引言

   我想嘗試通過這一系列講座，來闡明我們所認(rèn)識(shí)的宇宙史之基本輪廓，從大爆炸到黑洞。在第一講中我將簡(jiǎn)要回顧過去年代中有關(guān)宇宙的若干觀念，以及如何取得目前的宇宙圖像。您也許可以把這稱為宇宙史的歷史。
   在第二講中我要說明的問題是，如何從牛頓和愛因斯坦的兩種引力理論推斷，宇宙不可能是靜態(tài)的；它只能處于膨脹或收縮之中，兩者必居其一。接下來的推論是，在100億到200億年之前的某個(gè)時(shí)間，宇宙的密度為無窮大。這一時(shí)刻稱為大爆炸，宇宙應(yīng)該由此誕生。
   第三講的內(nèi)容與黑洞有關(guān)。當(dāng)一顆大質(zhì)量恒星，或者質(zhì)量更大的天體，在自引力作用下發(fā)生坍縮，便可以形成黑洞。根據(jù)愛因斯坦的廣義相對(duì)論，如果有人愚不可及，一步跌入黑洞，那就會(huì)一去不返，永遠(yuǎn)消失。他們絕不可能再度從黑洞中逃逸出來。相反，對(duì)這樣的人來說經(jīng)歷會(huì)是非常痛苦的，等待著他們的是最終到達(dá)一個(gè)奇點(diǎn)。但是，廣義相對(duì)論是一種經(jīng)典理論——這就是說，它沒有考慮到量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理。
   在第四講中我將要闡明量子力學(xué)如何允許能量從黑洞中逸出，黑洞并非人們所描繪的那樣黑不可知。
   第五講的主題涉及把量子力學(xué)的一些觀念用于大爆炸和宇宙起源。由此引出的重要概念是，時(shí)空可以在范圍上是有限的，但沒有邊際，或者說它是無界的。這有點(diǎn)像地球的表面，不過還得增加兩維。
   第六講中所要討論的問題是，盡管物理學(xué)定律就時(shí)間上來說是對(duì)稱的，但這種新的、有關(guān)宇宙邊界的設(shè)想，也許可以用來解釋過去和未來為什么會(huì)有霄壤之別。
   最后，第七講中我要闡述的是，人們?nèi)绾伪M力尋求一種統(tǒng)一理論，以能囊括量子力學(xué)、引力以及其他所有的物理學(xué)相互作用。一旦做到這一點(diǎn)，我們將會(huì)真正理解宇宙以及我們?cè)谟钪嬷兄�地位�?br />第五講 宇宙的起源與歸宿   
   在整個(gè)20世紀(jì)70年代，我的主要工作一直是研究黑洞。然而，1981年當(dāng)我參加在梵蒂岡舉行的一次宇宙學(xué)討論會(huì)時(shí)，我對(duì)涉及宇宙起源的一些問題的興趣再度被激起。當(dāng)天主教會(huì)試圖為一個(gè)科學(xué)問題立法，宣稱太陽在繞地球轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，曾對(duì)伽利略犯下了一個(gè)極為惡劣的錯(cuò)誤。幾個(gè)世紀(jì)后的今天，教會(huì)認(rèn)定了比較好的做法是應(yīng)當(dāng)邀請(qǐng)一批專家就宇宙學(xué)方面為它提供建議。
   在會(huì)議結(jié)束時(shí)，與會(huì)者獲準(zhǔn)謁見教皇。他告訴我們，研究大爆炸之后的宇宙演化并無不當(dāng)，但不應(yīng)該探究大爆炸本身，因?yàn)榇四藙?chuàng)生時(shí)刻，故而應(yīng)為上帝之杰作。當(dāng)時(shí)，令我欣慰的是教皇并不知曉我剛在會(huì)上所作報(bào)告的題目。我可不想重蹈伽利略命運(yùn)之覆轍；我對(duì)伽利略寄以很大的同情，原因之一在于我恰好是在伽利略逝世300周年那一天出生的。

熱大爆炸模型   

   為了說明我的那篇論文所談及的內(nèi)容，首先我將根據(jù)被稱為“熱大爆炸模型”的學(xué)說，來闡述人們所普遍接受的宇宙演化史。這一學(xué)說承認(rèn)，自大爆炸以來，宇宙可由弗里德曼模型表述。在這類模型中您會(huì)發(fā)現(xiàn)，隨著宇宙的膨脹，宇宙中物質(zhì)和輻射的溫度在不斷下降。因?yàn)闇囟染褪菍?duì)粒子平均能量的一種量度，這種冷卻過程便會(huì)對(duì)宇宙中的物質(zhì)施以重大的影響。在溫度非常高的時(shí)候，粒子會(huì)以極高的速度朝著不同的方向運(yùn)動(dòng)，結(jié)果是粒子不可能因核力和電磁力的吸引作用而彼此集聚在一起。但是，隨著溫度的降低，可預(yù)料到的情況是粒子會(huì)互相吸引并開始聚集起來。
