逍遥学能 2015-09-04 20:43
（1）这篇讲演的主题是宇宙的未来，或者不如说，科学家认为将来是什么样子的。预言将来当然是非常困难的。我曾经起过一个念头，要写一本题为《昨天之明天：未来历史》的书。它会是一部对未来预言的历史，几乎所有这些预言都是大错特错的。但是尽管有这些失败，科学家仍然认为他们能预言未来。[讲演开头，作者点明主题是预言宇宙的未来。作者引用历史上的“未来预言”都是“大错特错”的教训，验证预言未来将是非常困难，预言宇宙的未来尤其困难。但科学家对此仍然有信心。这一段是全文的总纲，预言宇宙的未来困难在哪里呢？科学家为什么又对此满怀信心呢？这篇演讲，就是紧紧围绕这两个问题展开议论。]
（2）在非常早的时代，预言未来是先知或者女巫的职责。这些通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人。周围的牧师把她们的咒语翻译出来，而真正的技巧在于解释。古希腊的德勒菲的著名巫师以模棱两可而臭名昭著。当这些斯巴达人问道，在波斯人攻击希腊时会发生什么时，这巫师回答道：要么斯巴达①会被消灭，要么其国王会被杀害。（①斯巴达：古希腊城堡中除雅典之外的最大城堡，位于希腊半岛南部的拉哥尼亚平原。）我想这些牧师盘算，如果这些最终都没有发生，则斯巴达就会对阿波罗太阳神①如此之感恩戴德，以至忽视其巫师作错预言的这个事实。（①阿波罗太阳神：阿波罗是希腊奥林珀斯十二主神之一，是宙斯与黑暗女神勒托的儿子。阿波罗是光明之神，也称真理之神。）事实上，国王在捍卫特莫皮拉隘道①的一次拯救斯巴达并最终击败波斯人的行动中丧生了。(①特莫皮拉隘道：一般译作“温泉关”。公元前480年，波斯国王薛西斯一世率领大军50多万、战舰千艘，越过达达尼尔海峡，水陆两路进犯希腊。斯巴达国王列奥尼达斯率领300名斯巴达士兵在温泉关顽强抵抗波斯军，虽然全部战死，但成功阻慢波斯大军前进，结果最后希腊战胜了波斯。)
（3）另一次事件，利迪亚①的国王克罗修斯②，这位世界上最富裕的人有一次问道：如果他侵略波斯的话会发生什么。（①利迪亚：一般译作“吕底亚”，小亚细亚西部的奴隶制国家，在今土耳其境内。②克罗修斯：一般译作“克罗伊斯”，吕底亚的末代国王，约公元前560年—前546年在位。公元前546年，波斯国王居鲁士攻破其首都萨狄斯，被俘。据说他是古代的巨富之一，他的名字已成为“富豪”的同义语。）其回答是：一个伟大的王国将会崩溃。克罗修斯以为这是指波斯帝国，殊不知正是他自己的王国要陷落，而他自己的下场是活活地在柴堆上受火刑。[引述两个古代巫师预言的故事。作者先指出巫师预言的特点，这些巫师“通常是……精神恍惚的女人”，是“牧师把她们的咒语翻译出来”，这些所谓的预言都是一些“模棱两可”的语言，可以这样解释，也可以那样解释，因此，“真正的技巧在于解释”。接着举出两个具体的事例进行证明。作者提到的两个预言都运用了诡辩的方法：第一个预言等于没说，因为波斯的军队比斯巴达强大得多，斯巴达灭亡、国王被杀在情理之中，而如果没有灭亡，可以解释成是神灵庇护；第二个预言中的“王国”是个模糊概念，可以解释是“波斯帝国”，也可以解释是“利迪亚王国”。作者叙述这些故事的旨意有两点，一是说明预言未来是人类自古以来就有的一种追求，二是把巫师的无稽之谈与科学家的预言严格区别开来，为下面自己对宇宙未来的分析张本。]
（4）近代的末日预言者为了避免尴尬①，不为世界的末日设定日期。（①尴尬：?ān?à，处于进退两难的境地。）这些日期使股票市场下泻。虽然它使我百思不解，为何世界的终结会使人愿意用股票来换钱，假定你在世界末日什么也带不走的话。
（5）迄今为止，所有为世界末日设定的日期都无声无息地过去了。但是这些预言家经常为他们显然的失败找借口解释。例如，第七日回归的创建者威廉·米勒①预言，耶稣的第二次到来会在1843年3月21日至1844年3月21日间发生。（①威廉·米勒：1782—1849年，美国纽约州农民，近代基督复临运动的创始人。从1831年起开始传道，根据《但以理书》的某些章节推算出基督将于1843年或1844年3月21日第二次降临，赢得了成千上万的追随者。预言虽然失败，但该派仍坚持教义，并于1863年成立了基督复临安息日会。）在没有发生这件事后，这个日期就修正为1844年10月22日。当这个日期通过又没有发生什么事后，又提出了一种新的解释。据说，1844年是第二次回归的开始，但是首先要数出获救者名单。