为什么会有个宇宙

为什么某个事物存在而不是不存在，这在大自然中有个原因。

莱布尼茨

宇宙越是好像可以理解，它也就越是好像没有意义。

斯蒂芬·温伯格

造物主上帝按他自己的意志使宇宙诞生了，这种观念在基督教-犹太教文化中有着坚实的根基。然而，我们已经看到，这种假设引起的问题比解决的问题还多，而且好多个世纪以来，它受到了神学家们的严肃疑问。问题出在时间的性质上。今天，我们知道，时间与空间是不可分割的。时空正如物质一样，也是自然的宇宙的一部分。我们将在第九章看到，时间有自己的变化和行为规律，时间明显的是属于物理学的。假如时间属于自然的宇宙，而且受物理学规律的支配，那么，时间就必然被包括在据认为是上帝创造的宇宙中。按我们通常对因果关系的理解，原因在时间上必定先于其结果。那么，说上帝是时间存在的原因又是什么意思呢？因果关系是一种时间性的活动。在任何事物成为某种原因的结果之前，必得先有时间。假如时间不存在，假如没有“之前”，认为上帝在宇宙创生之前就存在，这种天真的想法显然就是荒谬的。

我们已经讲过，这些问题，圣奥古斯丁早在5世纪就看出来了。一个世纪之后，鲍依修斯专门说明了这些问题，并把它们发挥成一个“创生”的概念。这概念比起那个大多数门外汉仍然熟悉的概念抽象得多，也难懂得多。根据他那种精致的观点，上帝是完全存在于时间和空间之外的；从某种意义上说，上帝是“超乎”自然，而不是先于自然的。时间之外的上帝这个概念不好理解，因此，我在这里先不详细讨论它。我要把这个问题留到第九章，那时我们再深入探讨时间的性质。

时间之外的上帝被认为是以“在每个时刻都把握着宇宙的存在”这种更为强有力的方式“创造”了宇宙。时间之外的上帝并不是简单地启动了宇宙（上帝启动了宇宙这种观点被认为是自然神论而不是有神论），而是一直在行动。于是，那遥远的宇宙创造者便被赋予了一种更强的直接感——他正在此地此时活动着——但是，这样一来，他的形象也就有些朦胧了，因为超乎时间的上帝这一概念是难解的。

一种上帝是时间中的上帝，他创造了宇宙，是宇宙创生的原因。另一种上帝是超乎时间的上帝，他把持着宇宙（包括时间）的存在。这两种上帝有时人们用下面的图解来描述。①设有一系列事件，每一事件都依存于前一事件。这一系列事件可以表示为系列……E3，E2，E1，按时间往后排。因而，E1的原因是E2，E2的原因是E3，依此类推。这一因果链可以表示如下：

上面的“L”表示，通过物理定律L的作用，一事件引发了后面的事件。

上帝是宇宙的原因这一概念（即我们在上一章里详细讨论过的），可以将上帝（用G来代表）表示为这原因系列的第一项：

另一方面，假如上帝是超乎时间的，那他就不可能属于这种因果链。他是超乎因果链的，在每一个连接处维持着因果链：

不管因果链是有第一环（比如，时间的开端）还是没有第一环（比如，在一年龄无限的宇宙中），上图总是没有问题的。有了上图，我们就可以说，与其说上帝是宇宙的原因，不如说上帝是宇宙的解释。

上述的概念是不容易把握的。粗略地说，物理定律是以事物发生的规律性向我们呈现出来的。行星在其轨道上的精确运行，元素光谱的规则条纹等等都是有规律的。在开动着的汽车上，假如踩了刹车闸，汽车就会慢下来。假如点燃火药，火药就会爆炸。热的火焰会使冰块融化，花瓶落在坚硬的地上会碎裂。这世界并不是杂乱无章无规律可循的，而是至少在某种程度上是可预测的，有秩序的。

我们从受限的时空观点出发，用原因和结果来解释这些规律性，比如，太阳的引力是地球运行轨道发生弯曲的原因，等等。但还有另一种可能性——上帝实际上是所有的事件的原因，上帝从我们的宇宙之外对我们所在的宇宙施加作用，精心地安排事件以显示规律性。

