愛(ài) 因斯坦廣義相對(duì)論本身預(yù)言了：空間－時(shí)間在大爆炸奇點(diǎn)處開(kāi)始，并會(huì)在大擠壓奇點(diǎn)處（如果整個(gè)宇宙坍縮的話）或在黑洞中的一個(gè)奇點(diǎn)處（如果一個(gè)局部區(qū)域，譬 如恒星要坍縮的話）結(jié)束。任何拋進(jìn)黑洞的東西都會(huì)在奇點(diǎn)處被毀滅，只有它的質(zhì)量的引力效應(yīng)能繼續(xù)在外面被感覺(jué)得到。另一方面，當(dāng)計(jì)入量子效應(yīng)時(shí)，物體的質(zhì) 量和能量會(huì)最終回到宇宙的其余部分，黑洞和在它當(dāng)中的任何奇點(diǎn)一道被蒸發(fā)掉并最終消失。量子力學(xué)對(duì)大爆炸和大擠壓奇點(diǎn)也能有同樣戲劇性*的效應(yīng)嗎？在宇宙的 極早或極晚期，當(dāng)引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)，以至于量子效應(yīng)不能不考慮時(shí)，究竟會(huì)發(fā)生什么？宇宙究竟是否有一個(gè)開(kāi)端或終結(jié)？如果有的話，它們是什么樣子的？
整個(gè)70 年代我主要在研究黑洞，但在1981年參加在梵蒂岡由耶穌會(huì)組織的宇宙學(xué)會(huì)議時(shí)，我對(duì)于宇宙的起源和命運(yùn)問(wèn)題的興趣重新被喚起。天主教會(huì)試圖對(duì)科學(xué)的問(wèn)題 立法，并宣布太陽(yáng)是繞著地球運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)伽利略犯下了大錯(cuò)誤。幾個(gè)世紀(jì)后的現(xiàn)在，它決定邀請(qǐng)一些專家就宇宙學(xué)問(wèn)題提出建議。在會(huì)議的尾聲，所有參加者應(yīng)邀出 席教皇的一次演講。他告訴我們，在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但是我們不應(yīng)該去過(guò)問(wèn)大爆炸本身，因?yàn)槟鞘莿?chuàng)生的時(shí)刻，因而是上帝的事務(wù)。那時(shí)候我 心中暗喜，他并不知道，我剛在會(huì)議上作過(guò)的演講的主題——空間－時(shí)間是有限而無(wú)界的可能性*，就表明著沒(méi)有開(kāi)端、沒(méi)有創(chuàng)生的時(shí)刻。我不想去分享伽利略的厄 運(yùn)。我對(duì)伽利略之所以有一種強(qiáng)烈的認(rèn)同感，其部分原因是剛好我出生于他死后的300年！
為了解釋我和其他人關(guān)于量子力學(xué)如何影響宇宙的起源和命運(yùn)的思想，必須首先按照“熱 大爆炸模型”來(lái)理解為大家所接受的宇宙歷史。它是假定從早到大爆炸時(shí)刻起宇宙就用弗利德曼模型描述。在此模型中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，其中的任何物體或 輻射都變得更涼。（當(dāng)宇宙的尺度大到二倍，它的溫度就降低到一半。）由于溫度即是粒子的平均能量——或速度的測(cè)度，宇宙的變涼對(duì)于其中的物質(zhì)就會(huì)有較大的 效應(yīng)。在非常高的溫度下，粒子會(huì)運(yùn)動(dòng)得如此之快，以至于能逃脫任何由核力或電磁力將它們吸引一起的作用。但是可以預(yù)料，當(dāng)它們變冷下來(lái)時(shí)，互相吸引的粒子 開(kāi)始結(jié)塊。更有甚者，連存在于宇宙中的粒子的種類也依賴于溫度。在足夠高的溫度下，粒子的能量是如此之高，只要它們碰撞就會(huì)產(chǎn)生出來(lái)很多不同的粒子／反粒 子對(duì)——并且，雖然其中一些粒子打到反粒子上去時(shí)會(huì)湮滅，但是它們產(chǎn)生得比湮滅得更快。然而，在更低的溫度下，碰撞粒子具有較小的能量，粒子／反粒子對(duì)產(chǎn) 生得不快，而湮滅則變得比產(chǎn)生更快。
就在大爆炸時(shí)，宇宙體積被認(rèn)為是零，所以是無(wú)限熱。但是，輻射的溫度隨著宇宙的膨脹而降低。大爆炸后的１秒鐘，溫度降低到約為100 億度，這大約是太陽(yáng)中心溫度的1千倍，亦即氫彈爆炸達(dá)到的溫度。此刻宇宙主要包含光子、電子和中微子（極輕的粒子，它只受弱力和引力的作用）和它們的反粒 子，還有一些質(zhì)子和中子。隨著宇宙的繼續(xù)膨脹，溫度繼續(xù)降低，電子／反電子對(duì)在碰撞中的產(chǎn)生率就落到它們湮滅率之下。這樣只剩下很少的電子，而大部分電子 和反電子相互湮滅，產(chǎn)生出更多的光子。然而，中微子和反中微子并沒(méi)有互相湮滅掉，因?yàn)檫@些粒子和它們自己以及其他粒子的作用非常微弱，所以直到今天它們應(yīng) 該仍然存在。如果我們能觀測(cè)到它們，就會(huì)為非常熱的早期宇宙階段的圖象提供一個(gè)很好的證據(jù)。可惜現(xiàn)今它們的能量太低了，以至于我們不能直接地觀察到。然 而，如果中微子不是零質(zhì)量，而是如蘇聯(lián)在1981年進(jìn)行的一次沒(méi)被證實(shí)的實(shí)驗(yàn)所暗示的，自身具有小的質(zhì)量，我們則可能間接地探測(cè)到它們。正如前面提到的那 樣，它們可以是“暗物質(zhì)”的一種形式，具有足夠的引力吸引去遏止宇宙的膨脹，并使之重新坍縮。
在大爆炸后的大約100 秒，溫度降到了10億度，也即最熱的恒星內(nèi)部的溫度。在此溫度下，質(zhì)子和中子不再有足夠的能量逃脫強(qiáng)核力的吸引，所以開(kāi)始結(jié)合產(chǎn)生氘（重氫）的原子核。氘 核包含一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)中子。然后，氘核和更多的質(zhì)子中子相結(jié)合形成氦核，它包含二個(gè)質(zhì)子和二個(gè)中子，還產(chǎn)生了少量的兩種更重的元素鋰和鈹。可以計(jì)算出，在 熱大爆炸模型中大約4分之1的質(zhì)子和中子轉(zhuǎn)變了氦核，還有少量的重氫和其他元素。所余下的中子會(huì)衰變成質(zhì)子，這正是通常氫原子的核。
1948 年，科學(xué)家喬治·伽莫夫和他的學(xué)生拉夫·阿爾法在合寫(xiě)的一篇著名的論文中，第一次提出了宇宙的熱的早期階段的圖像。伽莫夫頗有幽默——他說(shuō)服了核物理學(xué)家 漢斯·貝特將他的名字加到這論文上面，使得列名作者為“阿爾法、貝特、伽莫夫”，正如希臘字母的前三個(gè)：阿爾法、貝他、伽瑪，這特別適合于一篇關(guān)于宇宙開(kāi) 初的論文！他們?cè)诖苏撐闹凶鞒隽艘粋€(gè)驚人的預(yù)言：宇宙的熱的早期階段的輻射（以光子的形式）今天還應(yīng)在周圍存在，但是其溫度已被降低到只比絕對(duì)零度 （-273℃） 高幾度。這正是彭齊亞斯和威爾遜在1965年發(fā)現(xiàn)的輻射。在阿爾法、貝特和伽莫夫?qū)懘苏撐臅r(shí)，對(duì)于質(zhì)子和中子的核反應(yīng)了解得不多。所以對(duì)于早期宇宙不同元 素比例所作的預(yù)言相當(dāng)不準(zhǔn)確，但是，在用更好的知識(shí)重新進(jìn)行這些計(jì)算之后，現(xiàn)在已和我們的觀測(cè)符合得非常好。況且，在解釋宇宙為何應(yīng)該有這么多氦時(shí)，用任 何其他方法都是非常困難的。所以，我們相當(dāng)確信，至少一直回溯到大爆炸后大約一秒鐘為止，這個(gè)圖像是正確無(wú)誤的。
