（作者：保罗·戴维斯，澳大利亚物理学家，科普作家）
起初上帝创造天地。——《创世记》第1章第1节
但当时没有人在现场看。——斯蒂芬·温伯格《量初的三分钟》
有天地创生这回事吗？假如有，那又是什么时候发生的？原因是什么？存在之谜最深奥，最难猜。大多数宗教都有涉及万物如何起始的说法，现代科学也有。在本书中，我将借助宇宙学的新近发现来猜测这创生之谜。本章讨论的就是宇宙总体的起源。有人用“宇宙”（universe）这个词来表示太阳系或银河系。但我将按“一切物理性的存在的东西”这一较为常规的意义使用“宇宙”一词，我所说的宇宙是散布在一切星系之中、之间的一切物质，一切形式的能量，一切非物质的东西如黑洞、引力波以及一切延伸向无限（假如果真如此的话）的空间。有时，我将用“世界”（world）来指上述的一切。
任何声称对物质世界提供某种理解的思想体系都必定要对世界的起源说一些话。在最基本点上，有两种泾渭分明的说法。宇宙要么是一直存在着（以这样或那样的形式）；要么就有起始，多少有些突然地起始于过去某一特定的时刻。这两种说法长久以来一直困扰着神学家、哲学家、科学家，而且这两种说法对普通人来说也明显地难以理解。
假如说宇宙在时间上没有起源，就是说宇宙一直存在，那么，宇宙的年龄就是无穷大的了。无穷大这个概念让许多人眩晕。假如早已有了无穷多的事件，为什么我们发现我们自己是生活在现在这一时刻？难道宇宙在永恒的时间里一直是静止的，只是到了相对晚近的时候才突然活动起来？或者，在永恒的时间里，一直存在着某种活动？另一方面，假如说宇宙是有起始的，那么就是承认了宇宙是突然从虚无中生出来的。这似乎暗示着有一个最初的事件。假如真是有，那最初事件的起因又是什么？这样的问题还有意义吗？
许多思想家面对这些问题畏缩不前，转而去寻求科学的证据。科学在宇宙起源的问题上能告诉我们些什么？
如今，大多数宇宙学家和天文学家都支持约在180亿年前确有天地创生的理论。当时，物质的宇宙在一场可怕的爆炸中产生了。那场爆炸就是现在人人皆知的“大爆炸”。“大爆炸”理论是很惊人的，但这一理论得到许多证据的支持。人们接受该理论的所有细节也好，不接受也好，其中的关键假说，即过去有某种创生的假说，从科学的观点来看是有力的。该理论之所以看上去令人信服，其直接理由来自热力学第二定律这一已知的物理学中最为普遍的定律所包含的庞大科学证据。就其最广泛的意义而言，热力学第二定律认为宇宙的无序程度与日俱增。宇宙在缓慢地、但却是无可挽回地坠人混沌。热力学第二定律的例子到处都是——建筑物倒塌，人变老，山脉跟海岸线受侵蚀，自然资源被消耗。
假如一切自然的活动都导致了更多的无序（以某种适当的方式测量出来的），那么，世界就一定是在不可逆转地变化，因为要使宇宙回到昨日的状态，就意味着把无序降低到先前的水平上，而这一点又是跟热力学第二定律不相容的。然而，乍一看，世上似乎很有些第二定律的反例。新建筑起来了，新结构生长了。难道每一个新生的婴孩不都是无序中生出有序的例子吗？
在这些例子中，你得注意你所观察的是整个系统，而不仅仅是你所关心的事。在宇宙某一区域的有序增加，总是以另一处无序的增加为代价的。就以建筑一幢新大楼为例吧。建筑所用的材料不可避免地消耗了世界的资源，同时，在建筑的过程中耗用的能源也是不可回收的。做一下结算，就会发现总是无序为多。
物理学家们已发明了一个叫作熵的数学量来给无序定量。很多精心的实验也证明，一个系统中的总体的熵从来不会减少。假如一系统与其环境隔离开了，那么，该系统内的任何变化都会无情地使熵值增大，最后达到大到不能再大的程度。从此以后，就不会再有任何变化，整个系统就会达到一种热力平衡的状态。一个装有混合化学物质的匣子便是个好例。各种化学物质发生反应，或许由此产生一些热，各种物质改变它们的分子形式。诸如此类的一切变化都增加了匣内的熵。最后，匣中的物质取得了它们最终的化学形式，彼此的温度也一致了，于是，也就不会再有什么变化了。要想把最后的生成物还原到先前的状态也不是不可能，但这就得把匣子打开，再耗用能量和物质以便让已发生过的变化再变回去。这个操作过程的确会降低匣内的熵，但同时会产生更多的熵。
