文／吴家望
大爆炸数据，无限大无限小
《海外校园》第43期所载科学小品文《科学家与创造》中，提到了宇宙大爆炸时的高温状态。文中所记大爆炸温度为一亿亿亿亿度，也可写为10的32次方度(本文所说的“度”，皆指绝对温度K。)在排版时，10的32次方误排为1032。慧眼读者一看就知道代表一亿亿亿亿度的1032度乃是10的32次方度之误,没有登启事更正的必要。这里我只想趁机会和读者一同探讨这空前绝后的高温的意义。
因为这10的32次方度的高温，在宇宙的历史上只存在过一次，为时仅一千亿亿亿亿亿分之一秒，即10的负43次方秒＝0.0000000000000000000000000000000000000000001秒。说这种高温“空前绝后”，是名符其实的。
10的32次方度，10的负43次方秒，这样似乎无限大、无限小的宇宙大爆炸数据，是不是科学家拿来唬人的？当二十世纪中期大爆炸理论刚出现时，绝大多数科学家确实把它作为笑料。最近三十年来，太空科学观察、实验资料多不胜收，大爆炸数据已是家喻户晓。美国政府解囊国库，分银科学界，耗资亿万来求证这些数据。此科研项目为时八年、名人云集，占用太空哈勃天文望远镜400个小时，应用800种特别宇宙衡量标准（Special Cosmic Yardsticks），以18个银河体系为样本抽样（Sampling 18 Galaxies），采用四种不同测量距离的方法，观察天体宽达1.4 x 10的21次方公里。
最后，这一批针锋相对、争吵胜过婆媳骂街的天文专家居然一致同意，宇宙大爆炸是在135亿年前发生的。宇宙从无到有诞生的那一刹那的温度就是10的32次方度。换句话说，宇宙大爆炸后，宇宙背景温度从起始的10的32次方度，降到今天的3度，花了135亿年。（编注：此年代亦有科学家认为是100-200亿年前。）
大爆炸时间表
时间T 宇宙温度 事件
0秒 ？ ？
10-43秒 1032度 宇宙诞生
10-35秒 1027度 宇宙膨胀时间
0.000001秒 1013度 夸克时期
1秒 1010度 核合成时代
1,000,000年 3,000度 物质时代
8,900,000,000年 8度 太阳系形成
13,500,000,000年(目前) 3度 宇宙背景温度
300度（27℃） 人间鸟语花香温度
万分精彩，却一无所知（当T＝10的负43次方秒）
135亿年前，宇宙从剧烈高温的“爆炸”中诞生。科学家找不到合适的词汇来形容那时的情景，就称它为火球（Fire Ball）。这个婴儿宇宙是怎么样的火球？
时间：10的负43次方秒
大小：10的负33次方厘米
温度：10的32次方度
密度：10的91次方公斤/立方厘米
原来在T＝10的负43次方秒时，虽然整个宇宙的直径只有10的33次方分之一厘米，比一个原子还小得多，但它的质量却相当于今日宇宙所有星系、星球的总和。它的10的32次方度这样的高温，则是一切物质的能源。
这些似乎是无限大或无限小的数字，都是经过科学界研究、观察、验对而被公认的。但是，这最初的10的43次方分之一秒却是人类知识限度的不可透越的死墙。这就是说，科学家对大爆炸最初10的负43次方秒以后的事了解得很清楚，但对10的负43次方秒之前的事却一无所知。现代物理学家什么都能解释，就是不能解释这最初10的负43次方秒以前的“虚空（nothing, void, empty）”状况。科学家感叹道，在最初那一秒钟所发生的事，比以后135亿年所发生的加起来还要精彩。
要研究创世时粒子变化的奥秘，物理学家必须在实验中达到宇宙膨胀时期（Inflation Era，第10的负35次方秒）10的28次方K的高温。目前，欧洲科学家正在建造强力的粒子加速器（Particle Accelerator），可以将人造高温提升到10的17次方K，但比10的28次方K要小10的11次方倍。要达到10的28次方K这样高温，人必须要建造一个长达十万亿英里的粒子加速器。这长度比从地球到太阳的距离还要大十万倍！人有没有能力来造这样的粒子加速器？美国科学界经过多年计划，好不容易开始建造一个长达仅54英里的粒子加速器。谁知国会掏不出钱，那已开工的加速器工场即刻变成废墟，科学家们只能去喝西北风了。
能量物质互变，奥妙无穷（当T＝0.000001秒）
根据爱因斯坦的著名公式E＝mc平方，（E代表能量，m代表质量，c代表光速），在一定条件下，物质会转变为能量，能量也会转变为物质。大爆炸后的10的32次方K高温，就代表极高的能量。在扩张的过程中，温度逐步下降。当达到物质能够存在的温度时，能量就转变为物质（粒子）。粒子出现永远是成对的：等量的正粒子和负粒子。当一个正粒子和一个负粒子相碰时，就同时消失，回变为能量。在这样不断的能量与物质转换的过程中，因为体积扩张，温度就下降。到一定温度，微粒子结合构成较重的粒子。这种较重的粒子又以正负粒子成对出现，又继续正负相灭。
