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第八章  宇宙的起源和命運(yùn)

    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)?？上КF(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?？梢杂?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（一273℃） 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)?億年這么短的時(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?0億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?，但有很多?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？

    （2） 為何在大尺度上宇宙是如此一致？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。

    （3） 為何宇宙以這樣接近于區(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。

    （4） 盡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?？梢杂写罅烤哂胁煌跏紬l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)槲覀兊拇嬖凇?#8221;

    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)得非常快并具有高能量。正如早先我們討論的，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哪芰咳タ朔阉鼈兝谝黄鸬囊Χ鴮⑵浞珠_(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)榱值乱◣讉€(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)?。我的秘書朱?#183;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。空間—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?。?o:p>

    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。”宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的東西所影響。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。科學(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？

 

第九章  時(shí)間箭頭

    我們?cè)谇皫渍轮锌吹搅耍L(zhǎng)期以來(lái)人們關(guān)于時(shí)間性質(zhì)的觀點(diǎn)是如何變化的。直到本世紀(jì)初，人們還相信絕對(duì)時(shí)間。也就是說(shuō)，每一事件可由一個(gè)稱為“時(shí)間”的數(shù)以唯一的方式來(lái)標(biāo)記，所有好的鐘在測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間間隔上都是一致的。然而，對(duì)于任何正在運(yùn)動(dòng)的觀察者光速總是一樣的這一發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了相對(duì)論；而在相對(duì)論中，人們必須拋棄存在一個(gè)唯一的絕對(duì)時(shí)間的觀念。代之以每個(gè)觀察者攜帶的鐘所記錄的他自己的時(shí)間測(cè)量——不同觀察者攜帶的鐘不必要讀數(shù)一樣。這樣，對(duì)于進(jìn)行測(cè)量的觀察者而言，時(shí)間變成一個(gè)更主觀的概念。

    當(dāng)人們?cè)噲D統(tǒng)一引力和量子力學(xué)時(shí)，必須引入“虛”時(shí)間的概念。虛時(shí)間是不能和空間方向區(qū)分的。如果一個(gè)人能往北走，他就能轉(zhuǎn)過(guò)頭并朝南走；同樣的，如果一個(gè)人能在虛時(shí)間里向前走，他應(yīng)該能夠轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)并往后走。這表明在虛時(shí)間里，往前和往后之間不可能有重要的差別。另一方面，當(dāng)人們考察“實(shí)”時(shí)間時(shí)，正如眾所周知的，在前進(jìn)和后退方向存在有非常巨大的差別。這過(guò)去和將來(lái)之間的差別從何而來(lái)？為何我們記住過(guò)去而不是將來(lái)？

    科學(xué)定律并不區(qū)別過(guò)去和將來(lái)。更精確地講，正如前面所解釋的，科學(xué)定律在稱作C、 P和T的聯(lián)合作用（或?qū)ΨQ）下不變。（C是指將反粒子來(lái)替代粒子；P的意思是取鏡象， 這樣左和右就互相交換了；T是指顛倒所有粒子的運(yùn)動(dòng)方向，也就是使運(yùn)動(dòng)倒退回去。）在所有正常情形下，制約物體行為的科學(xué)定律在CP聯(lián)合對(duì)稱下不變。換言之，對(duì)于其他行星上的居民，若他們是我們的鏡像并且由反物質(zhì)而不是物質(zhì)構(gòu)成，則生活會(huì)剛好是同樣的。

    如果科學(xué)定律在CP聯(lián)合對(duì)稱以及CPT聯(lián)合對(duì)稱下都不變，它們也必須在單獨(dú)的T對(duì)稱下不變。然而，在日常生活的實(shí)時(shí)間中，前進(jìn)和后退的方向之間還是有一個(gè)大的差異。想像一杯水從桌子上滑落到地板上被打碎。如果你將其錄像，你可以容易地辨別出它是向前進(jìn)還是向后退。如果將其倒回來(lái)，你會(huì)看到碎片忽然集中到一起離開(kāi)地板，并跳回到桌子上形成一個(gè)完整的杯子。你可斷定錄像是在倒放，因?yàn)檫@種行為在日常生活中從未見(jiàn)過(guò)。如果這樣的事發(fā)生，陶瓷業(yè)將無(wú)生意可做。

    為何我們從未看到碎杯子集合起來(lái)，離開(kāi)地面并跳回到桌子上，通常的解釋是這違背了熱力學(xué)第二定律所表述的在任何閉合系統(tǒng)中無(wú)序度或熵總是隨時(shí)間而增加。換言之，它是穆菲定律的一種形式：事情總是趨向于越變?cè)皆悖鹤烂嫔弦粋€(gè)完整的杯子是一個(gè)高度有序的狀態(tài)，而地板上破碎的杯子是一個(gè)無(wú)序的狀態(tài)。人們很容易從早先桌子上的杯子變成后來(lái)地面上的碎杯子，而不是相反。

    無(wú)序度或熵隨著時(shí)間增加是一個(gè)所謂的時(shí)間箭頭的例子。時(shí)間箭頭將過(guò)去和將來(lái)區(qū)別開(kāi)來(lái)，使時(shí)間有了方向。至少有三種不同的時(shí)間箭頭：第一個(gè)，是熱力學(xué)時(shí)間箭頭，即是在這個(gè)時(shí)間方向上無(wú)序度或熵增加；然后是心理學(xué)時(shí)間箭頭，這就是我們感覺(jué)時(shí)間流逝的方向，在這個(gè)方向上我們可以記憶過(guò)去而不是未來(lái)；最后，是宇宙學(xué)時(shí)間箭頭，在這個(gè)方向上宇宙在膨脹，而不是收縮。

    我將在這一章論斷，宇宙的無(wú)邊界條件和弱人擇原理一起能解釋為何所有的三個(gè)箭頭指向同一方向。此外，為何必須存在一個(gè)定義得很好的時(shí)間箭頭。我將論證心理學(xué)箭頭是由熱力學(xué)箭頭所決定，并且這兩種箭頭必須總是指向相同的方向。如果人們假定宇宙的無(wú)邊界條件，我們將看到必然會(huì)有定義得很好的熱力學(xué)和宇宙學(xué)時(shí)間箭頭。但對(duì)于宇宙的整個(gè)歷史來(lái)說(shuō)，它們并不總是指向同一方向。然而，我將指出，只有當(dāng)它們指向一致時(shí)，對(duì)于能夠發(fā)問(wèn)為何無(wú)序度在宇宙膨脹的時(shí)間方向上增加的智力生命的發(fā)展，才有合適的條件。

    首先，我要討論熱力學(xué)時(shí)間箭頭?？偞嬖谥扔行驙顟B(tài)更多得多的無(wú)序狀態(tài)的這一事實(shí)，是使熱力學(xué)第二定律存在的原因。譬如，考慮一盒拼板玩具，存在一個(gè)并且只有一個(gè)使這些小紙片拼成一幅完整圖畫的排列。另一方面，存在巨大數(shù)量的排列，這時(shí)小紙片是無(wú)序的，不能拼成一幅畫。

    假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)從這少數(shù)的有序狀態(tài)之中的一個(gè)出發(fā)。隨著時(shí)間流逝，這個(gè)系統(tǒng)將按照科學(xué)定律演化，而且它的狀態(tài)將改變。到后來(lái)，因?yàn)榇嬖谥嗟臒o(wú)序狀態(tài)，它處于無(wú)序狀態(tài)的可能性比處于有序狀態(tài)的可能性更大。這樣，如果一個(gè)系統(tǒng)服從一個(gè)高度有序的初始條件，無(wú)序度會(huì)隨著時(shí)間的增加而增大。