大爆炸后的幾個(gè)鐘頭之內(nèi)，氦和其他元素的產(chǎn)生就停止了。之后的100 萬(wàn)年左右，宇宙僅僅只是繼續(xù)膨脹，沒(méi)有發(fā)生什么事。最后，一旦溫度降低到幾千度，電子和核子不再有足夠能量去抵抗它們之間的電磁吸引力，它們就開(kāi)始結(jié)合形 成原子。宇宙作為整體，繼續(xù)膨脹變冷，但在一個(gè)略比平均更密集的區(qū)域，膨脹就會(huì)由于額外的引力吸引而慢下來(lái)。在一些區(qū)域膨脹會(huì)最終停止并開(kāi)始坍縮。當(dāng)它們 坍縮時(shí)，在這些區(qū)域外的物體的引力拉力使它們開(kāi)始很慢地旋轉(zhuǎn)；當(dāng)坍縮的區(qū)域變得更小，它會(huì)自轉(zhuǎn)得更快——正如在冰上自轉(zhuǎn)的滑冰者，縮回手臂時(shí)會(huì)自轉(zhuǎn)得更 快；最終，當(dāng)這些區(qū)域變得足夠小，自轉(zhuǎn)的速度就足以平衡引力的吸引，碟狀的旋轉(zhuǎn)星系就以這種方式誕生了。另外一些區(qū)域剛好沒(méi)有得到旋轉(zhuǎn)，就形成了叫做橢圓 星系的橢球狀物體。這些區(qū)域之所以停止坍縮是因?yàn)樾窍档膫€(gè)別部分穩(wěn)定地繞著它的中心旋轉(zhuǎn)，但星系整體并沒(méi)有旋轉(zhuǎn)。
隨著時(shí)間流逝，星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星云，它們?cè)谧陨硪ο绿s。當(dāng)它們收縮時(shí)，其中的原子相碰撞，氣體溫度升高，直到最后，熱得足以開(kāi)始 熱驟變反應(yīng)。這些反應(yīng)將更多的氫轉(zhuǎn)變成氦，釋放出的熱升高了壓力，因此使星云不再繼續(xù)收縮。正如同我們的太陽(yáng)一樣，它們將氫燃燒成氦，并將得到的能量以熱 和光的形式輻射出來(lái)。它們會(huì)穩(wěn)定地在這種狀態(tài)下停留一段很長(zhǎng)的時(shí)間。質(zhì)量更大的恒星需要變得更熱，以去平衡它們更強(qiáng)的引力，使得其核聚變反應(yīng)進(jìn)行得極快， 以至于它們?cè)冢眱|年這么短的時(shí)間里將氫用光。然后，它們會(huì)稍微收縮一點(diǎn)。當(dāng)它們進(jìn)一步變熱，就開(kāi)始將氦轉(zhuǎn)變成像碳和氧這樣更重的元素。但是，這一過(guò)程沒(méi)有 釋放出太多的能量，所以正如在黑洞那一章描述的，危機(jī)就會(huì)發(fā)生了。人們不完全清楚下面還會(huì)發(fā)生什么，但是看來(lái)恒星的中心區(qū)域會(huì)坍縮成一個(gè)非常緊致的狀態(tài)， 譬如中子星或黑洞。恒星的外部區(qū)域有時(shí)會(huì)在叫做超新星的巨大爆發(fā)中吹出來(lái)，這種爆發(fā)會(huì)使星系中的所有恒星相形之下顯得黯淡無(wú)光。一些恒星接近生命終點(diǎn)時(shí)產(chǎn) 生的重元素就拋回到星系里的氣體中去，為下一代恒星提供一些原料。我們自己的太陽(yáng)包含大約２％這樣的重元素，因?yàn)樗堑诙虻谌阈?，是?span lang="EN-US">50億年前從包含有更早的超新星的碎片的旋轉(zhuǎn)氣體云形成的。云里的大部分氣體形成了太陽(yáng)或者噴到外面去，但是少量的重元素集聚在一起，形成了像地球這樣的、現(xiàn)在繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的物體。
地球原先是非常熱的，并且沒(méi)有大氣。在時(shí)間的長(zhǎng)河中它冷卻下來(lái)，并從巖石中溢出的氣體里得到了大氣。這早先的大氣不能使我們存活。因?yàn)樗话鯕?，?有很多對(duì)我們有毒的氣體，如硫化氫（即是使臭雞蛋難聞的氣體）。然而，存在其他在這條件下能繁衍的生命的原始形式。人們認(rèn)為，它們可能是作為原子的偶然結(jié) 合形成叫做宏觀分子的大結(jié)構(gòu)的結(jié)果而在海洋中發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒑Ｑ笾械钠渌泳奂深愃频慕Y(jié)構(gòu)。它們就這樣地復(fù)制了自己并繁殖。在有些情況下復(fù)制有 誤差。這些誤差多數(shù)使得新的宏觀分子不能復(fù)制自己，并最終被消滅。然而，有一些誤差會(huì)產(chǎn)生出新的宏觀分子，在復(fù)制它們自己時(shí)會(huì)變得更好。所以它們具有優(yōu) 點(diǎn)，并趨向于取代原先的宏觀分子。進(jìn)化的過(guò)程就是用這種方式開(kāi)始，它導(dǎo)致了越來(lái)越復(fù)雜的自復(fù)制的組織。第一種原始的生命形式消化了包括硫化氫在內(nèi)的不同物 質(zhì)而放出氧氣。這樣就逐漸地將大氣改變到今天這樣的成份，允許諸如魚(yú)、爬行動(dòng)物、哺－乳－動(dòng)物以及最后人類等生命的更高形式的發(fā)展。
宇宙從非常熱開(kāi)始并隨膨脹而冷卻的景象，和我們今天所有的觀測(cè)證據(jù)相一致。盡管如此，還有許多重要問(wèn)題未被回答：
（１）為何早期宇宙如此之熱？
?。ǎ玻楹卧诖蟪叨壬嫌钪媸侨绱艘恢?？為何在空間的所有地方和所有方向上它顯得是一樣的？尤其是，當(dāng)我們朝不同方向看時(shí)，為何微波輻射背景的溫度是如此 之相同？這有點(diǎn)像問(wèn)許多學(xué)生一個(gè)考試題。如果所有人都剛好給出相同的回答，你就會(huì)十分肯定，他們互相之間通過(guò)話。在上述的模型中，從大爆炸開(kāi)始光還沒(méi)有來(lái) 得及從一個(gè)很遠(yuǎn)的區(qū)域傳到另一個(gè)區(qū)域，即使這兩個(gè)區(qū)域在宇宙的早期靠得很近。按照相對(duì)論，如果連光都不能從一個(gè)區(qū)域走到另一個(gè)區(qū)域，則沒(méi)有任何其他的信息 能做到。所以，除非因?yàn)槟撤N不能解釋的原因，導(dǎo)致早期宇宙中不同的區(qū)域剛好從同樣的溫度開(kāi)始，否則，沒(méi)有一種方法能使它們有互相一樣的溫度。