下面是一个有助于说明问题的类比。假设在一机枪手前面有一个靶。该机枪手以恒定的速度扫射枪靶。结果，靶上就出现了间距相同的枪眼组成的图案。这时，某种必须永久生活在枪靶平面上的二维生物会把这一系列事件看成是在它所在的世界中，孔洞是有规律地出现的。它仔细观察过孔洞之后便会推论：孔洞的形成并不是随机的，而是周期性的，而且，孔洞的布局也有几何学上的质朴性，它们之间的间距是相同的。于是，这二维生物就会自信地宣布一条平面物理的新定律：孔洞创生定律。即每一个孔洞的出现都以一种有规律的方式造成了同行的下一个孔洞的出现。在一简单的序列中，一个孔洞毕竟总是跟随着另一个孔洞出现的。这个二维生物从它那受限的二维世界的观点出发看问题，因而就完全看不到真正的事实：所有的孔洞实际上完全是彼此无关的，其布局的规律性完全是那枪手的行为造成的。同样，宇宙有秩序的运行也可以如此解释：上帝从某种更为广阔的背景以一种有组织的方式创造了每一事件。更为广阔的背景是更高维度的空间？是一种不是空间的物理结构？是一种全然是非物理的结构（这又是什么意思呢）？

怎样证明这种看法是有道理的呢？看看你的周围吧。看看宇宙的复杂结构和精巧的组织吧。动脑筋想想物理定律的数学公式吧。看看物质的安排，从旋转的星系到熙攘的原子活动，所有的物质都被安排得井井有条，为物质的安排而困惑吧。问一问为什么这些东西会这样吧。为什么会有这样的宇宙，这样的一套定律，这样的物质和能量安排？一句话，为什么竟然有事物存在？

自然宇宙中的所有事物、所有事件，都要依赖于外在于它们的事物才能得到解释。解释一个现象，就得用另一个事物解释它。但是，假如这现象是存在的一切，是整个自然宇宙，那么，按照宇宙的定义，宇宙之外显然没有任何物理性的东西来解释宇宙。因而，宇宙的任何解释就必定是非物理的和超自然的东西。这东西就是上帝。宇宙之所以是这样的，是因为上帝要它这样。科学按定义来说，只是研究自然宇宙的，它可以成功地用一种事物解释另外一种事物，再用其他的事物解释这另外一种事物，如此这般一直解释下去。但自然事物的总体却得从自然之外进行解释。

一切自然事物都要视其他事物的条件而定。以此为基础的推理路线就被称作“偶然性”论证，是上帝存在的宇宙论论证的第二个变体。这种论证如同我们在上一章里讨论过的因果论证一样，也受到了某些批评。

从某种意义上讲，偶然性论证搬起石头砸了自己的脚。我们可以设想把“宇宙”的定义扩大，把上帝也包括进去。那么，又该如何解释由上帝加时空、物质组成的宇宙而构成的整个系统呢？一句话，怎么解释上帝？神学家回答道；“上帝是必然的存在，用不着解释；他自己内部就包含了他自己存在的解释。”但这样的话有任何意义吗？假如有，我们为什么不能用同样的论点来解释宇宙：宇宙是必然的，宇宙在其内部包含了它自己存在的原因？的确，这似乎像是上一章里我们所说的惠勒的观点。

一个自然系统包含着其自身的解释，这在门外汉看来似乎是自相矛盾的，但这思路在物理学里有某种优越性。人们可以姑且认为（不考虑量子效应），一切事件都是偶然的，是要用其他的事件来解释的，但同时也没有必要得出结论，以为这事件的序列或是无限的长，或是终止于上帝。这序列可能闭合成为一个圈。例如，现有四个事件、或事物、或系统，E1，E2，E3，E4，四者可以如下的方式相互依存：

有一种与此一模一样的理论一度在某些粒子物理学家中间流行。这些物理学家想以这样的理论解释物质的结构。下面就是一个著名的解释链：物质是由分子构成的，分子是由原子构成的，原子是由电子和原子核构成的，原子核是由质子和中子构成的。一直有一种很普遍的观点（自古希腊以来就有了），认为这解释链将会有一个终结；有为数不多的真正的基本粒子，浑然一体，不可再分，是一切物质的建筑砌块。假如我们能深入到原子内部更小的区域，迟早会发现这些基本的无结构的粒子。目前，这一理论获得了所谓夸克理论的强有力的实验支持（见第十一章）。

