【每日新书】《多元宇宙是什么》|宇宙有它的创世纪与审判日吗？

宇宙有它的创世纪与审判日吗？我们视野之外还有宇宙吗？究竟有没有造物主呢，如果有，它在哪里呢？

核心书摘

宇宙是如何诞生的？这个问题的答案，成为历代科学家的终极命题。

弗里德曼建立了三维的球状宇宙。他认为，这个宇宙先从一个点开始，膨胀到某个最大尺寸，然后又缩回到了一个点。弗里德曼把这套模型称之为“宇宙大爆炸”，其中的那个点就叫做“奇点”，最开始的大爆炸和最后的大挤压，分别标志着宇宙的开始和结束。

然而，物理学家们更想知道爆炸之前的事情：“究竟是什么爆炸了、它是怎么爆炸的，以及它为什么会爆炸？无法解决这些问题，让大爆炸理论一度成为神学的证明。 

但求知和发问，是科学发展的原动力。

本书讲到了弗里德曼和伽莫夫怎么提出并证实了“宇宙大爆炸”设想的，又讲到阿兰·古斯是怎么提出宇宙暴涨理论，解决了宇宙初始那一秒的难题；最后我们讲到了维连金的多元宇宙理论，它给我们人类指出了一条生路，即突破现有技术的束缚，在更大的区间里探寻我们的“副本地球”。这些脑洞大开，却又逻辑自洽的宇宙学理论实在是让我们赞叹。

关于作者

这本书的作者亚历克斯·维连金，是全球知名的理论物理学家、宇宙学家，美国塔夫茨大学教授、宇宙学研究中心主任。他在宇宙学领域深耕多年，证明了大多数宇宙暴胀模型都会导致永恒暴胀，是多元宇宙的理论奠基人与开创者之一。

学什么

1、远古恒星的灰烬

2、宇宙暴涨和反引力石碑

去年我们曾经讲过一部科幻小说《仿生人能梦到电子羊吗？》，好莱坞大片《银翼杀手》就改编自这部小说。在影片的结尾，复制人在雨中吟出了那段经典独白：“我所见过的事物，你们人类绝对无法置信。我目睹战船在猎户星座的端沿起火燃烧，我看着C射线在唐怀瑟之门附近的黑暗中闪耀。所有这些时刻，终将流逝在时光中，一如眼泪，消失在雨中。”

今天我们要共读的这本书，《多元宇宙是什么：关于宇宙起源的新故事》也涉及了那些“人类无法置信的事物”，还有那些宇宙星空中的壮观景象。不过，这并不是科幻小说，而是一位世界顶尖物理学家亚历克斯·维连金写的科普著作，这本书将让我们看到物理学家所建立的宇宙模型是精彩瑰丽、引人遐想，它甚至远比科幻小说更玄幻。

这本书的作者亚历克斯·维连金，是全球知名的理论物理学家、宇宙学家，美国塔夫茨大学教授、宇宙学研究中心主任。他在宇宙学领域深耕多年，证明了大多数宇宙暴胀模型都会导致永恒暴胀，是多元宇宙的理论奠基人与开创者之一。他的这本《多元宇宙是什么》打通了宇宙学、哲学、创世神话的关联，带领读者共同思考人类哲思的永恒命题：宇宙有它的创世纪与审判日吗？我们视野之外还有宇宙吗？究竟有没有造物主呢，如果有，它在哪里呢？

阅读这本书，就像踏上一条引人入胜的宇宙学奇幻之旅，同时还要参加一场无比烧脑却妙趣横生的思想盛宴。

接下来，我们将从以下三个维度解读这本书：

1、远古恒星的灰烬

2、宇宙暴涨和反引力石碑

一、远古恒星的灰烬

首先，我们来看看本书的第一个重点内容：远古恒星的灰烬。

我们的故事要从二十世纪20年代初的俄罗斯讲起，地点是在彼得格勒大学。一位年轻的教授正在给一群学生讲课，教授的名字叫亚历山大·弗里德曼，讲授的内容是数学和气象学。弗里德曼以教学严谨而著称，他会精心准备每一次的授课内容，他同时还是爱因斯坦的迷弟，着迷于广义相对论的研究。