?。ǎ常楹斡钪嬉赃@樣接近于區(qū)分坍縮和永遠(yuǎn)膨脹模型的臨界膨脹率的速率開(kāi)始，以至于即使在100億年以后的現(xiàn)在，它仍然幾乎以臨界的速率膨脹？如果在大爆炸后的１秒鐘那一時(shí)刻其膨脹率甚至只要小十億億分之一，那么在它達(dá)到今天這么大的尺度之前宇宙就已坍縮。
?。ǎ矗┍M管在大尺度上宇宙是如此的一致和均勻，它卻包含有局部的無(wú)規(guī)性*，諸如恒星和星系。人們認(rèn)為，這些是從早期宇宙中不同區(qū)域間的密度的很小的差別發(fā)展而來(lái)。這些密度起伏的起源是什么？
廣義相對(duì)論本身不能解釋這些特征或回答這些問(wèn)題，因?yàn)樗A(yù)言，在大爆炸奇點(diǎn)宇宙是從無(wú)限密度開(kāi)始的。在奇點(diǎn)處，廣義相對(duì)論和所有其他物理定律都失效：人 們不能預(yù)言從奇點(diǎn)會(huì)出來(lái)什么。正如以前解釋的，這表明我們可以從這理論中除去大爆炸奇點(diǎn)和任何先于它的事件，因?yàn)樗鼈儗?duì)我們沒(méi)有任何觀測(cè)效應(yīng)?？臻g一時(shí)間 就會(huì)有邊界——大爆炸處的開(kāi)端。
看來(lái)科學(xué)揭露了一組定律，在不確定性*原理極限內(nèi)，如果我們知道宇宙在任一時(shí)刻的狀態(tài)，這些定律就會(huì)告訴我們，它如何隨時(shí)間發(fā)展。這些定律也許原先是由上 帝頒布的，但是看來(lái)從那以后他就讓宇宙按照這些定律去演化，而不再對(duì)它干涉。但是，它是如何選擇宇宙的初始狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的？在時(shí)間的開(kāi)端處“邊界條件”是什么？
一種可能的回答是，上帝選擇宇宙的這種初始結(jié)構(gòu)是因?yàn)槟承┪覀儫o(wú)望理解的原因。這肯定是在一個(gè)全能造物主的力量之內(nèi)。但是如果他使宇宙以這種不可理解的 方式開(kāi)始，何以他又選擇讓它按照我們可理解的定律去演化？整部科學(xué)史是對(duì)事件不是以任意方式發(fā)生，而是反映了一定的內(nèi)在秩序的逐步的意識(shí)。這秩序可以是、 也可以不是由神靈主宰的。只有假定這種秩序不但應(yīng)用于定律，而且應(yīng)用于在空間－時(shí)間邊界處所給定的宇宙初始條件才是自然的。可以有大量具有不同初始條件的 宇宙模型，它們都服從定律。應(yīng)該存在某種原則去抽取一個(gè)初始狀態(tài)，也就是一個(gè)模型去代表我們的宇宙。
所謂的紊亂邊界條件即是這樣的一種可能性*。這里含蓄地假定，或者宇宙是空間無(wú)限的，或者存在無(wú)限多宇宙。在紊亂邊界條件下，在剛剛大爆炸之后，尋求任何 空間的區(qū)域在任意給定的結(jié)構(gòu)的概率，在某種意義上，和它在任何其他的結(jié)構(gòu)的概率是一樣的：宇宙初始態(tài)的選擇純粹是隨機(jī)的。這意味著，早期宇宙可能是非常紊 亂和無(wú)規(guī)則的。因?yàn)榕c光滑和有序的宇宙相比，存在著更多得多的紊亂和無(wú)序的宇宙。（如果每一結(jié)構(gòu)都是等幾率的，多半宇宙是從紊亂無(wú)序態(tài)開(kāi)始，就是因?yàn)檫@種 態(tài)多得這么多。）很難理解，從這樣紊亂的初始條件，如何導(dǎo)致今天我們這個(gè)在大尺度上如此光滑和規(guī)則的宇宙。人們還預(yù)料，在這樣的模型中，密度起伏導(dǎo)致了比 由伽瑪射線背景所限定的多得多的太初黑洞的形成。
如果宇宙確實(shí)是空間無(wú)限的，或者如果存在無(wú)限多宇宙，則就會(huì)存在某些從光滑和一致的形態(tài)開(kāi)始演化的大的區(qū)域。這有一點(diǎn)像著名的一大群猴子敲打打字機(jī)的故事—— 它們大部分所寫(xiě)的都是廢話。但是純粹由于偶然，它們可能碰巧打出莎士比亞的一首短詩(shī)。類似地，在宇宙的情形，是否我們可能剛好生活在一個(gè)光滑和一致的區(qū)域 里呢？初看起來(lái)，這是非常不可能的，因?yàn)檫@樣光滑的區(qū)域比紊亂的無(wú)序的區(qū)域少得多得多。然而，假定只有在光滑的區(qū)域里星系、恒星才能形成，才能有合適的條 件，讓像我們這樣復(fù)雜的、有能力質(zhì)疑為什么宇宙是如此光滑的問(wèn)題、能自然復(fù)制的組織得以存在。這就是被稱為人擇原理的一個(gè)應(yīng)用的例子。人擇原理可以釋義 作：“我們看到的宇宙之所以這個(gè)樣子，乃是因?yàn)槲覀兊拇嬖??！?
人擇原理有弱的和強(qiáng)的意義下的兩種版本。弱人擇原理是講，在一個(gè)大的或具有無(wú)限空間和／或時(shí)間的宇宙里，只有在空間一時(shí)間有限的一定區(qū)域里，才存在智慧 生命發(fā)展的必要條件。在這些區(qū)域中，如果智慧生物觀察到他們?cè)谟钪娴奈恢脻M足那些為他們生存所需的條件，他們不應(yīng)感到驚訝。這有點(diǎn)像生活在富裕街坊的富人 看不到任何貧窮。
應(yīng)用弱人擇原理的一個(gè)例子是“解 釋”為何大爆炸發(fā)生于大約100 億年之前——智慧生物需要那么長(zhǎng)時(shí)間演化。正如前面所解釋的，一個(gè)早代的恒星首先必須形成。這些恒星將一些原先的氫和氦轉(zhuǎn)化成像碳和氧這樣的元素，由這些 元素構(gòu)成我們。然后恒星作為超新星而爆發(fā)，其裂片形成其他恒星和行星，其中就包括我們的太陽(yáng)系，太陽(yáng)系年齡大約是50億年。地球存在的頭10億或20億 年，對(duì)于任何復(fù)雜東西的發(fā)展都嫌太熱。余下的30億年左右才用于生物進(jìn)化的漫長(zhǎng)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程導(dǎo)致從最簡(jiǎn)單的組織到能夠測(cè)量回溯到大爆炸那一瞬間的生物的 形成。
很少人會(huì)對(duì)弱人擇原理的有效性*提出異議。然而，有的人走得更遠(yuǎn)并提出強(qiáng)人擇原理。按照這個(gè)理論，存在許多不同的宇宙或者一個(gè)單獨(dú)宇宙的許多不同的區(qū)域， 每一個(gè)都有自己初始的結(jié)構(gòu)，或許還有自己的一套科學(xué)定律。在這些大部分宇宙中，不具備復(fù)雜組織發(fā)展的條件；只有很少像我們的宇宙，在那里智慧生命得以發(fā)展 并質(zhì)疑：“為何宇宙是我們看到的這種樣子？”這回答很簡(jiǎn)單：如果它不是這個(gè)樣子，我們就不會(huì)在這兒！