只有数完了名单，审判日才降临到那些不列在名单上的人。幸运的是，数人名看来要花很长的时间。[引述近代世界末日预言家和宗教预言家失败的事例。世界末日预言家“为了避免尴尬，不为世界末日设定日期”，宗教预言家对耶稣第二次回归的日期不断作出新的解释，以此为“显然的失败找借口”。赏读这段文字要体会作者语言幽默风趣，比如一方面人们预言世界末日即将来临，死神就在眼前，一方面人们又利用这个预言拼命赚钱，两相对比，辛辣地嘲笑了世界末日预言只不过是骗人的谎言。又如对宗教预言家一再修改耶稣第二次回归的时间，作者嘲笑说：“幸运的是，数人名看来要花很长的时间。”人名数不完，回归也便遥遥无期，这样的预言就等于没有预言，只不过是玩弄一种骗术罢了。作者运用这样的讽刺，目的是以此与科学家的预言相区别，继续为下面自己对宇宙未来的分析张本。]
（6）当然，科学预言也许并不比那些巫师或预言家的更可靠些。人们只要想到天气预报就可以了。但是在某些情形下，我们认为可以做可靠的预言。宇宙在非常大的尺度下的未来，便是其中一个例子。[这一段又回到演讲的开头，申述自己对科学预言的看法。作者先用天气预报作例子说明科学预言也许如同巫师和预言家的预言一样不可靠，接着又以“宇宙在非常大的尺度下的未来”为例子说明科学预言之可靠。那末，科学预言为什么又可靠又不可靠呢？“宇宙在非常大的尺度下的未来”是什么意思？为什么对它的预言却是可靠的呢？我们可以带着这些问题研读下文。]
（7）我们在过去的三百年间发现了制约在所有正常情形下物体的科学定律。[例如牛顿的万有引力定律。]我们仍然不知道制约在极端条件下物体的精确的定律。[即下文提到的“高能定律”。]那些定律在理解宇宙如何启始方面很重要，但是它不影响宇宙的未来演化，除非直到宇宙坍缩①成一种高密度的状态②。（①坍缩：天体体积缩小，密度加大。这里指整个宇宙的坍缩。坍，tān。②高密度的状态：即下文提到的“奇性”。）事实上，我们必须花费大量金钱建造巨大粒子加速器去检验这些高能定律，便是这些定律对现在宇宙的影响是多么微不足道的一个标志。[从这段文字开始，作者连续用五个段落说明预言宇宙未来的困难。这段文字说明了第一个困难：一、我们对物理定律的了解非常有限，虽然“发现了制约在所有正常情形下物体的科学定律”，但是“仍然不知道制约在极端条件下物体的精确的定律”，更不了解那些“制约宇宙的有关定律”；二、“制约在极端条件下物体的精确的定律”只能帮助我们了解宇宙是如何启动，如何发生的，也就是说只能帮助我们了解宇宙的过去，而无助于我们了解宇宙的未来。]
（8）即便我们知道了制约宇宙的有关定律①，我们仍然不能利用它们去预言遥远的未来。(①制约宇宙的有关定律：从上下文看，作者在这里，既不是指“制约在所有正常情形下物体的科学定律”，也不是指“制约在极端条件下物体的精确的定律”，当是指能够制约宇宙未来的定律。)这是因为物理方程的解会呈现出一种称作混沌的性质。这表明方程可能是不稳定的：在某一时刻对系统作非常微小的改变，系统的未来行为很快会变得完全不同。[作者退一步指出，即便知道了那些“制约宇宙的有关定律”，也仍然不能预言宇宙遥远的未来。这是为什么呢？于是引出第二个困难：物理方程的解是混沌的、不稳定的：在某一时刻对系统作非常微小的改变，系统的未来行为很快会变得完全不同。]例如，如果你稍微改变一下你旋转轮赌盘的方式，就会改变出来的数字，你在实际上不可能预言出来的数字，否则的话，物理学家就会在赌场发财。
（9）在不稳定或混沌的系统中，一般地存在一个时间尺度，初始状态下的小改变在这个时间尺度将增长到两倍。在地球大气的情形下，这个时间尺度是5天的数量级，大约为空气绕地球吹一圈的时间。人们可以在5天之内作相当准确的天气预报，但是要做更长远得多的天气预报，就既需要大气现状的准确知识，又需要一种不可逾越的复杂计算。我们除了给出季度平均值以外，没有办法对6个月以后作具体的天气预报。