    假定拼板玩具盒的紙片從能排成一幅圖畫的有序組合開(kāi)始，如果你搖動(dòng)這盒子，這些紙片將會(huì)采用其他組合，這可能是一個(gè)不能形成一幅合適圖畫的無(wú)序的組合，就是因?yàn)榇嬖谌绱酥嗟枚嗟臒o(wú)序的組合。有一些紙片團(tuán)仍可能形成部份圖畫，但是你越搖動(dòng)盒子，這些團(tuán)就越可能被分開(kāi)，這些紙片將處于完全混亂的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下它們不能形成任何種類的圖畫。這樣，如果紙片從一個(gè)高度有序的狀態(tài)的初始條件出發(fā)，紙片的無(wú)序度將可能隨時(shí)間而增加。

    然而，假定上帝決定不管宇宙從何狀態(tài)開(kāi)始，它都必須結(jié)束于一個(gè)高度有序的狀態(tài)，則在早期這宇宙有可能處于無(wú)序的狀態(tài)。這意味著無(wú)序度將隨時(shí)間而減小。你將會(huì)看到破碎的杯子集合起來(lái)并跳回到桌子上。然而，任何觀察杯子的人都生活在無(wú)序度隨時(shí)間減小的宇宙中，我將論斷這樣的人會(huì)有一個(gè)倒溯的心理學(xué)時(shí)間箭頭。這就是說(shuō)，他們會(huì)記住將來(lái)的事件，而不是過(guò)去的事件。當(dāng)杯子被打碎時(shí)，他們會(huì)記住它在桌子上的情形；但是當(dāng)它是在桌子上時(shí)，他們不會(huì)記住它在地面上的情景。

    由于我們不知道大腦工作的細(xì)節(jié)，所以討論人類的記憶是相當(dāng)困難的。然而，我們確實(shí)知道計(jì)算機(jī)的記憶器是如何工作的。所以，我將討論計(jì)算機(jī)的心理學(xué)時(shí)間箭頭。我認(rèn)為，假定計(jì)算機(jī)和人類有相同的箭頭是合理的。如果不是這樣，人們可能因?yàn)閾碛幸慌_(tái)記住明年價(jià)格的計(jì)算機(jī)而使股票交易所垮臺(tái)。

    大體來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)的記憶器是一個(gè)包含可存在于兩種狀態(tài)中的任一種狀態(tài)的元件的設(shè)備，算盤是一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。其最簡(jiǎn)單的形式是由許多鐵條組成；每一根鐵條上有一念珠，此念珠可呆在兩個(gè)位置之中的一個(gè)。在計(jì)算機(jī)記憶器進(jìn)行存儲(chǔ)之前，其記憶器處于無(wú)序態(tài)，念珠等幾率地處于兩個(gè)可能的狀態(tài)中。（算盤珠雜亂無(wú)章地散布在算盤的鐵條上）。在記憶器和所要記憶的系統(tǒng)相互作用后，根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，它肯定處于這種或那種狀態(tài)（每個(gè)算盤珠將位于鐵條的左邊或右邊。）這樣，記憶器就從無(wú)序態(tài)轉(zhuǎn)變成有序態(tài)。然而，為了保證記憶器處于正確的狀態(tài)，需要使用一定的能量（例如，移動(dòng)算盤珠或給計(jì)算機(jī)接通電源）。這能量以熱的形式耗散了，從而增加了宇宙的無(wú)序度的量。人們可以證明，這個(gè)無(wú)序度增量總比記憶器本身有序度的增量大。這樣，由計(jì)算機(jī)冷卻風(fēng)扇排出的熱量表明計(jì)算機(jī)將一個(gè)項(xiàng)目記錄在它的記憶器中時(shí)，宇宙的無(wú)序度的總量仍然增加。計(jì)算機(jī)記憶過(guò)去的時(shí)間方向和無(wú)序度增加的方向是一致的。

    所以，我們對(duì)時(shí)間方向的主觀感覺(jué)或心理學(xué)時(shí)間箭頭，是在我們頭腦中由熱力學(xué)時(shí)間箭頭所決定的。正像一個(gè)計(jì)算機(jī)，我們必須在熵增加的順序上將事物記住。這幾乎使熱力學(xué)定律變成為無(wú)聊的東西。無(wú)序度隨時(shí)間的增加乃是因?yàn)槲覀兪窃跓o(wú)序度增加的方向上測(cè)量時(shí)間。拿這一點(diǎn)來(lái)打賭，準(zhǔn)保你會(huì)贏。

    但是究竟為何必須存在熱力學(xué)時(shí)間箭頭？或換句話說(shuō)，在我們稱之為過(guò)去時(shí)間的一端，為何宇宙處于高度有序的狀態(tài)？為何它不在所有時(shí)間里處于完全無(wú)序的狀態(tài)？畢竟這似乎更為可能。并且為何無(wú)序度增加的時(shí)間方向和宇宙膨脹的方向相同？

    在經(jīng)典廣義相對(duì)論中，因?yàn)樗幸阎目茖W(xué)定律在大爆炸奇點(diǎn)處失效，人們不能預(yù)言宇宙是如何開(kāi)始的。宇宙可以從一個(gè)非常光滑和有序的狀態(tài)開(kāi)始。這就會(huì)導(dǎo)致正如我們所觀察到的、定義很好的熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時(shí)間箭頭。但是，它可以同樣合理地從一個(gè)非常波浪起伏的無(wú)序狀態(tài)開(kāi)始。在那種情況下，宇宙已經(jīng)處于一種完全無(wú)序的狀態(tài)，所以無(wú)序度不會(huì)隨時(shí)間而增加?；蛘咚３殖?shù)，這時(shí)就沒(méi)有定義很好的熱力學(xué)時(shí)間箭頭；或者它會(huì)減小，這時(shí)熱力學(xué)時(shí)間箭頭就會(huì)和宇宙學(xué)時(shí)間箭頭相反向。任何這些可能性都不符合我們所觀察到的情況。然而，正如我們看到的，經(jīng)典廣義相對(duì)論預(yù)言了它自身的崩潰。當(dāng)空間——時(shí)間曲率變大，量子引力效應(yīng)變得重要，并且經(jīng)典理論不再能很好地描述宇宙時(shí)，人們必須用量子引力論去理解宇宙是如何開(kāi)始的。

    正如我們?cè)谏弦徽驴吹降?，在量子引力論中，為了指定宇宙的態(tài)，人們?nèi)匀槐仨氄f(shuō)清在過(guò)去的空間—時(shí)間的邊界的宇宙的可能歷史是如何行為的。只有如果這些歷史滿足無(wú)邊界條件，人們才可能避免這個(gè)不得不描述我們不知道和無(wú)法知道的東西的困難：它們?cè)诔叨壬嫌邢?，但是沒(méi)有邊界、邊緣或奇點(diǎn)。在這種情形下，時(shí)間的開(kāi)端就會(huì)是規(guī)則的、光滑的空間—時(shí)間的點(diǎn)，并且宇宙在一個(gè)非常光滑和有序的狀態(tài)下開(kāi)始它的膨脹。它不可能是完全均勻的，否則就違反了量子理論不確定性原理。必然存在密度和粒子速度的小起伏，然而無(wú)邊界條件意味著，這些起伏又是在與不確定性原理相一致的條件下盡可能的小。

    宇宙剛開(kāi)始時(shí)有一個(gè)指數(shù)或“暴漲”的時(shí)期，在這期間它的尺度增加了一個(gè)非常大的倍數(shù)。在膨脹時(shí)，密度起伏一開(kāi)始一直很小，但是后來(lái)開(kāi)始變大。在密度比平均值稍大的區(qū)域，額外質(zhì)量的引力吸引使膨脹速度放慢。最終，這樣的區(qū)域停止膨脹，并坍縮形成星系、恒星以及我們這樣的人類。宇宙開(kāi)始時(shí)處于一個(gè)光滑有序的狀態(tài)，隨時(shí)間演化成波浪起伏的無(wú)序的狀態(tài)。這就解釋了熱力學(xué)時(shí)間箭頭的存在。