假如说宇宙真有一个有限的有序量，而且是在不可逆转地向着无序变化，最后达到热力学平衡，那么，就可以立即得出两个很重要的推论。推论一是，宇宙最终将会死去，消沉在它自己的熵里。这个推理，物理学家们称之为宇宙的“热死”。推论二是，宇宙不可能已有无限的过去，假如真有，那么宇宙就会在无限远的时间以前早就达到了最终的平衡状态。结论：宇宙并非过去一直存在。
我们在周围一切习见的系统中就可以看到热力学第二定律的作用。例如地球就不可能有无限的过去；假若有的话，那它的内核早该凉下来了。根据放射研究，地球的年龄可确定为45亿年。这跟月球以及各种陨石的年龄差不多。
而太阳则肯定不会热热闹闹地一直燃烧下去的。它的燃料储备年年在减少，故而最后它会变凉、变暗。反过来推理，则太阳肯定只是在一段有限的时间以前才燃着的，因为它没有无限的能源。根据估算，太阳的年龄只是比地球的稍大一点儿。这估算与目前认为太阳系当初是作为一个单独的单位形成的这一类理论很符合。然而，太阳系只是宇宙的一个小山的组成部分。只是根据地球与太阳的情况就得出概括宇宙的结论也未免鲁莽。但太阳的确是一颗典型的恒星，光是我们所在的星系里就有成百亿其他的恒星，它们的生命史可供天文学家们研究。现存的恒星都各自处于其演化史上的不同阶段，这就使我们能够勾勒出恒星的诞生、演化、死亡的详细图画。
恒星与行星一道形成，形成的原因是，星际间主要由氢构成的大块稀薄的气云在缓慢地收缩，分裂。今天，要想找到星系中哪些区域有恒星正在诞生是很容易的。这样的区域之一是猎户星云，肉眼就看得见。恒星并非是一下子形成的。例如，我们的太阳现在约50亿岁，然而，它的年龄充其量至多只是银河系中最老的恒星的一半。而太阳系的形成可以看作是银河系中发生了几百亿次的一个持续不断的过程所得出的一个结果而已，而这个过程将持续下去。于是，我们似乎可以说，就恒星和行星的形成而言，是谈不上什么创生的，不过是某种宇宙装配线不断地把原料（氢、氦以及很少的重元素）装配成恒星、行星罢了。
就算是一批恒星在不断地燃尽，另一批恒星又不断地形成并取而代之，难道这生生灭灭的循环从无限远的过去就一直是这么周而复始直至今日的吗？不。热力学第二定律告诉我们，不会有这种周而复始以至无穷的循环。恒星燃尽的物质永远也不会完全进入再循环。燃烧所用的能量，以星光的形式消散在太空里，要在太空中发散几百亿年。还有一些恒星的物质进入了黑洞，再也出不来了。
那种认为整个宇宙系统并非一直就是这么循环往复的观点，还有一个更为直接的理由。艾萨克·牛顿这位现代科学的奠基人之一证实，引力是一种普遍的力，作用于宇宙中一切物体之间。每个恒星，每个星系，都因引力而互相靠近。因为天体是在太空中自由漂浮的，看来它们没有任何理由不因这无所不在的引力而会聚在一起。在太阳系里，众行星因引力塌向太阳的事之所以没有发生是因为有离心力——各个行星都在绕太阳旋转。同样，银河系也在旋转。但现在我们还没有证据证明整个宇宙也在旋转。各个星系显然不能永远挂在太空中，所以，宇宙也不可能永远是目前这个样子。
尽管这个宇宙之谜自牛顿以来就被意识到了，但只是到了20世纪20年代才发现了它的解答。美国天文学家埃德温·哈勃发现，各个星系不是在相聚，而是在以很高的速度相离。哈勃注意到，各星系的光在颜色上稍稍有些异常（用术语来说就是“红移”），这说明各个星系在急速倒退。因为光是由不同的光波组成的，因此，一个移动的光源能将光波拉长或缩短，正如一辆行进中的车辆会把它发出的声波拉大或缩短一样。一辆汽车的发动机的声音或一列火车的汽笛声，在该汽车或火车急速开过我们身边时，其音高会降低很多。这里，只要把“音高”代换成“颜色”，就得到了哈勃红移。只是这里所说的各行星的退行速度比汽车或火车速度大得多。遥远的星系每秒退行成千上万英里。
哈勃的发现有时被人给以错误的解释，被认为是说明了我们所在的星系是众星系的中心，其他所有的星系都在飞离我们。这种看法是错误的。因为离我们远的星系退行速度要比近处的星系退行速度大，因而远处和近处的星系彼此间的距离也在扩大，所以，事实上每一个星系都在脱离其他的星系。这就是有名的“宇宙膨胀”。无论你从宇宙中的哪个位置上观察，星系扩散的图式看上去都是很一致的。
宇宙膨胀的概念与现代人关于空间、时间、运动本质的思想十分吻合。阿尔伯特·爱因斯坦在科学界中地位之高，有如圣保罗在基督徒中的地位，他那让人绞尽脑汁方能理解的相对论，极大地改变了我们对时空及运动的看法。尽管爱因斯坦的空间弯曲及时间弯曲的概念，耗时60年才进入普通大众的想象之中，物理学家们却早就接过他的时空弯曲的概念来解释引力了。
