引言

   我想嘗試通過(guò)這一系列講座，來(lái)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(guò)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(shuō)明的問(wèn)題是，如何從牛頓和愛(ài)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(lái)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(wú)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(ài)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(lái)。相反，對(duì)這樣的人來(lái)說(shuō)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(shuō)，它沒(méi)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(méi)有邊際，或者說(shuō)它是無(wú)界的。這有點(diǎn)像地球的表面，不過(guò)還得增加兩維。
   第六講中所要討論的問(wèn)題是，盡管物理學(xué)定律就時(shí)間上來(lái)說(shuō)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(lái)解釋過(guò)去和未來(lái)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(wèn)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(wèn)題立法，宣稱太陽(yáng)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(jiàn)教皇。他告訴我們，研究大爆炸之后的宇宙演化并無(wú)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(shuō)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(shuō)，來(lái)闡述人們所普遍接受的宇宙演化史。這一學(xué)說(shuō)承認(rèn)，自大爆炸以來(lái)，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(guò)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(kāi)始聚集起來(lái)。
   在大爆炸瞬間，宇宙的尺度為零，因而溫度必然為無(wú)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(yáng)中心溫度的1000倍，不過(guò)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(guò)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(kāi)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(lái)的輻射。不過(guò)，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(guò)了幾個(gè)小時(shí)，氦和其他元素的產(chǎn)生過(guò)程即告停止。而且，在這之后接下來(lái)的約100萬(wàn)年時(shí)間內(nèi)，宇宙只是表現(xiàn)為繼續(xù)膨脹，而沒(méi)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(lái)克服它們之間電磁力的吸引作用。這時(shí)，它們就會(huì)開(kāi)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(lái)。這一過(guò)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(guò)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(kāi)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(lái)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(pán)狀星系就是通過(guò)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(guò)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(kāi)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(yáng)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(lái)說(shuō)，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(kāi)始把氦轉(zhuǎn)變?yōu)楦�重的元素，如碳和氧。然而，這一過(guò)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(méi)有完全弄清楚接下來(lái)將會(huì)發(fā)生些什么情況，不過(guò)看來(lái)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)，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(yáng)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(wèn)題

   宇宙從最初的極端高溫狀態(tài)開(kāi)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(wèn)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(wú)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(wèn)，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(shuō)無(wú)法對(duì)這些問(wèn)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(wú)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(lái)。正如前面我已解釋過(guò)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(lái)說(shuō)是沒(méi)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(kāi)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(lái)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(guò)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(wèn)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(jiàn)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(guò)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(chē)�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(guò)的熱大爆炸模型中，早期宇宙階段并沒(méi)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(shuō)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(guò)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(lái)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(lái)說(shuō)，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(lái)的不到一馬克，在幾個(gè)月時(shí)間內(nèi)漲到數(shù)百萬(wàn)馬克。不過(guò)，在宇宙尺度上可能出現(xiàn)過(guò)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(wàn)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。可以預(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(jiàn)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(méi)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(lái)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(guò)冷”狀態(tài)。這就是說(shuō)，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(méi)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(lái)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(ài)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(guò)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(lái)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(guò)冷態(tài)，而力與力之間的對(duì)稱性并沒(méi)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(lái)。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(lái)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(lái)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(lái)自何處的問(wèn)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(lái)說(shuō)，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(lái)得小。這是因?yàn)榘阉鼈兎珠_(kāi)來(lái)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(shuō)，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(guò)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(shuō)的那樣：“常說(shuō)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。可以預(yù)見(jiàn)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(guò)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(lái)，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(guò)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(wèn)題。聽(tīng)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(wú)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(guò)程必須非常緩慢地進(jìn)行，不過(guò)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(guò)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(shuō)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(lái)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(wú)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(shuō)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(lái)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(wú)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(guò)在此類行為極其怪異的點(diǎn)上，哪怕是用公式來(lái)表述定律都非常困難，也無(wú)法通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)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(lái)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(jiàn)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(méi)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(wú)需出現(xiàn)任何奇點(diǎn)。
   我們迄今還沒(méi)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(lái)。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(lái)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�，F(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(shuō)，為了計(jì)算粒子通過(guò)某個(gè)特定點(diǎn)的概率，就要確認(rèn)通過(guò)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(wèn)題。為繞開(kāi)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(tīng)起來(lái)也許有點(diǎn)像科幻小說(shuō)，不過(guò)實(shí)際上它是一種有明確含意的數(shù)學(xué)概念。要想避開(kāi)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(shuō)是一種巧計(jì)，它用以就實(shí)時(shí)空來(lái)計(jì)算問(wèn)題的答案。不過(guò)，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(guò)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(shuō)，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(lái)說(shuō)，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(wú)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(wú)始無(wú)終；或者在過(guò)去某個(gè)限定的時(shí)間，宇宙從奇點(diǎn)起有自己的開(kāi)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(méi)有邊界或者邊緣。
   如果您駕船朝日落方向快速駛?cè)ィ�那么您不�?huì)因到達(dá)邊緣而墜落，或者說(shuō)不會(huì)掉入一個(gè)黑洞。我明白這一點(diǎn)，因?yàn)槲矣羞^(guò)環(huán)球旅行的經(jīng)歷。如果歐幾里得時(shí)空朝著無(wú)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(wèn)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(lái)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(wú)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(wú)邊際可言，人們無(wú)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(shuō)：“宇宙的邊界條件就是它沒(méi)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(lái)，也不會(huì)毀于一旦。它應(yīng)當(dāng)從來(lái)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(méi)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(méi)有注意到它對(duì)宇宙創(chuàng)生過(guò)程中上帝所起作用的含意——對(duì)我來(lái)說(shuō)也同樣如此。在梵蒂岡會(huì)議期間，我還不知道如何利用無(wú)邊界思想來(lái)對(duì)宇宙做出一些預(yù)言。不過(guò)，接下來(lái)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(guò)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(wú)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(wú)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(guò)計(jì)算來(lái)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(wèn)題仍然相當(dāng)棘手。
   人們根據(jù)這種無(wú)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(lái)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(wú)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(lái)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(guò)，現(xiàn)在應(yīng)當(dāng)沒(méi)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(guò)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(shuō)，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(lái)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(kāi)端，而且這個(gè)開(kāi)端只能用量子理論來(lái)描述。這接下來(lái)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(méi)有邊界，或者說(shuō)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(lái)仍然是存在的。對(duì)不幸落入黑洞中的宇航員來(lái)說(shuō)，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(guò)是我們頭腦中所創(chuàng)造出來(lái)的某種東西。在實(shí)時(shí)中，宇宙有一個(gè)開(kāi)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(lái)的一種概念，可用來(lái)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(guò)的思路，科學(xué)理論只是一種數(shù)學(xué)模型，它可以用來(lái)說(shuō)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(wèn)題是毫無(wú)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(guò)是關(guān)于取哪一種對(duì)描述宇宙更為有用的問(wèn)題。
   看來(lái)，無(wú)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(wèn)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(shuō)漲落。人們由無(wú)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(guò)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(lái)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(wú)邊界條件和量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理來(lái)做出解釋。
   時(shí)空可以形成一種無(wú)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(lái)演化�？磥�(lái)他不會(huì)干涉宇宙以致破壞這些定律。但是，這些定律并沒(méi)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(lái)上緊其發(fā)條，并選定以何種方式來(lái)啟動(dòng)它。只要宇宙有開(kāi)端，而這個(gè)開(kāi)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(lái)，也不會(huì)毀于一旦。宇宙應(yīng)當(dāng)從來(lái)就是這種樣子。那么，造物主的位置又在哪里呢？