    如果宇宙停止膨脹并開(kāi)始收縮將會(huì)發(fā)生什么呢？熱力學(xué)箭頭會(huì)不會(huì)倒轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)，而無(wú)序度開(kāi)始隨時(shí)間減少呢？這為從膨脹相存活到收縮相的人們留下了五花八門的科學(xué)幻想的可能性。他們是否會(huì)看到杯子的碎片集合起來(lái)離開(kāi)地板跳回到桌子上去？他們會(huì)不會(huì)記住明天的價(jià)格，并在股票市場(chǎng)上發(fā)財(cái)致富？由于宇宙至少要再等一百億年之后才開(kāi)始收縮，憂慮那時(shí)會(huì)發(fā)生什么似乎有點(diǎn)學(xué)究氣。但是有一種更快的辦法去查明將來(lái)會(huì)發(fā)生什么，即跳到黑洞里面去。恒星坍縮形成黑洞的過(guò)程和整個(gè)宇宙的坍縮的后期相當(dāng)類似；這樣，如果在宇宙的收縮相無(wú)序度減小，可以預(yù)料它在黑洞里面也會(huì)減小。所以，一個(gè)落到黑洞里去的航天員能在投賭金之前，也許能依靠記住輪賭盤上球兒的走向而贏錢。（然而，不幸的是，玩不了多久，他就會(huì)變成意大利面條。他也不能使我們知道熱力學(xué)箭頭的顛倒，或者甚至將他的贏錢存入銀行，因?yàn)樗焕г诤诙吹氖录暯绾竺?。?o:p>

    起初，我相信在宇宙坍縮時(shí)無(wú)序度會(huì)減小。這是因?yàn)椋艺J(rèn)為宇宙再變小時(shí)，它必須回到光滑和有序的狀態(tài)。這表明，收縮相僅僅是膨脹相的時(shí)間反演。處在收縮相的人們將以倒退的方式生活：他們?cè)诔錾凹匆阉廊?，并且隨著宇宙收縮變得更年輕。

    這個(gè)觀念是吸引人的，因?yàn)樗砻髟谂蛎浵嗪褪湛s相之間存在一個(gè)漂亮的對(duì)稱。然而，人們不能置其他有關(guān)宇宙的觀念于不顧，而只采用這個(gè)觀念。問(wèn)題在于：它是否由無(wú)邊界條件所隱含或它是否與這個(gè)條件不相協(xié)調(diào)？正如我說(shuō)過(guò)的，我起先以為無(wú)邊界條件確實(shí)意味著無(wú)序度會(huì)在收縮相中減小。我之所以被誤導(dǎo)，部分是由于與地球表面的類比引起的。如果人們將宇宙的開(kāi)初對(duì)應(yīng)于北極，那么宇宙的終結(jié)就應(yīng)該類似于它的開(kāi)端，正如南極之與北極相似。然而，北南二極對(duì)應(yīng)于虛時(shí)間中的宇宙的開(kāi)端和終結(jié)。在實(shí)時(shí)間里的開(kāi)端和終結(jié)之間可有非常大的差異。我還被我作過(guò)的一項(xiàng)簡(jiǎn)單的宇宙模型的研究所誤導(dǎo)，在此模型中坍縮相似乎是膨脹相的時(shí)間反演。然而，我的一位同事，賓夕凡尼亞州立大學(xué)的當(dāng)·佩奇指出，無(wú)邊界條件沒(méi)有要求收縮相必須是膨脹相的時(shí)間反演。我的一個(gè)學(xué)生雷蒙·拉夫勒蒙進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)稍復(fù)雜的模型中，宇宙的坍縮和膨脹非常不同。我意識(shí)到自己犯了一個(gè)錯(cuò)誤：無(wú)邊界條件意味著事實(shí)上在收縮相時(shí)無(wú)序度繼續(xù)增加。當(dāng)宇宙開(kāi)始收縮時(shí)或在黑洞中熱力學(xué)和心理學(xué)時(shí)間箭頭不會(huì)反向。

    當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己犯了這樣的錯(cuò)誤后該如何辦？有些人從不承認(rèn)他們是錯(cuò)誤的，而繼續(xù)去找新的往往互相不協(xié)調(diào)的論據(jù)為自己辯解——正如愛(ài)丁頓在反對(duì)黑洞理論時(shí)之所為。另外一些人首先宣稱，從來(lái)沒(méi)有真正支持過(guò)不正確的觀點(diǎn)，如果他們支持了，也只是為了顯示它是不協(xié)調(diào)的。在我看來(lái)，如果你在出版物中承認(rèn)自己錯(cuò)了，那會(huì)好得多并少造成混亂。愛(ài)因斯坦即是一個(gè)好的榜樣，他在企圖建立一個(gè)靜態(tài)的宇宙模型時(shí)引入了宇宙常數(shù)，他稱此為一生中最大的錯(cuò)誤。

    回頭再說(shuō)時(shí)間箭頭，余下的問(wèn)題是；為何我們觀察到熱力學(xué)和宇宙學(xué)箭頭指向同一方向？或換言之，為何無(wú)序度增加的時(shí)間方向正是宇宙膨脹的時(shí)間方向？如果人們相信，按照無(wú)邊界假設(shè)似乎所隱含的那樣，宇宙先膨脹然后重新收縮，那么為何我們應(yīng)在膨脹相中而不是在收縮相中，這就成為一個(gè)問(wèn)題。

    人們可以在弱人擇原理的基礎(chǔ)上回答這個(gè)問(wèn)題。收縮相的條件不適合于智慧人類的存在，而正是他們能夠提出為何無(wú)序度增加的時(shí)間方向和宇宙膨脹的時(shí)間方向相同的問(wèn)題。無(wú)邊界假設(shè)預(yù)言的宇宙在早期階段的暴漲意味著，宇宙必須以非常接近為避免坍縮所需要的臨界速率膨脹，這樣它在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)才不至坍縮。到那時(shí)候所有的恒星都會(huì)燒盡，而在其中的質(zhì)子和中子可能會(huì)衰變成輕粒子和輻射。宇宙將處于幾乎完全無(wú)序的狀態(tài)，這時(shí)就不會(huì)有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間箭頭。由于宇宙已經(jīng)處于幾乎完全無(wú)序的狀態(tài)，無(wú)序度不會(huì)增加很多。然而，對(duì)于智慧生命的行為來(lái)說(shuō)，一個(gè)強(qiáng)的熱力學(xué)箭頭是必需的。為了生存下去，人類必須消耗能量的一種有序形式——食物，并將其轉(zhuǎn)化成能量的一種無(wú)序形式——熱量，所以智慧生命不能在宇宙的收縮相中存在。這就解釋了，為何我們觀察到熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時(shí)間箭頭指向一致。并不是宇宙的膨脹導(dǎo)致無(wú)序度的增加，而是無(wú)邊界條件引起無(wú)序度的增加，并且只有在膨脹相中才有適合智慧生命的條件。

    總之，科學(xué)定律并不能區(qū)分前進(jìn)和后退的時(shí)間方向。然而，至少存在有三個(gè)時(shí)間箭頭將過(guò)去和將來(lái)區(qū)分開(kāi)來(lái)。它們是熱力學(xué)箭頭，這就是無(wú)序度增加的時(shí)間方向；心理學(xué)箭頭，即是在這個(gè)時(shí)間方向上，我們能記住過(guò)去而不是將來(lái)；還有宇宙學(xué)箭頭，也即宇宙膨脹而不是收縮的方向。我指出了心理學(xué)箭頭本質(zhì)上應(yīng)和熱力學(xué)箭頭相同。宇宙的無(wú)邊界假設(shè)預(yù)言了定義得很好的熱力學(xué)時(shí)間箭頭，因?yàn)橛钪姹仨殢墓饣?、有序的狀態(tài)開(kāi)始。并且我們看到，熱力學(xué)箭頭和宇宙學(xué)箭頭的一致，乃是由于智慧生命只能在膨脹相中存在。收縮相是不適合于它的存在的，因?yàn)槟莾簺](méi)有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間箭頭。