根据不可思议的量子论的特征，则有另一幅图景。量子论认为（这颇为难解，我们将在后面的几章里加以澄清），根本就不存在基本粒子。相反，每一个粒子（至少是每一个亚核粒子）都是由其他粒子构成的。没有哪一个粒子是基本的、原始的，每一个粒子都包含着所有其他粒子的某些个性。若干粒子在一个自洽的解释圈中产生了自己、构成了一个系统，这种想法使人想起了那个掉进泥塘的小孩的故事。那小孩掉进泥塘之后，拽自己的靴襻，硬是把自己拽出了泥塘。因此，物理学家们也把上面的量子论解释法称作“拽靴襻”式的解释。人们可以想象，“拽靴襻宇宙”完全依据自然的、物理性的相互作用而包含了自己的解释。

但是，神学家会反驳说，上帝的能力是无限的，他的知识也是无限的，因而上帝是人们所能想象的最单纯的存在，所以，他比起在很多具体方面都是复杂的和特殊的宇宙来更有可能包含着他自己存在的原因：

很有可能的是，假如存在一个上帝，他就会造出某个有限而复杂的宇宙。宇宙没有什么原因而存在是很不可能的，但上帝却较可能没有什么原因而存在。宇宙的存在是奇怪难解的。假如我们设想它是上帝创造的，就能使它变得可以理解。这种设想比起设想宇宙没有存在的原因，要求解释的开端相对要简单。这就是为什么要相信前一种设想是正确的。②

这反驳是很有说服力的。要想认为有着这么多独特的、可能的特征的精致而复杂的宇宙只是偶然存在着，这是不容易的。我们难道真能把这当作毫无道理可言的、不可解释的事实接受下来吗？于是，一个单一的单纯而无限的精神（尽管其存在在逻辑上就令我们困惑）似乎就是宇宙这个必然的存在物的一个更说得通的解释了。

然而，对无限的精神（上帝）要比宇宙更单纯这样的假设，科学家可能会提出挑战。在我们的经验里，精神只存在于超过某一复杂程度的物理系统中。大脑是个高度复杂的系统（在第六章里我们将要看到，精神必须被当成一个“整体的”概念来看——精神是一种活动的模式）。可以想象一个离体的精神，但必须有某种方式来表现精神活动模式，而精神活动模式本身是复杂的。因而，就可以说，无限的精神是无限复杂的，因此比起宇宙来也就更不可能出现，因为宇宙的很多部件的复杂程度远不足以维持一个精神。

那么，上帝可能不是个精神，而是比精神更单纯的事物了？谈论存在于时间之外的精神有意义吗？思想、决策以及诸如此类的事物不是在时间之中发生的吗？假如上帝不能够作决定（或抱希望、或进行判断、交谈），那么，他对宇宙的性质和存在负责又是什么意思呢？我们是不是可以把不对宇宙负责的存在认作上帝？除了这些疑问之外，我们还得解释宇宙的复杂性和特殊性。为什么会有这样的宇宙？

我将在第十二章里更详细地讨论这个问题，但在这里，我们不妨注意一下，在评价一个包含着自身原因的宇宙和要求以上帝来解释其存在的宇宙这两种观点的相对合理性的过程中，我所认为的中心问题。在前面的讨论中，我们理所当然地认为宇宙是非常复杂的，上帝为宇宙的诸多特征提供了现成的解释。但宇宙从来就是复杂的吗？宇宙的复杂会不会是自然的结果，是由完全普通的物理定律造成的？

根据我们对原初宇宙的最科学的了解，似乎宇宙的确开始于一种最简单的状态——热平衡——目前所观察到的复杂结构和活动都是后起的。那么可以说，原初的宇宙实际上是我们所能想到的最简单的事物。而且，假如按照表面意义来理解对最初奇点的预测，宇宙就是始于一种无限高温、无限密度和无限能量的状态。至少，这不是与无限精神一样说得通吗？