（10）我们还知道制约化学和生物的基本定律，这样在原则上，我们应能确定大脑如何工作。但是制约大脑的方程几乎肯定具有混沌行为，初始态的非常小的改变会导致非常不同的结果。这样，尽管我们知道制约人类行为的方程，但在实际上我们不能预言它。科学不能预言人类社会的未来或者甚至它有没有未来。其危险在于，我们毁坏或消灭环境的能力的增长比利用这种能力的智慧的增长快得大多了。[以上三段文字作者举了三个例子证明对一个混沌的系统不可能预言遥远的未来：第一，用生活中常见的赌盘为例，证明“在某一时刻对系统作非常微小的改变，系统的未来行为很快会变得完全不同”；第二，用天气预报为例，证明对“不稳定或混沌的系统”只能进行短期的准确的预报，不能进行长期的准确预报；第三，用我们虽然知道制约人类行为的方程，但由于这个方程“几乎肯定具有混沌行为”，因此，在实际上却不能预言人类社会的未来。以上作者连用三个自然段详细阐释了混沌学的基本原理，但是这与预言宇宙的未来有什么关系呢？让我们阅读下文。]
（11）宇宙的其他地方对于地球上发生的任何事物根本不在乎。绕着太阳公转的行星的运动似乎最终会变成混沌，尽管其时间尺度很长。这表明随着时间流逝，任何预言的误差将越来越大。在一段时间之后，就不可能预言运动的细节。我们能相当地肯定，地球在相当长的时间内不会和金星相撞。但是我们不能肯定，在轨道上的微小扰动会不会积累起来，引起在十几亿年后发生这种碰撞。太阳和其他恒星绕着银河系的运动，以及银河系绕着其局部星系团的运动也是混沌的。[作者在上文证明了对一个混沌的系统不能预言其遥远的未来，这一段则说明太阳系，银河系以及星系团的运动都是混沌的，因此，只能对其进行某个时段（尽管其时间尺度很长）的预报，“在一段时间之后，就不可能预言运动的细节”。读到这里，我们会产生一个大大的疑问：既然宇宙的运动是混沌的，而混沌的系统是不能预言的，为什么作者还要说满怀信心预言宇宙的未来？]我们观测到，其他星系正离开我们运动而去，而且它们离开我们越远，就离开得越快。这意味着我们周围的宇宙正在膨胀：不同星系间的距离随时间而增加①。（①我们观察到……：这几个句子，作者用通俗的语言阐述了根据光谱红移现象推断出来的宇宙膨胀的理论。美国天文学家斯莱弗通过对恒星光谱的研究，于1912年发现它们的光谱线普遍存在着向红端移动的现象，进一步观察又发现，除个别例外，几乎所有的河外星系的光谱都有红移现象。按照多普勒效应解释，这就意味着这些星系都在远离地球而去。1929年，哈勃考察了斯莱弗的工作，提出了著名的哈勃定律：星系的红移量与它们离地球的距离成正比。哈勃定律证明了宇宙正在整体退移或者说整体膨胀。）[预言宇宙未来虽然困难，但不是说就不能预言。从这里开始，作者转入论述宇宙的未来。为什么可以预言？根据什么样的科学原理预言？让我们研读下文。]
（12）我们观察到的从外空间来的微波辐射背景①给出这种膨胀是平滑而非混沌的证据。（①微波辐射背景：一般称作“宇宙微波背景辐射”，即来自宇宙空间背景上的各个方向同性的微波辐射，是宇宙之初“大爆炸”的余热，温度比开氏绝对零度高2.7度，即-2700C，习惯上称为3K辐射。1965年美国科学家彭齐亚斯和威尔逊因共同发现宇宙微波背景辐射而获1978年诺贝尔物理学奖。）[这是本段的中心句。上文说明了宇宙正在膨胀，人们自然会问：宇宙是怎样膨胀的呢？作者回答：宇宙微波背景辐射证明了宇宙膨胀是“平滑而非混沌”的。那么，宇宙空间有没有微波辐射？研究宇宙微波辐射有什么意义？宇宙微波背景辐射何以能证明宇宙膨胀是非混沌的？为什么要证明宇宙膨胀是非混沌的？让我们带着这些问题探讨下面的文字。]你只要把你的电视调到一个空的频道就能实际观测到这个辐射。你在屏幕上看到的斑点的小部分是由太阳系外的微波引起的。[用一个人人都可以观察到的现象，确证宇宙微波背景辐射的真实存在。]这就是从微波炉得到的同类的辐射，但是要更微弱得多，它只能把食物加热到绝对温度①的2.7度，所以不能用来温热你的外卖比萨②。（①绝对温度：即开氏温度，1848年由英国物理学有开尔文提出，1960年第十一届国际计量大会泰山定热力学温度以开尔文为单位。开氏的零度称为“绝对零度”，等于-273.150C。②比萨：一种意大利式馅饼。）人们认为这种辐射是热的早期宇宙的残余。[这里用比较的方法生动形象地说明宇宙微波背景辐射的第一个特征：具有黑体辐射谱，它是热的早期宇宙的残余。科学家认为，背景辐射是温度近于2.7K的黑体辐射，习惯称为3K背景辐射。黑体谱现象表明，微波背景辐射是极大的时空范围内的事件。因为只有通过辐射与物质之间的相互作用，才能形成黑体谱。由于现今宇宙空间的物质密度极低，辐射与物质的互相作用极小，所以，我们今天观察到的黑体谱必定起源于很久以前。微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息。因此，可以利用它研究宇宙的初始。