    人類理解宇宙的進(jìn)步，是在一個(gè)無(wú)序度增加的宇宙中建立了一個(gè)很小的有序的角落。 如果你記住了這本書中的每一個(gè)詞，你的記憶就記錄了大約200萬(wàn)單位的信息——你頭腦中的有序度就增加了大約200萬(wàn)單位。 然而，當(dāng)你讀這本書時(shí)，你至少將以食物為形式的1千卡路里的有序能量， 轉(zhuǎn)換成為以對(duì)流和汗釋放到你周圍空氣中的熱量的形式的無(wú)序能量。這就將宇宙的無(wú)序度增大了大約20億億億單位，或大約是你頭腦中有序度增量——那是如果你記住這本書的每一件事的話——的1干億億倍。我試圖在下一章更增加一些我們頭腦的有序度，解釋人們?nèi)绾螌⑽颐枋鲞^(guò)的部分理論結(jié)合一起，形成一個(gè)完整的統(tǒng)一理論，這個(gè)理論將適用于宇宙中的任何東西。

 

第十章  物理學(xué)的統(tǒng)一

    正如在第一章中所解釋的，一下子建立一個(gè)包括宇宙中每一件東西的完整的統(tǒng)一理論是非常困難的。取而代之，我們?cè)趯で竺枋霭l(fā)生在有限范圍的部分理論方面取得了進(jìn)步。我們忽略了其他效應(yīng)，或者將它們用一定的數(shù)字來(lái)近似。（例如，當(dāng)我們用化學(xué)來(lái)計(jì)算原子間的相互作用時(shí)，可以不管原子核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。）然而，最終人們希望找到一個(gè)完整的、協(xié)調(diào)的、將所有這些部分理論當(dāng)作它的近似的統(tǒng)一理論。在這理論中不需要選取特定的任意數(shù)值去符合事實(shí)。尋找這樣的一個(gè)理論被稱之為“物理學(xué)的統(tǒng)一”。愛(ài)因斯坦用他晚年的大部分時(shí)間去尋求一個(gè)統(tǒng)一理論，但是沒(méi)有成功，因?yàn)楸M管已有了引力和電磁力的部份理論，但關(guān)于核力還知道得非常少，所以時(shí)間還沒(méi)成熟。并且，盡管他本人對(duì)量子力學(xué)的發(fā)展起過(guò)重要作用，但他拒絕相信它的真實(shí)性?？磥?lái)，不確定性原理還是我們?cè)谄渲猩畹挠钪娴囊粋€(gè)基本特征。所以，一個(gè)成功的統(tǒng)一理論必須將這個(gè)原理合并進(jìn)去。

    正如我將描述的，由于我們對(duì)宇宙知道得這么多，現(xiàn)在找到這樣的一個(gè)理論的前景似乎是好得多了。但是我們必須小心，不要過(guò)份自信——我們?cè)谶^(guò)去有過(guò)錯(cuò)誤的奢望！例如，在本世紀(jì)初，曾經(jīng)以為每件東西都可以按照連續(xù)物質(zhì)（諸如彈性和熱導(dǎo)）的性質(zhì)予以解釋。原子結(jié)構(gòu)和不確定性原理的發(fā)現(xiàn)使之徹底破產(chǎn)。然后又有一次，1928年物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者馬克斯·玻恩告訴一群來(lái)哥丁根大學(xué)的訪問(wèn)者： “據(jù)我們所知，物理學(xué)將在6個(gè)月之內(nèi)結(jié)束。”他的信心是基于狄拉克新近發(fā)現(xiàn)的能夠制約電子的方程。人們認(rèn)為質(zhì)子——這個(gè)當(dāng)時(shí)僅知的另一種粒子——服從類似的方程，并且這是理論物理的終結(jié)。然而，中子和核力的發(fā)現(xiàn)對(duì)此又是當(dāng)頭一棒。講到這些，在謹(jǐn)慎樂(lè)觀的基礎(chǔ)上，我仍然相信，我們可能已經(jīng)接近于探索自然的終極定律的終點(diǎn)。

    在前幾章中，我描述了引力的部分理論即廣義相對(duì)論和制約弱、強(qiáng)和電磁力的部分理論。 這后三種理論可以合并成為所謂的大統(tǒng)一理論（GUT）。這個(gè)理論并不令人非常滿意，因?yàn)樗鼪](méi)有包括引力，并且因?yàn)榘┤绮煌Ｗ拥南鄬?duì)質(zhì)量等不能從理論預(yù)言，而必須人為選擇以適合觀測(cè)的一些量。要找到一個(gè)將引力和其他力相統(tǒng)一的理論，困難在于廣義相對(duì)論是一個(gè)“經(jīng)典”理論；也就是說(shuō)，它沒(méi)有將量子力學(xué)不確定性原理合并在里面。另一方面，其他的部分理論以非?；镜男问揭蕾囉诹孔恿W(xué)，所以第一步必須將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合在一起。正如我們已經(jīng)看到的，這能產(chǎn)生一些顯著的推論，例如黑洞不是黑的；宇宙沒(méi)有任何奇點(diǎn)并且是完全自足的、沒(méi)有邊界的。正如第七章所解釋的，麻煩在于不確定性原理意味著甚至“空的”空間也是充滿了虛的粒子和反粒子，這些粒子對(duì)具有無(wú)限的能量，并且由愛(ài)因斯坦的著名方程E＝mc^2可知， 這些粒子具有無(wú)限的質(zhì)量。這樣，它們的引力的吸引就會(huì)將宇宙卷曲到無(wú)限小的尺度。

    相當(dāng)類似地，在其他部分理論中也發(fā)生頗似荒謬的無(wú)限大，然而，所有這些情形下的無(wú)限大都可用稱之為重正化的過(guò)程消除掉。這牽涉到引入其他的無(wú)限大去消除這些無(wú)限大。雖然在數(shù)學(xué)上這個(gè)技巧相當(dāng)令人懷疑，而在實(shí)際上似乎確實(shí)行得通，并用來(lái)和這些理論一起作出預(yù)言，這預(yù)言極其精確地和觀測(cè)相一致。然而，從企圖找到一個(gè)完全理論的觀點(diǎn)看，由于重正化意味著質(zhì)量和力的強(qiáng)度的實(shí)際值不能從理論中得到預(yù)言，必須被選擇以去適合觀測(cè)，因此重正化有一嚴(yán)重的缺陷。

    試圖將不確定性原理合并到廣義相對(duì)論時(shí)，人們只有兩個(gè)可以調(diào)整的量：引力強(qiáng)度和宇宙常數(shù)的值。但是調(diào)整它們不足以消除所有的無(wú)窮大。所以人們得到一個(gè)理論，它似乎預(yù)言了諸如空間一時(shí)間的曲率的某些量真的是無(wú)窮大，但是觀察和測(cè)量表明它們地地道道是有限的！人們對(duì)于合并廣義相對(duì)論和不確定性原理的問(wèn)題懷疑了許久，直到 1972年才為仔細(xì)的計(jì)算所最后確證。4年之后，人們提出了一種叫做“超引力” 的可能的解答。它的思想是將攜帶引力的自旋為2稱為引力子的粒子和某些其他具有自旋為3／2、1、1／2和0的新粒子結(jié)合在一起。在某種意義上，所有這些粒子可認(rèn)為是同一“超粒子”的不同側(cè)面。這樣就將自旋為1／2和3／2的物質(zhì)粒子和自旋為0、 1和2的攜帶力的粒子統(tǒng)一起來(lái)了。自旋1／2和3／2的虛的粒子反粒子對(duì)具有負(fù)能量， 因此抵消了自旋為2、1和0的虛的粒子對(duì)的正能量。這就使得許多可能的無(wú)限大被抵消掉。但是人們懷疑，某些無(wú)窮大仍然存在。然而，人們需要找出是否還留下未被抵消的無(wú)窮大，這計(jì)算是如此之冗長(zhǎng)和困難，以至于沒(méi)有人會(huì)準(zhǔn)備著手去進(jìn)行。 即使使用一個(gè)計(jì)算機(jī)，預(yù)料至少要用4年功夫，而且犯至少一個(gè)或更多錯(cuò)誤的機(jī)會(huì)是非常高的。這樣，只有其他人重復(fù)計(jì)算，并得到同樣的答案，人們才能判斷已取得了正確的答案，但這似乎是不太可能的！

