有一般性的，概括全局的或普适的道理，又如元极说认为任何事物都是“自生、自运、自返和互生、互运、互返”的。这种思想有高度的概括性，阐述的是自然界高层次的整体规律。在后面的章节中，我们要专门讨论这些思想。这里，我们只采用他们的观点说明宇宙今天之所以如此，完全是宇宙自生、自运的结果，包括宇宙在特定时期和空间创造了人类，都是自择。周易用八卦解释整个宇宙，把水、火、土看成是最基本的物质，把土看成万物之母，水与土结合可生木，火与土结合可生金，水与火结合可生气。如果我们用今天的科学思想把水比喻为一种规则运动，水总是遵从一个规则从高处向低处流动；火比喻为一种随机运动，火焰的跳动代表一种随机行为；而土比喻为一种混沌，各种物质混杂其中，俗称和稀泥，代表杂乱无章的混沌，那么我们可以毫不夸张地讲“水、火、土”或“规则、随机、混沌”这三个运动法则支配了宇宙及万事万物。正是这三个法则导致了宇宙的生、运、返。也可以说，正是有这三个法则产生宇宙的自择机制，关于这一结论我们会给出令人信服的科学论证。第三章 “杞人忧天”的启示我们通常讲科学技术是第一生产力，其实更深入一点讲，应该说科学是第一生产力中的第一生产力。人们对技术在生产中的作用比较容易了解，然而对科学在生产中的作用就不太容易有真正的了解，特别在教育普及十分差的地区，尽管人们口头上还是承认科学在生产中的重要作用，但实际操作起来远非像他们认识的那样。比如一些企业家愿意把资金投到见效快的项目中，却不愿拿资金出来在企业中成立一个研究院或研究所从事高科技术的基础研究。然而在发达的西方国家，几乎稍稍具有一定规模的企业就会有这些基础研究部门，如美国IBM公司就提供大量资金给基础研究人员，有许多大数学家，物理学家，气象学家，经济学家等等在这个公司工作。据说中国的海尔集团有类似的研究机构，它标志中国企业家正开始走向成熟阶段。回顾一下人类科学技术发展的历史，可以充分证明，科学对生产力的推动具有时代意义。一位工程师在工厂里进行一项新技术改革，研制一个新产品可以给这个工厂带来几百万、几千万及至几亿的财富，但比起科学理论对人类社会生产发展的贡献来讲，只是沧海一粟。比如我们熟悉的牛顿理论，它是人类第一个完整系统的科学理论。在牛顿理论建立发展过程中，带给人类社会的是一个机器化的时代。量子理论的建立与发展，带给人类的是一个电子信息时代，可见科学理论对生产力的推动是以整个时代，一个甚至几个世纪的作用来标志的。我们中国要成为真正摆脱贫困落后的经济强国，忽视或削弱基础理论的研究是很难达到目的的。因此，在这里，我们要认真总结一下“杞人忧天”的启示。第一节 天体为何不下坠人类认识宇宙，首先是从认识天体开始的。而研究天体遇到的第一个问题是天体为什么不坠落？有趣的是，这个看来与生产技术毫无关系的理论问题，后来却成为推动科学技术和生产发展的巨大动力。可以毫无夸张地讲，由于对待这个问题的态度不同，是造成了今天东、西方科技水平差距的原因之一。中国有句成语：“杞人忧天”，出自列子天瑞篇，上载：“杞国有人，忧天地崩坠，身亡所寄，废寝食者”。原文对杞人忧天既无肯定也无否定之意，但后为渐渐赋于贬义。唐代著名诗人李白有诗云：“白云不照吾精诚，杞国无事忧天倾。”从此，在中国研究天体为什么不下坠的人，就是吃饱了饭没事干。然而，在西方却不然，他们把研究天体为什么不下坠作为重要的理论课题，并变成人们探索自然奥秘的决心与动力。其结果，不仅认识、了解并掌握了自然的规律，更重要的是运用这些自然规律为科学技术和生产服务，迅速推动了社会生产力的发展。