从这个特征来看，微波背景辐射也只有肋于研究宇宙的过去，无助于预言宇宙的未来。]但是它最使人印象深刻的是，从任何方向来的辐射量几乎完全相同。宇宙背景探索者卫星已经非常精确地测量了这种辐射。从这些观测绘出的天空图可以显示辐射的不同温度。在不同方向上这些温度不同，但是差别非常微小，只有十万分之一。因为宇宙不是完全光滑的，存在诸如恒星、星系和星系团的局部无规性，所以从不同方向来的微波必须有些不同。但是，要和我们观测到的局部无规性相协调，微波背景的变化不可能再小了。微波背景在所有方向上能够相等到100000分之99999（十万分之九万九千九百九十九）。[这是说明微波背景辐射的第二个特征：各向同性。作者援引“非常精确地测量”出来的辐射温度的数据详尽地证明宇宙微波背景辐射“从任何方向来的辐射量几乎完全相同”。作者说微波背景辐射的这一特征“最使人印象深刻”。黑体辐射的特征证明宇宙起始之初是一个“热的宇宙”；那么，各向同性的特征又说明了什么呢？这一特征对于预言宇宙的未来为什么“最使人印象深刻”呢？请继续研读作者的论述。]
（13）上古时代，人们以为地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一样的事实，对于他们而言毫不足怪。[地球中心说认为，宇宙是一个圆，因此“在任何方向上背景都一样”便很容易理解。这是说，如果按照地球中心说，微波背景辐射的发现没有什么意义，因为理所当然会是这样。]然而，从哥白尼①时代开始，我们就被降级为绕着一颗非常平凡的恒星公转的一颗行星，而该恒星又是绕着我们看得见的不过是一千亿个星系中的一个典型星系的外边缘公转。(①哥白尼：1473—1543年，波兰天文学家，太阳中心说的创立者，近代天文学的奠基人。)我们现在是如此之谦和，我们不能声称任何在宇宙中的特殊地位。所以我们必须假定，在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。[从哥白尼开始的现代宇宙学说告诉我们，地球不处在宇宙的中心，没有“任何在宇宙中的特殊地位”，所以微波背景辐射的发现就具有不平常的意义，它可以由个别推及一般，从在地球上测出的微波背景辐射各向同性的特征可以推出，在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。所以，微波背景辐射各向同性的特征是一个普遍现象，在宇宙中的任何一点都是如此。那么各向同性这一事实说明了什么呢？请读下文。]这只有在如果宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同时才有可能。平均密度或膨胀率的大区域的任何变化都会使微波背景在不同方向上不同。[作者认为，微波背景辐射各向同性的事实说明“宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同”。如果膨胀率和密度不同，背景就不会相同。]这表明，宇宙的行为在非常大尺度下是简单的，而不是混沌的。因此我们可以预言宇宙遥远的未来。[这是作者在上述分析的基础上得出的结论，这个结论证明了我们可以预言宇宙遥远的未来。现在我们把文章从第8段开始到此处的文字归结一下，回过头去看看作者说理的思路。作者先证明对“不稳定或混沌的系统”只能进行短期的准确的预报，不能进行长期的准确预报，而太阳系、银河系以至星系团的运动都是混沌的，因此预言宇宙的未来非常困难。然后根据宇宙微波背景辐射各向同性的事实推出“宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同”，由此知道“宇宙的行为在非常大尺度下是简单的，而不是混沌的”，因此，可以预言宇宙的未来。那么，用什么方法预言宇宙的未来？宇宙的未来又是怎样的呢？这是我们需要继续弄明白的问题。]