要想真说得通，关键在于是否能够证明宇宙的复杂性和有序状态真是从简单的原初状态自然发展来的。乍看之下，这种说法似乎是公然与热力学第二定律相矛盾。热力学第二定律的要求与之正相反——有序让位于无序，因而复杂的结构倾向于衰退成无序的最终简单状态。E·W·巴尔尼斯1930年这样写道：

开始时，必定是有最大的能量组织……事实上，上帝一度给钟表（即宇宙机制）上满了弦。假如上帝不再上弦，钟表就会停下来。③

我们现在知道，这样的看法是错误的。宇宙的原初状态不是最大的组织状态，而是一种简单和平衡的状态。这一事实与热力学第二定律的明显冲突只是在最近才获得解决。

原来，热力学第二定律严格地说只适用于孤立的系统。而要想把任何东西从引力那里孤立出来在物理上是不可能的。世上没有引力屏障；即便是有，有关的系统本身也逃不开它自己的引力。在膨胀的宇宙中。宇宙物质都受到宇宙引力场的影响，也就是受到宇宙其他部分的累加引力的影响。有了引力，就开通了通过引力场将有序状态注入宇宙物质的途径。我们知道，假如有外部能量供给，就可以在一个系统中造成无序为代价，在另一个系统中造出有序。于是，自太阳流入的光和热造成了地球生物圈的高度复杂的有序，但这只能通过不可逆转地牺牲太阳核的有限燃料才能做到。同样，膨胀宇宙也能在宇宙物质中造成有序。

宇宙的膨胀如何能用来代替上帝“给钟表上弦”，这里可以举一个很简单的例子。我们说过，原初的宇宙物质是非常热的，但宇宙的膨胀使它冷却下来。通过基本的测量论证，可以得出在宇宙膨胀的每一阶段宇宙物质的温度。不过，温度的高低在某种程度上也得看物质本身的特性。辐射热（电磁能量）温度的降低与典型空间区域的膨胀尺度成比例。空间区域扩大一倍，温度就减半。另一方面，诸如氢气之类的物质冷却得快得多。它与尺度的平方成比例。这就是说，只要把氢气跟辐射热分离开来，膨胀宇宙就会在宇宙物质的这两种成分之间产生出温度差。任何一个工程师都知道，温差是有用的能量的理想来源，实质上也是太阳能在地球上产生生命的奥秘所在。因而，宇宙膨胀能够在原先没有有序的情况下产生有序。

利用上面的分析，就可以一步步地追溯到宇宙原初时期的膨胀，从而追究出我们今天在宇宙中所观察到的大部分有序结构的起源。④上面所举的例子实际上不是最重要的。今天的有组织的能量，其绝对最大的来源是高度活泼的氢气，它占了宇宙物质大约75%。氢为所有正常的恒星提供燃料。氢被燃烧之后（在核聚变中燃烧），变成了一些诸如铁之类的较重的元素。铁只是核废料，其中没有可用的核能锁闭在里面了。因而，恒星有序的存在要倚仗氢多于倚仗铁。

这种情况可用宇宙的膨胀来解释。在原初阶段温度太高，合成的原子核（如铁）不能存在。只有氢核（单个的质子）——最简单的物质——才能存在下去。随着宇宙不断地膨胀、冷却，氢就可以变成一些较重的元素了。正如我们在前一章里讨论过的那样，宇宙物质就是沿着这条路走下去的，但走得不太远。约25%的宇宙物质走到了氦（仅次于氢的最简单的元素），只有极小的部分走过了氦。众多的物质之所以没能走远，这得责怪宇宙膨胀。当初膨胀得太快，使物质来不及经过必要的复杂的核反应变成铁之类的合成重原子核。只有几分钟的“爆炸”，温度就降到了核反应点火所需的温度以下。原子核火堆熄灭了，将大部分物质“冻结”在氢和氦的状态中。只是时间过去很久之后，到了恒星形成时，才形成了分散的热点，使宇宙物质继续向较重的元素进发。

