4．重返无限的宇宙

宇宙是有限的还是无限的？这在宇宙学史中一直是争论不休的问题。庄子讲：“有始也者，有未始有始也者，有未始有夫未始有始也者”指出时间的无限性。战国惠施曰“至大无外，谓之大一，至小无内，谓之小一”，指出了空间的无限性。然而在现代宇宙学诞生之前，有限、无限存在着解决不了的困难。张衡认识到有限的困难，无可奈何地讲“过此而往者，未之或知也”。杨慎也叹呼：“天有极乎，极之外何物也？天无极乎，凡有形必有极”，这里极指的是边界。西方人也遇到同样的挑战，德国诗人海涅在诗中竟言：“对这个问题，一个白痴才会期望有一个回答”。奥勃斯提出：如果天体在宇宙空间分布均匀，则星星数目n与距地球径向距离r的平方成正比，又星光至地面亮度I与r之平方成反比，于是地面收到总的光亮度是与星星距地球远近无关的恒量，如果宇宙无限，则夜晚星空应如同白昼一样。导致人们无法摆脱困境的根源是，大家认同一个准则：有限必有界，有界必有限；无限必无界，无界必无限。是否有一个有限而无界的空间呢，现代宇宙学提供了这样的几何，我们前面介绍标准宇宙学时，已给了这种模式，在三维空间中的二维球面就是一个有限无界的几何，真实的宇宙也是一个四维时空中的三维超球面，它也是有限无界的。必须指出，标准宇宙模型框架内只是解决了可以存在有限无界的空间，而我们生活的宇宙到底是无限（平直、负弯曲）还是有限（正弯曲）仍需进一步判断。尽管暗物质在宇宙中的存在尚需多方证实，多数科学家倾向于宇宙是正弯曲的。即宇宙是有限封闭的。不过，问题到此并没有结束，20世纪90年代，美宇宙学家林德提出了自复制暴涨宇宙模型，依照这个模型，宇宙开始处在一个真空势中，由于量子起伏，产生扰动波，真空势场Ø能使宇宙膨胀，且Ø愈大，膨胀愈激烈，扰动波在传播过程中，由于空间膨胀而波长被放大，频率下降以至被冻结，即不再传播，于是在波峰处加强了该处的Ø场值，新的量子扰动不断发生，这样在空间有可能存在这样一些暴涨点，尽管它极其罕见，在那里每次冻结的扰动波都正好是波峰处，所以它的Ø值特别大，形成了一个空间的突发生长点。按照林德的模式，每个生长点产生暴涨，生长出新的空间，新的空间在量子扰动下又会产生下一代的生长点，如此演化下去，时空就像树生枝一样，长成一颗巨大的时空树。我们生活的宇宙也许就是在这颗巨大时空树上某个细叉上，而整体的时空宇宙是一个可以无限生长下去的无限宇宙。从这种意义上讲，宇宙从标准宇宙学的有限又重返无限的空间。

20世纪80年代中期，在粒子物理中，一个称之为超弦的理论占了主导地位，过去用无大小的点去描述粒子在高能条件有许多困难，超弦理论则将粒子看成是能量的线或环，称为弦。超是说明其特有的对称性，使其能统一描述物质与辐射场。基本粒子是一个小小的环，环像橡皮筋在一定温度下具有某种张力，张力很强，低温下，小环在张力下收缩为近乎于点，所以在低能低温下弦与点几无二致。但在高温下，点与环的差异就表现出来了，高温下点模型有克服不了的困难，特别是不可能把引力与其他几种力统一起来，而超弦却非常出色，几乎粒子物理所有观测的性质都可以用超弦理论计算出来，一切都妙不可言，但存在一个问题就是超弦理论要求空间维数远大于三，而我们现今的宇宙空间却是三维的，于是人们寻找一个方案，在宇宙早期，高能时期空间是高维即9或25维，以后多于三维的那些六维或二十二维被紧致了，即多余维只有普朗克长度的量级（10^-33cm），今天，我们已无法感知到。要感知这些小维空间需要极高能量的粒子，以至高到我们在实验室中都无法实现。也有可能大维不只是三维，可以随机性，甚至宇宙中不同区域有不同维空间相邻接。但是，大维超过了三，就不可能有稳定的原子，且会出现偶数维的波混响，不同时刻发出的波可同时到达，非三的奇维空间中，波信号都将畸变，这些由粒子物理导出的结论，使我们无限的宇宙又增加了更加神秘的色彩。