   在大爆炸瞬間，宇宙的尺度為零，因而溫度必然為無窮大。但是，隨著宇宙的膨脹，輻射的溫度會(huì)不斷下降。在大爆炸之后的1秒鐘，溫度會(huì)降低到約100億度。這大約是太陽中心溫度的1000倍，不過氫彈爆炸時(shí)就會(huì)達(dá)到這么高的溫度。在這一時(shí)刻，宇宙的主要成分應(yīng)當(dāng)是光子、電子、中微子以及它們的反粒子，同時(shí)還會(huì)有一些質(zhì)子和中子。隨著宇宙繼續(xù)膨脹，溫度進(jìn)一步下降，在碰撞過程中電子和電子對(duì)的產(chǎn)生率，會(huì)變得低于它們因湮滅而消失的速率。于是，大部分電子和反電子會(huì)彼此湮滅，產(chǎn)生出更多的光子，只剩下為數(shù)不多的電子。大約在大爆炸后的100秒，溫度會(huì)下降到10億度，這也是最灼恒星內(nèi)部的溫度。到達(dá)這一溫度時(shí)，質(zhì)子和中子所具有的能量已不足以擺脫強(qiáng)核力的吸引作用。它們開始可以結(jié)合在一起，生成氘（即重氫）原子核，其中包含了一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。然后，氘核又會(huì)與別的質(zhì)子和中子結(jié)合，生成含有兩個(gè)質(zhì)子和兩個(gè)中子的氦核。此外還會(huì)生成少量的兩種較重的元素，即鋰和鈹。
   可以計(jì)算出，在熱大爆炸模型中，大約有四分之一的質(zhì)子和中子會(huì)轉(zhuǎn)化成氦核，同時(shí)還生成少量的重氫和其他一些元素。多余的中子衰變?yōu)橘|(zhì)子，也就是普通氫原子的核。這些理論預(yù)期值與觀測(cè)結(jié)果非常吻合。熱大爆炸模型還預(yù)言，我們應(yīng)該能觀測(cè)到從早期灼熱階段所遺留下來的輻射。不過，由于宇宙膨脹，這種輻射的溫度應(yīng)當(dāng)已降低到絕對(duì)溫標(biāo)幾度。這就解釋了彭齊亞斯和威爾遜在1965年所發(fā)現(xiàn)的微波背景輻射。因此，我們完全確信已取得了正確的圖像，至少可以追溯到大爆炸后的一秒鐘左右。在大爆炸后僅僅過了幾個(gè)小時(shí)，氦和其他元素的產(chǎn)生過程即告停止。而且，在這之后接下來的約100萬年時(shí)間內(nèi)，宇宙只是表現(xiàn)為繼續(xù)膨脹，而沒有發(fā)生太多的其他事情。最終，一旦溫度跌至幾千度時(shí)，電子和原子核便不再具有足夠的能量來克服它們之間電磁力的吸引作用。這時(shí)，它們就會(huì)開始結(jié)合在一起，并生成原子。
   從整體上看，宇宙仍然會(huì)繼續(xù)膨脹，同時(shí)溫度繼續(xù)降低。但是，在那些密度略高于平均密度的區(qū)域內(nèi)，額外的引力吸引作用會(huì)使膨脹減慢下來。這一過程最終會(huì)使某些區(qū)域不再繼續(xù)膨脹，并再次出現(xiàn)坍縮。在坍縮過程中，由于區(qū)域之外物質(zhì)的引力作用，這些區(qū)域就有可能開始呈現(xiàn)少量的自轉(zhuǎn)。隨著坍縮區(qū)范圍漸而變小，自轉(zhuǎn)速度會(huì)越來越快——這種情況就像在冰上做旋轉(zhuǎn)動(dòng)作的滑冰者，一旦他們把雙臂收緊，轉(zhuǎn)動(dòng)的速度就會(huì)加快。最后，當(dāng)這類區(qū)域變得足夠小時(shí)，其轉(zhuǎn)動(dòng)速度之快足以與引力作用取得平衡。有自轉(zhuǎn)的盤狀星系就是通過這種方式誕生的。
   隨著時(shí)間的推移，星系中的氣體會(huì)碎裂成一些較小的云塊，它們會(huì)在自身引力的作用下發(fā)生坍縮。收縮過程中氣體的溫度會(huì)增高，一旦溫度變得足夠高時(shí)，核反應(yīng)就開始了。這類反應(yīng)又會(huì)使氫轉(zhuǎn)變?yōu)楹�，期間所釋放出的熱量使壓力增大，于是云塊不再進(jìn)一步收縮。這種狀態(tài)的云塊便是像我們的太陽那樣的恒星，它們可以維持很長(zhǎng)的時(shí)間，期間氫燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楹�，所產(chǎn)生的能量則以熱和光的形式向外輻射。
   對(duì)質(zhì)量更大的恒星來說，由于引力作用更強(qiáng)，需要有更高的溫度與之取得平衡。于是，核聚變反應(yīng)會(huì)進(jìn)行得非常之快，在大約只有1億年的時(shí)間內(nèi)恒星的氫燃料便會(huì)消耗殆盡。這時(shí)，它們會(huì)表現(xiàn)為略有收縮，并隨著溫度的進(jìn)一步升高開始把氦轉(zhuǎn)變?yōu)楦�重的元素，如碳和氧。然而，這一過程不會(huì)釋放出太多的能量，于是危機(jī)便出現(xiàn)了，那就是我在有關(guān)黑洞的那一講中所描述的場(chǎng)景。
   人們還沒有完全弄清楚接下來將會(huì)發(fā)生些什么情況，不過看來恒星的中心區(qū)有可能會(huì)坍縮成某種非常致密的狀態(tài)，如中子星或者黑洞。恒星可能在一次劇烈的爆炸中把它的外層向外拋出，這就是超新星爆發(fā)，此時(shí)恒星的亮度會(huì)超過星系中所有其他的恒星。恒星在行將壽終正寢之際所產(chǎn)生的一些較重元素，會(huì)被拋回到星系內(nèi)的氣體中，它們?yōu)樯�成下一代恒星提供了部分原材料�?br />   我們自己的太陽含有2%左右此類較重的元素，因?yàn)樗�是一顆第二代（或第三代）恒星。太陽在大約50億年前由一塊自轉(zhuǎn)氣體云形成，而氣體中含有更早時(shí)期超新星的碎屑。云塊中的大部分氣體經(jīng)演化而形成太陽，或者被向外吹走。然而，有少量較重的元素會(huì)聚集在一起，并形成繞太陽做軌道運(yùn)動(dòng)的天體——行星，地球即是其中之一。