且慢，有的科学家发出了疑问：根据这样的理论，等量的正负粒子应该互相消灭，影迹无踪才对，那么，今天的宇宙也应该是空无所有的（Matterless）！
于是，在1993年，科学美国人杂志（Scientific American）公开向科学界提问挑战：为什么宇宙间有这么多物质？为什么世间实而不空（How is it that so much matter managed to survive?…Why is there something rather than nothing）？
在最初的0.000001秒，宇宙温度降到10的13次方K，微粒子夸克（Quarks）出现。在那时存在的夸克和负夸克各约有10的87次方个。在追寻Why is there something的过程中，科学家发现夸克和负夸克的比例是300,000,000比299,999,999。当299,999,999个负夸克和299,999,999个夸克对消后，最后一个“额外”的夸克就死里逃生，存留下来。今天你我，以及宇宙间一切美好的物质，都是这些三亿阵亡、只身幸存的夸克的后代。当时夸克和负夸克如果像人们最初所推测的那样完全相等，那么今天的宇宙就是空无所有。如果当时夸克和负夸克的差别大于一，那么今天的宇宙间的化学组合也会断然不同。
其实，早在1964年，美国科学家柯罗宁（J. Cronin）和费奇（V. Fitch）就已发现，这种非对称状态是既在的物质衰减规律，“Slight Asymmetry was Built in to the Law Governing the Decays。这里的“Built in”，意思是说这种非对称规律是内在的，是事先设计的。柯罗宁和费奇因为找到这小小的一个夸克，得了诺贝尔奖；但是到今天，科学家还是不知道为什么宇宙间有这么多物质，更不了解这种非对称的“自然”规律的设计者。
金木水火土，缺一不可（当T＝1,000,000年）
当物质出现后，宇宙间的引力（Gravitational Force）将小块的物质集聚成大块，将大块的物质集聚成星球及星系。当星球达到一定大小，其中心就有足够的压力来触发原子反应。这种原子反应用氢的燃烧而产生氦，经过长期剧烈的变更，从氦转变为碳、氧、氮、矽等生物存在的必要元素。当星球爆炸时，这些元素就散布在宇宙间的星球上。1987年，天文学家就观察到一次被称为“超新星（Supernova）1987A”的精彩的星球爆炸。简而言之，我们身体上的碳、水份和地上的一切生命元素，都来自宇宙间的星球，是大爆炸的产品。
当科学家研究星球如何形成时，他们发现，宇宙扩张的速度，是星球能否存在的关键。如果宇宙扩张速度过高，宇宙引力就不可能将物质从小块集聚成大块，星球就不可能出现。没有星球，就没有碳和氧，就没有生命。如果宇宙扩张速度太低，远在星球出现之前，宇宙扩张速度就会逐渐下降。当扩张速度降到零时，宇宙就开始逆向变化（Reverse），收缩（Contraction），最后，“倒塌”，回到那无限小、无限重的起点。
因为宇宙扩张速度是宇宙能否存在的关键，科学家就测算出一个理论性的“关键起飞速度”（Critical Launch Speed）。如果宇宙最初的扩张速度高过这个“关键起飞速度”，宇宙引力不能聚集物质，星球就不可能存在；如果宇宙最初的扩张速度低于“关键起飞速度”，宇宙就会收缩回到一个小点。从宇宙目前的扩张速度倒算，科学家发现，宇宙的最初的实际起飞速度，和“关键起飞速度”确实几乎相等，相差不到10的33次方分之一。换句话说，如果宇宙的最初起飞速度和关键起飞速度相差10的33次方分之一，今天的宇宙就不能维持生命。直到1999年，科学家们还不知道宇宙将来的命运是永远扩张还是收缩倒塌。前年（2000年），最新的太空资料证明，宇宙不可能再收缩，会永远扩张。担心宇宙会倒塌的科学家终于可以抹一把汗了。
阳光普照，地不荒凉（当T＝9,000,000,000年）
先知以赛亚说：“创造诸天的耶和华……他创造大地，不是荒凉的；他塑造大地，是要给人居住。”（《以赛亚书》45：18，圣经新译本）我们人以地球为家，从不会想到这个生荣死哀、挥汗糊口之地，原来是个极不简单的地方。太阳系行星离开太阳的距离，从最靠近的水星（离太阳58百万公里）算起，都以2的指数（2,4,8,16……）为倍数增长，而这些星球离太阳不是太近，就是太远，温度不是太冷，就是太热。地球离太阳150百万公里，是唯一不守这指数规律的行星，也是唯一可以给人居住的地方。地球离太阳距离恰到好处：没有太近太热，以致一片焦土；没有太远太冷，以致天寒地冻。地球的地心引力也是恰到好处：太弱，大气层缺少氧气，生命不能存在；太强，有害的毒气无法消散，生命也不能存在。