    盡管存在這些問(wèn)題，盡管超引力理論中的粒子似乎不與觀察到的粒子相符合的這一事實(shí)，大部分科學(xué)家仍然相信，超引力可能是對(duì)于物理學(xué)統(tǒng)一問(wèn)題的正確答案?？磥?lái)它是將引力和其他力相統(tǒng)一起來(lái)的最好辦法。然而1984年，人們的看法顯著地改變?yōu)楦矚g所謂的弦理論。在這些理論中，基本的對(duì)象不再是只占空間單獨(dú)的點(diǎn)的粒子，而是只有長(zhǎng)度而沒(méi)有其他線度、像是一根無(wú)限細(xì)的弦這樣的東西。這些弦可以有端點(diǎn)（所謂的開(kāi)弦），或它們可以自身首尾相接成閉合的圈子（閉弦）（圖10.1和圖10.2）。在每一時(shí)刻每一個(gè)粒子占據(jù)空間的一點(diǎn)。這樣，它的歷史可以在空間一時(shí)間用一根線代表（“世界線”）。另一方面，在每一時(shí)刻一根弦占據(jù)空間的一根線。所以它在空間—時(shí)間里的歷史是一個(gè)叫做世界片的二維面（在這世界片上的任一點(diǎn)都可用兩個(gè)數(shù)來(lái)描述：一個(gè)指明時(shí)間，另一個(gè)指明這一點(diǎn)在弦上的位置。）一根開(kāi)弦的世界片是一帶子， 它的邊緣代表弦的端點(diǎn)通過(guò)空間—時(shí)間的路徑 （圖10.1）；一根閉弦的世界片是一個(gè)圓柱或一個(gè)管（圖10.2）；一個(gè)管的截面是一個(gè)圈，它代表在一特定時(shí)刻的弦的位置。

       圖10.1        圖10.2

    兩根弦可以連接在一起，形成一根單獨(dú)的弦。在開(kāi)弦的情形下只要將它們端點(diǎn)連在一起即可（圖10.3） ； 在閉弦的情形下，像是兩條褲腿合并成一條褲子（圖10.4）。類似地，一根單獨(dú)的弦可以分成兩根弦。在弦理論中，原先以為是粒子的東西，現(xiàn)在被描繪成在弦里傳播的波動(dòng)，如同振動(dòng)著的風(fēng)箏的弦上的波動(dòng)。一個(gè)粒子從另一個(gè)粒子發(fā)射出來(lái)或者被吸收，對(duì)應(yīng)于弦的分解和合并。例如，太陽(yáng)作用到地球上的引力，在粒子理論中被描述成由太陽(yáng)上的粒子發(fā)射出并被地球上的粒子所吸收的引力子（圖10.5）。在弦理論中，這個(gè)過(guò)程相應(yīng)于一個(gè)H形狀的管（圖10.6）（弦理論有點(diǎn)像管道工程） 。H的兩個(gè)垂直的邊對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)和地球上的粒子，而水平的橫杠對(duì)應(yīng)于在它們之間傳遞的引力子。

      圖10.3

  

     圖10.4

          圖10.5          圖10.6

    弦理論有一個(gè)古怪的歷史。它原先是60年代后期發(fā)明來(lái)試圖找出一個(gè)描述強(qiáng)作用的理論。其方法是，諸如質(zhì)子和中子這樣的粒子可被認(rèn)為是一根弦上的波動(dòng)。這些粒子之間的強(qiáng)作用力對(duì)應(yīng)于連接于其他一些弦之間的弦的片段——正如蜘蛛網(wǎng)一樣。這弦必須像具有大約10噸拉力的橡皮帶，才能使理論給出粒子之間強(qiáng)作用力的觀察值。

    1974年，巴黎的朱勒·謝爾克和加州理工學(xué)院的約翰·施瓦茲發(fā)表了一篇論文，指出弦理論可以描述引力， 但是只不過(guò)其張力要大得多，大約是1千萬(wàn)億億億億噸（1后面跟39個(gè)0）。在通常尺度下，弦理論和廣義相對(duì)論的預(yù)言是相同的，但在非常小的尺度下， 比十億億億億分之一厘米（1厘米被1后面跟33個(gè)0除）更小時(shí)，它們就不一樣了。然而，他們的工作并沒(méi)有引起很大的注意，因?yàn)榇蠹s正是那時(shí)候。大多數(shù)人拋棄了原先的強(qiáng)作用力的弦理論，而傾心于夸克和膠子的理論，后者似乎和觀測(cè)符合得好得多。謝爾克死得很慘（他受糖尿病折磨，在周圍沒(méi)人給他注射胰島素時(shí)昏迷死去）。這樣一來(lái)，施瓦茲幾乎成為弦理論的唯一支持者，只不過(guò)現(xiàn)在設(shè)想的弦張力要大得多而已。

    1984年，因?yàn)閮蓚€(gè)明顯的原因，人們對(duì)弦理論的興趣突然復(fù)活。一個(gè)原因是，在證明超引力是有限的，以及解釋我們觀察到的粒子的種類方面，人們未能真正取得進(jìn)展。另一個(gè)原因是，約翰·施瓦茲和倫敦瑪麗皇后學(xué)院的麥克·格林發(fā)表的一篇論文指出，弦理論可以解釋內(nèi)稟的左旋性的粒子存在，正如我們觀察到的一些粒子那樣。不管是什么原因，大量的人很快開(kāi)始作弦理論的研究，而且發(fā)展了稱之為異形弦的新形式，這種形式似乎能夠解釋我們觀測(cè)到的粒子類型。

    弦理論也導(dǎo)致無(wú)窮大，但是人們認(rèn)為，它們?cè)谝环N類似異形弦的變體中會(huì)被消除掉（雖然這一點(diǎn)還沒(méi)被確認(rèn)）。然而，弦理論有更大的問(wèn)題：似乎只有當(dāng)空間—時(shí)間是十維或二十六維，而不是通常的四維時(shí)它們才是協(xié)調(diào)的！當(dāng)然，額外的空間—時(shí)間維數(shù)是科學(xué)幻想的老生常談；的確，它們幾乎是必不可少的，因?yàn)榉駝t相對(duì)論對(duì)人們不能旅行得比光更快的限制意味著，由于要花這么長(zhǎng)的時(shí)間，以至于在恒星和星系之間的旅行成為不可能?？茖W(xué)幻想的辦法是，人們可以通過(guò)更高的維數(shù)抄近路。這一點(diǎn)可用以下方法描述。想像我們生活的空間只有二維，并且彎曲成像一個(gè)錨圈或環(huán)的表面（圖10.7）。如果你是處在這圈的內(nèi)側(cè)的一邊而要到另一邊去，你必須沿著圈的內(nèi)邊緣走一圈。然而，你如果允許在第三維空間里旅行，則可以直穿過(guò)去。