尚未解決的問題

   宇宙從最初的極端高溫狀態(tài)開始，并隨膨脹而冷卻的圖像，與今天我們所取得的所有觀測(cè)證據(jù)都是一致的。盡管如此，仍有幾個(gè)重要的問題尚未得以解決。首先，為什么早期宇宙會(huì)有如此高的溫度？其次，為什么宇宙在大尺度上會(huì)如此均勻——為什么在空間中的不同位置、以及從不同的方向上看宇宙都是一樣的？
   第三，為什么宇宙最初的膨脹速率會(huì)如此接近臨界值，從而恰好保證不會(huì)再度坍縮？如果大爆炸后一秒鐘時(shí)的膨脹速率哪怕只是小了10億億分之一，宇宙就會(huì)在達(dá)到它今天的大小之前再度坍縮。另一方面，要是一秒鐘時(shí)的膨脹速率增加同樣的數(shù)值，那么宇宙就會(huì)極度膨脹，以至于現(xiàn)在它簡(jiǎn)直就會(huì)變得空無一物了。
   第四，盡管事實(shí)上宇宙在大尺度上表現(xiàn)為高度均勻和各向同性，但其中不乏存在局部性的物質(zhì)團(tuán)塊，如恒星和星系。人們認(rèn)為，這些天體是因早期宇宙中不同區(qū)域內(nèi)存在少量密度差異而演化形成的。試問，這類密度漲落的起因是什么？
   僅僅依據(jù)廣義相對(duì)論不可能解釋這些特征，或者說無法對(duì)這些問題給出解答。這是因?yàn)閺V義相對(duì)論預(yù)言，宇宙最初時(shí)的密度為無窮大，也就是始于大爆炸奇點(diǎn)。在奇點(diǎn)處，廣義相對(duì)論和其他所有的物理學(xué)定律全都失效。我們不可能預(yù)言從奇點(diǎn)會(huì)發(fā)展出什么樣的東西來。正如前面我已解釋過的那樣，這意味著理論上同樣可以不考慮大爆炸之前發(fā)生的任何事件，因?yàn)檫@類事件對(duì)我們來說是沒有任何觀測(cè)效應(yīng)的。時(shí)空應(yīng)當(dāng)有一個(gè)邊界，亦即發(fā)端于大爆炸。宇宙為什么應(yīng)該從大爆炸瞬間開始，以一種確定的方式演化，并最終成為我們今天所觀測(cè)到的狀態(tài)呢？為什么宇宙會(huì)如此均勻，而且恰到好處地以臨界速率膨脹，從而不致發(fā)生再一次坍縮呢？如果能夠證明，有著多種不同初始結(jié)構(gòu)的宇宙，都會(huì)演化成我們今天所觀測(cè)到那種狀態(tài)，那么人們便應(yīng)當(dāng)更為高興了。要是情況確實(shí)如此，那么從某類隨機(jī)性初始條件發(fā)展而來的宇宙，應(yīng)該包含了若干個(gè)我們今天所觀測(cè)到的那種區(qū)域。也許還會(huì)存在一些與之很不相同的區(qū)域，不過這類區(qū)域可能并不適合于星系和恒星的形成。星系和恒星是進(jìn)化成智慧生命所必須具備的重要先決條件，至少就我們所知應(yīng)該如此。因此，這些區(qū)域就不會(huì)包含能觀測(cè)到它們不同之處的任何生命。
   在研究宇宙學(xué)問題時(shí)，必須考慮到選擇原理，即我們生活在宇宙中一個(gè)適合智慧生命的區(qū)域中。這個(gè)顯而易見的基本因素有時(shí)候被稱為人擇原理。相反，試想宇宙的初始狀態(tài)只有在經(jīng)過極為仔細(xì)的選擇后，才能保證會(huì)演化出我們?cè)谧约褐車�所看到的那些事物。如是，那么宇宙就不大可能包含任何�?huì)出現(xiàn)生命的區(qū)域。在前面我已介紹過的熱大爆炸模型中，早期宇宙階段并沒有足夠的時(shí)間能使熱量從一個(gè)區(qū)域傳遞到另一個(gè)區(qū)域。這意味著在誕生之初，宇宙中的不同區(qū)域必定有著嚴(yán)格相同的溫度，只有這樣才能說明下列事實(shí)：我們所看到的微波背景在不同方向上有著相同的溫度。還有，宇宙膨脹的初始速率必然經(jīng)過非常精確的選定，從而保證在今天之前宇宙不會(huì)再次坍縮。這就意味著，如果熱大爆炸模型自時(shí)間起點(diǎn)以來都是正確的話，那么宇宙的初始狀態(tài)確實(shí)作了非常仔細(xì)的選擇。要想解釋宇宙為什么恰好應(yīng)該以這種方式誕生是很困難的，除非借助上帝之手——上帝的本意就是要?jiǎng)?chuàng)造出我們這樣的生命。

暴脹模型   