被称为当代最大数学家之一的英国数学家潘罗士（R. Penrose），最先用数学方法证明宇宙有一起源。当他在判断创物主的准确性（the Accuracy of the Creator’s Aim）的时候发现，从大爆炸的最初条件推算，一个像地球那样的环境能出现的概率是10自乘以10的123次方分之一，1字后面有一千亿……亿（15个亿字）个零。世上所有的纸全部用来写这些零都不够，因为今天整个宇宙间总共大约只有10的78次方个原子。
起初，地是空虚混沌（当T＝0）
在“大爆炸时间表”中，当时间等于零时，其它两项：温度及事件，都是问号。这是说，科学家对大爆炸最初的10的负43次方秒一无所知。在最初的10的负43次方秒时，宇宙的直径是10的负33次方厘米。那么，在零秒时，宇宙的直径是不是等于零呢？科学家哑口无言。现代物理学家能解释很多东西，就是不能解释最初那10的负43次方秒中“虚空（Nothing, Empty）”状况。如果我们问一位科学家，他现在研究什么课题。他的回答是“Nothing（没什么）”。这并不是说他不做研究，而是说他正在研究那最困难的课题：Nothing──零，虚空。
其实，科学家根本不知道在T＝0时，宇宙是不是空无所有。他们仅有的参考书，是那唯一对宇宙起源的时间和状况有所记载的书──圣经。圣经开篇第一句是：“起初，上帝创造天地。地是空虚混沌……”（《创世记》1：1，2，圣经新译本）“In the beginning God created the heavens and the earth. Now the earth was formless and empty”。“In the beginning”，显然是指时间等于零。“the earth was formless and empty”，地是空虚混沌。空虚（void, empty, nothing）是空，混沌（formless）意谓洪荒，也是又大又空。这就是科学家所谓“Nothingness（虚空）”的出处。
《创世记》叙述上帝造万物，多半是用个“造”字（make，希伯来文是asah）。但讲到上帝造天地，却用“创造”（Create，希伯来文是Bara）一词，表示是从无到有。希伯来文“创造”（Bara）一词有两个特点：第一，这词是上帝专用的，除上帝以外，别无他人能bara。第二，这词用以描写上帝创造天地，但从不涉及上帝创造时所用的材料及其来源。这和科学家所面对的困难符合：他们知道宇宙被创造，却不知宇宙被造时无穷热、无穷小、无穷密的能量的来源。在最初的10的负43次方秒，所有的天文地理法规，包括太师爷爱因斯坦的公式都被推翻了，不管用了。
著名宇宙物理学家裴格士（H. Pagels），是研究这虚空的先驱。他的推论是，那最初一刹那的虚空是假真空（False Vacuum），是超越四度空间（长、高、阔、时间）的高度空间。宇宙便是从这四度以外的空间挖隧道（Tunneling）而出来的。照此说来，宇宙起源的答案在那人所莫及的高度空间。这额外的空间（Extra Dimensions）从哪儿来，裴格士无法回答。他形容这宇宙被创造前的虚空，是“我们所能想像的最彻底的虚空－空间，时间或物质都不存在。但是，这不可想像的虚空却摇身一变成为充裕的存在。”
裴格士感叹地问道，是谁告诉这虚空它可能怀宇宙在身？（What “tell”the void that it is pregnant with a possible universe？）当一个物理学家找不到答案时，他的诗意就来了，把宇宙创造者看为宇宙的母亲了。研究旧约圣经二十五年的美国物理学家西罗德博士认为，上帝创造宇宙使用了一种（好比女人分娩的）收缩性的推动（Divine contraction，希伯来文是Tsimtsum）。通过这种圣灵的推动，创造者以其本身无穷大能来创造万物。这么说，这10的32次方K可以说是宇宙诞生时的体温。
参考书：
1.A.Guth, The Inflationary Universe, Helix Books, 1997
2.E.Harrison, Cosmology, 2nd Ed., Cambridge Univ. Press, 2000
3.H.Pagels, Perfect Symmetry, Simon & Schuster, 1985
4.M.Rees, Just six numbers, Basic Books, 2000
5.G.Schroeder, The Science of God, Free Press, 1997.
6.J.Silk, The Big Bang, 3rd Ed., W. H. Freeman, 2001
作者来自上海，数学博士，美国联邦政府资深数学统计学家
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