宇宙的輪迴（簡體書）

《第一推動·宇宙系列：宇宙的輪回》（2005）為我們理解目前公認的宇宙法則提供了一個賞心悅目的綜合指南。在《第一推動·宇宙系列：宇宙的輪回》里，他又進了一步，提出嶄新的宇宙學圖景，為人們常問的“大爆炸之前發生了什么”，呈現了一個不可思議的回答。彭羅斯在《第一推動·宇宙系列：宇宙的輪回》說明了如何可以將我們加速膨脹宇宙的最終命運解讀為一個新生的“大爆炸”。同時，彭羅斯沒有用任何復雜的數學公式，詳細討論了很多基本要素和它們的作用，讀者還能看到五花八門的標準或不標準的宇宙學模型，宇宙微波背景的基本而無所不在的作用。以及星系核心的巨大黑洞和它們最終通過神秘的霍金蒸發過程的消失。

羅杰·彭羅斯，是牛津大學的Rouse Ball數學講席終身榮譽教授。他獲得過許多獎項，包括1988年與斯蒂芬·霍金一道因對宇宙學做出的重大貢獻而獲得的沃爾夫物理獎。他的著作還有《皇帝新腦》（The Emperor’s New Mind）和《通向實在之路》（The Road to Reality）等。

引子
1 第二定律的秘密
1.1 熱力學第二定律：永不停息的隨機長征
1.2 熵，狀態的數目
1.3 相空間和玻爾茲曼的熵
1.4 熵概念的剛強
1.5 勇往直前的熵
1.6 過去為什么不同？

2 奇異的大爆炸
2.1 我們膨脹的宇宙
2.2 無所不在的微波背景
2.3 時空，零錐，度規，共形幾何
2.4 黑洞與時空奇點
2.5 共形圖與共形邊界
2.6 大爆炸特別在哪兒？