   為了避免熱大爆炸模型在極早期階段的上述困難，麻省理工學(xué)院的艾倫·古思提出了一種新的模型。在他的模型中，許多不同的初始結(jié)構(gòu)都可以演化成如目前宇宙的那種狀態(tài)。他認(rèn)為，對(duì)早期宇宙來說，可能在一段時(shí)間內(nèi)作極高速的指數(shù)式膨脹。這種膨脹稱為“暴脹”——類似于每個(gè)國(guó)家中在一定程度上都會(huì)出現(xiàn)的物價(jià)暴漲。物價(jià)暴漲的世界紀(jì)錄也許當(dāng)推第一次世界大戰(zhàn)后的德國(guó)，當(dāng)時(shí)一只面包的價(jià)格從原來的不到一馬克，在幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)漲到數(shù)百萬馬克。不過，在宇宙尺度上可能出現(xiàn)過的暴脹甚至比這還要大得多，僅僅在一秒鐘的極小一部分時(shí)間內(nèi)，宇宙就膨脹了100萬億億億倍。當(dāng)然，那時(shí)尚未有現(xiàn)在這樣的政府。
   古思認(rèn)為，宇宙從大爆炸誕生之際溫度極高�？梢灶A(yù)料，在這樣高的溫度下，強(qiáng)核力、弱核力和電磁力全都會(huì)統(tǒng)一成單一的一種力。宇宙的溫度會(huì)隨膨脹而降低，同時(shí)粒子的能量應(yīng)隨之減小。最后，應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)所謂相變，而力與力之間的對(duì)稱性便會(huì)發(fā)生破缺。強(qiáng)力會(huì)變得與弱力和電磁力有所不同。一個(gè)常見的相變例子就是把水冷卻使其結(jié)冰。液態(tài)水是對(duì)稱的，在不同的位置或者不同的方向上都沒有差異。但是，一旦冰晶體形成后，這些晶體會(huì)有著確定的位置，而且會(huì)沿著某一方向排列成行。這么一來就破壞了水的對(duì)稱性。
   就水而言，如果處理得當(dāng)，可以使它處于“過冷”狀態(tài)。這就是說，可以把水的溫度降到冰點(diǎn)（0攝氏度）以下，但不會(huì)結(jié)冰。古思的觀點(diǎn)是，宇宙的特性可能會(huì)以類似的方式發(fā)生變化：溫度有可能跌至臨界值之下，而力與力之間的對(duì)稱性卻并沒有出現(xiàn)破缺。要是發(fā)生了這種情況，那么宇宙便會(huì)處于某種非穩(wěn)定態(tài)，此時(shí)的能量會(huì)比發(fā)生對(duì)稱性破缺時(shí)來得大。這種特定的超額能量可以表現(xiàn)為具有某種反引力效應(yīng)。它所起的作用，應(yīng)當(dāng)恰如某種宇宙學(xué)常數(shù)。
  愛因斯坦在嘗試構(gòu)建穩(wěn)態(tài)宇宙模型時(shí)，在廣義相對(duì)論中引入了宇宙學(xué)常數(shù)。然而，在這種情況下宇宙應(yīng)當(dāng)已處于膨脹之中。因此，宇宙學(xué)常數(shù)的斥力效應(yīng)會(huì)使宇宙以不斷增長(zhǎng)的速率膨脹。即使在物質(zhì)粒子多于平均值的那些區(qū)域內(nèi)，有效宇宙學(xué)常數(shù)的斥力還是會(huì)超過物質(zhì)的吸引力。所以，這些區(qū)域也會(huì)以某種加速暴脹的方式膨脹。隨著宇宙的膨脹，物質(zhì)粒子間的距離便越來越遠(yuǎn)。結(jié)果應(yīng)當(dāng)是留下一個(gè)不斷膨脹中的宇宙，且其中幾乎不含任何粒子。宇宙仍然會(huì)處于過冷態(tài)，而力與力之間的對(duì)稱性并沒有發(fā)生破缺。宇宙中的任何不規(guī)則性正是因?yàn)榕蛎浂�被抹平了，這種情況就像氣球表面的褶皺，一旦把氣球吹脹，這些褶皺就會(huì)被抹平掉。因此，宇宙目前的平滑、均勻狀態(tài)，便可以從多種不同的非均勻初始狀態(tài)演化而來。膨脹的速率也會(huì)不斷逼近剛好能使宇宙避免再度坍縮所需要的臨界值。不僅如此，暴脹的概念還可以用來解釋宇宙中為什么會(huì)有如此多的物質(zhì)。宇宙中，在我們所能觀測(cè)到的區(qū)域內(nèi)大約有10   80   個(gè)粒子。所有這些粒子都是從哪里來的呢？答案是，根據(jù)量子力學(xué)，粒子能以粒子/反粒子對(duì)的形式由能量產(chǎn)生。但是，這馬上又會(huì)引出能量應(yīng)來自何處的問題。答案是宇宙的總能量恰好為零。
   宇宙中的物質(zhì)是由正能量生成的。然而，由于引力的存在，所有的物質(zhì)都會(huì)彼此互相吸引。對(duì)兩塊相互靠得很近的物質(zhì)來說，它們所具有的能量要比同樣兩塊物質(zhì)相距很遠(yuǎn)時(shí)的能量來得小。這是因?yàn)榘阉鼈兎珠_來一定要消耗能量。你必須抗拒引力的作用，使它們不致被吸引在一起。因此，從某種意義上說，引力場(chǎng)具有負(fù)能量。就整個(gè)宇宙而言，可以證明這種負(fù)引力能恰好與物質(zhì)的正能量相抵消。所以，宇宙的總能量為零。