为了解释天体为什么不下坠，古希腊的亚里士多德提出了两界说，即以月亮为界线，月亮以上称为神界，凡神界中的天体作圆运动而不会下坠。到了牛顿那个时代，人们才知道月亮不下坠是因为它有较大的横向速度。现在美传牛顿躺在苹果树下，一只苹果从树上落地，引发他的思考，从而发现了万有引力。而要克服万有引力必须有一个大的横向速度。今天，连小学生都知道用火箭可以把卫星发射到地球引力范围之外或绕地球作圆周运动。但牛顿当时第一个指出的月球为什么不下坠却是一个了不起的想法。月球的横向速度是从哪里来的？当然，绝没有一个火箭把它加速成现有的横向速度。牛顿对此无能为力，只有把这个所谓第一推动归结为上帝。后来，德国人康德提出了星云演化论及万有斥力说，认为太阳系的气云在引力坍缩中获得较大速度，再由斥力产生横向运动（见图3-1）康德的斥力说很快就受到数学家拉普拉斯的反驳。拉普拉斯指出，如果天体的横向速度是由斥力形成的，则天体绕太阳旋转的两个方向应该机会均等，即从东向西旋转与从西向东旋转的绕行天体数目相等。而实际上，当时所知道37个绕太阳旋转的行星全部都是由西向东绕太阳旋转。于是拉普拉斯证明，康德的理论至少在的程度上是错误的。其中是37个绕太阳旋转的天体中至少有一个自东向西旋转的概率。拉普拉斯提出，横向速度的产生是由于系统的角动量守恒。我们观察到，星云均收缩为盘状螺旋结构，太阳系、银河系、仙女座都是盘状结构。拉普拉斯的观点至今都是正确的。但聪明的读者也许会问，初始的角动量从何而来？现代的科学家寻找了许多巧妙的方法去解释。比如，英国科学家霍金提出将宇宙的初始条件变换为一个边界条件去处理，从而避开初始值的问题。美国著名宇宙学家林德提出更大胆的设想，初始条件是随机、不确定的，真可谓仁者见仁，智者见智。人类正是通过研究天体为什么不下坠，找到了牛顿力学三定律。令人深思的是，这一重大理论成功地影响并推动人类社会科技发展了几个世纪，至今仍不失其光辉。而这个理论并非从研究力学机械或具体生产技术中来，而是从“杞人忧天”这一个纯理论思考中来。牛顿理论在西方的建立发展与中国的“杞人忧天”是吃饱饭没事干的观念造成今天东西方经济发展的巨大差距。可以设想，如果鸦片战争，西方也使用大刀、长矛，以木筏作战舰。能打败中国军队吗？从牛顿理论建立以及它对社会生产发展的贡献到对国家兴衰存亡的重要意义，给了我们一个极为重要的启示：中国人绝不能再一味强调应用，而忽视对基础科学理论研究，否则会继续吃大亏。今天，科教兴国的大政方针已确定，但真正从认识上深化对科学理论地位的重视还不是一件简单的事。第二节 牛顿理论“从天而降”百川东入海，是因为中华大地西高东低，水自高向低方向运动。物体为什么自高向低方向运动，对这个问题的科学思考首先来自天体。丹麦天文学家第谷是一个严谨的天文观察家，他一生的精力用来观察记录天体的运动。十分遗憾的是他对观察数据缺乏深入认真的科学分析。年轻的开普勒在第谷的天文台工作时，饱览了大量珍贵的天文数据，总结出行星运动的三大定律：1行星绕太阳运动是一个椭圆轨道，太阳在椭圆的一个焦点上。2行星运动时，其绕行半径（从行星到太阳之间的联线）在相等时间内扫过的面积相等。3行星绕太阳公转周期的平方与轨道半长轴的立方成正比。这三条定律纯粹从运动学的角度对行星运动规律加以概括，没有涉及动力学原因。开普勒第一、二定律发表于1609年即17世纪初，直到1619年才发表第三定律，相隔十年，而后大约又经过了五十年，牛顿才解释了行星为什么沿椭圆轨道运动，这项研究最后完成于1687年。