引力为一切大规模的宇宙现象提供了动力。在天文尺寸的物体中，引力要比其他的力如磁力、静电力大得多。形成星系并控制星系间的运动的，是引力。要解释宇宙的膨胀，引力就是关键。
爱因斯坦令人信服地说明，引力使空间、时间伸长或扭曲，而且这可以通过观察太阳的引力使擦过其表面的星光弯曲这一现象得到直接的验证。从地球上看，太阳背后的天空有很小的但是是明显的弯曲。时间的弯曲也可以得到证明，最直接的证明就是让钟表在空间飞行。时间在没有引力的环境中要比在地球的表面走得快。
假如太阳能拉长空间，那么，星系也能。因为星系是由很多太阳一样的恒星组成的。因而，天文学家们认为星系不是在空间中离散，而是星系间的空间在伸长。假如星系间的空间在“膨胀”，那么，每个星系的活动余地都在逐日增大。这就是说，宇宙在扩展，却不必扩展到某种外部的真空之中。
既然很多人觉得时空伸缩的概念难懂，我们就先把这些难懂的概念搁置一会儿。很明显的事是，既然宇宙在越变越大，那它以前一定要比现在小。假如过去一直就是目前这样的膨胀速度，那么，200亿或300亿年前，整个可以观测到的宇宙就会蜷缩进一个令我们感到十分陌生的小球中，在其中我们认不出任何天体。事实上，天文学家们已经发现，宇宙膨胀的速度正在变小，这就是说，那种高度压缩的状态事实上是在更早些时候发生的，距今大约是150或200亿年前（可与太阳的年龄——50亿年——做一比较）。因为当初的膨胀速度比现在的大得多，所以，星系离散在早期的时候，就像是场爆炸，而不是慢吞吞的膨胀。
有时人们说，我们今天所认识的宇宙当初是由于一种原初的“卵”发生爆炸而形成的。各星系都是当初爆炸的碎片，这些碎片现在仍在空间飞扬。这幅图景颇能反映一些真实的情况。但有时也会使人误入歧途。那个爆炸的东西之所以曾处于收缩状态，是因为空间处于收缩状态。那种认为“卵”是包裹在真空中的想法是错误的。卵有壳、有核。然而，天文学家们则认为，宇宙既没有边或壳，也没有任何具有特权的中心。
我们现在算是跟“无限”这个微妙的问题缠上了。对那些疏忽的人来说，这个问题充满了陷阱。这个问题不但对于讨论膨胀的宇宙来说很重要，而且对科学和宗教这一类更为广泛的问题来说也是很重要的，因此，偏离一下我们的主题，讲一讲这个问题还是值得的。
科学家们长久以来就认识到，需要将他们关于无限的一切思考都建立在严格推导的数学步骤上，因为测量无限会导致各种各样的佯谬。例如，我们可以想想伊利亚的芝诺（公元前5世纪）提出的有名的“兔子和乌龟”的佯谬。在一次赛跑比赛中，乌龟开始领先，但兔子跑得快，很快就追上了乌龟。显然，在赛跑过程中的每一时刻，兔子和乌龟都各自处在一个位置上。因为两者都跑一段相同的时间——即时刻的数目相同——所以，按理说，它们通过的地段是相同的。但是，兔子要想追上乌龟，就必须在相同的时间里跑更远的距离，于是就要通过更多的地段。那么，兔子怎么能追上乌龟呢？
这个佯谬是归于芝诺名下的几个佯谬之一。要想求得这个佯谬的解答，就得仔细地陈述无限的概念。假如时间和空间是无限可分的，那么，兔子和乌龟就要跑无限段的时间、空间，在这里，“无限”的关键是，无限的一部分与无限的整体是一样的。尽管乌龟跑过的路要比兔子的短，可乌龟跑过的路段仍是与兔子的一样多（即无限），但我们知道，兔子不但跑过了乌龟跑过的路段，而且还跑了更多的路段！
研究无限的问题，就会弄出很多这一类令人吃惊的事来。数学家们花了许多个世纪进行逻辑论证，以便全面理解正确处理无限问题的规则。奇特的是，世上的无限不止一种。有东西的无限，可用整数代表（1，2，3，……，无穷大），还有一种更大的无限，用全部的整数都不足以表达出来。
说到几何学，人的直觉能把人搞得很迷糊。就以包围着一块给定面积的土地的篱笆为例吧。很容易看出，在面积已定的情况下，细长条形的土地需要的篱笆要多于正方形的土地。圆形土地需要的篱笆最少。但是，这块面积已定的土地周边到底能有多长？图1是一形状奇特的周边，是一次次地在三角形上再开三角形造成的。每开一次三角形，篱笆的周边都增长一些，它所圈的面积都要增多一点。但那周边永远也不会伸到外接圆之外去，所以，它所圈的面积永远是有限的。然而，随着在周边上开三角的次数的增多，周边就可以无限延长。这样，我们就能够想象，一无限长的篱笆围着一块面积有限的土地。
人学网·宇宙探索栏目责编：自然子