   既然零的兩倍還是等于零，那么要是能使宇宙中的正物質(zhì)能增大一倍，又使負(fù)引力能也增大一倍，則不會(huì)違反能量守恒定律。在宇宙的正常膨脹期內(nèi)，隨著宇宙的變大，物質(zhì)的能量密度會(huì)減小，因此上述情況便不會(huì)發(fā)生。然而，在暴脹時(shí)確實(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況，原因在于盡管宇宙在膨脹，但過冷態(tài)的能量密度始終保持不變。當(dāng)宇宙的尺度增大一倍時(shí)，正物質(zhì)能和負(fù)引力能都增加了一倍，于是總能量仍然保持為零。在暴脹階段，宇宙的尺度極度增大。因此，能用于生成粒子的總能量值會(huì)變得非常之大。正如古思所說的那樣：“常說世間不存在諸如免費(fèi)午餐之類的東西。但是，宇宙卻是最為豐盛的免費(fèi)午餐�！�

暴脹的結(jié)局   
 
   今天，宇宙并不以暴脹方式在膨脹。所以，必然存在某種機(jī)制，以能消去非常大的有效宇宙學(xué)常數(shù)。它會(huì)改變膨脹的速率，從加速膨脹變?yōu)樵谝�力影響下的減速膨脹，而后者正是今天所看到的情況�？梢灶A(yù)見到的情況是，隨著宇宙的膨脹和冷卻，力與力之間的對(duì)稱性最終會(huì)出現(xiàn)破缺，正如過冷態(tài)水最終總是會(huì)結(jié)冰一樣。那時(shí)，未破缺的對(duì)稱性狀態(tài)的多余能量會(huì)被釋放出來，并再度使宇宙升溫。之后，宇宙會(huì)繼續(xù)膨脹并冷卻，情況與熱大爆炸模型完全一樣。但是，宇宙為什么恰好以臨界速率在膨脹？為什么宇宙的不同區(qū)域有著相同的溫度？對(duì)此現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)給出解釋。
   在古思的原始思想中，他假設(shè)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱性破缺的過程是突然出現(xiàn)的，這種情況有點(diǎn)像在極冷的水中冰晶的顯現(xiàn)。他的觀念是，就對(duì)稱性破缺后的新相而言，其中的“泡”應(yīng)當(dāng)是從舊相中生成的，情況就像是沸水中冒出的蒸汽泡。古思推測(cè)這些泡會(huì)膨脹，它們會(huì)互相碰在一起，直到整個(gè)宇宙進(jìn)入新相。我和其他一些人曾經(jīng)指出，這里的困難在于宇宙膨脹的速度是很快的，那些泡會(huì)迅速地彼此遠(yuǎn)離，而不會(huì)互相并合。宇宙最終應(yīng)當(dāng)處于某種高度非均勻狀態(tài)，在某些區(qū)域中會(huì)保持不同力之間的對(duì)稱性。這樣的一種宇宙模型與我們今天所看到的情況就不相一致了。
   1981年10月，我曾赴莫斯科參加一次有關(guān)量子引力的會(huì)議。會(huì)后，我在史天堡天文研究所舉行了一次研討會(huì)，內(nèi)容涉及暴脹模型和它的一些問題。聽眾中有一位年輕的俄羅斯人安德雷·林德。他認(rèn)為，如果那些泡非常之大，就可以回避有關(guān)泡無法并合的困難。如是，則可以把宇宙中我們所處的區(qū)域包含在單個(gè)泡之內(nèi)。為使這一思想能行之有效，在這個(gè)泡的內(nèi)部，從對(duì)稱到對(duì)稱破缺的變化過程必須非常緩慢地進(jìn)行，不過根據(jù)大統(tǒng)一理論，要做到這一點(diǎn)是完全有可能的。
   林德關(guān)于對(duì)稱性緩慢破缺的思想是非常出色的，不過我曾指出他的那些泡會(huì)比當(dāng)時(shí)宇宙的尺度還要大。我說明了可以換一條思路，即對(duì)稱性會(huì)在所有的地方同時(shí)破缺，而不僅僅是在泡的內(nèi)部發(fā)生破缺。在這種情況下便會(huì)得出如我們所觀測(cè)到的那種均勻宇宙。為了解釋宇宙為什么會(huì)沿著既有的方式演化，緩慢對(duì)稱破缺模型是一種不錯(cuò)的嘗試。但是，我和其他一些人已經(jīng)證明，它所預(yù)言的微波背景輻射的變化要比實(shí)測(cè)結(jié)果大得多。還有，后來的一些工作也對(duì)早期宇宙中是否會(huì)存在恰當(dāng)類型的相變提出了質(zhì)疑。林德在1983年采用了一種更好的模型，稱為混沌暴脹模型。這種模型與相變無關(guān)，而且所給出的背景輻射變化之幅度亦恰到好處。這種暴脹模型表明，宇宙目前的狀態(tài)，可以由大量各不相同的初始結(jié)構(gòu)演化而成。然而，并不能說每一類初始結(jié)構(gòu)都應(yīng)當(dāng)會(huì)演化成我們所觀測(cè)到的那種宇宙。所以，即使是暴脹模型也并未告訴我們，為了生成現(xiàn)在觀測(cè)到的宇宙，為什么其初始結(jié)構(gòu)就應(yīng)該如此。我們必須轉(zhuǎn)而用人擇原理來尋求解釋嗎？所有這一切是否僅是一種幸運(yùn)的巧合呢？那樣的話似乎有點(diǎn)自暴自棄的味道，是對(duì)我們?yōu)槔斫庥钪婊�本秩序所寄予的全部希望的一種否定。

量子引力   