圖10.7

    如果這些額外的維數(shù)確實(shí)存在，為什么我們沒(méi)有覺(jué)察到它們呢？為何我們只看到三維空間和一維時(shí)間呢？一般認(rèn)為，其他的維數(shù)被彎卷到非常小的尺度——大約為1英寸的一百萬(wàn)億億億分之一的空間， 人們根本無(wú)從覺(jué)察這么小的尺度。我們只能看到一個(gè)時(shí)間和三個(gè)空間的維數(shù)，這兒空間—時(shí)間是相當(dāng)平坦的。這正如一個(gè)桔子的表面：如果你靠非常近去看，它是坑坑洼洼的并有皺紋；但若離開(kāi)一定的距離，你就看不見(jiàn)高低起伏而顯得很光滑。對(duì)于空間—時(shí)間亦是如此。因此在非常小的尺度下，空間—時(shí)間是十維的，并且是高度彎曲的；但在更大的尺度下，你看不見(jiàn)曲率或者額外的維數(shù)。如果這個(gè)圖像是正確的，對(duì)于自愿的空間旅行者來(lái)講是個(gè)壞消息，額外附加的維實(shí)在是太小了，以至于不能允許空間飛船通過(guò)。然而，它引起了另一個(gè)重要問(wèn)題：為何是一些而不是所有的維數(shù)被卷曲成一個(gè)小球？也許在宇宙的極早期所有的維都曾經(jīng)非常彎曲過(guò)。為何一維時(shí)間和三維空間攤平開(kāi)來(lái)，而其他的維仍然緊緊地卷曲著？

    人擇原理可能提供一個(gè)答案。二維空間似乎不足以允許像我們這樣復(fù)雜生命的發(fā)展。例如，如果二維動(dòng)物吃東西時(shí)不能將之完全消化，則它必須將其殘?jiān)鼜耐滔率澄锏耐瑯油ǖ劳鲁鰜?lái)；因?yàn)槿绻幸粋€(gè)穿通全身的通道，它就將這生物分割成兩個(gè)分開(kāi)的部分，我們的二維動(dòng)物就解體了（圖10.8）。類似的，在二維動(dòng)物身上實(shí)現(xiàn)任何血液循環(huán)都是非常困難的。

   

   

   

   

   

   

   

     圖10.8

    多于三維的空間維數(shù)也有問(wèn)題。兩個(gè)物體之間的引力將隨距離衰減得比在三維空間中更快。（在三維空間內(nèi)，如果距離加倍則引力減少到1／4。在四維空間減少到1／8， 五維空間1／16，等等。）其意義在于使像地球這樣繞著太陽(yáng)的行星的軌道變得不穩(wěn)定，地球偏離圓周軌道的最小微擾（例如由于其他行星的引力吸引）都會(huì)引起它以螺旋線的軌道向外離開(kāi)或向內(nèi)落到太陽(yáng)上去。我們就會(huì)被凍死或者被燒死。事實(shí)上，在維數(shù)多于三維的空間中，引力隨距離變化的同樣行為意味著，太陽(yáng)不可能由于壓力和引力相平衡，而存在于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，它若不被分解就會(huì)坍縮形成黑洞。在任一情況下，作為地球上生命的熱和光的來(lái)源來(lái)說(shuō)，它沒(méi)有多大用處。在小尺度下，原子里使電子繞著原子核運(yùn)動(dòng)的電力行為正和引力一樣，這樣電子或者從原子逃逸出去，或者以螺旋的軌道落到原子核上去。在任一情形下，都不存在我們所知道的原子。

    看來(lái)很清楚，至少如我們所知，生命只能存在于一維時(shí)間和三維空間沒(méi)被卷曲得很小的空間—時(shí)間區(qū)域里。這表明，只要人們可以證明弦理論至少允許存在宇宙的這樣的區(qū)域——似乎弦理論確實(shí)能做到這一點(diǎn)，則我們可以用弱人擇原理。同樣，也會(huì)存在宇宙的其他區(qū)域或其他宇宙（不管那是什么含意），那里所有的維都被卷曲得很小，或者多于四維幾乎是平坦的。但在這樣的區(qū)域里，不會(huì)有智慧生物去觀察這有效維數(shù)的不同數(shù)目。

    弦理論被歡呼為物理學(xué)的終極統(tǒng)一理論之前，除了空間—時(shí)間呈現(xiàn)出來(lái)的維的數(shù)目這一問(wèn)題外，還有幾個(gè)其他問(wèn)題必須解決。我們還不能確定，是否所有的無(wú)窮大會(huì)被對(duì)消去，或如何準(zhǔn)確地將弦的波動(dòng)和我們所觀測(cè)到的粒子的特殊類型相關(guān)聯(lián)。盡管如此，很可能在幾年的時(shí)間里，這些問(wèn)題的答案就能找到了，并且到了本世紀(jì)末，我們將知道弦理論是否確實(shí)是長(zhǎng)期夢(mèng)寐以求的物理學(xué)的統(tǒng)一理論。

    但是，確實(shí)存在這樣的一個(gè)統(tǒng)一理論嗎？或者我們也許僅僅是在追求海市屋樓?？磥?lái)存在三種可能性：

    （1） 確實(shí)存在一個(gè)完整的統(tǒng)一理論，如果我們足夠聰明的話，總有一天將會(huì)找到它。

    （2） 并不存在宇宙的最終理論，僅僅存在一個(gè)越來(lái)越精確地描述宇宙的無(wú)限的理論序列。

    （3） 并不存在宇宙的理論；事件在一定程度之外不可能被預(yù)言，僅僅是以一種紊亂或任意的方式發(fā)生。

    有些人基于以下理由會(huì)贊同第三種可能，如果存在一套完整的定律，這將侵犯上帝改變其主意并對(duì)世界進(jìn)行干涉的自由。這有點(diǎn)像那古老的二律背反：上帝能制造一個(gè)重到以至于它也不能將其舉起的石塊嗎？但是上帝可能要改變主意的這一思想，這正如圣·奧古斯丁指出的，是一個(gè)想像上帝存在在時(shí)間里的虛妄的例子：時(shí)間只是上帝創(chuàng)造的宇宙的一個(gè)性質(zhì)。可以設(shè)想，當(dāng)它創(chuàng)造宇宙時(shí)它知道企圖做什么！

    隨著量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，我們認(rèn)識(shí)到，由于總存在一定程度的不確定性，不可能去完全精確地預(yù)言事件。如果有人愿意，他可以將此紊亂性歸結(jié)為上帝的干涉。但這是一種非常奇怪的干涉：沒(méi)有任何證據(jù)表明它具有任何目的。的確，如果它有目的，則按定義就不會(huì)是紊亂的?，F(xiàn)代由于我們重新定義科學(xué)的目標(biāo)，所以已經(jīng)有效地排除了上述的第三種可能性：我們的目的只在于表達(dá)一套定律，這些定律能使我們?cè)诓淮_定性原理的極限內(nèi)預(yù)言事件。

    第二種可能性，也就是存在一無(wú)限的越來(lái)越精確的理論序列，是和迄今為止我們的經(jīng)驗(yàn)相符合。在許多場(chǎng)合我們?cè)黾恿藴y(cè)量的靈敏度，或者進(jìn)行了新的類型的觀測(cè)，只是為了發(fā)現(xiàn)還沒(méi)被現(xiàn)有理論預(yù)言的新現(xiàn)象，為了囊括這些，我們必須發(fā)展更高級(jí)的理論。現(xiàn)代的大統(tǒng)一理論預(yù)言：在大約100吉電子伏的弱電統(tǒng)一能量和大約1千萬(wàn)億吉電子伏的大統(tǒng)一能量之間，沒(méi)有什么本質(zhì)上新的現(xiàn)象發(fā)生。所以，如果這個(gè)預(yù)言是錯(cuò)的話，人們并不會(huì)感到非常驚訝。我們的確可以預(yù)料，能夠去找?guī)讉€(gè)新的比夸克和電子——這些我們目前以為是“基本”粒子——更基本的結(jié)構(gòu)層次。

