无边界宇宙模型与复杂性探索，本文主要内容关键词为：复杂性论文,边界论文,宇宙论文,模型论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
中图分类号：N031 文献标志码：A 文章编号：1000-8934(2007)05-0001-04
宇宙是什么？在人类认识的历史长河中，不同的科学家、思想家对这个古老而深邃的问题苦苦地进行了追问和探究，提出了各种不同的宇宙模型或设想。史蒂芬·霍金是英国当代的著名科学家，他在综合前人成果的基础上，创造性地提出了无边界宇宙模型，对宇宙的形成和演化作了科学的描述。他所描绘的无边界宇宙为我们勾画了一幅系统演化的复杂宇宙图景，大大深化了我们对宇宙的认识。笔者认为，从复杂性的视角对无边界宇宙模型进行探讨，有利于我们加深对无边界宇宙理论的理解，深化对宇宙物质系统的认识，同时可以为复杂性科学研究提供进一步的理论基础和根据。
1 无边界宇宙模型的提出及其涵义
20世纪自然科学取得的最惊人成就之一，就是从科学理论和科学观测上认识到我们所观测到的宇宙是一个处于演化之中的复杂巨系统。
1915年，爱因斯坦提出了广义相对论。它的创立，为人们研究大尺度的时空性质和物理运动规律提供了理论工具，从而使人们能够从整体上来认识宇宙的诞生和演化。1917年，爱因斯坦把广义相对论用来考察整个宇宙系统，得到有限无边的静态宇宙模型，开创了现代宇宙学。之后，人们在此基础上不断进行探索和研究，取得了一系列的科学成果，提出了多种不同的宇宙模型。其中G.伽莫夫提出的大爆炸宇宙模型能够解释许多宇宙现象，被人们视为标准宇宙模型。它十分清楚地描述了宇宙从大爆炸后小于百分之一秒的时候直至今天的宇宙演化情况，并且得到了许多实际观测的强有力的支持，比如红移现象、氦丰度、微波背景辐射等。1980年，美国的A.古斯提出了暴胀宇宙模型，对大爆炸宇宙模型作了进一步的补充和发展，认为宇宙在极早期曾经历了一个暴胀阶段。
然而，在宇宙极早期的研究中，上述宇宙模型遇到了极大的困难，最大的困难就是“奇点疑难”问题。根据广义相对论，在大爆炸的奇点或开端处，由于宇宙的密度无限大，时空的曲率也无限大，因而根本没有为宇宙发生大爆炸提供场所的可能。霍金和罗杰·彭罗斯采用特殊的数学方法也证明了这一点，如果广义相对论是正确的，则宇宙的过去一定存在过一个密度无限的奇异状态，也就是宇宙的奇点。在奇点处，一切科学定律都失效了，连时空概念本身也失效了。这些发现对于科学来说无疑是一场灾难。
为了解决奇点问题，霍金提出了无边界宇宙模型。他认为，在宇宙的极早期，量子效应不可以忽略，必须把广义相对论和量子理论结合起来。然而，相对论与量子力学是极其不协调的，分别处于物理学的两极。相对论用来处理大尺度的空间结构，它坚持严格的因果决定论。而量子力学则用来处理微观粒子的小尺度结构，得到的结论是统计性的。根据测不准原理，在小于10[-43]秒和10[-35]米的范围内，即在普朗克时空尺度内，根本就没有钟和尺子能加以测量，时空概念也就失去了其普通的物理意义，因而必须转换时空观念。正是在这种情况下，霍金和詹姆·哈特尔一起引入了虚时间概念，提出了无边界宇宙模型。因为虚时间方向与实时间方向成直角，空间的三个方向也都和实时间方向成直角，这样，宇宙中的物质所引起的时空曲率就使三个空间方向和这个虚时间方向绕到后面再相遇到一起，形成一个没有边界的闭合面，就像地球的表面，地球的表面虽然有限，但是它没有奇点、边界或边缘。在虚时空中，宇宙的奇点正如地球的南北极，是完全规则的点，科学定律在那里同样适用。