这里有几个关于牛顿揭示引力的平方反比与行星椭圆轨道之间内在联系的传说：一说是牛顿在剑桥毕业那一年正值伦敦瘟疫盛行，牛顿为躲避瘟疫而回到故乡伍尔索普，在苹果树下，见苹果坠地启而有思；另一说是弹性定律创立人胡克等与牛顿打赌为约，限期三个月之内，证明在平方反比律的引力作用下，物体必作椭圆轨道运动，结果牛顿取胜。不管这些传说是否是真，牛顿发表他的三定律是在研究天体运行基础上而产生的却是千真万确的事实。1687年，牛顿在他的自然哲字的数学原理一书中系统地介绍了万有引力定律：宇宙间任何两个质点都存在相互吸引力，其大小和两质点的质量乘积成正比，和它们之间距离平方成反比。牛顿理论建立以后，它在解放人类思想上所起的巨大推动作用远远超过了它对具体科学技术的直接推动。正是牛顿理论的确立，证明了人类有能力揭示自然的奥秘，冲破了宗教与神权的枷锁，整个欧洲掀起一个接一个的工业革命高潮。随之蒸气机出现，热学、统计、电磁学理论的研究与发展，到20世纪初量子论，相对论的建立无不与牛顿理论所起的推动作用有关。我们看到了一个从“天”而降的牛顿理论，对地上人类社会带来的是进步与繁荣。其实，从根本上讲，人类的任何一个科学理论都是来自于宇宙，因为宇宙包罗了一切。但是，我们在这里强调的是另一个意思，即科学往往是在研究一个十分抽象的问题，甚至远远脱离现实生活与生产的问题中发展起来的。然而，一个新的科学理论又实实在在地推动我们现实的生产并改善我们现实生活，使社会繁荣并迅速向前发展。自然的规律和法则往往就是如此。简言之单一研究A、B或C等可以分别推动A、B、C的发展，而单独研究X可以同时推动A、B、C一起发展，甚至你会发现在开始时，X与A、B、C毫无关系。在现代，科学界越来越多的人认识到这个问题。今天国际上开一个天文、宇宙学方面的会议，会有粒子物理学家去参加，反之亦然。从小范围上讲，这叫做学科交叉，从大的范围上讲，这表示普适规律比具体规律更为重要。第三节 科学是第一生产力生产力包含二个基本因素即人与生产工具。这两者之中，人又是主导因素，因为生产工具是人设计制造的，特别是生产工具的使用者是人，所以政治经济学者们称人是生产力中最具有活力的部分。要发展生产力，往往首先调动人的积极性就是这个道理。人作为生产力的一部分，又可以进一步分析其功能，作为使用工具的人和作为创造设计工具的人对于生产发展所起的作用是不同的，也就是讲人的素质，在决定生产力的高低中起着重要的作用。而人的素质表现在思想、思维与技能，所以我们讲人的创造性思想与思维才是生产力中最活跃最珍贵的东西。科学是第一生产力就是讲这个意思。科学是第一生产力还可以从历史上科学发展对生产力的贡献来看。我们已经知道，牛顿理论的建立与发展，使人类社会进入机器生产时代，由奥斯特、安培、法拉第发现并发展的电磁学理论（后由麦克斯韦加以总结概括）给人类社会带来了电器化时代，20世纪建立的量子论与相对论使人类社会进入了电子信息和太空时代。一个科学发现，一个科学理论的建立给人类带来生产力的发展，其价值可以说是无可估量的。科学是第一生产力这句话我们要真正理解它的是“第一”这两个字的含义。第四章 大爆炸宇宙说长期以来，人们对宇宙实际测量结果，可以简要归纳如下。1在大于108光年天区范围内，星系分布、射电源计数和微波背景辐射等基本上是均匀和各向同性的。