核科学揭开了微观世界的神秘面纱，使我们能遨游在原子核及其组成的亚原子世界。同时，核科学的许多知识和研究方法又与宇宙学交叉在一起，将宇宙学带入了物理学的领地，开创了近代宇宙学的时代。人们朝着认识宇宙万物本源的方向又前进了一大步，让我们看到在宇宙巨大的尺度上借助于核科学表示的描述万物起源与其遵循的定律的壮观、优美和和谐。核科学也在与其他学科的交叉中不断地发展自己。

目前，现代宇宙学已经利用现代物理学尤其是核科学的成果，在爱因斯坦的广义相对论、质能等效定律以及量子力学的理论基础上，对宇宙的起源作了描述，这就是大爆炸理论，与已有的观测结果一致。但是对宇宙是否有一个开端，在宇宙起源的10-43秒之前现有的物理定律都失效的情况下，是否有一个有效的方法去描述它，至今还没有形成一致的看法。

要想预言宇宙的未来，更是一个复杂的问题。基于爱因斯坦的广义相对论的大爆炸理论至少存在以下四个重要问题未被解答。

（1）为何早期宇宙如此之热？

（2）为何宇宙在大尺度上如此一致？

（3）为何宇宙在介于坍缩和无限膨胀之间的速率中膨胀了100 亿年？

（4）为何宇宙在大尺度均匀的情况下又存在局部的无规性，如星系、诸星？

为了解释这些疑问，发展了诸多关于宇宙大爆炸早期的宇宙模型，如暴涨模型、新暴涨模型、紊乱暴涨模型等。

暴涨模型认为在早期宇宙可能存在过一个非常快速膨胀的时期，在远小于1s 的时间内，宇宙的半径增大了1030倍，在这样一种加速膨胀过程中，开始宇宙的任何不规则性都将被抹平，就像现在看到的宇宙在各方向的均匀一致的状态（可以用吹气球来比喻），而随后宇宙再由于引力的作用进入目前所处的缓慢减速膨胀的状态。至于为什么宇宙中会有那么多物质，暴涨模型也作出了解释。在宇宙开始时，总能量是等于零的，从爱因斯坦的质能公式中可知质能之间是可以转换的，因此，物质可以认为是由正能量构成的，物质之间由于质量而互相吸引，而把物质拉开的引力场则可以认为是一种负能量。所以在宇宙进入膨胀状态后，宇宙的体积加倍，此时正物质能与负引力能都加倍了，而宇宙的总能量却仍为零，因为零的加倍还是等于零。这样，用于制造粒子的总能量可以变得非常大，宇宙就这样从“一无所有”变成了如今的无边无垠的物质世界，有人把这称为“最彻底的免费午餐”是不无道理的，从某种意义上说宇宙是真正的 “无中生有”。

暴涨理论解释了部分宇宙开端的问题，下面介绍霍金量子引力论作出的解释。

英国著名物理学家史蒂芬·霍金证明了，在经典广义相对论的框架中，一般条件下，空间- 时间一定存在一个奇点，宇宙大爆炸处就是一个奇点，在奇点处，所有定律和可预见性都失效。奇点可以看成空间时间的边缘或边界。要预测宇宙的演化，必须要给出边界条件，而这个边界条件只能是宇宙外的造物主给出，这就是所谓的第一推动。而在大爆炸处引力场变得如此之强，以至于量子引力效应变得重要，经典广义相对论失效。如果将量子力学和引力结合在一起，就没有奇点，空间-时间就没有边界，就不需要上帝的第一推动了。

霍金提出：宇宙的量子态是处于一种基态，空间-时间可看成一有限但无界的四维面，正如地球表面一样，只不过多了两维。宇宙中的所有结构都可以用量子力学的测不准关系带来的起伏来解释，如恒星、星系的成团结构和大尺度的各向同性和均匀性的矛盾就变得可以理解了。霍金的量子宇宙论是一个自足的理论，原则上可以预测宇宙的一切。如果宇宙确实是自足的，没有边界或边缘，既没有开端也没有终结——它就是存在的。

霍金认为，他的贡献是：在经典物理的框架中，证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性，黑洞越变越大；在量子物理的框架中，黑洞因辐射而变得越来越小，大爆炸奇点不仅被量子效应抹平，而且整个宇宙正是起源于此。

人们期望有这样一种大统一理论，可以把制约自然界的4 种基本力统一起来，得到一个宇宙的终极理论，可以对已经观测到的天体现象作出合理解释，并可以预言宇宙的未来。

目前，已经建立了除了引力之外的其余3 种力的统一理论。在宇宙学中，制约引力的定律尤为重要。我们知道：虽然引力是自然界4 种力中最弱的一种，两个电子间的引力只有其电磁力的10-43 倍；但是引力是万有的，每一个粒子都因其质量或能量而感受到引力；引力又是长程的，而且总是吸引的。太阳和地球之间的引力使地球围绕太阳公转，就是因组成太阳和地球的所有粒子的微弱引力的叠加产生的。而其他3 种力则是短程的，或者吸引或者排斥，在大的尺度上或者等于零，或者吸引与排斥互相抵消而不产生效应。是引力的作用使得宇宙在大尺度上构造成形，广义相对论的时空弯曲也是由引力场的存在所致的，引力与广义相对论相关，而其余3 种力则基于量子力学。虽然现今量子引力理论还不是一个完整而协调的理论，但是它的一些特征已经显现出来，可以说霍金的工作对建立宇宙统一理论是一种推动。

如果建立了宇宙的终极理论，而且是统一的、其一般原理能为普通人所接受的，就能回答宇宙万物是从哪里来的，我们是从哪里来的问题。这将是人类理智和科学的胜利。

本文由刘四旦摘编自吴明红、王传珊编著《核科学技术的历史、发展与未来》一书“第六章 辐射的来源、危害及其防护”。略有改动。

978-7-03-045922-0

《核科学技术的历史、发展与未来》是关于核科学技术的导论性书籍，深入浅出地介绍了一个多世纪以来核科学技术的发展史、核科学的基础知识和核科学技术的应用，并展望了未来。全书共分十三章，内容涵括了核科学的基础知识，核能的利用，核科学技术与医学、材料、环境、宇宙学等学科的交叉，以及辐射加工、辐射防护、剂量学等内容，尤其介绍了蒙特卡罗方法及其在核科技领域的应用实例。本书还对反应堆、核电站、同步辐射、医用加速器等大型辐射设备的原理、构造、屏蔽、应用和发展前景作了介绍。本书在较为全面地介绍核科学技术过去、现状及未来的基础上，提供了大量翔实的材料，包括国内外最新技术成果，可供对核科学感兴趣的读者参阅。

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