? 我們現(xiàn)在知道，科學(xué)定律包含許多基本的數(shù)，如電子電荷的大小以及質(zhì)子和電子的質(zhì)量比。至少現(xiàn)在，我們不能從理論上預(yù)言這些數(shù)值—— 我們必須由觀察找到它們。也許有一天，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)將它們所有都預(yù)言出來(lái)的一個(gè)完整的統(tǒng)一理論，但是還可能它們之中的一些或全部，在不同的宇宙或在一個(gè) 宇宙之中是變化的。令人吃驚的事實(shí)是，這些數(shù)值看來(lái)是被非常細(xì)致地調(diào)整到使得生命的發(fā)展成為可能。例如，如果電子的電荷只要稍微有點(diǎn)不同，則要么恒星不能 夠燃燒氫和氦，要么它們沒(méi)有爆炸過(guò)。當(dāng)然，也許存在其他形式的、甚至還沒(méi)被科學(xué)幻想作家夢(mèng)想過(guò)的智慧生命。它并不需要像太陽(yáng)這樣恒星的光，或在恒星中制造 出并在它爆炸時(shí)被拋到空間去的更重的化學(xué)元素。盡管如此，看來(lái)很清楚，允許任何智慧生命形式的發(fā)展的數(shù)值范圍是比較小的。對(duì)于大部份數(shù)值的集合，宇宙也會(huì) 產(chǎn)生，雖然它們可以是非常美的，但不包含任何一個(gè)能為如此美麗而驚訝的人。人們既可以認(rèn)為這是在創(chuàng)生和科學(xué)定律選擇中的神意的證據(jù)，也可以認(rèn)為是對(duì)強(qiáng)人擇 原理的支持。
人們可以提出一系列理由，來(lái)反對(duì)強(qiáng)人擇原理對(duì)宇宙的所觀察到的狀態(tài)的解釋。首先，在何種意義上可以說(shuō)，所有這些不同的宇宙存在？如果它們確實(shí)互相隔開(kāi)， 在其他宇宙發(fā)生的東西，怎么可以在我們自己的宇宙中沒(méi)有可觀測(cè)的后果？所以，我們應(yīng)該用經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，將它們從理論中割除去。另一方面，它們?nèi)魞H僅是一個(gè)單 獨(dú)宇宙的不同區(qū)域，則在每個(gè)區(qū)域里的科學(xué)定律必須是一樣的，因?yàn)榉駝t人們不能從一個(gè)區(qū)域連續(xù)地運(yùn)動(dòng)到另一區(qū)域。在這種情況下，不同區(qū)域之間的僅有的不同只 是它們的初始結(jié)構(gòu)。這樣，強(qiáng)人擇原理即歸結(jié)為弱人擇原理。
對(duì)強(qiáng)人擇原理的第二個(gè)異議是，它和整個(gè)科學(xué)史的潮流背道而馳。我們是從托勒密和他的黨人的地心宇宙論發(fā)展而來(lái)，通過(guò)哥白尼和伽利略日心宇宙論，直到現(xiàn)代 的圖象，其中地球是一個(gè)中等大小的行星，它繞著一個(gè)尋常的螺旋星系外圈的普通恒星作公轉(zhuǎn)，而這星系本身只是在可觀察到的宇宙中萬(wàn)億個(gè)星系中的一個(gè)。然而強(qiáng) 人擇原理卻宣布，這整個(gè)龐大的構(gòu)造僅僅是為我們的緣故而存在，這是非常難以令人置信的。我們太陽(yáng)系肯定是我們存在的前提，人們可以將之推廣于我們的星系， 使之允許早代的恒星產(chǎn)生重元素。但是，絲毫看不出存在任何其他星系的必要，在大尺度上也不需要宇宙在每一方向上必須如此一致和類似。
如果人們能夠表明，相當(dāng)多的宇宙的不同初始結(jié)構(gòu)會(huì)演化產(chǎn)生像我們今天看到的宇宙，至少在弱的形式上，人們會(huì)對(duì)人擇原理感到更滿意。如果這樣，則一個(gè)從某 些隨機(jī)的初始條件發(fā)展而來(lái)的宇宙，應(yīng)當(dāng)包含許多光滑的、一致的并適合智慧生命演化的區(qū)域。另一方面，如果宇宙的初始條件必須極端仔細(xì)地選擇，才能導(dǎo)致在我 們周圍所看到的一切，宇宙就不太可能包含任何會(huì)出現(xiàn)生命的區(qū)域。在上述的熱大爆炸模型中，沒(méi)有足夠的方向使熱從一個(gè)區(qū)域流到另一區(qū)域。這意味著宇宙的初始 態(tài)在每一處必須剛好有同樣的溫度，才能說(shuō)明我們?cè)诿恳环较蛏峡吹降奈⒉ū尘拜椛涠加型瑯訙囟?，其初始的膨脹率也要非常精確地選擇，才能使得現(xiàn)在的膨脹率仍 然是如此接近于需要用以避免坍縮的臨界速率。這表明，如果直到時(shí)間的開(kāi)端熱大爆炸模型都是正確的，則必須非常仔細(xì)地選擇宇宙的初始態(tài)。所以，除非作為上帝 有意創(chuàng)造像我們這樣生命的行為，否則要解釋為何宇宙只用這種方式起始是非常困難的。
為了試圖尋找一個(gè)能從許多不同的初始結(jié)構(gòu)演化到象現(xiàn)在這樣的宇宙的宇宙模型，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家阿倫·固斯提出，早期宇宙可能存在過(guò)一個(gè)非?？焖倥蛎浀臅r(shí)期。這種膨脹叫做“暴漲”，意指宇宙在一段時(shí)間里，不像現(xiàn)在這樣以減少的、而是以增加的速率膨脹。按照固斯理論，在遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于１秒的時(shí)間里，宇宙的半徑增大了100萬(wàn)億億億（１后面跟30個(gè)０）倍。
固斯提出，宇宙是以一個(gè)非常熱而且相當(dāng)紊亂的狀態(tài)從大爆炸開(kāi)始的。這些高溫表明宇宙中的粒子運(yùn)動(dòng)得非?？觳⒕哂懈吣芰俊Ｕ缭缦任覀冇懻摰?，人們預(yù)料在 這么高的溫度下，強(qiáng)和弱核力及電磁力都被統(tǒng)一成一個(gè)單獨(dú)的力。當(dāng)宇宙膨脹時(shí)它會(huì)變冷，粒子能量下降。最后出現(xiàn)了所謂的相變，并且力之間的對(duì)稱性*被破壞了： 強(qiáng)力變得和弱力以及電磁力不同。相變的一個(gè)普通的例子是，當(dāng)水降溫時(shí)會(huì)凍結(jié)成冰。液態(tài)水是對(duì)稱的，它在任何一點(diǎn)和任何方向上都是相同的。然而，當(dāng)冰晶體形 成時(shí)，它們有確定的位置，并在某一方向上整齊排列，這就破壞了水的對(duì)稱。
處理水的時(shí)候，只要你足夠小心，就能使之“過(guò) 冷”，也就是可以將溫度降低到冰點(diǎn)（０℃）以下而不結(jié)冰。固斯認(rèn)為，宇宙的行為也很相似：宇宙溫度可以低到臨界值以下，而沒(méi)有使不同的力之間的對(duì)稱受到破 壞。如果發(fā)生這種情形，宇宙就處于一個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)，其能量比對(duì)稱破缺時(shí)更大。這特殊的額外能量呈現(xiàn)出反引力的效應(yīng)：其作用如同一個(gè)宇宙常數(shù)。宇宙常數(shù)是當(dāng) 愛(ài)因斯坦在試圖建立一個(gè)穩(wěn)定的宇宙模型時(shí)，引進(jìn)廣義相對(duì)論之中去的。由于宇宙已經(jīng)像大爆炸模型那樣膨脹，所以這宇宙常數(shù)的排斥效應(yīng)使得宇宙以不斷增加的速 度膨脹，即使在一些物質(zhì)粒子比平均數(shù)多的區(qū)域，這一有效宇宙常數(shù)的排斥作用超過(guò)了物質(zhì)的引力吸引作用。這樣，這些區(qū)域也以加速暴漲的形式而膨脹。當(dāng)它們膨 脹時(shí)，物質(zhì)粒子越分越開(kāi)，留下了一個(gè)幾乎不包含任何粒子，并仍然處于過(guò)冷狀態(tài)的膨脹的宇宙。宇宙中的任何不規(guī)則性*都被這膨脹抹平，正如當(dāng)你吹脹氣球時(shí)，它 上面的皺紋就被抹平了。所以，宇宙現(xiàn)在光滑一致的狀態(tài)，可以是從許多不同的非一致的初始狀態(tài)演化而來(lái)。