（14）因为宇宙的膨胀是如此之均匀，所以人们可按照一个单独的数，即两个星系间的距离来描述它。[宇宙以多大的速度均匀地膨胀呢？作者说，按照“两个星系间的距离”可以求出宇宙的膨胀率。]现在这个距离在增大，但是人们预料不同星系之间的引力吸引正在降低这个膨胀率。如果宇宙的密度大于某个临界值，引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压，这和启始宇宙的大爆炸相当相似。[这是作者预言宇宙的第一种前途：“坍缩到一个大挤压”，回复到“启始宇宙的大爆炸”时的状态。宇宙正在膨胀，为什么会坍缩呢？作者说，如果宇宙的密度大于某个临界值，引力就会等于以至大于膨胀的张力，宇宙于是停止膨胀以至收缩。]大挤压是被称作奇性①的一个东西，是具有无限密度的状态，物理定律在这种状态下失效。（①奇性：也称“奇点”，指空间—时间曲率变得无穷大而形成的点。大爆炸宇宙学认为，宇宙起源于大爆炸，在大爆炸之前，宇宙是一个没有体积的“奇点”，时间和空间都不存在。奇，jī。）这就表明即便在大挤压之后存在事件，它们要发生什么也是不能预言的。但是若在事件之间不存在因果的连接，就没有合理的方法说一个事件发生于另一个事件之后。[作者说明什么是大挤压，指出大挤压之后会发生什么是不能预言的。为什么不能预言？因为宇宙与大挤压之后的事件没有任何因果联系。]也许人们可以说，我们的宇宙在大挤压处终结，而任何发生在“之后”的事件都是另一个相分离的宇宙的部分。[但是有人从因果联系的角度对大挤压之后进行预言，认为我们的宇宙在大挤压处终结后会成为另一个新的宇宙的一部分。]这有一点像是再投胎。如果有人声称一个新生的婴儿是和某一死者等同，如果该婴儿没从他的以前的生命遗传到任何特征或记忆，这种声称有什么意义呢？人们可以同样地讲，它是完全不同的个体。[作者认为，宇宙在大挤压处终结，终结就是死亡，再讨论“之后”怎么样，已毫无意义，因此，用所谓再投胎的说法作比喻，对其进行批驳。]
（15）如果宇宙的密度小于该临界值。它将不会坍缩，而会继续永远膨胀下去。其密度在一段时间后会变得如此之低，引力吸引对于减缓膨胀没有任何显著的效应。星系们会继续以恒常速度相互离开。[这是作者预言宇宙的第二种前途：不会坍缩，永远膨胀。前提是宇宙的密度小于某临界值，引力小于张力。]
（16）这样，对于宇宙的未来其关键问题在于：平均密度是多少？如果它比临界值小，宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大，宇宙就会坍缩，而时间本身就会在大挤压处终结。[在上述分析的基础上，作者得出预言宇宙未来的方法。宇宙的未来取决于平均密度，取决于某临界值。平均密度小于某临界值，宇宙就膨胀；平均密度大于某临界值，宇宙就会坍缩。因此，只要求出宇宙现在的平均密度和那个临界值，就可以知道宇宙未来的命运。]然而，我比其他的末日预言者更占便宜。即便宇宙将要坍缩，我可以满怀信心地预言，它至少在一百亿年内不会停止膨胀。我预料那时自己不会留在世上被证明是错的。[作者在这里强调科学预言和世界末日预言的本质区别。科学预言家和世界末日预言家都认定世界将有一个末日，但是世界末日预言家认定世界末日即将降临，人类面临灭顶之灾，科学预言家则认定宇宙“至少在一百亿年内不会停止膨胀”，人类不必惊慌。在这段文字里，作者说明了预言宇宙未来的科学方法，并且根据这个方法断言，宇宙至少在一百亿年之内不会停止膨胀。读到这里，我们自然会向作者询问：宇宙现在的平均密度是多少？有没有达到这个临界值？又有什么根据说宇宙至少在一百亿年之内不会停止膨胀？让我们研读下文，看看作者对这些问题是如何回答的。]
（17）我们可以从观测来估计宇宙的平均密度。如果我们计算能看得见的恒星并把它们的质量相加，我们得到的，不到临界值的百分之一左右。即使我们加上在宇宙中观测到的气体云的质量，它仍然只把总数加到临界值的百分之一。[说明宇宙中恒星和气体云，也就是所谓的明物质在宇宙中所占的密度，这个密度最多也只有临界值的百分之一。]然而，我们知道，宇宙还应该包含所谓的暗物质，即是我们不能直接观测到的东西。暗物质的一个证据来自于螺旋星系。存在恒星和气体的巨大的饼状聚合体。我们观测到它们围绕着自己的中心旋转。但是如果它们只包含我们观测到的恒星和气体，则旋转速率就高到足以把它们甩开。必须存在某种看不见的物质形式，其引力吸引足以把这些旋转的星系牢牢抓住。
（18）暗物质的另一个证据来自于星系团。我们观测到星系在整个空间中分布得不均匀，它们成团地集中在一起，其范围从几个星系直至几百个星系。假定这些星系互相吸引成一组从而形成这些星系团。然而，我们可以测量这些星系团中的个别星系的运动速度。我们发现其速度是如此之高，要不是引力吸引把星系抓到一起，这些星系团就会飞散开去。所需要的质量比所有星系总质量都要大得多。这是在这种情形下估算的，即我们认为星系已具有在它们旋转时把自己抓在一起的所需的质量。所以，在星系团中我们观测到的星系以外必须存在额外的暗物质。[以上列举两个事例,一个来自螺旋星系，一个来自星系团，作者根据星系动力学的原理，间接证明宇宙中确有暗物质的存在，而且推算出暗物质的质量远远超出明物质。因此，计算宇宙的平均密度必须考虑暗物质这个最重要的因素。那么，宇宙中的暗物质又有多少呢？]