   為了預(yù)測(cè)宇宙應(yīng)該如何起源，人們需要一些在時(shí)間起點(diǎn)之際能得以成立的定律。如果經(jīng)典廣義相對(duì)論是正確的話，那么由奇點(diǎn)定理可知，時(shí)間起點(diǎn)應(yīng)當(dāng)始于密度和曲率均為無窮大的一點(diǎn)。在這樣的一點(diǎn)上，所有已知的科學(xué)定律全都會(huì)失效。也許可以設(shè)想，有一些新的定律在奇點(diǎn)處是成立的，不過在此類行為極其怪異的點(diǎn)上，哪怕是用公式來表述定律都非常困難，也無法通過實(shí)測(cè)來指導(dǎo)我們探知這些定律可能有的內(nèi)容。但是，奇點(diǎn)定理的真實(shí)含意是，引力場(chǎng)變得非常強(qiáng)，因而量子引力效應(yīng)就變得很重要：經(jīng)典理論不再能很好地描述宇宙。所以，人們必須用量子引力理論來討論宇宙的極早期階段。下面我們將會(huì)明白，在量子理論中，一些常見的科學(xué)定律在任何場(chǎng)合都有可能成立，其中包括時(shí)間的起點(diǎn)。沒有必要為奇點(diǎn)假設(shè)一些新的定律，因?yàn)樵诹孔永碚撝袩o需出現(xiàn)任何奇點(diǎn)。
   我們迄今還沒有一種完整而又自洽的理論，以能把量子力學(xué)與引力論結(jié)合起來。但是，我們完全有把握確認(rèn)這類統(tǒng)一理論應(yīng)該具有的某些特征。其中之一便是，這種理論應(yīng)該兼容費(fèi)因曼根據(jù)對(duì)歷史求和，并用公式來表述量子理論的思想。按照這條途徑，從A點(diǎn)出發(fā)朝B點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)粒子，并非如經(jīng)典理論中所出現(xiàn)的那樣，僅有單一的歷史。現(xiàn)在的情況不同，粒子應(yīng)該遵循時(shí)空中每一條可能的路徑運(yùn)動(dòng)。對(duì)于每一個(gè)這樣的歷史，都有兩個(gè)數(shù)與之相對(duì)應(yīng)，一個(gè)是波的幅度，另一個(gè)則代表它在循環(huán)中的位置，即相位。
   比如說，為了計(jì)算粒子通過某個(gè)特定點(diǎn)的概率，就要確認(rèn)通過該點(diǎn)的每個(gè)可能的歷史，并對(duì)與所有這些歷史相對(duì)應(yīng)的波求和，之后才能得到所需要的結(jié)果。但是，如果確實(shí)想要實(shí)現(xiàn)這些求和，我們便會(huì)遇到一些難以克服的技術(shù)問題。為繞開這些難題，唯一的途徑是采用如下的特定處理方法：我們必須對(duì)有關(guān)粒子歷史的波求和，但用以表述這些歷史的并不是你我都能體驗(yàn)到的實(shí)時(shí)，而是虛時(shí)。
   虛時(shí)聽起來也許有點(diǎn)像科幻小說，不過實(shí)際上它是一種有明確含意的數(shù)學(xué)概念。要想避開為實(shí)現(xiàn)費(fèi)因曼對(duì)歷史求和而在技術(shù)上出現(xiàn)的一些困難，我們必須采用虛時(shí)。虛時(shí)對(duì)時(shí)空有著一種奇妙的效應(yīng)：時(shí)間和空間之間的區(qū)別完全不復(fù)存在。人們認(rèn)為事件的時(shí)間坐標(biāo)取為虛數(shù)的時(shí)空屬于歐幾里得時(shí)空，因?yàn)槎纫?guī)是按正向定義的。
   在歐幾里得時(shí)空中，時(shí)間的方向與空間的各個(gè)方向不存在任何差別。另一方面，在實(shí)時(shí)空中，事件的時(shí)間坐標(biāo)被賦以實(shí)數(shù)，因而不難發(fā)現(xiàn)差異之所在。時(shí)間方向處于光錐之內(nèi)，而空間方向則位于光錐之外。我們可以把引入虛時(shí)視為只是一種數(shù)學(xué)手段，或者說是一種巧計(jì)，它用以就實(shí)時(shí)空來計(jì)算問題的答案。不過，也許其含意并非僅止于此�？赡艿那闆r是，歐幾里得時(shí)空乃是基本概念，而我們視之為實(shí)時(shí)空者只不過是我們想象中的虛構(gòu)之物。
   如果我們把費(fèi)因曼對(duì)歷史求和的思想用于宇宙，那么現(xiàn)在與粒子歷史相對(duì)應(yīng)的就是一種代表整個(gè)宇宙歷史的、完整的彎曲時(shí)空。鑒于上述技術(shù)方面的原因，必須把這些彎曲時(shí)空看作是歐幾里得時(shí)空。這就是說，時(shí)間是虛的，它與空間的各個(gè)方向是不可區(qū)分的。對(duì)于一個(gè)具有某種確定性質(zhì)的實(shí)時(shí)空來說，為了計(jì)算它可能出現(xiàn)的概率，就要在具有這種性質(zhì)的虛時(shí)中，把與全部歷史相對(duì)應(yīng)的波相疊加。之后，才能弄清楚宇宙在實(shí)時(shí)中可能會(huì)有什么樣的歷史。

無邊界條件   