在這樣一個(gè)其膨脹由宇宙常數(shù)加速、而不由物質(zhì)的引力吸引使之減慢的宇宙中，早期宇宙中的光線就有足夠的時(shí)間從一個(gè)地方傳到另一個(gè)地方。這就解答了早先提 出的，為何在早期宇宙中的不同區(qū)域具有同樣性*質(zhì)的問(wèn)題。不但如此，宇宙的膨脹率也自動(dòng)變得非常接近于由宇宙的能量密度決定的臨界值。這樣，不必去假設(shè)宇宙 初始膨脹率曾被非常仔細(xì)地選擇過(guò)，就能解釋為何現(xiàn)在的膨脹率仍然是如此地接近于臨界值。
暴漲的思想還能解釋為何宇宙存在這么多物質(zhì)。在我們能觀察到的宇宙里大體有１億億億億億億億億億億（1 后面跟80個(gè)0） 個(gè)粒子。它們從何而來(lái)？答案是，在量子理論中，粒子可以從粒子／反粒子對(duì)的形式由能量中創(chuàng)生出來(lái)。但這只不過(guò)引起了能量從何而來(lái)的問(wèn)題。答案是，宇宙的總 能量剛好是零。宇宙的物質(zhì)是由正能量構(gòu)成的；然而，所有物質(zhì)都由引力互相吸引。兩塊互相靠近的物質(zhì)比兩塊分得很開(kāi)的物質(zhì)具有更少的能量，因?yàn)槟惚仨毾哪?量去克服把它們拉在一起的引力而將其分開(kāi)。這樣，在一定意義上，引力場(chǎng)具有負(fù)能量。在空間上大體一致的宇宙的情形中，人們可以證明，這個(gè)負(fù)的引力能剛好抵 消了物質(zhì)所代表的正能量，所以宇宙的總能量為零。
零的兩倍仍為零。這樣宇宙可以同時(shí)將其正的物質(zhì)能和負(fù)的引力能加倍，而不破壞其能量的守恒。在宇宙的正常膨脹時(shí)，這并沒(méi)有發(fā)生。這時(shí)當(dāng)宇宙變大時(shí)，物質(zhì) 能量密度下降。然而，這種情形確實(shí)發(fā)生于暴漲時(shí)期。因?yàn)橛钪媾蛎洉r(shí)，過(guò)冷態(tài)的能量密度保持不變：當(dāng)宇宙體積加倍時(shí)，正物質(zhì)能和負(fù)引力能都加倍，總能量保持 為零。在暴漲相，宇宙的尺度增大了一個(gè)非常大的倍數(shù)。這樣，可用以制造粒子的總能量變得非常大。正如固斯所說(shuō)的：“都說(shuō)沒(méi)有免費(fèi)午餐這件事，但是宇宙是最徹底的免費(fèi)午餐?！?
今天宇宙不是以暴漲的方式膨脹。這樣，必須有一種機(jī)制，它可以消去這一非常大的有效宇宙常數(shù)，從而使膨脹率從加速的狀態(tài)，改變?yōu)檎缤裉爝@樣由引力減 慢下的樣子。人們可以預(yù)料，在宇宙暴漲時(shí)不同力之間的對(duì)稱最終會(huì)被破壞，正如過(guò)冷的水最終會(huì)凝固一樣。這樣，未破缺的對(duì)稱態(tài)的額外能量就會(huì)釋放，并將宇宙 重新加熱到剛好低于使不同力對(duì)稱的臨界溫度。以后，宇宙就以標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸模式繼續(xù)膨脹并變冷。但是，現(xiàn)在找到了何以宇宙剛好以臨界速率膨脹，并在不同的區(qū) 域具有相同溫度的解釋。
在固斯的原先設(shè)想中，有點(diǎn)像在非常冷的水中出現(xiàn)冰晶體，相變是突然發(fā)生的。其想法是，正如同沸騰的水圍繞著蒸汽泡，新的對(duì)稱破缺相的“泡 泡”在原有的對(duì)稱相中形成。泡泡膨脹并互相碰撞，直到整個(gè)宇宙變成新相。麻煩在于，正如同我和其他幾個(gè)人所指出的，宇宙膨脹得如此之快，甚至即使泡泡以光 速漲大，它們也要互相分離，并因此不能合并在一起。結(jié)果宇宙變成一種非常不一致的狀態(tài)，有些區(qū)域仍具有不同力之間的對(duì)稱。這樣的模型跟我們所觀察到的宇宙 并不吻合。
1981 年10月，我去莫斯科參加量子引力的會(huì)議。會(huì)后，我在斯特堡天文研究所做了一個(gè)有關(guān)暴漲模型和它的問(wèn)題的講演。聽(tīng)眾席中有一年輕的蘇聯(lián)人——莫斯科列別提 夫研究所的安德雷·林德——他講，如果泡泡是如此之大，以至于我們宇宙的區(qū)域被整個(gè)地包含在一個(gè)單獨(dú)的泡泡之中，則可以避免泡泡不能合并在一起的困難。為 了使這個(gè)行得通，從對(duì)稱相向?qū)ΨQ破缺相的改變必須在泡泡中進(jìn)行得非常慢，而按照大統(tǒng)一理論這是相當(dāng)可能的。林德的緩慢對(duì)稱破缺思想是非常好的，但過(guò)后我意 識(shí)到，他的泡泡在那一時(shí)刻必須比宇宙的尺度還要大！我指出，那時(shí)對(duì)稱不僅僅在泡泡里，而且在所有的地方同時(shí)被破壞。這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)正如我們所觀察到的一致的 宇宙。我被這個(gè)思想弄得非常激動(dòng)，并和我的一個(gè)學(xué)生因·莫斯討論。然而，當(dāng)我后來(lái)收到一個(gè)科學(xué)雜志社寄來(lái)的林德的論文，征求是否可以發(fā)表時(shí)，作為他的朋 友，我感到相當(dāng)難為情。我回答說(shuō)，這里有一個(gè)關(guān)于泡泡比宇宙還大的瑕疵，但是里面關(guān)于緩慢對(duì)稱破缺的基本思想是非常好的。我建議將此論文照原樣發(fā)表。因?yàn)?林德要花幾個(gè)月時(shí)間去改正它，并且他寄到西方的任何東西都要通過(guò)蘇聯(lián)的審查，這種對(duì)于科學(xué)論文的審查既無(wú)技巧可言又很緩慢。我和因·莫斯便越俎代庖，為同 一雜志寫(xiě)了一篇短文。我們?cè)谠撐闹兄赋鲞@泡泡的問(wèn)題，并提出如何將其解決。
我從莫斯科返回的第二天，即去費(fèi)城接受富蘭克林研究所的獎(jiǎng)?wù)?。我的秘?shū)朱迪· 費(fèi)拉以其不差的魅力說(shuō)服了英國(guó)航空公司向她和我免費(fèi)提供協(xié)和式飛機(jī)的宣傳旅行座席。然而，在去機(jī)場(chǎng)的路上被大雨耽擱，我沒(méi)趕上航班。盡管如此，我最終還是 到了費(fèi)城并得到獎(jiǎng)?wù)?。之后，?yīng)邀作了關(guān)于暴漲宇宙的講演。正如在莫斯科那樣，我用大部分時(shí)間講授關(guān)于暴漲模型的問(wèn)題。但在結(jié)尾時(shí)，我提到林德關(guān)于緩慢對(duì)稱 破缺的思想，以及我的修正意見(jiàn)。聽(tīng)眾中有一位年輕的賓夕凡尼亞大學(xué)的助理教授保羅·斯特恩哈特，講演后他和我討論暴漲的問(wèn)題。次年２月份，他寄給我一篇由 他和一個(gè)學(xué)生安德魯斯·阿爾伯勒希特合寫(xiě)的論文。在該文中，他們提出了某種非常類似林德緩慢對(duì)稱破缺的思想。后來(lái)他告訴我，他不記得我描述過(guò)林德的思想， 并且只是在他們幾乎完成論文之時(shí)，才看到林德的文章。在西方，現(xiàn)在他們和林德分享以緩慢對(duì)稱破缺的思想為基礎(chǔ)，并發(fā)現(xiàn)所謂新暴漲模型的榮譽(yù)。（舊的暴漲模 型是指固斯關(guān)于形成泡泡后快速對(duì)稱破缺的原始設(shè)想。）