这里我们必须指出，研究宇宙这个庞然大物时我们把108光年这样大的空间范围只是看成宇宙中的一个基元，比如在此框架下，银河系、仙女座都只是一个基元，这些基元在宇宙空间中分布是均匀、各向同性的。2物理学实验具有明显可重复性，表明以宇宙为背景的实验条件和环境具有极小的可略去的差异。这个结论的含意是指地球绕太阳在运动，太阳在银河系绕银心运动，银河系在宇宙中也在运动，数百年前在地球上做的实验其地球、太阳、银河都不在今天的宇宙空间外，但是实验结果可重复出现，说明，宇宙背景的环境几乎也是相同的。3宇宙不存在任何中心，这是哥白尼原理认为地球不是宇宙中心的推广。同样太阳也不是宇宙中心，银河也不是宇宙中心因为宇宙没有中心。根据宇宙实测的结果，物理学家总结出一条宇宙学原理：在宇观尺度上，任何时刻的宇宙三维空间都是均匀、各向同性的。从宇宙学原理出发，在任何天体上都将看到与地球上观测者所看到的相同的宇宙演化图景。由于有了一个共同的宇宙演化图景，我们同时也就有一个普适的宇宙时间。这个宇宙时，可以用宇宙演化中的不同阶段图景来标志。标准大爆炸宇宙学就是建立在这个宇宙学原理的基础之上的。要理解大爆炸宇宙说，必须弄清以下几个问题。第一节 有限无边的几何古今中外，对于宇宙的有限与无限之争可以说是众说纷纭。其中常让人困惑的问题是，如果宇宙是有限的，那么它就有一个界线或者边界。如果有边界，界之外又是什么呢？古人杨慎讲：“天有极乎，极之外何物也？”这里，有一个人们习以为常的观点，即有限必有界，有界必有限；无限必无界，无界必无限。其实这是一个几何上的误区。爱因斯坦从黎曼几何中找到一种弯曲的空间，它具有有限无边的特性，并且还能保持无边但能无限增长。为了使读者容易理解，我们先设想一个二维的弯曲空间，比如一个在三维空间中的二维球面，（见图4）。球面上生活着一只二维的生物甲虫，假定甲虫具有一个中学生的几何知识，那么它如何认识自己生活的全部“宇宙”呢？它沿着球面爬行，永远找不到边界，有时它会发现自己回到原来的出发点。为了测量它的宇宙大小，甲虫用一个单位面积的小纸方块去填铺自己的宇宙。结果它得到结论，它的宇宙面积为。显然经过认真测量与考证，它认为它的宇宙是有限无边的，这也是弯曲空间与平直空间不同之处。我们生活的宇宙也许就同甲虫的宇宙相似，不同的是我们生活在一个三维超球面上。什么是三维超球面？这个问题很难形象表达，但用数学几何表述却十分简单。我们知道，在二维空间中一条一维弯曲线圆可以用方程来表示为：；在三维空间中一个二维弯曲的面球面可以用方程表示为： ，这就是甲虫生活的宇宙。我们生活在四维时空中的一个三维超球面，可以用方程来表示为 宇宙学家们就是用数学方法去研究我们生活的这个三维超球面的宇宙。也许，读者会问球面本身不就是三维空间的边界吗？如果甲虫果真能测量到第三维存在，那么答案是肯定的。不幸的是一个二维生物生活在二维空间中是不可能知道，或不可能观测到这第三维空间的。正如我们人生活在三维空间中不可能探测到第四维在什么地方一样。比如把你关在一个门窗紧锁的封闭房间里，要你不穿过前后左右上下的墙壁和玻璃窗，而要从第四维空间走出这一房间，当然这是绝不可能做到的。我们再从一个二维平面空间中看，一只关在正方形中的小甲虫。小甲虫不许从正方形边穿过，却要从正方形内逃到正方形外，这看来是不可能的。但是一只跳蚤也许可以做到。跳蚤首先跳到纸上面的三维空间，从空中越过正方形的边线再落回纸中。因此要感知更高维的空间我们需要一定能量。我们要感知第四维所需要的能量，根据理论计算，目前不可能在实验条件下达到。