略论霍金无边界宇宙模型的科学及哲学意义，本文主要内容关键词为：霍金论文,边界论文,宇宙论文,模型论文,哲学论文，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：B561.5 文献标识码：A 文章编号：1005-3638(2004)05-0035-04
史蒂芬·霍金是当代著名的科学家、思想家，他把相对论和量子力学理论结合起来，在宇宙探索方面作出了突出贡献，被人们誉为“活着的爱因斯坦”。[1](P17)在宇宙学史上，不同的科学家根据自己的理论创建了不同的宇宙模型，霍金综合前人的成果，创造性地提出了自己的新理论，创建了自己的无边界宇宙模型，对宇宙的形成和演化作了科学的描述。
一、宇宙模型溯源
所谓宇宙模型就是对宇宙的结构、运动特性、演化方式所作出的统一的理论描述。宇宙模型都是建立在一些经过简化的假设之上，这些假设在大尺度范围内是否正确要看这一模型能否解释观测到的事实并经受新的发现的考验。在人类认识的历史长河中，不同的哲学家、思想家依据各自对宇宙观察、假设、推断、猜测的基础上，提出了不同的宇宙模型或设想。古希腊的亚里士多德是一位集人类认识之大成的伟大思想家，他根据自己的美学理论，对宇宙提出了设想，认为圆周运动是最完美的，那么地球就位于圆周的正中央，而其他天体都围绕着地球运动，这是现代宇宙理论之滥觞。后来托洛密在亚里士多德设想的基础上提出了“地心说”宇宙模型，即地球位于宇宙的中心，行星在自己的轨道上作本轮运动，同时围绕着地球作均轮运动。这个模型解释了行星的亮度变化和在地球上观测到的不规则运动，后被基督教所接受为，成为中世纪人们正统的和无可怀疑的观念。直到16世纪哥白尼对托洛密宇宙模型进行了彻底的变革，提出了“日心说”模型，他认为位于宇宙中心的不是地球而是太阳，地球只是一颗普通的行星，既有自转，又围绕太阳旋转。这个模型解释了托洛密模型所不能解释的许多现象，如整个天球的周日视运动、岁差现象等。哥白尼的太阳中心说，颠倒了一千多年来占统治地位的宇宙观，给我们描绘了一幅关于太阳系的科学图景，为近代天文学奠定了基础，但是不能解释宇宙的动力学特征。
在近代，牛顿把开普勒的行星运动定律和伽利略的落体定律等综合起来，为经典力学规定了一套基本概念，提出了运动三定律和万有引力定律，从而使经典力学成为一个完整的理论体系。依据这个理论体系，牛顿提出了无限和静态的宇宙模型。他认为宇宙没有边界，在时间和空间上是无限的，行星围绕着中心天体作永恒的运动。此模型很好地解释了宇宙的动力学特征，但必须借助上帝的第一推动，且后来发现不能很好地解释水星近日点的进动现象。爱因斯坦创立的广义相对论，能很好地描述水星近日点的进动，解决了牛顿力学所遇到的困难。爱因斯坦把广义相对论所揭示的物质与空间几何的关系应用到宇宙，认为物质的多寡使宇宙的空间曲率区分为正、零、负三种情形。曲率为零时，空间为欧几里得几何的空间，曲率为正和负时，则分别为球形和鞍形的非欧几何空间，其中任意两点最短的连线都不是直线。曲率为零和负时，空间体积无限，曲率为正时，空间体积有限，光线可以在空中无限地绕行下去，宇宙是有限无边的。他的宇宙模型解决了一系列宇宙中的佯谬问题。但由于受牛顿的影响仍认为宇宙是静态的，在他的方程中引入了“宇宙常数”以消除宇宙的动态变化，后来他认为这是他一生中最大的失误。
1922年，弗里德曼在解爱因斯坦的联系物质与空间性质的场方程时，得到动态解。1927年，勒梅特赋予该解以物理意义，认为按照广义相对论，空间是随时间运动的，解决了爱因斯坦宇宙模型的静态问题，并指出宇宙是在不断地膨胀的。多普勒效应的发现与哈勃观测到红移现象表明星系都在远离我们而去，为勒梅特的膨胀宇宙模型提供了有力的证据。1948年，伽莫夫在此基础上提出了宇宙热大爆炸起源说，认为宇宙早期有一个超温超密期。他应用核物理理论描述了宇宙中元素的起源，且作了两个重要预言：一是现今宇宙中的氦主要是宇宙早期核合成过程的产物，其含量占宇宙总质量的1/4；二是现今宇宙还应有一个早期残留下来的微波背景辐射，其温度为5K左右。后来这两个预言都被证实了，因此热大爆炸宇宙模型被广为接受。大爆炸宇宙模型取得了很大的成功，它对大爆炸后的百分之一秒直到今天的宇宙演化情况已论述得十分清楚，并且得到了许多实际观测的强有力的支持。然而，在对宇宙极早期研究中它却遇到了极大困难，最大的疑难就是“奇点疑难”问题，宇宙在大爆炸奇点处，一切科学定律都失效了，连时空概念本身也失效了，这实在令人难于想象。