新暴漲模型是一個(gè)好的嘗試，它能解釋宇宙為何是這種樣子。然而我和其他幾個(gè)人指出，至少在它原先的形式，它預(yù)言的微波背景輻射的溫度起伏比所觀察到的情 形要大得多。后來(lái)的工作還對(duì)極早期宇宙中是否存在這類所需要的相變提出懷疑。我個(gè)人的意見(jiàn)是，現(xiàn)在新暴漲模型作為一個(gè)科學(xué)理論是氣數(shù)已盡。雖然有很多人似 乎沒(méi)有聽(tīng)進(jìn)它的死訊，還繼續(xù)寫(xiě)文章，好像那理論還有生命力。林德在1983年提出了一個(gè)更好的所謂紊亂暴漲模型。 這里沒(méi)有相變和過(guò)冷，而代之以存在一個(gè)自旋為０的場(chǎng)，由于它的量子漲落，在早期宇宙的某些區(qū)域有大的場(chǎng)量。在那些區(qū)域中，場(chǎng)的能量起到宇宙常數(shù)的作用，它 具有排斥的引力效應(yīng)，因此使得這些區(qū)域以暴漲的形式膨脹。當(dāng)它們膨脹時(shí)，它們中的場(chǎng)的能量慢慢地減小，直到暴漲改變到猶如熱大爆炸模型中的膨脹時(shí)為止。這 些區(qū)域之一就成為我們看到的宇宙。這個(gè)模型具有早先暴漲模型的所有優(yōu)點(diǎn)，但它不是取決于使人生疑的相變，并且還能給出微波背景輻射的溫度起伏，其幅度與觀 測(cè)相符合。
暴漲模型的研究指出：宇宙現(xiàn)在的狀態(tài)可以從相當(dāng)大量的不同初始結(jié)構(gòu)引起的。這是重要的，因?yàn)樗砻鞑槐胤浅＜?xì)心地選取我們居住的那部份宇宙區(qū)域的初始狀 態(tài)。所以，如果愿意的話，我們可以利用弱人擇原理解釋宇宙為何是這個(gè)樣子。然而，絕不是任何一種初始結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生像我們所觀察到的宇宙。這一點(diǎn)很容易說(shuō) 明，考慮現(xiàn)在宇宙處于一個(gè)非常不同的態(tài)，例如一個(gè)非常成團(tuán)的、非常無(wú)規(guī)則的態(tài)，人們可以利用科學(xué)定律，在時(shí)間上將其演化回去，以確定宇宙在更早時(shí)刻的結(jié) 構(gòu)。按照經(jīng)典廣義相對(duì)論的奇點(diǎn)定理，仍然存在一個(gè)大爆炸奇點(diǎn)。如果你在時(shí)間前進(jìn)方向上按照科學(xué)定律演化這樣的宇宙，你就會(huì)得到你一開(kāi)始給定的那個(gè)成團(tuán)的無(wú) 規(guī)則的態(tài)。這樣，必定存在不會(huì)產(chǎn)生我們今天所觀察到的宇宙的初始結(jié)構(gòu)。所以，就連暴漲模型也沒(méi)有告訴我們，為何初始結(jié)構(gòu)不是那種產(chǎn)生和我們觀測(cè)到的非常不 同的宇宙的某種態(tài)。我們是否應(yīng)該轉(zhuǎn)去應(yīng)用人擇原理以求解釋呢？難道所有這一切僅僅是因?yàn)楹眠\(yùn)氣？看來(lái)，這只是無(wú)望的遁詞，是對(duì)我們理解宇宙內(nèi)在秩序的所有 希望的否定。
為了預(yù)言宇宙應(yīng)該是如何開(kāi)始的，人們需要在時(shí)間開(kāi)端處有效的定律。羅杰· 彭羅斯和我證明的奇點(diǎn)定理指出，如果廣義相對(duì)論的經(jīng)典理論是正確的，則時(shí)間的開(kāi)端是具有無(wú)限密度和無(wú)限空間－時(shí)間曲率的一點(diǎn)，在這一點(diǎn)上所有已知的科學(xué)定 律都失效。人們可以設(shè)想存在在奇點(diǎn)處成立的新定律，但是在如此不守規(guī)矩的點(diǎn)處，甚至連表述這樣的定律都是非常困難的，而且從觀察中我們沒(méi)有得到關(guān)于這些定 律應(yīng)是什么樣子的任何提示。然而，奇點(diǎn)定理真正表明的是，該處引力場(chǎng)變得如此之強(qiáng)，以至于量子引力效應(yīng)變得重要：經(jīng)典理論不再能很好地描述宇宙。所以，人 們必須用量子引力論去討論宇宙的極早期階段。我們將會(huì)看到，在量子力學(xué)中，通常的科學(xué)定律有可能在任何地方都有效，包括時(shí)間開(kāi)端這一點(diǎn)在內(nèi)：不必針對(duì)奇點(diǎn) 提出新的定律，因?yàn)樵诹孔永碚撝胁豁氂腥魏纹纥c(diǎn)。
我們?nèi)匀粵](méi)有一套完整而協(xié)調(diào)的理論，它將量子力學(xué)和引力結(jié)合在一起。然而，我們相當(dāng)清楚這樣一套統(tǒng)一理論所應(yīng)該具有的某些特征。其中一個(gè)就是它必須和費(fèi) 因曼提出的按照對(duì)歷史求和的量子力學(xué)表述相一致。在這種方法里，一個(gè)粒子不像在經(jīng)典理論中那樣，不僅只有一個(gè)歷史。相反的，它被認(rèn)為是通過(guò)空間－時(shí)間里的 每一可能的路徑，每一條途徑有一對(duì)相關(guān)的數(shù)，一個(gè)代表波的幅度，另一個(gè)代表它的相位。粒子通過(guò)一指定點(diǎn)的概率是將通過(guò)此點(diǎn)的所有可能途徑的波迭加而求得。 然而，當(dāng)人們實(shí)際去進(jìn)行這些求和時(shí)，就遇到了嚴(yán)重的技術(shù)問(wèn)題?；乇苓@個(gè)問(wèn)題的唯一獨(dú)特的方法是：你必須不是對(duì)發(fā)生在你我經(jīng)驗(yàn)的“實(shí)” 的時(shí)間內(nèi)的，而是對(duì)發(fā)生在所謂“虛”的時(shí)間內(nèi)的粒子的途徑的波進(jìn)行求和。虛時(shí)間可能聽(tīng)起來(lái)像科學(xué)幻想，但事實(shí)上，它是定義得很好的數(shù)學(xué)概念。如果你取任何 平常的（或“實(shí)的”）數(shù)和它自己相乘，結(jié)果是一個(gè)正數(shù)。（例如２乘２是４，但－２乘－２也是這么多）。然而，有一種特別的數(shù)（叫虛數(shù)），當(dāng)它們自乘時(shí)得到 負(fù)數(shù)。（在這兒的虛數(shù)單位叫做ｉ，它自乘時(shí)得－１，２ｉ自乘得－４，等等。）人們必須利用虛時(shí)間，以避免在進(jìn)行費(fèi)因曼對(duì)歷史求和的技術(shù)上的困難。