（19）人们可以对我们具有确定证据的那些星系和星系团中的暗物质的量作一个相当可靠的估算。但是这个估算值仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右。这样，如果我们仅仅依据观测证据，则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。[作者在对宇宙中明物质和星系与星系团中暗物质的量进行了估算分析之后，预言宇宙将会继续无限地膨胀下去。读到这里，读者也许会问：星系与星系团在浩瀚的宇宙中只是极小的一部分，好比大海中的几个零星的岛屿，那么在茫茫的宇宙空间中这些无法证明的暗物质还有多少呢？把它们加起来宇宙的平均密度又是多少呢？我们如果无法求出宇宙的平均密度，还有其他方法证明宇宙永恒或者最终坍缩吗？于是作者生发开去，引出下面的一番议论。]再过50亿年左右，太阳将耗尽它的核燃料。它会肿胀成一颗所谓的红巨星①，直到它把地球和其他更邻近的行星都吞没。（①红巨星：光谱呈橙色、红色的巨星。它是在恒星演化过程中，由于内部核燃料的耗尽，热核反应的速率减弱，打破了引力与辐射压之间的平衡，恒星的外壳开始燃烧膨胀而形成的。）它最后会稳定成一颗只有几千英里尺度的白矮星①。（①白矮星：一类低光度、高温度、高密度的简并态恒性，是恒星演化的一种归宿。当恒星经过红巨星阶段损失大量质量后，剩下的质量若小于1.44个太阳质量，这颗恒星就演化成白矮星。）我正在预言世界的结局，但这还不是。这个预言还不至于使股票市场过于沮丧。前面还有一两个更紧迫的问题。无论如何，假定在太阳爆炸的时刻，我们还没有把自己毁灭的话，我们应该已经掌握了恒星际旅行的技术。[作者根据恒星演化的原理，首先预言太阳将于50亿年后毁灭，但是人类不一定毁灭，因为到了那个时候人类应该已经掌握了恒星际旅行的技术，早已搬迁到了其他的行星。]
（20）在大约100亿年以后，宇宙中大多数恒星都已把燃料耗尽。大约具有太阳质量的恒星不是变成白矮星就是变成中子星①，中子星比白矮星更小更紧致。(①中子星：恒星在核能耗尽后，经过引力坍缩，依靠简并中子的压力与引力平衡形成的星体。)具有更大质量的恒星会变成黑洞①。（①黑洞：一种特殊的天体，是时间—空间的一个区域。它的基本特征是有一个封闭的视界。由于引力过于强大，就连光也不能从中逃逸出来，所以黑洞是看不见的。）黑洞还更小，并且具有强到使光线都不能逃逸的引力场。然而，这些残留物仍然继续绕着银河系中心每一亿年转一圈。这些残余物的相撞会使一些被抛到星系外面去。余下的会渐渐地在中心附近更近的轨道上稳定下来，并且最终会集中一起，在星系的中心形成一颗巨大的黑洞。不管星系或星系团中的暗物质是什么，可以预料它们也会落进这些非常巨大的黑洞中去。[作者根据恒星演化的原理，继续预言其他恒星的命运。在大约100亿年以后，宇宙中大多数恒星都会毁灭，变成中子星、白矮星或者黑洞。这些恒星的残余物，有的在互相碰撞中被抛到星系外面去，有的最终聚集在星系中心形成一颗巨大的黑洞, 星系或星系团中的暗物质也都将落进这个黑洞。]
（21）因此可以假定，星系或星系团中的大部分物体最后在黑洞里终结。[作者说可以假定，星系演变到黑洞就是最后的终结。但是假如宇宙中所有的星系都真的因此而走到了尽头，宇宙还需要继续膨胀吗？黑洞真的再也没有变化了吗？于是作者在下文叙述自己最新的发现。]然而，我在若干年以前发现，黑洞并不像被描绘的那样黑。量子力学的不确定性原理①讲，粒子不可能同时具有定义很好的位置和定义很好的速度。（①量子力学的不确定性原理：即海森伯提出的测不准原理。它的量子力学意义是不能在同一个态中同时准确测量出粒子的位置和速度。海森伯，1901—1976年，德国物理学家。）粒子位置定义得越精确，则其速度就只能定义得越不精确，反之亦然。如果在一颗黑洞中有一颗粒子，它的位置在黑洞中被很好地定义，这意味着它的速度不能被精确地定义。所以粒子的速度就有可能超过光速，这就使得它能从黑洞逃逸出来，粒子和辐射就这么缓慢地从黑洞中泄漏出来。在一颗星系中心的巨大黑洞可有几百万英里的尺度。