只是在宇宙极早期，存在如此高的能量，宇宙科学家断言， 在宇宙极早期，宇宙可能是十维甚至二十四维的。随着宇宙冷却，膨胀后多余的维都退化了，只剩下今天的三维空间可感知。相当一个时期，一些自称有“特异”功能的人，声称可以发功使封闭在瓶子里的药片、糖果等从第四维空间中跳出密封的瓶子。实际上 这是骗人的胡诌，是反科学的。如果读者懂得了时空的维数与能量关系的理论，就不会上当受骗了。现在，我们利用弯曲的几何说明大爆炸宇宙说对宇宙演化的几个观点。我们采用一个二维球面代表真实生活的三维超球面，这和所讨论的问题并无本质区别。（图4-2）表示宇宙中各星系的位置随宇宙演化的变化，其中E是地球，A、B 是座落在地球两边的星球。当宇宙膨胀时，即球面在扩展时，E上的观测者会发现A、B同时都远离自己而去，处在A、B位置，实际上，天文观测中确实发现了星光的红移。星光红移是光的多普勒效应。为了说明这一现象的原理，我们用日常生活中的声波的多普勒效应来解释。一般说来，如果声源与观测者相对静止，观测者听到声源发出的声波频率是一定的。若声源朝着观测者运动，所发出的声波在观测者接收处会发生频率变高，或者波长变短的现象；反之若声源远离观测者而去，则观测者接收到的频率变低，或者波长变长。这称为光的红移。所以星光红移反过来又证实了宇宙的膨胀。宇宙学家可以测量红移量的大小从而计算星球距我们的距离及离去的速度。大爆炸宇宙说预言了宇宙背景温度随着宇宙膨胀，宇宙的背景温度越来越低。现在大约为零下270摄氏度左右，宇宙中的物质，轻的如氢、氦是在早期形成的，重的如碳、氧、铁则是在恒星演化阶段形成的。大爆炸宇宙学预言了氦在宇宙物质中的含量比，即氦丰度。这些预言都为实验测验所证实，所以直到20世纪下半叶，大爆炸理论获得了极大成功。第二节 宇宙由奇点爆炸而产生宇宙的膨胀是否会无限地继续下去呢？如果我们朝空中抛一物体，由于引力，它在上升到一定高度后便返落到地面。抛出的速度越高，即给予物体的动能越大，则物体就上升得越高。当速度超过每秒11千米，那么物体将完全摆脱地球的引力。每秒11千米称为地球上的逃逸速度。引力使物体聚集，而运动速度或能量使物体远离。正在膨胀的宇宙有类似情况。如果宇宙中物质密度较大，则膨胀将会停止；如果宇宙中物质能量或温度较高，则膨胀将继续下去。膨胀与否是通过一个临界膨胀速度来决定。令人惊异的是，我们的宇宙目前正以极其接近于这种临界状态的速度在膨胀，很难确定处在临界状态的哪一边，如果宇宙处于略大于临界速度状态，则将永远膨胀，如果处于略小于临界状态，则宇宙膨胀逐渐停止而转变为收缩。我们的宇宙已经膨胀了约150亿年，却依然如此接近临界状态，以至于还很难确定它在分水岭的哪一边。这意味着宇宙一开始的发射速度与临界速度相差10-36！是谁给宇宙选择了这个发射速度值？假设宇宙开始膨胀速度大于临界速度，那么引力就永远不能将局部物质聚集到一起，以形成星系和恒星，从而也永远不能产生生物体；反之，如果宇宙以较临界速度低很多的值开始膨胀，那么在恒星，生命尚未形成之前，膨胀早就逆转为收缩了。人择原理在这里似乎又可显示它的优点，即能够产生人的宇宙，必须选择与临界速度十接近的宇宙发射速度。20世纪40年代，移居美国的俄国人盖莫夫与他的研究生阿尔弗和赫尔曼提出了大爆炸的理论，认为宇宙产生于一个高热高密的状态，它很快产生一次大爆炸，使宇宙膨胀并慢慢冷却下来。他们预言，大爆炸残留至今的辐射温度已冷却到只有50（绝对温度）相当于-268 。