也就是為 了計(jì)算的目的人們必須用虛數(shù)而不是用實(shí)數(shù)來(lái)測(cè)量時(shí)間。這對(duì)空間－時(shí)間有一有趣的效應(yīng)：時(shí)間和空間的區(qū)別完全消失。事件具有虛值時(shí)間坐標(biāo)的空間－時(shí)間被稱為 歐幾里德型的，它是采用建立了二維面幾何的希臘人歐幾里德的名字命名的。我們現(xiàn)在稱之為歐幾里德空間－時(shí)間的東西除了是四維而不是二維以外，其余的和它非 常相似。在歐幾里德空間－時(shí)間中，時(shí)間方向和空間方向沒(méi)有不同之處。另一方面，在通常用實(shí)的時(shí)間坐標(biāo)來(lái)標(biāo)記事件的實(shí)的空間－時(shí)間里，人們很容易區(qū)別這兩種 方向——在光錐中的任何點(diǎn)是時(shí)間方向，之外為空間方向。就日常的量子力學(xué)而言，在任何情況下，我們利用虛的時(shí)間和歐幾里德空間－時(shí)間可以認(rèn)為僅僅是一個(gè)計(jì) 算實(shí)空間－時(shí)間的答案的數(shù)學(xué)手段（或技巧）。
我們相信，作為任何終極理論的一部分而不可或缺的第二個(gè)特征是愛(ài)因斯坦的思想，即引力場(chǎng)是由彎曲的空間－時(shí)間來(lái)代表：粒子在彎曲空間中試圖沿著最接近于 直線的某種途徑走，但因?yàn)榭臻g－時(shí)間不是平坦的。它們的途徑看起來(lái)似乎被引力場(chǎng)折彎了。當(dāng)我們用費(fèi)因曼的路徑求和方法去處理愛(ài)因斯坦的引力觀點(diǎn)時(shí)，和粒子 的歷史相類似的東西則是代表整個(gè)宇宙歷史的完整的彎曲的空間－時(shí)間。為了避免實(shí)際進(jìn)行歷史求和的技術(shù)困難，這些彎曲的空間－時(shí)間必須采用歐幾里德型的。也 就是，時(shí)間是虛的并和空間的方向不可區(qū)分。為了計(jì)算找到具有一定性*質(zhì)，例如在每一點(diǎn)和每一方向上看起來(lái)都一樣的實(shí)的空間－時(shí)間的概率，人們將和所有具有這 性*質(zhì)的歷史相關(guān)聯(lián)的波迭加起來(lái)即可。
在廣義相對(duì)論的經(jīng)典理論中，有許多不同的可能彎曲的空間－時(shí)間，每一個(gè)對(duì)應(yīng)于宇宙的不同的初始態(tài)。如果我們知道宇宙的初始態(tài)，我們就會(huì)知道它的整個(gè)歷 史。類似地，在量子引力論中，存在許多不同的可能的宇宙量子態(tài)。如果我們知道在歷史求和中的歐幾里德彎曲空間－時(shí)間在早先時(shí)刻的行為，我們就會(huì)知道宇宙的 量子態(tài)。
在以實(shí)的空間－時(shí)間為基礎(chǔ)的經(jīng)典引力論中，宇宙可能的行為只有兩種方式：或者它已存在了無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間，或者它在有限的過(guò)去的某一時(shí)刻的奇點(diǎn)上有一個(gè)開(kāi)端。 而在量子引力論中，還存在第三種可能性*。因?yàn)槿藗兪怯脷W幾里德空間－時(shí)間，在這兒時(shí)間方向和空間方向是同等的，所以空間－時(shí)間只有有限的尺度，卻沒(méi)有奇點(diǎn) 作為它的邊界或邊緣是可能的?？臻g－時(shí)間就像是地球的表面，只不過(guò)多了兩維。地球的表面積是有限的，但它沒(méi)有邊界或邊緣：如果你朝著落日的方向駕船，你不 會(huì)掉到邊緣外面或陷入奇點(diǎn)中去。（因?yàn)槲以?jīng)環(huán)球旅行過(guò)，所以知道?。?
如果歐幾里德空間－時(shí)間延伸到無(wú)限的虛時(shí)間，或者在一個(gè)虛時(shí)間奇點(diǎn)處開(kāi)始，我們就有了和在經(jīng)典理論中指定宇宙初態(tài)的同樣問(wèn)題，即上帝可以知道宇宙如何開(kāi) 始，但是，我們提不出任何特別原因，認(rèn)為它應(yīng)以這種而不是那種方式開(kāi)始。另一方面，量子引力論開(kāi)辟了另一種新的可能性*，在這兒空間－時(shí)間沒(méi)有邊界，所以沒(méi) 有必要指定邊界上的行為。這兒就沒(méi)有使科學(xué)定律失效的奇點(diǎn)，也就是不存在在該處必須祈求上帝或某些新的定律給空間一時(shí)間設(shè)定邊界條件的空間－時(shí)間邊緣。人 們可以說(shuō)：“宇宙的邊界條件是它沒(méi)有邊界?！庇钪媸峭耆宰愕模槐蝗魏瓮庠谟谒臇|西所影響。它既不被創(chuàng)生，也不被消滅。它就是存在。
我正是在早先提到的那次梵帝岡會(huì)議上第一次提出，時(shí)間和空間可能會(huì)共同形成一個(gè)在尺度上有限而沒(méi)有任何邊界或邊緣的面。然而我的論文數(shù)學(xué)氣息太濃，所以 文章中包含的上帝在創(chuàng)造宇宙的作用的含義在當(dāng)時(shí)沒(méi)有被普遍看出來(lái)（對(duì)我也正是如此）。在梵蒂岡會(huì)議期間，我不知道如何用“無(wú) 邊界”思想去預(yù)言宇宙。然而，第二年夏天我在加州大學(xué)的圣他巴巴拉分校渡過(guò)。我的一位朋友兼合作者詹姆·哈特爾在那里，他和我共同得出了如果空間－時(shí)間沒(méi) 有邊界時(shí)宇宙應(yīng)滿足的條件?；氐絼蚝?，我和我的兩個(gè)研究生朱麗安·拉卻爾和約納遜·哈里威爾繼續(xù)從事這項(xiàng)工作。
我要著重說(shuō)明，時(shí)間一空間是有限而無(wú)界的思想僅僅只是一個(gè)設(shè)想，它不能從其他原理導(dǎo)出。正如任何其他的科學(xué)理論，它原先可以是出于美學(xué)或形而上學(xué)的原因 而被提出，但是對(duì)它的真正檢驗(yàn)在于它所給出的預(yù)言是否與觀測(cè)相一致。然而，在量子引力的情況下，由于以下兩個(gè)原因這很難確定。首先，正如將在下一章所要解 釋的，雖然我們對(duì)能將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合在一起的理論所應(yīng)具有的特征，已經(jīng)知道得相當(dāng)多，但我們還不能準(zhǔn)確地認(rèn)定這樣一個(gè)理論。其次，任何詳盡描述 整個(gè)宇宙的模型在數(shù)學(xué)上都過(guò)于復(fù)雜，以至于我們不能通過(guò)計(jì)算做出準(zhǔn)確的預(yù)言。所以，人們不得不做簡(jiǎn)化的假設(shè)和近似——并且甚至這樣，要從中引出預(yù)言仍是令人生畏的問(wèn)題。