这样，在它之内的粒子的位置就具有很大的不确定性。因此，粒子速度的不确定性就很小，这表明一颗粒子要花非常长的时间才能逃离黑洞。但是它最终是要逃离的。[霍金曾经根据引力学原理解释说，黑洞是“空间──时间的一个区域，因为那儿的引力是如此之强，以至于任何东西，甚至光都不能从该处逃逸出来。”（《时间简史》一书所附《小辞典》）很明显，现在，霍金发展了这个观点。霍金根据量子力学的不确定性原理发现，黑洞中的粒子有可能超过光速，从黑洞中逃逸出来。这一发现对于宇宙来说有什么意义呢？请看作者的说明。]在一个星系中心的巨大黑洞可能花1090年的时间蒸发掉并完全消失，也就是“1”后面跟90个0。这比宇宙现在的年龄要长得多，它是1010年，也就是“1”后面跟10个0。如果宇宙要永远膨胀下去的话，仍然有大量的时间可供黑洞蒸发。[既然粒子可以从黑洞中逃逸出来，那就意味着黑洞“不黑”，黑洞的物质在不断地缓慢减少，最终会被“蒸发”。作者计算出星系中心的巨大黑洞要花1090年的时间才能完全蒸发，因此宇宙必须永远膨胀下去，才能“有大量的时间可供黑洞蒸发”。这样，作者就又从星系演化的角度证明了宇宙将会永远膨胀。]
（22）永远膨胀下去的宇宙的未来相当乏味。但是一点也不能肯定宇宙是否会永远膨胀。我们只有大约为使宇宙坍缩的需要密度十分之一的确定证据。然而，可能还有其他种类的暗物质，还未被我们探测到，它会使宇宙的平均密度达到或超过临界值，这种附加的暗物质必须位于星系或星系团之外。否则的话，我们就应觉察到了它对星系旋转或星系团中星系运动的效应。[宇宙真的会永远地膨胀下去吗？于是，作者又回到宇宙平均密度的问题上来，指出“一点也不能肯定宇宙是否会永远膨胀”。因为预言宇宙会无限地膨胀下去，是依据观察证据，宇宙中的明物质以及星系和星系团中暗物质只占临界密度的十分之一，但是星系和星系团之外有没有暗物质呢？这种附加的暗物质有没有使宇宙的平均密度达到或超过临界值呢？作者把他的研究又向前推进一步。]
（23）为什么我们应该认为，也许存在足够的暗物质，使宇宙最终坍缩呢？为什么我们不能只相信我们已有确定证据的物质呢？[作者说宇宙中不只是“已有确定证据的物质”，也许还存在足够的使宇宙最终坍缩的暗物质。为什么要这样认定呢？下面陈述理由。]其理由在于，哪怕宇宙现在只具有十分之一的临界密度，都需要不可思议地仔细选取初始的密度和膨胀率。如果在大爆炸后一秒钟宇宙的密度大了一万亿分之一，宇宙就会在十年后坍缩。另一方面，如果那时宇宙的密度小于同一个量，宇宙在大约十年后就变成基本上空无一物。[这是霍金宇宙学说的核心观点，即宇宙的命运取决于宇宙诞生时的初始条件，最初万万万亿分之一秒时间里发生的一切决定了宇宙的未来。如果这个初始密度偏大，宇宙很快就会坍缩，如果这个初始密度偏小，宇宙很快就会变得空无一物，既无星系与星系团，也无所谓的暗物质。总之，如果宇宙没有选择一个恰当的初始密度，就不会有我们现在的这个宇宙。这个观点很重要，它说明宇宙的平均密度是一个恒量，从宇宙的初始直至现在都没有变化。既然宇宙的平均密度不是一个变量，因此可以根据它预言宇宙的未来。那么，我们现在的宇宙选取的初始密度是多少，宇宙为什会选取这样的初始密度呢？]
（24）宇宙的初始密度为什么被这么仔细地选取呢？也许存在某种原因，使得宇宙必须刚好具有临界密度。看来可能存在两种解释。[作者认为宇宙仔细地选取的初始密度“刚好具有临界密度”。为什么会是这个样子呢？作者说，有两种不同的解释。]一种是所谓的人择原理，它可被重述如下：宇宙之所以是这种样子，是因为否则的话，我们就不会在这里观测它。其思想是，可能存在许多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近临界密度的能存活得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质。只有在那些宇宙中才有智慧生物去诘问这样的问题：密度为什么这么接近于临界密度？[这里概述了人择原理的基本观点。人择原理是根据因果关系推断，只有那些非常接近临界密度的宇宙才能存活足够久并包含足够形成恒星和行星的物质，才能出现有智慧的生命，反之，就不可能出现生命和人类。因此，我们现在生存的宇宙必定非常接近临界密度。]如果这就是宇宙现在密度的解释，则没有理由去相信宇宙包含有比我们已探测到的更多物质。十分之一的临界密度对于星系和恒星的形成已经足够。[但是，根据观察的证据，我们现在的宇宙中只有十分之一的临界密度。这个密度也足可以形成星系和恒星，足可以产生有智慧的生命，因此，作者说，根据人择原理可以认定，在我们的宇宙中，星系和星系团之外没有附加的暗物质。]