总之，看来在膨胀的宇宙中，有组织的能量可以自然地出现，用不着一开始就有。因而，也就用不着将宇宙的有序状态（低熵）归结为神的活动或归结为在最初的奇点处有有组织的能量输入。奇点可能当初放出来的是完全无规则的、混沌的能量，无规则的能量后来在膨胀的宇宙的影响下将自己自发地组织起来，成为如今的安排。注意，现在我们不仅把物质的起源归结为空间的膨胀（见第三章），而且也把物质的组织的起源也归结为空间膨胀造成的。

不过，到了这一步，事情还没完。最终通过宇宙的膨胀而产生有序的是引力场，而引力场理应因而变得有些向无序方面转化才是。因此，我们虽可以通过把责任推给引力而解释物质性事物何以变得有序，但我们接着还得解释一开始有序是怎么出现在引力场中的；解释到哪里才是头呢？

现在的问题成了热力学第二定律是否既适用于物质，也适用于引力。没有谁真了解这个问题。最近对黑洞的研究显示出某种迹象，热力学第二定律适用于引力，但不同的物理学家从该研究结果中得出了相反的结论（见第十三章）。有些物理学家如罗杰·彭罗斯得出的结论是，大尺度的宇宙引力场处于低熵（高度有序）的状态，因而这就是说在宇宙创生时得有有序的输入。其他的物理学家如史蒂芬·霍金则认为，宇宙的引力是高度无序的，这是在意料之中的，是受奇点发出的纯粹无规则无结构影响的结果。因为现在还没有人知道怎样将一空间弯曲（即引力）定量化，这一问题悬而未决。然而，两派物理学家的争论表明了一个重要的东西。未来的理论物理学的进展很可能澄清有关的概念，并且能使人们做出有关宇宙创生之时是否有序的确定陈述。但愿科学有一天能回答长久以来为神学家、哲学家所关注的问题。

不管将引力熵如何定量化的争论结果是什么，一个有意思的事已经出现了。在诸如一箱气体这样的系统中，引力是很小的，小到可以忽略不计。低熵（有序）状态是复杂的，而高熵（无序）状态则是简单的。例如，在一个箱子中，假如所有的气体分子都挤在四角上，这显然与平衡（熵值最大的）状态相比是一种较为复杂的状态，因为在平衡状态下，气体是均匀地分布在箱子中的。与此相比，低熵的引力系统从几何学上看要比处于高熵状态的系统简单得多。引力容易自动地生长出结构来。

这样，本来是均匀分布的物质（恒星或气体）会随着时间的过去而结团，形成星团和稠密的积聚物。总而言之，对不受引力作用的系统来说，有序意指复杂，无序意指简单。对引力来说，情况正好相反。

假如宇宙开始时真有一个高度有序的、低熵的引力场，那么，这个引力场就该是平稳的、均匀的。我们看到，在引力这一特例中，同时满足简单的要求和开初的低熵（有序）的要求是可能的。这就是说，我们可以把最简单的宇宙（均匀的宇宙）看成是包含着有无限的可能性，能够产生后来的复杂事物的宇宙。这的确是个令人高兴的结论。假如我们要相信宇宙的出现是没有原因的，那么，它在开初时物质和引力的形态最好是尽可能地简单，同时又保留了以后演化为复杂和有趣的形态的能力。难道不是这样吗？

前面的那套假说尽管很成功，但问题不光是宇宙的状态，难道定律可以撇在一边吗？至少，即使在开始时宇宙是处在一种非常简单的状态中，物理定律毫无疑问仍是多而特殊的。这些定律难道是因情况而异的吗？我们能够设想一大堆物理定律失效的情况吗？而且，宇宙的成分一一质子、中子、介子、电子等等又怎样解释呢？为什么会只有这些粒子？为什么这些粒子会有它们所具有的质量和电荷？为什么这些亚原子粒子的种类不多不少就这么多？神学家有现成的答案：上帝就要这样。上帝是无限的简单，但愿意创造具有复杂多样性的物理定律和物质的成分，他的目的是创造一个有趣的宇宙。

