宇宙的轮回

《第一推动·宇宙系列：宇宙的轮回》（2005）为我们理解目前公认的宇宙法则提供了一个赏心悦目的综合指南。在《第一推动·宇宙系列：宇宙的轮回》里，他又进了一步，提出崭新的宇宙学图景，为人们常问的“大爆炸之前发生了什么”，呈现了一个不可思议的回答。彭罗斯在《第一推动·宇宙系列：宇宙的轮回》说明了如何可以将我们加速膨胀宇宙的最终命运解读为一个新生的“大爆炸”。同时，彭罗斯没有用任何复杂的数学公式，详细讨论了很多基本要素和它们的作用，读者还能看到五花八门的标准或不标准的宇宙学模型，宇宙微波背景的基本而无所不在的作用。以及星系核心的巨大黑洞和它们最终通过神秘的霍金蒸发过程的消失。

罗杰·彭罗斯，是牛津大学的Rouse Ball数学讲席终身荣誉教授。他获得过许多奖项，包括1988年与斯蒂芬·霍金一道因对宇宙学做出的重大贡献而获得的沃尔夫物理奖。他的著作还有《皇帝新脑》（The Emperor’s New Mind）和《通向实在之路》（The Road to Reality）等。

引子
1 第二定律的秘密
1.1 热力学第二定律：永不停息的随机长征
1.2 熵，状态的数目
1.3 相空间和玻尔兹曼的熵
1.4 熵概念的刚强
1.5 勇往直前的熵
1.6 过去为什么不同？

2 奇异的大爆炸
2.1 我们膨胀的宇宙
2.2 无所不在的微波背景
2.3 时空，零锥，度规，共形几何
2.4 黑洞与时空奇点
2.5 共形图与共形边界
2.6 大爆炸特别在哪儿？