二、霍金的无边界宇宙模型
霍金为解决大爆炸宇宙模型中的奇点难题做出了重要贡献。面对奇点难题许多科学家束手无策，试图逃避或者干脆说宇宙的开端不属于科学王国的范畴，而是属于形而上学或宗教的臆想。霍金认为，这不是任何真正的科学家应该采取的立场。他认为如果科学定律在宇宙的开端处失效，它们不也可以在其它时间失效吗？如果定律只能有时成立则不能称之为定律，科学定律在奇点处也应该成立。他说“我们必须试图在科学的基础上理解宇宙的开端。它也许是超过我们能力之外的任务，但是我们至少应该进行尝试。”[2](P79)他于是进行了这种尝试。
霍金在研究宇宙的起始阶段时，把广义相对论和量子力学结合起来，认为起始的宇宙极其微小，必须考虑量子效应。量子理论的一种重要的计算方法就是费因曼提出的“历史求和”的方法（即路径积分），这是一种描写微观粒子波粒二象性的有效方法。在这个方法中，粒子不像在经典理论亦即非量子理论中那样，在时空中只有一个历史或一个轨道，而是认为粒子可以走任何可能的轨道。此方法给予霍金很大的思想启示，意味着粒子在时空中不止有一个单独的历史，它可以采取时空中的任何路径运动。这样，粒子就可能旅行得比光还快。粒子以比光速更快的速度作长距离运动的概率很低，但是它可以以超光速在刚好能够逃逸出黑洞的距离上运动，然后再以慢于光速的速度运动。因此，黑洞中的粒子的历史不必在一个奇点处终结，它们可以从黑洞中逃逸出来，并且在外面继续它们的历史。同样的道理，宇宙可能存在各种历史，也许存在一种历史可以避免在时间中有一个开端，即在这种历史中不存在奇点问题。为此霍金引入了“虚时间”概念，所谓虚时间即用虚数表示的时间，其方向与实时间方向夹一直角，它的行为犹如空间的第四个方向。因为物质和能量会使时空向其自身弯曲，在实时间方向就不可避免地导致奇点，时空的奇点处就是宇宙的开端或终结，而在虚时间中，物质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在一起，形成一个闭合的表面，就像是地球的表面，只不过多了两维，地球的表面具有有限的面积，但是它没有任何奇点，边界或边缘的。在虚时间中宇宙的奇点正如地球的南北极，是完全规则的点，相同的定律在那里正如在其它点一样成立。这意味着宇宙在虚时间中的开端，一切科学定律仍然有效。霍金于是推断，实时间也许是人们为了描述事物的方便而虚构出来的，虚时间才是真正的时间。无边界宇宙模型的设想也就基本形成了。
在现代宇宙理论中，所谓的边界条件就是在宇宙的前沿，或者在空间和时间的边缘上发生什么的规则。霍金的无边界宇宙模型的设想是，“宇宙的边界条件是它没有边界。只有当宇宙处于这个无边界状态时，科学定律自身才能确定每种可能历史的概率。因此，只有在这种情形下，已知的定律才会确定宇宙如何运行”。[3](P94)也就是说，只有当宇宙处于无边界状态时，我们才有可能考察到宇宙是如何起始的，人们才可能在原则上完全确定宇宙的运行规律。霍金的无边界宇宙模型表明：在虚时间里宇宙没有奇点，时间和空间是有限的，它们形成了没有边界的闭合面，正如地球的表面那样，在尺度上是有限的但是没有边界，这样科学定律就处处有效。虽然在实时间中仍然存在奇点，这是霍金和彭罗斯已经证明了的，但是人们可以根据宇宙在虚时间的历史来考察它在实时间中的历史，这样无边界宇宙理论就是一个完全自足的理论，它根本不需要求助于上帝的第一推动。
霍金无边界宇宙设想是以费因曼的多重历史的观念为基础的，只是在费因曼求和中的粒子的历史现在被整个时空所取代，后者代表整个宇宙的历史。根据费因曼的多重历史思想，霍金得出“如果无边界宇宙模型的边界条件是它没有边界，它也不仅仅只有一个单独的历史。它将具有多重历史，正如费因曼所建议的那样”。[2](P85)多重历史观表明适合我们生存的宇宙也可能不止一个，于是霍金对适合智慧生命生存的宇宙进行了深入的考察。他一次在演讲中指出：“这个无边界假设似乎能解释我们生活于其中的宇宙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。这些结果迄今和过去的无边界假设相一致。”[4](P94)这种在虚时间中稍微长毛的宇宙模型正好对应于实时间中的暴胀宇宙模型。无边界条件正是把宇宙的可能历史限制在虚时间中没有边界的那些时空。在这个设想框架内，宇宙不存在一个开端或终结的奇点，但同时宇宙仍然是动态的，在类似赤道的附近宇宙达到最大，这种模型堪称完整无缺。但是我们的宇宙为什么如此，这就要涉及到人择原理，也许只有这样的宇宙我们才能观测到。人择原理讲，宇宙必须多多少少像我们看到的那样，否则的话，便不会有任何人在此观察它。[2](P87)就像没有人提出宇宙的开端问题一样。