    然而，看來(lái)引力可以提供這個(gè)“盒子套盒子”的序列的極限。如果人們有一個(gè)比1千億億（1后面跟19個(gè)0） 吉電子伏的所謂普郎克能量更高能量的粒子，它的質(zhì)量就會(huì)集中到如此的程度，以至于會(huì)脫離宇宙的其他部分，而形成一個(gè)小黑洞。這樣看來(lái)，確實(shí)當(dāng)我們往越來(lái)越高的能量去的時(shí)候，越來(lái)越精密的理論序列應(yīng)當(dāng)有某一極限，所以必須有宇宙的終極理論。當(dāng)然，普郎克能量離開(kāi)大約幾百吉電子伏——目前在實(shí)驗(yàn)室中所能產(chǎn)生的最大的能量——非常遠(yuǎn)，我們不可能在可見(jiàn)的未來(lái)用粒子加速器填補(bǔ)其間的差距！然而，宇宙的極早期階段是這樣大能量應(yīng)該發(fā)生的舞臺(tái)。我以為，早期宇宙的研究和數(shù)學(xué)一致性的要求，很有可能會(huì)導(dǎo)致我們中的某些人在有生之年獲得一個(gè)完整的統(tǒng)一理論。當(dāng)然，這一切都是假定我們首先不使自身毀滅的前提下而言的。

    如果我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了宇宙的終極理論，這意味著什么？正如第一章所解釋的，我們將永遠(yuǎn)不能肯定我們是否確實(shí)找到了正確的理論，因?yàn)槔碚摬荒鼙蛔C明。但是如果理論是數(shù)學(xué)上協(xié)調(diào)的并且總是給出與觀察一致的預(yù)言，我們便可以適度地有信心認(rèn)為它是正確的。它將給人類為理解宇宙的智力斗爭(zhēng)歷史長(zhǎng)期的光輝篇章打上一個(gè)休止符。但是，它還會(huì)改變常人對(duì)制約宇宙定律的理解。在牛頓時(shí)代，一個(gè)受教育的人至少在梗概上掌握整個(gè)人類知識(shí)。但從那以后，科學(xué)發(fā)展的節(jié)奏使之不再可能。因?yàn)槔碚摽偸潜桓淖円阅依ㄐ碌挠^察結(jié)果，它們從未被消化或簡(jiǎn)化到使常人能理解。你必須是一個(gè)專家，即使如此，你只能希望適當(dāng)?shù)卣莆湛茖W(xué)理論的一小部分。另外，其發(fā)展的速度是如此之快，以至于在中學(xué)和大學(xué)所學(xué)的總是有點(diǎn)過(guò)時(shí)。只有少數(shù)人可以跟得上知識(shí)快速進(jìn)步的前沿，但他們必須貢獻(xiàn)他們的畢生，并局限在一個(gè)小的領(lǐng)域里。其余的人對(duì)于正在進(jìn)行的發(fā)展和它們產(chǎn)生的激動(dòng)只有很少的概念。70年以前，如果愛(ài)丁頓的話是真的，那么只有兩個(gè)人理解廣義相對(duì)論。今天，成千上萬(wàn)的大學(xué)研究生能理解、并且?guī)装偃f(wàn)人至少熟悉這種思想。如果發(fā)現(xiàn)了一套完整的統(tǒng)一理論，以同樣方法將其消化并簡(jiǎn)化，以及在學(xué)校里至少講授其梗概，這只是時(shí)間的遲早問(wèn)題。我們那時(shí)就都能夠?qū)χ萍s宇宙的定律有所理解，并對(duì)我們的存在負(fù)責(zé)。

    即使我們發(fā)現(xiàn)了一套完整的統(tǒng)一理論，由于兩個(gè)原因，這并不表明我們能一般地預(yù)言事件。第一是我們無(wú)法避免不確定性原理給我們的預(yù)言能力設(shè)立的極限。然而，更為嚴(yán)厲的是第二個(gè)限制。它是說(shuō)，除了非常簡(jiǎn)單的情形，我們不能準(zhǔn)確解出這理論的方程。（在牛頓引力論中，我們甚至連三體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題都不能準(zhǔn)確地解出，而且隨著物體的數(shù)目和理論復(fù)雜性的增加，困難愈來(lái)愈大。）除了在最極端狀態(tài)下，我們已經(jīng)知道規(guī)范物體行為的定律。特別是，我們知道作為所有化學(xué)和生物基礎(chǔ)的基本定律。我們肯定還沒(méi)有將這些學(xué)科歸結(jié)為可解問(wèn)題的狀態(tài)；我們?cè)趶臄?shù)學(xué)方程來(lái)預(yù)言人類行為上只取得了很少的成功！所以，即使我們確實(shí)找到了基本定律的完整集合，在未來(lái)的歲月里，仍存在著發(fā)展得更好的近似方法，使得我們?cè)趶?fù)雜而現(xiàn)實(shí)的情形下，能完成對(duì)可能結(jié)果的有用預(yù)言的、這一智慧的、富有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。一個(gè)完全的、協(xié)調(diào)的統(tǒng)一理論只是第一步，我們的目標(biāo)是完全理解發(fā)生在我們周圍的事件以及我們自身的存在。

 

第十一章  結(jié)  論

    我們發(fā)現(xiàn)自已是處于使人為難的世界中。我們要為自己在四周所看的一切賦予意義并問(wèn)道：什么是宇宙的性質(zhì)？我們?cè)谒械奈恢萌绾?，以及宇宙和我們從何而?lái)？為何它是這個(gè)樣子的？我們采用某種“世界圖”’來(lái)試圖回答這些問(wèn)題，如同無(wú)限的烏龜塔——一個(gè)支持平坦的地球是這樣的一種圖象一樣，超弦理論也是一種圖象。雖然后者比前者更數(shù)學(xué)化、更精確，但兩者都是宇宙的理論。兩個(gè)理論都缺乏觀察的證據(jù)：沒(méi)人看到一個(gè)背負(fù)地球的大龜，但也沒(méi)有人看到超弦。然而，龜理論作為一個(gè)好的科學(xué)理論是不夠格的，因?yàn)樗A(yù)言了人會(huì)從世界的邊緣掉下去。除非發(fā)現(xiàn)它能為據(jù)說(shuō)在百慕達(dá)三角消失的人提供解釋。這個(gè)預(yù)言和經(jīng)驗(yàn)不一致！

    最早先在理論上描述和解釋宇宙的企圖牽涉到這樣的思想，事件或自然現(xiàn)象是由具備人類感情的靈魂所控制，它們的行為和人類非常相像，并且是不可預(yù)言的。這些靈魂棲息在自然對(duì)象之中，諸如河流和山岳，包括諸如太陽(yáng)和月亮這樣的天體之中。它們必須被祈禱并供奉，以保證土壤的肥沃和四季的變化。然而，一些規(guī)律性逐漸地被注意到：太陽(yáng)總是東升西落，而不管是否用犧牲去對(duì)之進(jìn)貢。更進(jìn)一步，太陽(yáng)、月亮和行星沿著以被預(yù)言得相當(dāng)精確的軌道穿越天穹。太陽(yáng)、月亮仍然還可以是神祗，只不過(guò)是服從嚴(yán)格定律的神。如果你不將耶和華停止太陽(yáng)運(yùn)行之類的神話當(dāng)真，則這一切顯然是毫不例外的。

    首先，只有在天文學(xué)和一些其他情形下，這些規(guī)則和定律是顯而易見(jiàn)的。然而隨著文明的發(fā)展， 特別是近300年期間，越來(lái)越多的規(guī)則和定律被發(fā)現(xiàn)。這些定律的成功，使得拉普拉斯在19世紀(jì)初主張科學(xué)的宿命論。他提議只要給定宇宙在某一時(shí)刻的結(jié)構(gòu)，由給定的一組定律即能精確地決定它的演化。