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视。当时科学界认为再现宇宙早期史并非一种严肃的科学活动。1965年，美国贝尔实验室两位无线电工程师彭亚斯和威尔逊在跟踪一颗“回声号”卫星标准天线时，意外地发现了宇宙背景辐射。与他们同时在普林斯顿大学的迪克也独立地发现了宇宙背景辐射。宇宙背景辐射是早期大爆炸时发出的光波，它们充满整体宇宙空间并随宇宙膨胀冷却下来，其波长已为微波段了。当时贝尔实验室测到的微波部分波长为7.35cm，如果看成热辐射，其湿度相当于2.7。这项实验至今仍是证实大爆炸理论的有力证据。事实上在1957年前苏联无线电物理学家斯马诺夫用一副对微波敏感的天线，探测到宇空各方向的辐射温度介乎1-7K之间，并用俄文发表了论文。但他本人并不知道这项发现的重要性，直到1983年才得知彭齐亚斯和威尔逊在1978年因类似的发现而获诺贝尔奖。这件事说明信息在科学研究中的重要性。1989年，美国国家宇航局的宇宙背景探测开始从空间测量整个宇宙背景辐射谱，得到了人们在自然界中所曾见到的最完美的黑体谱，它十分肯定地进一步确认了宇宙过去曾经比今天要热成千上万度。人们还利用高空U2型飞机证实背景辐射并非近期起源于宇宙中邻近我们的部分。在地球上用微波接收天线对天空各个方向不同距离测到的背景辐射温度是相同的，这就是宇宙微波背景的均匀、各向同性。它是一个令宇宙学家十分困惑的问题，正如宇宙选择始发射速度十分接近临界速度一样。如果宇宙今天是这样，是因为开始它是那样的话，那么一切问题的答案都决定于当初的初始条件。而初始条件又是夜来选择安排呢？这也许永远得不到答案。还有另一种观点，将宇宙今天的结果看成是宇宙在演化中发生的所有物理过程造成的。也许宇宙早期状态极不规则，只是后来中间发生了一些过程将这个不均匀、各向不同性的信号抹平了变成了均匀、各向同性。显然这后面的思维方式特别具有吸引力。接照大爆炸说，宇宙是从一个小到只有10-33厘米的近于几何的点开始爆炸的。沿着膨胀宇宙的模型时间追朔，意味着过去必定出现过一个无限致密、无限高温的初始奇点，按大爆炸理论计算，初始奇点存在于150亿年前，这个时间对宇宙来说并不算长，我们只要了解到下面一些时间概念就不会觉得150亿年对宇宙来说是一个大数字了。大约2亿3千万年前恐龙在阿根廷到处漫游；地球上最古老的细菌大约已有30亿年；格陵兰表层岩石年龄是39亿年，而太阳系形成之初留下的古老残块有46亿岁。可见150亿年前宇宙就开始诞生，比我们想象的要近得多。20世纪30年代，许多宇宙学家不愿意想象宇宙有某种密度无限的奇点开端。他们指出，如果挤压气球，会感受气体分子的压力。认为宇宙在挤压到十分小时会产生反弹。然而详细计算表明，压力反而助长奇点形成。1965年人们提出另一个奇点定义：光线穿越时空的轨迹达到某一个终点而不能再延伸处，称为奇点，即奇点被当作宇宙时空的终端，它可能是有极高的密度和温度但不必非要如此。英国著名科学家彭罗斯用严格的方法证明只要引力的特性是吸引，以及宇宙存在足够的物质。就可以追踪光线到一个终点奇点。霍金也证明了时空的奇点定理。看来，奇点是不可避免的了。但从量子理论出发，当奇点没出现以前，经典的理论已不适用了。如何用量子论的方法去避开奇点成了宇宙学家们另辟新路的手段了。第五节 成功与困难大爆炸宇宙对宇宙作出的许多重要结论都获得了成功。