   在以實(shí)時(shí)空為基礎(chǔ)的經(jīng)典引力理論中，宇宙的行為只有兩種可取的方式�；蛘咚�永遠(yuǎn)存在，無始無終；或者在過去某個(gè)限定的時(shí)間，宇宙從奇點(diǎn)起有自己的開端。事實(shí)上由奇點(diǎn)定理可知，宇宙必然取第二種可能性。另一方面，在量子引力理論中還會(huì)出現(xiàn)第三種可能性。因?yàn)檫@時(shí)用的是歐幾里得時(shí)空，時(shí)間方向與空間的各個(gè)方向完全處于同等地位，故時(shí)空在范圍上可能是有限的，但并不存在構(gòu)成邊界或者邊際的任何奇點(diǎn)。時(shí)空應(yīng)當(dāng)就像地球的表面，只是還多了兩維。地球表面在范圍上是有限的，但它并沒有邊界或者邊緣。
   如果您駕船朝日落方向快速駛?cè)�，那么您不�?huì)因到達(dá)邊緣而墜落，或者說不會(huì)掉入一個(gè)黑洞。我明白這一點(diǎn)，因?yàn)槲矣羞^環(huán)球旅行的經(jīng)歷。如果歐幾里得時(shí)空朝著無限遠(yuǎn)的虛時(shí)回溯，或者從某個(gè)奇點(diǎn)出發(fā)，那么就會(huì)出現(xiàn)經(jīng)典理論中的同樣問題，即要具體設(shè)定宇宙的初始狀態(tài)。上帝也許知道宇宙是怎樣誕生的，但我們不可能提出任何特定的理由，來推想宇宙會(huì)按某一種方式誕生，而不會(huì)取另一種方式。另一方面，量子引力理論則提出了一種新的可能性。在這種理論中，時(shí)空是不會(huì)有任何邊界的。因此，也就無需具體設(shè)定邊界處的行為。這里不會(huì)存在使科學(xué)定律失效的奇點(diǎn)，對(duì)時(shí)空也無邊際可言，人們無需不得不求助于上帝，或者去探究某種新的定律以能為時(shí)空設(shè)定邊界條件。人們可以說：“宇宙的邊界條件就是它沒有邊界�！庇钪鎽�(yīng)能做到充分自足，不會(huì)受自身之外任何事物的影響。它既不會(huì)被創(chuàng)造出來，也不會(huì)毀于一旦。它應(yīng)當(dāng)從來就是這種樣子。
   正是在梵蒂岡會(huì)議上，我第一次提出了這樣的看法：時(shí)間和空間可能共同形成了一個(gè)面，這個(gè)面的范圍是有限的，但它并沒有邊界或邊際。然而，在我的論文中數(shù)學(xué)推演占了相當(dāng)大的部分，所以當(dāng)時(shí)人們并沒有注意到它對(duì)宇宙創(chuàng)生過程中上帝所起作用的含意——對(duì)我來說也同樣如此。在梵蒂岡會(huì)議期間，我還不知道如何利用無邊界思想來對(duì)宇宙做出一些預(yù)言。不過，接下來的那個(gè)夏天，我是在加利福尼亞大學(xué)圣巴巴拉分校度過的。在那里，我的一位同事和朋友吉姆·哈特勒與我一起弄清楚了，如果時(shí)空無界，宇宙必須滿足什么樣的一些條件。
   我應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，時(shí)空應(yīng)該有限而無界的這種觀念只是一種設(shè)想，它不可能從其他某個(gè)原理經(jīng)推演而導(dǎo)出。就像任何別的科學(xué)理論一樣，它的提出最初只是基于一些美學(xué)的或者先驗(yàn)的理由，但實(shí)際上的驗(yàn)證則在于它是否能做出一些與觀測(cè)相一致的預(yù)言。然而，在量子引力框架中要確認(rèn)這一點(diǎn)頗為不易，其原因有二。第一，我們還不能完全肯定，哪一種理論能把廣義相對(duì)論和量子力學(xué)成功地結(jié)合在一起，盡管我們對(duì)此類理論必然具有的形式已取得相當(dāng)多的認(rèn)識(shí)。第二，任何一種模型，要能描述整個(gè)宇宙的細(xì)節(jié)情況，在數(shù)學(xué)上應(yīng)當(dāng)是極為復(fù)雜的，因而我們根本不可能通過計(jì)算來推知精確的預(yù)言。所以，人們不得不采取一些近似的做法——即便如此，精確預(yù)言的問題仍然相當(dāng)棘手。
   人們根據(jù)這種無邊界的設(shè)想發(fā)現(xiàn)，在大多數(shù)情況下，宇宙遵循某個(gè)可能的歷史而演變之機(jī)會(huì)可以忽略不計(jì)。但是，確實(shí)存在一族特定的歷史，它們出現(xiàn)的可能性要比其他歷史大得多。要是用圖來表示，這些歷史也許就像是地球表面，其中以北極距表示虛時(shí)；用緯圈的大小代表宇宙的空間尺度。宇宙剛誕生時(shí)位于北極，它只是一個(gè)點(diǎn)。隨著向南運(yùn)動(dòng)，緯圈漸而增大，相當(dāng)于宇宙隨虛時(shí)在膨脹。在赤道上宇宙的尺度會(huì)達(dá)到極大；然后它會(huì)再度收縮，直至到達(dá)南極時(shí)又成為一個(gè)點(diǎn)。盡管在南北兩極處宇宙的尺度為零，但這兩個(gè)點(diǎn)并不是奇點(diǎn)，這與地球上的南北兩極并無奇點(diǎn)之特性完全一樣。在宇宙誕生之初，科學(xué)定律應(yīng)當(dāng)會(huì)成立，就像它們?cè)诘厍蚰媳眱蓸O成立一樣。