只是在最近，科学家也开始发觉这类问题的答案。新的进展源自一项理论工作。这项理论工作的目的，是将自然界的诸种力统一在一个单一的描述框架中。根据这一理论框架（我们将在后面的一章里全面地给以描述），现今丰富多样的物理定律纯粹是个低温现象。随着物质温度升高，各种作用于物质的力也开始趋于同一，最后，到了1032K这种极高的温度时，自然界所有的力会合成为一种单一的超力，可以用很简单的数学式表示。而且，所有的众多完全不同的亚原子粒子也会失去它们的个性，它们各不相同的特征消失在超高温中。多年来对高能（高能在我们这里就是高温）物理的研究，得出了物质在高温下趋向简单的证据。物理学家们希望发现，随着能量的提高，复杂的亚原子结构会分解，显露出较简单的成分，复杂的力在此过程中也会变得较简单。

假如这些想法是正确的（目前只能说各种迹象令人鼓舞，但要得出什么结论来还为时尚早），那对大爆炸理论会有意味深长的含意。在宇宙创生时的无限高温的情况下，起作用的只有超力和为数不多的几种简单粒子。现今已经分化的各种力和粒子只是随着宇宙冷却才产生出来。这样，宇宙的状态，物理定律，还有物质的各种成分，这一切似乎开初时都处于一种非常简单的状态。

然而，持怀疑态度的神学家会说，即便是可以证明宇宙开初时只有一种单一的超力和为数不多的简单粒子，但这超力和这些粒子又该如何解释？为什么会有这种超力？事实上，为什么会有定律？

这些问题我们要到最后一章再谈。有些物理学家受到自然界基本定律的简单性的启发，提出一种论点说，很可能最终的定律（在这里是超力）有一种数学结构，这数学结构是唯一在逻辑上没有矛盾的物理原理。这就是说，正像神学家们把上帝说成是必然的一样，在这里，物理也被说成是“必然的”了。那么，我们是不是应当像某些哲学家（如柏拉图）似乎做过的那样，也做出结论说上帝就是物理？

有些物理学家，特别是史蒂芬·霍金，已经提出，实际上我们也该料想到宇宙的原初状态是很简单的。⑤其理由涉及我们在第二章里简略讨论过的原初奇点。奇点的最基本特征是，它像是时空的边缘、边界，因而人们认为它也是自然宇宙的边缘。奇点的一个例子，是一无限致密的状态，标志着大爆炸的开始。据认为，黑洞里也有奇点发生，可能在其他地方也有奇点。

因为到目前为止，我们的一切物理理论都是在时空范围里提出的，所以，时空边界的存在就意味着，自然的物理过程不可能延续到这边界之外。从一基本的意义上讲，根据这种观点，奇点就代表着自然宇宙的外部边界。在奇点处，物质能够进入或离开自然世界，从奇点能发出影响，而这些影响是自然科学所完全不能预测的，甚至原则上也不能预测。奇点是科学所发现的最接近超自然动因的东西。

多少年来，人们曾认为奇点是由于对使用的引力模型过分理想化所造成的一种人工的东西。后来，在一系列精巧和富于启迪的数学定理中，彭罗斯和霍金证明，奇点是相当普遍的；而且，在一切合理的物理条件下，一旦引力变得足够强大，奇点也是不可避免的。在大爆炸中，引力的确足够强大。

既然人们必须认真地对待他们二人的证明，于是很多人就动脑筋去想奇点会有什么样的行为。各条思路都汇集到了这一点上，即奇点产生的东西或者是完全无序、无结构的，或者是有条理的、有组织的。在前一种情况下，大爆炸的奇点只是产生出一种无秩序的宇宙，没有任何具体的秩序。在后一种情况下，宇宙是带着某种程度的组织出现的，像是钟表上满了弦，可以计时了。

霍金提出了一个“无知原理”，意思是说奇点最终是不可知的，因而也该是完全无信息的（在物理学里，信息大致与有序同义，即负熵）。⑥因此，从奇点出来的任何东西都是完全无序的，混沌的。霍金提出的这一原理，倒是很符合那种认为原初宇宙是处于无序值最大的状态（热平衡）的观点。

很多这类观点，现在都处在现代理论物理学的前沿，因而只能通过理论未来的发展才会得到澄清。物理学家们对时空奇点的问题意见不一，甚至对原初宇宙到底是处于什么样的具体状态也是见解各异。但是，宇宙学最近的进展所产生的各种思想无疑再次引发了关于上帝与宇宙的存在的争论，并且使这一争论转向了一个新方向。