（25）然而，许多人不喜欢人择原理，因为它似乎太倚重于我们自身的存在。这样就有人对为何密度应这么接近于临界值寻求另外可能的解释。[这里指出人择原理的缺陷。人择原理虽然很吸引人，但是由于它是源于因果推理，是由果推因，从这个意义来说，人择原理与其说是科学原理，还不如说只是一种思辨而已。因此，有人寻求另外的解释。]这种探索导致极早期宇宙的暴涨理论。其思想是宇宙的尺度曾经不断地加倍过，正如在遭受极端通货膨胀的国家每隔几个月价格就加倍一样。然而，宇宙的暴涨更迅猛更极端得多：在一个微小的暴涨中尺度的至少一千亿亿亿倍的增加，会使宇宙这么接近于准确的临界密度，以至于现在仍然非常接近于临界密度。[这里概述了暴涨理论的基本观点。暴涨宇宙论认为，初始宇宙曾经发生过膨胀速度高到无法想象的超急剧膨胀，使宇宙“接近于准确的临界密度，以至于现在仍然非常接近于临界密度”。]这样，如果暴涨理论是正确的，宇宙就应包含足够的暗物质，使得密度达到临界值。这意味着，宇宙最终可能会坍缩，但是这个时间不会比迄今已经膨胀过的一百五十亿年左右长太多。[这是作者从暴涨理论推出的结论。根据暴涨理论，在星系和星系团之外就应该有足够的附加的暗物质，才使得密度达到临界值，于是宇宙最终可能会坍缩。在前面作者说：“我可以满怀信心地预言，它至少在一百亿年内不会停止膨胀”，在这里又说：坍缩的时间可能在150亿年之后，文章前后呼应。]
（26）现在小结如下：科学家相信宇宙受定义很好的定律制约，这些定律在原则上允许人们去预言将来。但是定律给出的运动通常是混沌的。这意味着初始状态的微小变化会导致后续行为的快速增大的改变。这样，人们在实际上经常只能对未来相当短的时间作准确的预言。[以上是对课文的第一部分，即第1—11自然段的小结。在这一部分里，作者说明对宇宙的未来是可以预言的，但又是很困难的，主要是因为对一个混沌的系统，只能对未来相当短的时间作准确的预报，不可能对其遥远的未来作准确的预报。而宇宙中星系、星系团的运动是混沌的，因此要预报宇宙的未来就非常困难。]然而，宇宙大尺度的行为似乎是简单的，而不是混沌的。所以，人们可以预言，宇宙将永远膨胀下去呢，还是最终将会坍缩。这要按照宇宙的现有密度而定。[这是对课文的第二部分，即第12—16自然段的小结。在这一部分里，作者通过对光谱红移现象，特别是宇宙微波背景辐射各向同性特征的分析，得出宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同，因此断定宇宙虽然“星系、星系团的运动是混沌的”，但“大尺度的行为似乎是简单的，而不是混沌的”，因此，我们可以预言宇宙遥远的未来。而宇宙是继续膨胀还是可能收缩，这取决于宇宙现有的平均密度。]事实上，现在密度似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区分开来的临界密度。如果暴涨理论是正确的，则宇宙实际上是处在刀锋上。[这是对课文第三部分，即第17—25自然段的小结。作者在这一部分里详尽地分析和讨论了宇宙现有的平均密度，根据观察证据计算，宇宙中星系、星系团以及其中的暗物质的量，只达到使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右，而这个密度恰好符合人择原理的要求，据此宇宙会继续无限地膨胀下去。但是根据暴涨宇宙理论分析，宇宙在星系和星系团之外的广大空间中还应该包含有足够的附加暗物质，使得宇宙的平均密度“似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区分开来的临界密度”，这样宇宙最终可能坍缩，宇宙现在正处在是继续膨胀还是开始坍缩这样一个危险的锋口上。]所以我正是继承那些巫师或预言者的良好传统，两方下赌注，以保万无一失。[这是作者的最后结论。宇宙是继续膨胀还是可能收缩，因为对宇宙中星系和星系团之外的暗物质没有办法计算，所以无法确定宇宙现有的平均密度。在这个问题没有研究清楚之前，科学家也不得不像巫师或近代世界末日预言家一样“两方下赌注，以保万无一失”。作者用这种幽默的语言自我解嘲，以示科学的无奈。]