霍金认为，宇宙的诞生是一个从欧几里德时空向洛伦兹时空的量子转变过程，在这个过程即实现了宇宙的“无”中生有。欧氏空间是一个四维球，在四维球转变成洛氏时空的最初阶段，时空是可由德西特度规来近似描述的暴胀阶段，然后膨胀减缓，再接着由大爆炸模型来描写。[1]这样，无边界宇宙模型就把好几种宇宙模型都包容了进去，比如大爆炸宇宙模型、暴胀宇宙模型等。1985年，霍金根据无边界宇宙模型，对极早期的宇宙状态作了描述和预言，指出“那是一个各向同性的、均匀的、具有微小微扰的膨胀宇宙。我们可以在微波背景的起伏中观察到这些微扰的谱频和统计。”[2]1992年，宇宙背景探险者卫星首次检测到微波背景因方向的不同有非常微小的扰动，这种观测结果与霍金的预言相符合。
2 无边界宇宙模型的复杂性探析
关于复杂性的概念，学术界还没有取得一致意见，但多数学者认为复杂性研究是一种更接近真实世界图景的科学方法，对于不能用还原论方法处理的或不宜用还原论方法处理的问题，应该转换思维范式，把复杂性问题当作复杂性来处理。从复杂性科学来说，宇宙系统是一个复杂巨系统，它的复杂性意味着系统的多元素、多层次，系统行为的变化无常性，但又有一定的规律，这个系统总是通过自组织、自适应等复杂的方式，向高级状态演化。无边界宇宙模型正是霍金在研究复杂宇宙的真实图景的基础上构建的，是霍金对宇宙的结构、运动特性、演化方式所作的一种理论描述。它为人们描述了一幅生动的宇宙系统演化图景，充分地呈现了宇宙系统的复杂性特征。
(1)时空结构的非线性 无边界宇宙模型所揭示的宇宙时空结构是个非线性系统，表现出复杂多变、非均匀、非加和性、不确定性等特点，其中的某一微小扰动可能导致其他因素的巨大变化，甚至于整个宇宙系统的变化。霍金认为，在宇宙的极早期，由于空间尺度很小，必须考虑它的量子效应。按照广义相对论的结论，任何物体的具体时空都有一定的曲率，这一曲率的大小与物体引力的大小及其运动方式直接相关，无论物体的具体时空具有多大的曲率，它都应当是光滑的和连续的。然而，按照量子力学的理论，在超微观尺度上粒子间的相互作用将可能引起量子涨落现象，越是在小尺度上的变化，看到的引力场的起伏越大。这种微观尺度上的量子涨落，显示了时空结构的非线性特点。
观测宇宙的复杂的时空结构，恰恰根源于极早期不可直接观察的微小宇宙的时空结构的非线性作用，那时的某一微小的扰动，都可能带来宇宙整体上的变化。分形几何学也揭示了这一点，空间维度具有非整数特征，任何物体的空间结构都是不规则、不连续和不光滑的，空间结构在本质上具有层次性、内部不均匀性和间断性，到处充满了空洞和缝隙。对如此复杂的时空结构不能简单用长度、面积、体积等规则几何对象的特征来予以描述。
霍金曾说，“宇宙具有多重历史，每一个历史都是由微小的硬果确定的。”[3]其实这也充分表明了宇宙演化的非线性特征。由于宇宙系统本身的非线性作用始终存在，宇宙会有许多可能的状态，即所谓宇宙多重历史的存在。根据不确定性原理，宇宙在极早期阶段出现的细微的差别，可能导致不同的宇宙演化史，但许多宇宙的演化历史不会经过形成星系和恒星的过程，而这个过程对于我们人类来说是至关重要的，智慧生命在没有星系和恒星的条件下出现似乎是不太可能的。
另外，根据人择原理，只有物理参数和初始条件取特定值的宇宙才可能演化出人类，我们宇宙的历史只能是具有星系和恒星的极少数历史中的一个。因此，霍金说：“只有稍微长毛的果壳才被诘问为何宇宙的起源不是完全光滑的，智慧生命才能观察到。”[4]
(2)宇宙结构的分层演化 我们今天所观测到的宇宙并非从来就如此，而是经过系统分层演化的结果。经过100多亿年，最初的宇宙演化为现在的复杂巨系统，包括星系系统、地理系统、人体系统和人脑系统等，且它们之间又是层层嵌套关系，各分层系统作为整体之中的部分又是相互联系、相互作用的，是既相互独立又共同演化的。
根据无边界宇宙模型，在虚时空中，即在10[-43]秒之前，不能区分出自然界的四种基本相互作用，可能应该用超统一理论来解释。宇宙创生于“无”，从“无”到“有”，发生对应于超统一理论的超引力真空相变，量子引力起作用，使得实时空从虚时空中产生出来，即宇宙的创生或起源。接下去，宇宙就按照暴胀宇宙模型所描述的那样演化，即在宇宙诞生后约10[-43]秒的时候，宇宙经历了一个暴胀阶段，发生了真空暴涨。这期间宇宙作指数膨胀，在极短的时间内，宇宙空间尺度至少增长了一千亿亿亿倍。在暴涨结束时，大约在宇宙诞生后10[-36]秒的时候，宇宙膨胀的速度慢下来，此后宇宙便按大爆炸宇宙模型所描述的那样演化。