首先，解释了星系退行的哈勃定律，指出宇宙正处在膨胀之中，宇宙开始于一次大爆炸；其次，预言了微波背景辐射的温度约为30 K；证实宇宙早期曾处于高温高压之中；第三，对宇宙中，轻元素的丰度，如氦丰度作了正确的预言。特别值得提的是将大爆炸理论与粒子物理理论结合起来，人们已经能够十分准确地描述从大爆炸后10-43秒开始一直到宇宙最后生命的几分钟。可见大爆炸宇宙说取得的成功是巨大的。不过它也存在一些困难，主要有以下几个问题：1视界困难；2. 磁单极困难；3. 平直性困难；4. 奇点困难等。我们在这里向读者简单介绍其中一些困难。什么是视界？视界是今天我们能观察到的最远的宇宙尽头。自然界任何物质运动都有一个速度上限。这个上限就是光速，它约为每秒30万千米。我们今天看到的星光，其实它是在很早以前从星星上发出的。由于星星距离我们很远，这束光要经历一段很长的时间，才传播到地球上来，因此，我们所看到的宇宙尽头是随着时间推移，越来越远。然而，根据大爆炸的理论，当宇宙年龄为10-35秒时，其半径仅为3毫米，而今天可见的宇宙约为31027厘米，故宇宙的尺度膨胀了1028倍！可是当宇宙年龄为10-35秒时，光线却只前进了310-25厘米，即当时的视界只有310-25厘米那么大，而宇宙却有3毫米，相当于当时的宇宙比可观察宇宙或视界范围内的宇宙大1072倍！也就是说半径为3毫米的宇宙包含着1072个可观察宇宙，而这1072个可观察宇宙之间还没有来得及建立光讯号的联系。没有光讯号联系的两个空间是什么回事呢？物理学家称这两个空间是无因果关系的区域，它们是互不通信息的。换言之，其中一区域发生的事，第二个区域根本无法知道，所以它们之间不可能产生任何实际的联系。视界困难指的是，宇宙早期有1072个因果无关区，但宇宙居然在整个1072个区域中有均匀密度，且各向同性！那么是谁将这个信息传递以至使1072个区域互相一致这个奇迹出现呢？这显然是不可能的，这称为视界困难。3磁单极困难是一个不太容易通俗加以解释的问题。我们先讲讲什么是真空。生活中，认为什么物质都不存在的空间是真空。按照相对论的观点，物质与能量是联系在一起的。爱因斯坦著名的质能关系式E=MC2，其中E是物质的能量，M是物质的质量，C是光速。如果真空是指不存在任何物质则意味着E=0。但物理学对真空的定义并非如此。在物理学中，真空往往定义为能量的基态，即最低的能量，并非一定是零。大家都知道在地球重力下有一个重力势能。这个势能有一个特点，就是其绝对大小是不确定的，即不可测量的。真正有意义的，也是可以测量的是势能差，因为我们可以设海平面高度的势能为零，也可以设高山峰顶上的势能为零。不仅重力如此，电磁力也是如此。电场的电势和磁场的矢势它们都是不可绝对测量的量。比如，假设我们生活在一个电位为5000伏的空间，整个空间处处是等电位的，在这个空间中的人并不能察觉到任何异样的感觉。与生活在电位处处为零的空间毫无区别，势能曲线是研究物理系统运动的特征的重要依据，我们来看一个一维的有机分子链。如图4-3所示。碳是4价，氢是1价，C原子构成一条一维长分子链。观察下面一排的碳原子。它的右边是用双健与另一个碳原子相联，左边却是用单健与另一个碳原子相联，我们把这种状态称为A态，显然存在一个与A态对称的B态。不同的只是左右单、双健更换一下位置。但在化学结构上并没有区别，我们称这个现象为真空简并。因为取A、B态时有机分子链处在平衡态，能量最小，即为真空。A、B态真空具有的能量是完全一样的，它们互为左右对称，所以称真空简并或二重态真空。