爱因斯坦曾用广义相对论为宇宙构建数学模型，但他发现，这个模型没法保持静态，其空间结构既会拉伸也会收缩，就是不能保持固定的大小。这就意味着宇宙会有开始，也会有结束。当时的爱因斯坦坚决抵制这个结果，因为他和同时代的科学家们一样，坚信宇宙是永恒的，亘古不变的。为此他把自己的方程式修改了一下，引入了一个“宇宙常数”，这才求出了一个静态解，从而满足了“宇宙永恒”的设定。

弗里德曼对爱因斯坦后来的这个方程式很好奇，因为他的脑子里没有“宇宙永恒”这样的框框和禁忌，他想知道，如果把那个“宇宙常数”去掉后会，结果怎样。最后他也得到了一个方程式，描述的同样是一个三维的球状宇宙。这个宇宙先从一个点开始，膨胀到某个最大尺寸，然后又缩回到了一个点。弗里德曼把这套模型称之为“宇宙大爆炸”，其中的那个点就叫做“奇点”，最开始的大爆炸和最后的大挤压，分别标志着宇宙的开始和结束。

弗里德曼进一步设想，假如这个宇宙不是一个封闭的形状，那么还会有确定的解吗？结果出来了，这个解中的空间不再像球一样向着我们的方向弯曲，而是越弯离我们越远，最终变成一个无限大的马鞍型。这个宇宙只有一个奇点，之后就一直膨胀下去，但速度逐步变缓，最后以接近恒定的速度进行膨胀。

 这两种不同的模型意味着宇宙的不同命运。如果宇宙是闭合的，它最终会坍缩成一个炽热的小火球，重回奇点状态；如果宇宙是开放的，它将永远膨胀下去，最后变成一个冰冷的无限空间。

弗里德曼把自己的研究成果写成了一篇论文，发表在德国一家顶级物理学期刊上。但这篇论文当时并没有引起人们的注意，直到20世纪30年代，人们通过哈勃望远镜，发现了宇宙膨胀的证据，才把这篇论文从故纸堆中发掘了出来！但弗里德曼并没有等到自己扬名物理学界的这一天，早在1925年，他就因伤寒逝世了，享年37岁。

弗里德曼在彼得格勒教书时，有个叫乔治·伽莫夫的研究生选修了他的课，接触到了广义相对论课程。伽莫夫后来有机会到德国的哥廷根大学学习，在那里，他用新兴的量子力学理论来研究原子核结构。量子力学大师玻尔很赏识他，推荐他到哥本哈根研究所担任研究员。在这里，伽莫夫很快就成了核物理领域公认的权威，他重点研究的方向是可见宇宙中各种化学元素的“丰度”，具体来说，就是“为什么地球上的氢、氦和碳、氧元素含量非常丰富，而像金和铀这类的元素则极其罕见？”之类的问题。

早在伽莫夫之前，科学家们就发现，元素的构成和温度密切相关。当温度超过几百摄氏度时，分子中连接原子的化学键会因高温而断裂，分子会解体成一个个单独的原子。等温度进一步升高到3000摄氏度左右，电子就会从原子核中逃逸；等到了10亿摄氏度左右，原子核会分解为质子和中子，这两者统称为核子；最后在大约10000亿度左右，核子又分裂成夸克，这是我们已知的最基本的粒子。这些粒子在高温中不断碰撞、产生，又不断地湮灭，在湮灭的过程会产生光子。光子是一束电磁能量，我们看到的光线就是由它们组成的。

可以说，早期的宇宙就像是太上老君的炼丹炉，所有的物质被分解成最小的碎片，和光子混在了一起，不断地变幻，生成新的物质。伽莫夫组建了一个小团队，专门研究这个炼丹炉的秘密。其中，氢是最简单的元素，其原子核仅由一个质子构成；然后一个中子和一个质子在高温下结合，形成了氘核。氘核又与一个质子、一个中子再次结合，变成了氦核。伽莫夫测算的结论是：在遥远的宇宙中， 大约23%的核子以氦的形式存在，其余的几乎都以氢的形式存在，此外还有少量的氘和锂。后来天文学家通过光谱分析，证实了这一计算的准确性。

但接下来，伽莫夫就遇到了一个大难题，因为用这样的结合方法，他们只能得到氦，而无法再往上结合得到碳、氧等元素，更不要说铁了。这是因为，由于核子之间作用力的特殊性，在初始宇宙形成的原子核里最多只能容纳5个核子。而碳元素的核子达到了6个，伽莫夫没法回答它们是怎么结合到一起的。