随着宇宙的膨胀，宇宙经历了从热到冷、从密到稀、从辐射为主时期到物质为主时期的演变过程。在这个过程中，宇宙发生了逐次的对称破缺，使自然界中的四种基本相互作用力逐次从统一中分化出来，规定和维系着这个宇宙系统的演化。宇宙在经历暴胀之后，发生大统一的真空相变，开始了宇宙中的实物的起源的演化阶段。首先，相变中放出的能量转变成辐射和粒子，强力分化出来并登上宇宙史的演化舞台；之后，宇宙又发生弱电统一理论的真空相变，使弱力和电磁力发生作用的时代出现，宇宙开始进入核合成的时代，最先合成出氘、氦等几种轻元素；然后，宇宙进入以物质为主的时期并由此进入星系的演化阶段。引力在大尺度上起着主要作用，成为各星系演化的主要依据，它把密度不均匀的星云物质组成引力中心，通过引力作用使星云物质聚集并演化为星系团。由于相似的机理，在星系团内又有众多星系群的生成，在星系群内又有众多星系的生成。随着星系的形成和演化，行星也在不断地形成和演化，较重的化学元素以及像分子这样的其他星际物质也先后产生出来。太阳系是银河星系中的一员，地球是太阳系中的一颗离太阳较近的行星，它们形成后又进一步演化。在一定的条件和一定的阶段，地球上的物质世界又发生了一次对称破缺，出现了有机界，有机界又进一步地演化出了人类并形成了复杂的人脑。
(3)宇宙系统的自组织 所谓自组织，是指客观世界中存在的一种组织现象，“在系统实现空间的、时间的或功能的结构过程中，如果没有外界的特定干扰，仅是系统内部的相互作用来达到的，我们便说系统是自组织的”。[5]系统在自组织的过程中，内部原因是根本，外部因素只是系统演化的条件。自组织理论包括耗散结构理论、超循环理论、协同学与突变论。
无边界宇宙模型是个完全自足的宇宙模型，它表明宇宙创生于“无”，“无”可以理解为一个潜在的、未展开的、充满无限可能性的宇宙波函数。霍金曾说，“只要宇宙有一个开端，我们就可以设想存在一个造物主。但是，如果宇宙确实是完全自足的、没有边界或边缘，它就既没有开端也没有终结——它就是存在。那么，还会有造物主存身之处吗？”[6]可见，无边界宇宙模型所描述的宇宙是一个自组织系统，它的演化完全是一种自发自我组织的过程，而不是受到外部特定指令的结果。由于现代科学还没有把广义相对论与量子力学统一起来，无边界宇宙模型还只是一种理论设想，不能系统地从动力学机制上去揭示宇宙在普朗克尺度中的规律，但它表明了宇宙甚至在奇点处也是遵守科学定律的。这一点与自组织理论的基本信念一致，即“尽管现实世界的自组织过程产生的结构、模式、形态千差万别，必定存在普遍起作用的原理和规律支配着这种过程。”[7]
根据上文宇宙分层演化的过程可以清楚地看出宇宙演化的自组织性。从宇宙的诞生到星系形成的整个过程，完全是依靠耗散结构、协同学等自组织机制来实现并维持的。
在生命的起源与演化中，同样是自组织机制（主要是超循环）在起作用。自组织使生物系统在内在秩序的严格规定下，既错综复杂又井然有序地进化着，形成由微生物、植物、动物等组成的多极生态系统。一切物种都在相互联系、相互作用中，在自身与环境的相互作用中，在进化与退化对立统一的运动中，有秩序地实现着从低级到高级的进化。人类便是宇宙系统演化的最高产物。当有自觉意识的人类产生出来后，人们逐渐认识到，宇宙的产生、星系的演化、生命与人的出现都与宇宙的演化是相联系的，从整体上看，都是宇宙系统自组织的结果。
随着科学的发展和研究的深入，各门学科也分别从不同侧面深入揭示了宇宙演化的自组织性本质。比如：进化论揭示出，生命出现之后，生命系统的演化完全是生物系统依靠自组织、自适应机制作用的；马克思主义理论揭示出，人类出现后，社会系统的演化和人类文明的进步完全是依靠人类自身的力量推动社会发展的；发生认识论和条件反射理论等则揭示出人脑的进化和人的智力的发展是由人类的大脑与外界的刺激不断发生相互作用而不断进化的。