如果同一条分子链中同时有A、B态出现，则一定存在A和B之间的过度态S,我们称为激发态或高能态。用能量曲线表示如图4-4。4中间的激发态与S形成了一个孤立的能量包，或称为孤立子(soliton)。这个孤子可以沿左、右两个方向自由运动，它等价于A态扩展，B态减缩或者反之B态扩展A态减缩，一般来说，在两个简并的真空态中间一定存在一个高能态孤立子。宇宙的真空其实并不空，它是一个称之为黑格斯（Higgs）场充斥的空间，像电场那样场有势V（）并且有真空简并，因此宇宙早期有许多孤立子。在3维情况下，这些孤立子被科学家推测为磁单极子，理论计算表明这些磁单极在极早期大量存在。然而至今人类尚未在宇宙中用实验证实它的存在。这就是所谓磁单极困难。为了解决上述困难，科学家们又在寻找新的理论来修正大爆炸宇宙说，暴涨宇宙学就是一个十分成功的理论。第五章 暴涨宇宙说第一节 真空能量的衰变我们已向读者介绍了什么是真空，宇宙就是从这个真空开始的。宇宙真空其实并不空，它有一个称之为黑格斯（Higgs）场的标势，这个势由于感觉不到它的存在，我们称为真空势，V=V（）势的大小与黑格斯的幅度值有关，而又是时空点的函数，图5-1示意了一种称为n的理论模型的势曲线，A、B、O处有一个极小值，它们都是真空，而且A、B还是简并的真空。O处的真空与A，B处的真空不一样，它处的势能要高， 我们称为假真空。相对于A、B处的真真空而言，假真空具有巨大的能量储存。这些能量如果能爆发出来是十分壮观的，好像一座巨大山峰静止不动，看不出它势能之大，一旦发生泥石流，崩塌的千仞万石倾泻而下，势能就转变为巨大的动能。假真空是如何将能量释放出来呢？要说清这个道理我们先要谈谈量子隧道效应问题。在微观世界（比如原子、电子等）非常小的粒子运动有一些特殊的法则，这些法则与我们生活中见到的宏观物体的运动法则不相同。例如，一个钢珠在一个曲线势阱中运动，如果其能量EH，则它不可能越过AB之间的势垒峰，而只有在势阱A中来振荡见图5-2。然而，微观粒子运动却不然，它可以通过所谓隧道效应穿过势垒从A方进入B方，尽管粒子能量小于势垒高（即EH）。还有一种解释，认为是粒子向真空借来一个虚光子的能量使，于是翻越了势垒，同时，它将释放一个虚光子的能量给真空，自己完成了从A到B 的穿越，而真空也恢复原来的状态。整个过程不需要什么时间，称为虚过程。我们还可以从量子运动中的测不准原理来说明隧道效应，测不准关系，普朗克常数h =6.6310-34焦耳秒，当时间变化时，可以十分大，这说明，在不需要时间或时间间隔极限为0的运动时，粒子的能量是不确定的，其误差范围可以十分大。微观粒子在穿越势垒时，其能量处在十分不确定的状态，所以它完全有机会处于高能而越过势垒。隧道效应是微观粒子运动的重要性质，它已被实验充分地证实。我们理解了微观运动的隧道效应，现在把它用于假真空的衰变。图5-2中，真空具有势能H，它通过隧道效应穿越势垒C到达真空B，将势能H转变为动能。从假真空向真真空的衰变使大量的真空势能释放出来，使宇宙时空急剧地膨胀，产生一个称之为暴涨的过程。暴涨持续的时间很短，约为10-35秒。第一个暴涨理论是1981年由美国天体物理学家古斯（GUTH）提出的，1982年林德Linde提出新的暴涨理论，林德是著名的美国宇宙学家，90年代，他进一步提出自复制的宇宙模型。第二节 视界可观察宇宙的尽头暴涨宇宙说提出了宇宙有一极短时间的急剧膨胀，在10