就在这时，另外一位科学家雷德·霍伊尔通过研究超新星爆发，完美地解决了这一难题。我们知道，像太阳这样的恒星都是由氢气组成，在高温中进行核反应，产生巨大的能量来对抗内部引力。当这些氢气耗尽时，核反应停止，恒星开始坍缩，导致内部的密度和温度上升。当恒星中心的温度达到1亿度时，三个氦原子核结合在一起，就形成了碳原子核。等到氦也消耗完了，恒星会进一步坍缩，温度再次升高，以碳为原料的核反应启动，又催生出了新元素。这个过程循环往复，直到原子核更稳定的铁元素出现。等到铁元素也燃烧完了，这颗恒星最内部的核心也开始坍缩，超新星爆发了。这场大爆炸产生了巨大的能量，把一部分铁转变成更重的物质一起抛向星际，变成了新一代恒星与行星系统的原料。霍伊尔也根据这一理论算出了宇宙中重元素的丰度，与天文学的观测结果完全吻合。

就这样，伽莫夫和霍伊尔一起证实了宇宙中各种化学元素的生成过程：轻元素主要是在早期宇宙中形成，而重元素主要是在恒星中形成，并通过超新星爆发从死亡的恒星中逸出，变成了我们的太阳系。正如剑桥大学天体物理学家马丁·里斯所言：“我们都是星尘，我们都是远古恒星的灰烬。”

二、宇宙暴涨与反引力石碑

接着让我们看看本书第二部分内容：宇宙暴涨与反引力石碑。

伽莫夫的研究帮助我们明白了大爆炸的进程，但物理学家们更想知道爆炸之前的事情：“究竟是什么爆炸了、它是怎么爆炸的，以及它为什么会爆炸？”尤其是，这场爆炸的设计是如此的精准，最终让我们看到了一个散布着漫天星辰的宇宙。要知道，只要那场爆炸发生一丁点微小的偏离，我们的星空就不会生成。要么宇宙会在自身引力作用下坍塌成一个火球，要么膨胀到几乎空无一物。这种精准让人忍不住怀疑，莫非真的有上帝之手，在操控着宇宙的进程吗？

所以教会举双手欢迎宇宙大爆炸理论，认为这是证实上帝存在的最好证据。1951年，教皇庇护十二世在对梵蒂冈教皇科学院的讲话中说：“宇宙出自造物主之手，这一过程已经通过科学推理得到确认。因此，创世确有其事。因此，造物主确有其‘人’。因此，上帝存在！”

这种状况延续了30年，直到阿汉·古斯的宇宙暴涨理论出台。那是1980年冬天，一个星期三的下午，32岁的物理学家阿兰·古斯登上了哈佛大学的讲台，他这次报告的主题是关于宇宙起源。当时，阿兰·古斯正在斯坦福大学做博士后，还没能得到一份终身教职；但对于博士后这个年轻群体来说，他显得有点儿老了。

在这次报告会上，古斯解开了大爆炸的神秘面纱：创世之初的宇宙中存在某种超致密物质，它的性质奇特，能产生一种“斥引力”。这和日常生活中的引力特征大不相同，常见的引力会相互吸引，而这种“斥引力”会相互排斥。就是这种斥引力，在创世之初把宇宙炸开了。

在古斯的新宇宙模型中，这种斥引力的密度非常高，只要小小一块就能快速膨胀。它还有一个特征，就是不管怎么膨胀，密度永远不会改变。密度等于质量除以体积，因此随着这一小块物质体积的增长，它的质量也随之增长，导致斥引力继续增强，膨胀速度也变得更快。古斯把这种加速膨胀叫做暴胀，不到一秒的时间，就能让这个针尖大的物质块膨胀成好几百亿光年的庞然大物。

但通过观测，天文学家认为，我们的宇宙膨胀速度正在逐渐变缓，这又是怎么一回事呢？古斯进一步分析说，这种斥引力是极不稳定的。它很快就会开始衰变，释放出大量的能量，产生一团灼热的、由基本粒子构成的小火球，这就是大爆炸理论中的奇点。这个火球在惯性作用下继续膨胀，但是斥引力物质已经变成了普通物质，原来的斥引力变成了相互吸引的引力，这才导致宇宙的膨胀速度逐渐减缓。简而言之，斥引力物质的衰变标志着暴胀的结束，同时也催生了大爆炸。