3 启示与展望
无边界宇宙模型在物理学上看来仅仅是霍金提出的一种新宇宙理论，它的提出有人认为是科学理论上获得的一次重大突破或进展，它为人们描述宇宙世界提供了一种新的理论工具。然而，从哲学层面上讲，它带给我们的绝不只是这些，它更重要的意义应该在于大大开阔了人们认识和研究的视野，给予了我们许多有益的启示。
从无边界宇宙模型的提出过程可以看出，霍金提出无边界宇宙模型主要是采用了还原论的方法，同时兼顾了系统论的方法。他先是从研究大爆炸宇宙模型的“奇点疑难”开始，从数学上得出如果广义相对论是正确的，那么一定存在一个宇宙奇点，在这个奇点处，所有的科学定律都将失效。为了挽救科学定律，霍金意识到人们在研究极早期宇宙时只考虑到了广义相对论而忽视了量子效应，随着研究和认识的深入，霍金意识到量子效应对研究极早期宇宙来说恰恰是必须考虑的。于是他采用化简、降级、归并等还原的方法，把广义相对论与量子理论联系起来，剔除各种经验上的因素，直接提出虚时间概念，得出宇宙在虚时空中就犹如地球的表面是无边界的。之后，霍金为了使无边界模型与复杂的真实宇宙图景相符，采用系统的方法把渺观、微观、宏观、宇观和胀观等各方面的宇宙现象联系起来，再根据人择原理对无边界模型作了人类现阶段认识水平上的自洽性诠释，认为我们所观测的宇宙是由稍微长毛的果壳演化而来的。这样，无边界模型就能够以简化的形式呈现复杂宇宙巨系统的演化图景及特征。
从对无边界宇宙模型的复杂性探析中可知，霍金用一些看来似乎简单的科学定律把一个非常复杂的宇宙巨系统概括得一览无余，他所描绘的宇宙完全是一个自足的宇宙，它的产生是由于量子的非线性相互作用，宇宙中普遍存在很微弱的扰动，而一些偶尔的、随机发生的扰动都会随着时间的进程而不断扩大，形成人们难于预料的宇宙演化状况。这也正是现代复杂性探索中人们认识到世界复杂性本质的一个重要特征，人们目前的认识水平对这一重要特征只知其然而不知其所以然。霍金虽然不研究复杂性科学，但他根据人择原理逆向推知观测宇宙及其在演化初期的状态，这种方法和认识正好与复杂性科学不谋而合。
现代宇宙理论与系统科学认为，宇宙世界本身是由一定的层次、结构、顺序和联系等组成的有机系统，它经历了一个非常漫长的自组织演化过程，并且仍在不断的演化之中。宇宙物质的演化经历了从无序到有序、从低级向高级的演化过程，各层次的物质系统是由某些非常无序的子系统在一定的条件下自发地组织而成的。在有的科学认识系统层次上，还原论的方法对世界的解释是有效的，而在有的层次上还原论的方法对世界的认识则是无能为力的，在这样的领域，正在蓬勃发展的复杂性科学或许有了用武之地。
由此可见，还原论科学研究与复杂性科学研究两者在促进知识的增长方面是互补的，而不是矛盾的，由还原论方法得出的科学规律与对具体物质系统进行复杂性研究得到的理论应该是相容相合的。在当前大多数的科学技术领域里，还原论方法作为科学研究的基本方法是必要且有效的，但它并不能保证我们能对物理世界获得充分完美的认识，系统的方法是一种很好的补充研究方法。从复杂性的视角去看物理世界可以更接近真实的世界，这也是科学研究和人们不断追问这个世界的目标和归宿，但在当前，复杂性研究还难于单独担当科学研究的重任，它在研究和解释这个世界的时候还必须以还原论的研究和认识的方法为基础和条件。所以，在未来的科学研究中，还原论方法与系统论方法二者不可偏废，只有二者的有机结合才可以肩负起历史责任，引领科学研究进入一个崭新的时代。
收稿日期：2006-12-12
标签：广义相对论论文; 科学论文; 还原论论文; 宇宙模型论文; 宇宙起源论文; 自组织理论论文; 宇宙结构论文; 霍金辐射论文; 天文论文; 宇宙学论文; 科普论文; 系统论论文; 史蒂芬-霍金论文;