   然而，宇宙在實(shí)時(shí)中的歷史看來會(huì)有很大的不同。宇宙在誕生時(shí)表現(xiàn)為具有某種極小的尺度，該尺度等于虛時(shí)中歷史的極大尺度。然后，宇宙會(huì)在實(shí)時(shí)中膨脹，情況則與暴脹模型一樣。不過，現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)沒有必要設(shè)定宇宙的生成方式，如取一種恰當(dāng)類型的狀態(tài)，以及通過某種途徑等。宇宙會(huì)膨脹到非常大的尺度，但是最終它會(huì)再度坍縮成在實(shí)時(shí)中視之為奇點(diǎn)的那種模樣。因此，從某種意義上說，即使我們遠(yuǎn)離黑洞，但所有的人仍然在劫難逃。只有當(dāng)我們可以依據(jù)虛時(shí)來表述宇宙時(shí)，才不會(huì)出現(xiàn)任何奇點(diǎn)。
   經(jīng)典廣義相對(duì)論的奇點(diǎn)定理表明，宇宙必然有一個(gè)開端，而且這個(gè)開端只能用量子理論來描述。這接下來又會(huì)引出如下的觀念：在虛時(shí)中宇宙可以是有限的，但它沒有邊界，或者說不存在奇點(diǎn)。然而，一旦回到我們所生活的實(shí)時(shí)之中，奇點(diǎn)看來仍然是存在的。對(duì)不幸落入黑洞中的宇航員來說，他仍然會(huì)面臨一種極為痛苦的結(jié)局。只有當(dāng)他能夠生活于虛時(shí)之中，才不會(huì)遭遇任何黑洞。
   這也許會(huì)使我們想到，所謂虛時(shí)實(shí)際上就是基本時(shí)，而被我們稱為實(shí)時(shí)者，只不過是我們頭腦中所創(chuàng)造出來的某種東西。在實(shí)時(shí)中，宇宙有一個(gè)開端和一個(gè)終點(diǎn)，它們都是奇點(diǎn)，并構(gòu)成時(shí)空的邊界，科學(xué)定律在奇點(diǎn)處失效。但是，在虛時(shí)中就不存在任何奇點(diǎn)或邊界。所以，也許被我們稱之為虛時(shí)者，實(shí)際上有著更為基本的概念，而所謂實(shí)時(shí)僅僅是我們創(chuàng)造出來的一種概念，可用來幫助我們描述我們想象中的宇宙之模樣。然而，根據(jù)第一講中我所介紹過的思路，科學(xué)理論只是一種數(shù)學(xué)模型，它可以用來說明我們的觀測(cè)結(jié)果。它僅存在于我們的腦海之中。因此，提出這樣的問題是毫無意義的：哪一種是真實(shí)的，是“實(shí)”時(shí)還是“虛”時(shí)？這只不過是關(guān)于取哪一種對(duì)描述宇宙更為有用的問題。
   看來，無邊界設(shè)想所做出的預(yù)言是，在實(shí)時(shí)中宇宙的行為應(yīng)該類似于暴脹模型。一個(gè)特別令人感興趣的問題是，早期宇宙中對(duì)密度均勻分布的少量偏離究竟有多大。人們認(rèn)為，這類偏離會(huì)導(dǎo)致首先形成星系，然后是恒星，最后形成像我們這樣的生命。測(cè)不準(zhǔn)原理所隱含的一個(gè)推論是，早期宇宙不可能完全均勻。相反，粒子在位置和速度上必定存在某些不確定性，或者說漲落。人們由無邊界條件推知，宇宙誕生之初必然恰好具有為測(cè)不準(zhǔn)原理所容許的最小可能的不均勻性。
   因此，宇宙應(yīng)當(dāng)如暴脹模型所表述的那樣，經(jīng)歷過一段快速膨脹的時(shí)期。在這段時(shí)間內(nèi)，那些初始不均勻性會(huì)被放大，直至它們可以增大到足以用來解釋星系的起源。所以，我們?cè)谟钪嬷兴�觀測(cè)到的一切復(fù)雜結(jié)構(gòu)，都可以利用有關(guān)宇宙的無邊界條件和量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理來做出解釋。
   時(shí)空可以形成一種無邊界閉合曲面的觀念，同樣對(duì)上帝在宇宙事務(wù)中的作用具有深遠(yuǎn)的含意。隨著科學(xué)理論在描述事件時(shí)所取得的成功，大多數(shù)人漸而相信上帝容許宇宙會(huì)按照一套定律來演化�？磥硭�不會(huì)干涉宇宙以致破壞這些定律。但是，這些定律并沒有告訴我們宇宙在誕生之時(shí)看上去應(yīng)該是何種模樣。宇宙應(yīng)當(dāng)仍需仰仗上帝來上緊其發(fā)條，并選定以何種方式來啟動(dòng)它。只要宇宙有開端，而這個(gè)開端又是一個(gè)奇點(diǎn)，那么人們就可以假設(shè)宇宙乃是在某種外部力量的作用下生成的。然而，如果宇宙確實(shí)做到充分自足，不存在任何的邊界或者邊際，那么它就既不會(huì)被創(chuàng)造出來，也不會(huì)毀于一旦。宇宙應(yīng)當(dāng)從來就是這種樣子。那么，造物主的位置又在哪里呢？