三、无边界宇宙模型的科学和哲学意义
霍金富有创见地把广义相对论和量子理论相结合并引入到现代宇宙理论中，同时创造性地引入虚时间概念，建立了无边界宇宙模型，这是他在科学上的巨大贡献。对比历史上的几种主要宇宙模型，无边界宇宙模型是有史以来第一个自足的宇宙模型，无论在科学上还是在哲学上都具有重要的意义。
(1)霍金宇宙模型的科学意义。首先，它克服了大爆炸宇宙模型的奇点疑难。在虚时间中的奇点就正如地球上的两极，是完全规则的点，适合于其他点的科学定律也同样地适合于此处。我们可以设想宇宙的大爆炸是从地球的北极开始，然后不断膨胀，在地球的赤道处膨胀至最大，再往后就开始逐渐收缩，最后在南极处宇宙缩为一个点。其次，霍金的宇宙模型很好地说明了宇宙的大爆炸，向人们提供了一个十分形象的关于宇宙演化的描述。根据无边界宇宙模型，我们可以设想宇宙诞生于一种超密状态，然后不断演化，通过膨胀和坍缩的过程，最终又回到超密状态。这样，在时间上就不再有不连续性，就好像在地球的北极是没有边界的一样。在地球的北极，没有再向北的方向，所有的方向都指向南方。之所以如此，完全是由于地球表面的曲率所造成的。在宇宙大爆炸时，宇宙没有过去，所有的时间都指向未来，之所以如此，也是由于宇宙中时空的曲率所致。第三，霍金的宇宙模型是一种自治的模型，完全符合自治的原则。它是一个自足的理论，即在原则上，单凭科学定律便可以将宇宙中的一切都预言出来。霍金对无边界性质的见解是相当深刻的，此模型已经把好几种其它的理论融合在一起，例如暴胀理论，这一理论能较好地解释早期宇宙的某些方面的性质。人们知道地球表面是一个弯曲的圆弧，不可能找到一个真正的边界。同样，假如你有一台正在运行着的时间机器没有受到任何改变，时间是在朝前走，但要退回到大爆炸以前的时间，即量子理论所说的普朗克时间，是根本不可能的。因为宇宙大爆炸以前的时间实际上是不存在的。
(2)霍金宇宙模型的哲学意义。首先，无边界宇宙模型是一个完全自足的模型，在这个模型中不存在奇点，也就是说宇宙不存在一个开端，这给现代意义的上帝创造世界的新神话以沉重打击。有人说科学的发展，常常发现宗教神学站在自己的前头。这是因为随着科学的发展，不断的有神话破灭。但宗教神学为了继续维持自己的存在，会不断的利用科学的发展成果和科学发展面临的难题制造一些新的神话。霍金进一步指出；“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？”[5](P131)既然宇宙是没有边界的，当然也就不需要上帝来启动宇宙了。
其次，霍金无边界宇宙模型的创建给人们以方法论的启示，为解决自牛顿以来的困惑提供了新思路。此前人们对宇宙的认识只是从某一领域的理论出发，这只会导致人们对宇宙认识的片面性。比如，在考察宇宙的过程中，人们自然会想到相对论，却很少考虑到量子理论。如今霍金把相对论和量子理论结合起来创建自己的字宙模型，确实给人们提供了方法论的启示，使人们深深地认识到科学定律是处处有效的。
第三，霍金的无边界宇宙理论，加深了人们对宇宙的认识，为宇宙的有限性和无限性辩证规律提供了科学依据。根据霍金宇宙理论，宇宙具有多重历史，它具有所有可能的历史，这也就意味着，从总的角度来说，宇宙是无限的，人们对宇宙的认识是不可穷尽的。然而，从另一个角度来看，一些宇宙常数的计算表明，我们的宇宙可能最适合智慧生命的存在，它是具体的、历史的，是可以认识的。霍金为此提出我们的宇宙是由一个稍微长毛的果壳确定的，说的就是这个道理。霍金将量子理论引入现代宇宙模型中，为科学的理论大综合进行了有益的探索，加深了人们对宇宙的理解。此外，无边界宇宙模型为人们提出了许多新的课题，霍金曾指出无边界宇宙模型只是回答了宇宙“怎么样”的问题，宇宙“为什么这样”的问题尚需待人们去解答，这将激励着人们不断地去探索宇宙的奥秘，以加深对世界的认识和理解。
收稿日期：2004-06-08
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