在對(duì)歷史求和中的每一個(gè)歷史不只描述空間－時(shí)間，而且描述在其中的任何東西—— 包括像能觀察宇宙歷史的人類那樣復(fù)雜的生物。這可對(duì)人擇原理提供另一個(gè)支持，因?yàn)槿绻魏螝v史都是可能的，就可以用人擇原理去解釋為何我們發(fā)現(xiàn)宇宙是現(xiàn)今 這樣子。盡管我們對(duì)自己并不生存于其中的其他歷史究竟有什么意義還不清楚。然而，如果利用對(duì)歷史求和可以顯示，我們的宇宙不只是一個(gè)可能的，而且是最有可 能的歷史，則這個(gè)量子引力論的觀點(diǎn)就會(huì)令人滿意得多。為此，我們必須對(duì)所有可能的沒(méi)有邊界的歐幾里德空間－時(shí)間進(jìn)行歷史求和。
人們從無(wú)邊界假定得知，宇宙沿著大多數(shù)歷史的機(jī)會(huì)是可以忽略不計(jì)的，但是有一族特別的歷史比其他的歷史有更多機(jī)會(huì)。這些歷史可以描繪得像是地球的表面。 在那兒與北極的距離代表虛的時(shí)間，并且離北極等距離的圓周長(zhǎng)代表宇宙的空間尺度。宇宙是從作為單獨(dú)一點(diǎn)的北極開(kāi)始的。當(dāng)你一直往南走去，離開(kāi)北極等距離的 緯度圈變大，這是和宇宙隨虛時(shí)間的膨脹相對(duì)應(yīng)（圖8.1）。宇宙在赤道處達(dá)到最大的尺度，并且隨著虛時(shí)間的繼續(xù)增加而收縮，最后在南極收縮成一點(diǎn)。盡管宇宙在北南二極的尺度為零，這些點(diǎn)不是奇點(diǎn)，并不比地球上的北南二極更奇異?？茖W(xué)定律在這兒有效，正如同它仍在地球上的北南二極有效一樣。
圖8.1
然而，在實(shí)的時(shí)間里宇宙的歷史顯得非常不一樣。大約在100 或200億年以前，它有一個(gè)最小的尺度，這相當(dāng)于在虛時(shí)間里的最大的半徑。在后來(lái)的實(shí)時(shí)間里，宇宙就像由林德設(shè)想的紊亂暴漲模型那樣地膨脹（但是現(xiàn)在人們 不必假定宇宙是從某一類正確的狀態(tài)產(chǎn)生出來(lái)）。宇宙會(huì)膨脹到一個(gè)非常大的尺度，并最終重新坍縮成為在實(shí)時(shí)間里看起來(lái)像是奇點(diǎn)的一個(gè)東西。這樣，在某種意義 上說(shuō)，即使我們躲開(kāi)黑洞，仍然是注定要?dú)绲?。只有?dāng)我們按照虛時(shí)間來(lái)描繪宇宙時(shí)才不會(huì)有奇點(diǎn)。
如果宇宙確實(shí)處在這樣的一個(gè)量子態(tài)里，在虛時(shí)間里宇宙就沒(méi)有奇點(diǎn)。所以，我近期的工作似乎完全使我早期研究奇點(diǎn)的工作成果付之東流。但是正如上面所指出 的，奇點(diǎn)定理的真正重要性*在于，它們指出引力場(chǎng)必然會(huì)強(qiáng)到不能無(wú)視量子引力效應(yīng)的程度。這接著導(dǎo)致也許在虛時(shí)間里宇宙的尺度有限但沒(méi)有邊界或奇點(diǎn)的觀念。 然而，當(dāng)人們回到我們生活于其中的實(shí)時(shí)間，那兒仍會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)。陷進(jìn)黑洞那位可憐的航天員的結(jié)局仍然是極可悲的；只有當(dāng)他在虛時(shí)間里生活，才不會(huì)遭遇到奇 點(diǎn)。
上述這些也許暗示所謂的虛時(shí)間是真正的實(shí)時(shí)間，而我們叫做實(shí)時(shí)間的東西恰恰是子虛烏有的空想的產(chǎn)物。在實(shí)時(shí)間中，宇宙的開(kāi)端和終結(jié)都是奇點(diǎn)。這奇點(diǎn)構(gòu)成 了科學(xué)定律在那兒不成立的空間－時(shí)間邊界。但是，在虛時(shí)間里不存在奇點(diǎn)或邊界。所以，很可能我們稱之為虛時(shí)間的才真正是更基本的觀念，而我們稱作實(shí)時(shí)間的 反而是我們臆造的，它有助于我們描述宇宙的模樣。但是，按照我在第一章所描述的方法，科學(xué)理論僅僅是我們用以描述自己所觀察的數(shù)學(xué)模型，它只存在于我們的 頭腦中。所以去問(wèn)諸如這樣的問(wèn)題是毫無(wú)意義的：“實(shí)”的或“虛”的時(shí)間，哪一個(gè)是實(shí)在的？這僅僅是哪一個(gè)描述更為有用的問(wèn)題。
人們還可以利用對(duì)歷史求和以及無(wú)邊界假設(shè)去發(fā)現(xiàn)宇宙的哪些性*質(zhì)可能發(fā)生。例如，人們可以計(jì)算，當(dāng)宇宙具有現(xiàn)在密度的某一時(shí)刻，在所有方向上以幾乎同等速 率膨脹的概率。在迄今已被考察的簡(jiǎn)化的模型中，發(fā)現(xiàn)這個(gè)概率是高的；也就是，無(wú)邊界假設(shè)導(dǎo)致一個(gè)預(yù)言，即宇宙現(xiàn)在在每一方向的膨脹率幾乎相同是極其可能 的。這與微波背景輻射的觀測(cè)相一致，它指出在任何方向上具有幾乎完全同樣的強(qiáng)度。如果宇宙在某些方向比其他方向膨脹得更快，在那些方向輻射的強(qiáng)度就會(huì)被一 個(gè)附加的紅移所減小。
人們正在研究無(wú)邊界條件的進(jìn)一步預(yù)言。一個(gè)特別有趣的問(wèn)題是，早期宇宙中物質(zhì)密度對(duì)其平均值小幅度的偏離，這些偏離首先引起星系，然后是恒星，最后是我 們自身的形成。測(cè)不準(zhǔn)原理意味著，早期宇宙不可能是完全均勻的，因?yàn)榱Ｗ拥奈恢煤退俣缺囟ㄓ幸恍┎淮_定性*或起伏。利用無(wú)邊界條件，我們發(fā)現(xiàn)，宇宙事實(shí)上必 須是從僅僅由測(cè)不準(zhǔn)原理允許的最小的可能的非均勻性*開(kāi)始的。然后，正如在暴漲模型中預(yù)言的一樣，宇宙經(jīng)歷了一個(gè)快速膨脹時(shí)期。在這個(gè)期間，開(kāi)初的非均勻性* 被放大到足以解釋在我們周圍觀察到的結(jié)構(gòu)的起源。在一個(gè)各處物質(zhì)密度稍有變化的膨脹宇宙中，引力使得較緊密區(qū)域的膨脹減慢，并使之開(kāi)始收縮。這就導(dǎo)致星 系、恒星和最終甚至像我們自己這樣微不足道的生物的形成。因而，我們?cè)谟钪嬷锌吹降乃袕?fù)雜的結(jié)構(gòu)，可由宇宙無(wú)邊界條件和量子力學(xué)中的測(cè)不準(zhǔn)原理給予解 釋。
空間和時(shí)間可以形成一個(gè)沒(méi)有邊界的閉曲面的思想，對(duì)于上帝在宇宙事務(wù)中的作用還有一個(gè)深遠(yuǎn)的含義。隨著科學(xué)理論在描述事件的成功，大部分人進(jìn)而相信上帝允許宇宙按照一套定律來(lái)演化，而不介入其間促使宇宙觸犯這些定律。然而，定律并沒(méi)有告訴我們，宇宙的太初應(yīng)像什么樣子——它依然要靠上帝卷緊發(fā)條，并選擇如何去啟動(dòng)它。只要宇宙有一個(gè)開(kāi)端，我們就可以設(shè)想存在一個(gè)造物主。但是，如果宇宙確實(shí)是完全自足的、沒(méi)有邊界或邊緣，它就既沒(méi)有開(kāi)端也沒(méi)有終結(jié)——它就是存在。那么，還會(huì)有造物主存身之處嗎？