古斯理论的精妙之处在于，它只用一次暴胀就解释了困扰物理学家30多年的许多问题，比如，为什么宇宙如此巨大、为什么它始终在膨胀，为什么它在一开始如此炽热，为什么膨胀变缓……古斯给出的终极答案，就是一小块具有斥引力的物质，他总结说：“常言道，世上没有免费的午餐，但宇宙似乎真的是一顿完全免费的午餐。”

那么，古斯提到的斥引力物质又是什么东西呢？很巧的是，这样东西和本书作者维连金有着很深的渊源。维连金供职的研究所叫塔夫茨宇宙学研究所，就是专门研究斥引力的。这个研究所位于塔弗茨大学，校园的中心有一块又高又厚的花岗岩纪念碑，名字叫“反引力纪念碑”。上面的铭文写道：“这座纪念碑由引力研究基金会创始人罗杰·W-巴布森树立。它旨在提醒我们：人们将能够驾驭引力，使之成为免费的能源，并减少飞机失事。1961。”

上面提到的罗杰·巴布森是国际知名商学院巴布森学院的创始人。巴布森对引力一直心有执念，因为在他小时候，他心爱的妹妹不幸溺水而死。他将这次事故归咎于万有引力，并且认为正是万有引力总是让飞机掉下来。所以他后来向大学捐款，并竖起了反引力石碑，以促进反引力研究。塔夫茨大学就用这笔钱建立了宇宙学研究所，研究与宇宙斥引力相关的课题。

这个研究所培养的博士毕业时，都要用一种独特的仪式向反引力致敬。具体的操作是，他们要跪在反引力石碑前，由导师把一个苹果砸在头上，随后，新博士要吃掉这个苹果，完成这场神圣的仪式。这些研究人员也如巴布森先生所希望的，的确研究出了一些成果，但遗憾的是，这些成果主要应用在外太空中，但并没有减少飞机事故的数量。

我们再把话题拉回斥引力物质，它的机理是由物理学界大牛爱因斯坦提出来的，即“真空能”。爱因斯坦认为，真空并不是全然的“无”，其中蕴藏着巨大的能量。物理学意义上的真空分为多种，像我们平时讲的真空是“真真空”，即能量最低的真空。此外还存在着“伪真空”，有一种“伪真空”叫弱电真空，它的密度极大，大到什么程度呢？大约每立方厘米1000亿亿吨，差不多是一个月球的质量。还有一种叫大统一真空，它的密度更大，约为弱电真空密度的1048倍。由于我们人类目前的技术水平太低了，这两种真空根本就造不出来，所以只能存在于科学家的论文中。

这两种高能真空还非常不稳定。它们在短短的一瞬间形成，紧接着就会衰变为真真空，整个过程不到一秒。在衰变中，它会释放出多余的热量，那就是一团炽热的基本粒子火球，大爆炸的奇点。所以，从这个猜想看来，我们的宇宙还真是无中生有生出来的，难怪古斯说这是一顿免费的午餐呢。古斯的这项研究，从科学的角度解释了大爆炸前一刻发生的场景，让科学战胜了神学，让大爆炸理论离开梵蒂冈教皇科学院，再次回到了科学家手里。

结语

讲到这里，《多元宇宙是什么》这本书我们就讲完了。

我们讲到了弗里德曼和伽莫夫怎么提出并证实了“宇宙大爆炸”设想的，又讲到阿兰·古斯是怎么提出宇宙暴涨理论，解决了宇宙初始那一秒的难题；最后我们讲到了维连金的多元宇宙理论，它给我们人类指出了一条生路，即突破现有技术的束缚，在更大的区间里探寻我们的“副本地球”。这些脑洞大开，却又逻辑自洽的宇宙学理论实在是让我们赞叹。

莎士比亚在《哈姆雷特》中有这样一句话：“即使把我关在一个果壳里，我也会把自己当作一个拥有着无限空间的君王。”或许这就是现代物理学的魅力所在吧。对于漫长的宇宙来说，我们个体生命的意义，并不在于时间性的延续繁衍，因为再长的生命都会像眼泪融于雨水中那样在时间中消逝；唯有思维的火花在瞬间爆发出的光彩，才会彰显出个体生命的真正意义。

恭喜你和“今今乐道”读书会一起读完了你生命中的第6936本书，希望今天的内容能给你有益的启发。

【编辑：北橘】

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