3 共形循环宇宙学
3.1 连接无限
3.2 CCC的结构
3.3 早期前大爆炸理论
3.4 调节第二定律
3.5 CCC与量子引力
3.6 观测的意义

00 引子
大雨滂沱，小河溅起水沫，打在汤姆的脸上，他眯缝着眼睛，看急湍的溪流从山间落下。“哇，它总是这样的吗？”他问普利西拉阿姨。阿姨是剑桥大学的天体物理教授，特意带他来看这个神奇的老水磨，那么古老，还能完美地运转。“难怪，那么老的机器还转那么快呢！”
“我看它不会老是那么有力的，”身边的阿姨说。她站在河边的栏杆后面，提高嗓音，压倒了水的喧嚣。“今天的水平常烈多了，因为雨多。你看那下面，好多水都从水磨流出来了。平常可不那样，水要平缓得多，水磨得好好利用它们。可现在呢，水的能量大了，超过了水磨的需要。”
汤姆对着狂野湍急的水盯了好一会儿，看到空中飞溅的朵朵水花和片片水雾，神往极了。“我能看见水里有好多能量，我知道几百年前人们就明白怎么用能量来驱动机器了——做很多人合力才能做的事情，织精美的毛衣。可是，原先从哪儿来那么多能量，才把水弄到山上去的呢？”
“太阳的热量让海水蒸发到空中，然后以雨水的形式降下来。所以，相当多的雨水会落到山上。”阿姨告诉他，“让水磨转动的，原是来自太阳的能量。”
汤姆有点儿疑惑。他经常为阿姨说的东西感到疑惑，而且老是喜欢怀疑。他看不出热量怎么就能把水升到空中。如果说周围全是热量，他怎么还感觉冷呢？“昨天是很热，”他勉强承认，“可那会儿和现在一样，我也没觉得太阳要把我弄上天啊。”
阿姨笑了。“不，不是那样的。太阳的热量是把能量给了海水的小分子。然后，那些分子四处乱跑，比平常快得多。有些‘热’分子跑得更快，能突破水面，跑到空中去。虽然跑出去的分子比例很小，可海洋那么大，所以总的说来还是有大量分子进入空气。那些分子形成云，然后通过降雨回到地面，有很多就落到山上。”
汤姆还是有点儿迷糊，不过雨总算小点儿了。“可是，我没觉得雨是热的呀。”
“是这样的，太阳的热量先转化为水分子的随机运动的能量，然后，动能使一小部分分子跑得很快，变成蒸汽进入空中。这些分子的能量变成所谓的引力势能。想想看，我们把一个球抛到空中，你使劲儿越大，球抛得越高。到达最高点时，球不再向上，它在那一点的动能全都转化成了相对于地面的引力势能。水分子的情形也是一样的。它们的动能——从太阳热量得到的——转化成在山顶的引力势能，然后，当水从山上冲下来时，又重新变成动能，驱动水磨。”
“所以那儿的水一点儿也不热？”汤姆问。
“是的，孩子。当水分子到达高空时，它们会慢下来，还会冻成冰晶——云主要就是这些冰晶组成的——所以能量变成了相对于地面的势能，而不是热运动的动能。于是，那儿的雨一点儿不热，下落时会被空气阻力减慢，落到地下时还很冷呢。”
“真有趣！”
“是啊，”阿姨看小孩有了兴趣，于是趁热打铁，补充说，“要知道，即使河里的冷水，每个分子也以很高的速度四处乱跑，它们包含的热量比从山上冲下来的湍急涡流还多呢！”
“天啊，是这样的，好像有点儿明白了。”
汤姆想了一会儿，起初有点儿疑惑，然后就被阿姨的话吸引了，兴奋地说：“我有了一个好主意！为什么不造一种特殊的水磨，直接利用平常湖水里的水分子动能呢？它可以用很多小小的风车，就像顶端有个小碗儿的风向标，不管风朝哪个方向吹，它都能转起来的。只是它在水里必须很小很小，水分子的速度才能使它转动，这样我们就可以用它转化水分子的动能来驱动各种机器了。”
“真是奇妙的想法，好孩子！遗憾的是，它不可能运行。那是因为有一个物理学的基本原理，叫热力学第二定律，它的大概意思是，随着时间的流逝，事情会变得越来越混乱无序。就我们这一点说，它告诉我们你不可能从热或者冷物体的随机运动获取有用的能量，就像你刚才说的那样。你的想法，我看有点儿像‘麦克斯韦小妖’。”
“你都没开始做！每当我有一个好想法，爷爷总叫我‘小妖’，我不喜欢。第二定律那东西，算不得好定律。”汤姆生气了，抱怨说。然后，他的怀疑天性又回来了：“我不知道是不是真敢相信它。”他接着说，“我想，那样的定律需要更清楚的思想来解释。不管怎么说，我想你说过，是太阳的热量加热了海水，是那些随机的动能使它到达山顶，也正是它转动水磨的。”
“你说的对。所以第二定律告诉我们，光凭太阳的热量还不行。为了能够运行，我们还需要较冷的高层大气，这样，水蒸气才能在山的上空凝结。其实啊，从整体说来，地球并没从太阳得到一分能量。”
汤姆一脸惊讶地看着阿姨。“跟冷大气有什么关系呢？‘冷’可不就是比‘热’的能量少吗？一点儿少能量有什么用呢？我不明白你说的话。不管怎么说，我看你有点儿自相矛盾。”汤姆越发自信了，“你先告诉我太阳能量转动水磨，现在又说太阳压根儿没给地球能量！”
“是啊，真的。假如太阳给了地球能量，地球就会变得越来越热。地球白天从太阳得到的能量，到晚上就都还给天空了，因为夜空是黑的——我想，大概只有一点儿回到地球，让全球变暖。这是因为，太阳是黑暗天空里的一个炽热的亮点……”
汤姆越听越迷糊，不知阿姨说什么，开始走神了。又听阿姨说，“……所以呀，正因为太阳能量有那么明显的组织性，我们才觉得第二定律处在困境中。”
汤姆一脸茫然地看着阿姨，说，“我想我没听懂你说的，我也不明白为什么要相信‘第二定律’的东西。不管怎么说，太阳的组织从哪儿来呢？你的第二定律本该告诉我们太阳会越变越混乱，所以它刚形成时一定是高度组织的，因为它一直在失去它的组织。你的‘第二定律’说它的组织在不断丢失。”
“这是因为太阳是黑暗天空里的一个热点，温度的极端悬殊生成了我们的组织。”
汤姆盯着阿姨，有点儿明白了，但还是不大相信她说的话。“你说那就是组织，好吧，可我不明白为什么那样。退一步说，就算假定是那样的——可你还是没告诉我那种可笑的组织到底是从哪儿来的。”
“来自形成太阳的气体呀，那些气体原先是均匀分布的，然后引力使它聚集成团，凝结成星体。很久很久以前，太阳就是这样形成的；它从原先分散的气体收缩而来，在收缩的过程种变得越来越热。”
“你老是往过去说，说得滔滔不绝，可你说的‘组织’，不管它是什么，最初是从哪儿来的呢？”
“最初来自大爆炸，正个宇宙都是从这个剧烈的大爆炸开始的。”
“爆炸那玩意儿可不像什么有组织的东西，我还是不懂。”
“很多人都不懂！你只是其中的一个。没人真的懂。组织从哪儿来，大爆炸凭什么代表组织，都是宇宙学的大难题。”
“也许在大爆炸之前还有更具组织性的东西？组织也许从那儿来？”
“真有人那么想过。有理论说，我们现在膨胀的宇宙以前有个坍缩的时期，然后‘反弹’成我们的大爆炸。也有理论说，前期宇宙的一小部分坍缩成我们所说的黑洞，然后它们‘反弹’，变成大量新膨胀宇宙的种子。还有理论说，新宇宙是从‘伪真空’里生出来的……”
“我看那简直是疯了。”汤姆说。
“是啊，不过，我最近还听说有一个理论……”
……

装　　帧：平装

页　　数：330

开　　本：32开

纸　　张：胶版纸