3 共形循環宇宙學
3.1 連接無限
3.2 CCC的結構
3.3 早期前大爆炸理論
3.4 調節第二定律
3.5 CCC與量子引力
3.6 觀測的意義

00 引子
大雨滂沱，小河濺起水沫，打在湯姆的臉上，他瞇縫著眼睛，看急湍的溪流從山間落下。“哇，它總是這樣的嗎？”他問普利西拉阿姨。阿姨是劍橋大學的天體物理教授，特意帶他來看這個神奇的老水磨，那么古老，還能完美地運轉。“難怪，那么老的機器還轉那么快呢！”
“我看它不會老是那么有力的，”身邊的阿姨說。她站在河邊的欄桿后面，提高嗓音，壓倒了水的喧囂。“今天的水平常烈多了，因為雨多。你看那下面，好多水都從水磨流出來了。平常可不那樣，水要平緩得多，水磨得好好利用它們。可現在呢，水的能量大了，超過了水磨的需要。”
湯姆對著狂野湍急的水盯了好一會兒，看到空中飛濺的朵朵水花和片片水霧，神往極了。“我能看見水里有好多能量，我知道幾百年前人們就明白怎么用能量來驅動機器了——做很多人合力才能做的事情，織精美的毛衣。可是，原先從哪兒來那么多能量，才把水弄到山上去的呢？”
“太陽的熱量讓海水蒸發到空中，然后以雨水的形式降下來。所以，相當多的雨水會落到山上。”阿姨告訴他，“讓水磨轉動的，原是來自太陽的能量。”
湯姆有點兒疑惑。他經常為阿姨說的東西感到疑惑，而且老是喜歡懷疑。他看不出熱量怎么就能把水升到空中。如果說周圍全是熱量，他怎么還感覺冷呢？“昨天是很熱，”他勉強承認，“可那會兒和現在一樣，我也沒覺得太陽要把我弄上天啊。”
阿姨笑了。“不，不是那樣的。太陽的熱量是把能量給了海水的小分子。然后，那些分子四處亂跑，比平常快得多。有些‘熱’分子跑得更快，能突破水面，跑到空中去。雖然跑出去的分子比例很小，可海洋那么大，所以總的說來還是有大量分子進入空氣。那些分子形成云，然后通過降雨回到地面，有很多就落到山上。”
湯姆還是有點兒迷糊，不過雨總算小點兒了。“可是，我沒覺得雨是熱的呀。”
“是這樣的，太陽的熱量先轉化為水分子的隨機運動的能量，然后，動能使一小部分分子跑得很快，變成蒸汽進入空中。這些分子的能量變成所謂的引力勢能。想想看，我們把一個球拋到空中，你使勁兒越大，球拋得越高。到達最高點時，球不再向上，它在那一點的動能全都轉化成了相對于地面的引力勢能。水分子的情形也是一樣的。它們的動能——從太陽熱量得到的——轉化成在山頂的引力勢能，然后，當水從山上沖下來時，又重新變成動能，驅動水磨。”
“所以那兒的水一點兒也不熱？”湯姆問。
“是的，孩子。當水分子到達高空時，它們會慢下來，還會凍成冰晶——云主要就是這些冰晶組成的——所以能量變成了相對于地面的勢能，而不是熱運動的動能。于是，那兒的雨一點兒不熱，下落時會被空氣阻力減慢，落到地下時還很冷呢。”
“真有趣！”
“是啊，”阿姨看小孩有了興趣，于是趁熱打鐵，補充說，“要知道，即使河里的冷水，每個分子也以很高的速度四處亂跑，它們包含的熱量比從山上沖下來的湍急渦流還多呢！”
“天啊，是這樣的，好像有點兒明白了。”
湯姆想了一會兒，起初有點兒疑惑，然后就被阿姨的話吸引了，興奮地說：“我有了一個好主意！為什么不造一種特殊的水磨，直接利用平常湖水里的水分子動能呢？它可以用很多小小的風車，就像頂端有個小碗兒的風向標，不管風朝哪個方向吹，它都能轉起來的。只是它在水里必須很小很小，水分子的速度才能使它轉動，這樣我們就可以用它轉化水分子的動能來驅動各種機器了。”
“真是奇妙的想法，好孩子！遺憾的是，它不可能運行。那是因為有一個物理學的基本原理，叫熱力學第二定律，它的大概意思是，隨著時間的流逝，事情會變得越來越混亂無序。就我們這一點說，它告訴我們你不可能從熱或者冷物體的隨機運動獲取有用的能量，就像你剛才說的那樣。你的想法，我看有點兒像‘麥克斯韋小妖’。”
“你都沒開始做！每當我有一個好想法，爺爺總叫我‘小妖’，我不喜歡。第二定律那東西，算不得好定律。”湯姆生氣了，抱怨說。然后，他的懷疑天性又回來了：“我不知道是不是真敢相信它。”他接著說，“我想，那樣的定律需要更清楚的思想來解釋。不管怎么說，我想你說過，是太陽的熱量加熱了海水，是那些隨機的動能使它到達山頂，也正是它轉動水磨的。”
“你說的對。所以第二定律告訴我們，光憑太陽的熱量還不行。為了能夠運行，我們還需要較冷的高層大氣，這樣，水蒸氣才能在山的上空凝結。其實啊，從整體說來，地球并沒從太陽得到一分能量。”
湯姆一臉驚訝地看著阿姨。“跟冷大氣有什么關系呢？‘冷’可不就是比‘熱’的能量少嗎？一點兒少能量有什么用呢？我不明白你說的話。不管怎么說，我看你有點兒自相矛盾。”湯姆越發自信了，“你先告訴我太陽能量轉動水磨，現在又說太陽壓根兒沒給地球能量！”
“是啊，真的。假如太陽給了地球能量，地球就會變得越來越熱。地球白天從太陽得到的能量，到晚上就都還給天空了，因為夜空是黑的——我想，大概只有一點兒回到地球，讓全球變暖。這是因為，太陽是黑暗天空里的一個熾熱的亮點……”
湯姆越聽越迷糊，不知阿姨說什么，開始走神了。又聽阿姨說，“……所以呀，正因為太陽能量有那么明顯的組織性，我們才覺得第二定律處在困境中。”
湯姆一臉茫然地看著阿姨，說，“我想我沒聽懂你說的，我也不明白為什么要相信‘第二定律’的東西。不管怎么說，太陽的組織從哪兒來呢？你的第二定律本該告訴我們太陽會越變越混亂，所以它剛形成時一定是高度組織的，因為它一直在失去它的組織。你的‘第二定律’說它的組織在不斷丟失。”
“這是因為太陽是黑暗天空里的一個熱點，溫度的極端懸殊生成了我們的組織。”
湯姆盯著阿姨，有點兒明白了，但還是不大相信她說的話。“你說那就是組織，好吧，可我不明白為什么那樣。退一步說，就算假定是那樣的——可你還是沒告訴我那種可笑的組織到底是從哪兒來的。”
“來自形成太陽的氣體呀，那些氣體原先是均勻分布的，然后引力使它聚集成團，凝結成星體。很久很久以前，太陽就是這樣形成的；它從原先分散的氣體收縮而來，在收縮的過程種變得越來越熱。”
“你老是往過去說，說得滔滔不絕，可你說的‘組織’，不管它是什么，最初是從哪兒來的呢？”
“最初來自大爆炸，正個宇宙都是從這個劇烈的大爆炸開始的。”
“爆炸那玩意兒可不像什么有組織的東西，我還是不懂。”
“很多人都不懂！你只是其中的一個。沒人真的懂。組織從哪兒來，大爆炸憑什么代表組織，都是宇宙學的大難題。”
“也許在大爆炸之前還有更具組織性的東西？組織也許從那兒來？”
“真有人那么想過。有理論說，我們現在膨脹的宇宙以前有個坍縮的時期，然后‘反彈’成我們的大爆炸。也有理論說，前期宇宙的一小部分坍縮成我們所說的黑洞，然后它們‘反彈’，變成大量新膨脹宇宙的種子。還有理論說，新宇宙是從‘偽真空’里生出來的……”
“我看那簡直是瘋了。”湯姆說。
“是啊，不過，我最近還聽說有一個理論……”
……