    拉普拉斯的宿命論在兩個(gè)方面是不完整的。它沒(méi)講定律應(yīng)該如何選擇，也沒(méi)指定宇宙的初始結(jié)構(gòu)。這些都留給了上帝。上帝會(huì)選擇讓宇宙如何開(kāi)始并要服從什么定律，但是一旦開(kāi)始之后它將不再干涉。事實(shí)上，上帝是被限制于19世紀(jì)科學(xué)不能理解的領(lǐng)域里。

    我們現(xiàn)在知道，拉普拉斯的宿命論的希望，至少在按照他頭腦中的方式，是不能實(shí)現(xiàn)的。量子力學(xué)不確定性原理表明，某些諸如粒子的位置和速度的對(duì)偶的量，不能同時(shí)以完全的精確度去預(yù)言。

    量子力學(xué)通過(guò)一族量子理論來(lái)處理這種情形，粒子沒(méi)有很好定義的位置和速度，而是由一個(gè)波來(lái)代表。它們給出了這波隨時(shí)間演化的定律，在這種意義上，這些量子理論從屬于宿命論。這樣，如果某一時(shí)刻這個(gè)波是已知的，便可以將任一時(shí)刻的波算出。只是當(dāng)我們?cè)噲D按照粒子的位置和速度對(duì)波作解釋之時(shí)，不可預(yù)見(jiàn)性的紊亂的要素才出現(xiàn)。但這也許是我們的錯(cuò)誤：也許不存在粒子的位置和速度，只有波。只不過(guò)是我們企圖將波硬套到我們預(yù)想的位置和速度的觀念之中而己。由此導(dǎo)致的不一致乃是表面上不可預(yù)見(jiàn)性的原因。

    事實(shí)上，我們已經(jīng)重新將科學(xué)的任務(wù)定義為發(fā)現(xiàn)能使我們?cè)谟刹淮_定性原理設(shè)定的極限內(nèi)預(yù)言事件的定律。然而，還存在如下問(wèn)題：宇宙的定律和初始條件是如何及為何選取的？

    在本書中，我特別將制約引力的定律突出出來(lái)，因?yàn)檎且κ褂钪娴拇蟪叨冉Y(jié)構(gòu)成形，即使它是四類力中最弱的一種。引力定律和直到相當(dāng)近代還被堅(jiān)持的宇宙隨時(shí)間不變的觀念不相協(xié)調(diào)：引力總是吸引的這一事實(shí)意味著，宇宙必須或者在膨脹或者在收縮。按照廣義相對(duì)論，宇宙在過(guò)去某一時(shí)刻必須有一無(wú)限密度的狀態(tài)，亦即大爆炸，這是時(shí)間的有效起始。類似地，如果整個(gè)宇宙坍縮，在將來(lái)必有另一個(gè)無(wú)限密度的狀態(tài)，即大擠壓，這是時(shí)間的終點(diǎn)。即使整個(gè)宇宙不坍縮，在任何坍縮形成黑洞的局部區(qū)域里都會(huì)有奇點(diǎn)。這些奇點(diǎn)正是任何落進(jìn)黑洞的人的時(shí)間終點(diǎn)。在大爆炸或其他奇點(diǎn)，所有定律都失效，所以上帝仍然有完全的自由去選擇發(fā)生了什么以及宇宙是如何開(kāi)始的。

    當(dāng)我們將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論相結(jié)合，似乎產(chǎn)生了以前從未有過(guò)的新的可能性：空間和時(shí)間一起可以形成一個(gè)有限的、四維的沒(méi)有奇點(diǎn)或邊界的空間，這正如地球的表面，但有更多的維數(shù)。看來(lái)這種思想能夠解釋觀察到的宇宙的許多特征，諸如它的大尺度一致性，還有像星系、恒星甚至人類等等小尺度的對(duì)此均勻性的偏離。它甚至可以說(shuō)明我們觀察到的時(shí)間的箭頭。但是如果宇宙是完全自足的、沒(méi)有奇點(diǎn)或邊界、并且由統(tǒng)一理論所完全描述，那么就對(duì)上帝作為造物主的作用有深遠(yuǎn)的含義。

    有一次愛(ài)因斯坦問(wèn)道：“在制造宇宙時(shí)上帝有多少選擇性？”如果無(wú)邊界假設(shè)是正確的，在選擇初始條件上它就根本沒(méi)有自由。當(dāng)然，它仍有選擇宇宙所服從的定律的自由。然而，實(shí)在并沒(méi)有那么多的選擇性；很可能只有一個(gè)或數(shù)目很少的完整的統(tǒng)一理論，它是自治的，并且允許復(fù)雜到像能研究宇宙定律和詢問(wèn)上帝本性的人類那樣的結(jié)構(gòu)的存在。

    即使只存在一個(gè)可能的統(tǒng)一理論，那只不過(guò)是一組規(guī)則或方程。是什么賦予這些方程以生命去制造一個(gè)為它們所描述的宇宙？通常建立一個(gè)數(shù)學(xué)模型的科學(xué)方法不能回答，為何必須存在一個(gè)為此模型所描述的宇宙這樣的問(wèn)題。為何宇宙陷入其存在性的錯(cuò)綜復(fù)雜之中？是否統(tǒng)一理論是如此之咄咄逼人，以至于其自身之實(shí)現(xiàn)成為不可避免？或者它需要一個(gè)造物主？若是這樣，它還有其他的宇宙效應(yīng)嗎？又是誰(shuí)創(chuàng)造了造物主？

    迄今，大部分科學(xué)家太忙于發(fā)展描述宇宙為何物的理論，以至于沒(méi)工夫去過(guò)問(wèn)為什么的問(wèn)題。另一方面，以尋根究底為己任的哲學(xué)家不能跟得上科學(xué)理論的進(jìn)步。在18世紀(jì)，哲學(xué)家將包括科學(xué)在內(nèi)的整個(gè)人類知識(shí)當(dāng)作他們的領(lǐng)域，并討論諸如宇宙有無(wú)開(kāi)初的問(wèn)題。然而，在19和20世紀(jì)，科學(xué)變得對(duì)哲學(xué)家，或除了少數(shù)專家以外的任何人而言，過(guò)于技術(shù)性和數(shù)學(xué)化了。哲學(xué)家如此地縮小他們的質(zhì)疑的范圍，以至于連維特根斯坦——這位本世紀(jì)最著名的哲學(xué)家都說(shuō)道：“哲學(xué)僅余下的任務(wù)是語(yǔ)言分析。”這是從亞里士多德到康德以來(lái)哲學(xué)的偉大傳統(tǒng)的何等的墮落！

    然而，如果我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一套完整的理論，它應(yīng)該在一般的原理上及時(shí)讓所有人（而不僅僅是少數(shù)科學(xué)家）所理解。那時(shí)，我們所有人，包括哲學(xué)家、科學(xué)家以及普普通通的人，都能參加為何我們和宇宙存在的問(wèn)題的討論。如果我們對(duì)此找到了答案，則將是人類理智的最終極的勝利——因?yàn)槟菚r(shí)我們知道了上帝的精神。

 

 

小辭典

    絕對(duì)零度：所能達(dá)到的最低的溫度，在這溫度下物體不包含熱能。

    加速度：物體速度改變的速率。

    人擇原理：我們之所以看到宇宙是這個(gè)樣子，只是因?yàn)槿绻皇沁@樣，我們就不會(huì)在這里去觀察它。

    反粒子：每個(gè)類型的物質(zhì)粒子都有與其相對(duì)應(yīng)的反粒子。當(dāng)一個(gè)粒子和它的反粒子碰撞時(shí)，它們就湮滅，只留下能量。

    原子：通常物質(zhì)的基本單元，是由很小的核于（包括質(zhì)子和中子）以及圍著它轉(zhuǎn)動(dòng)的電子所構(gòu)成。

    大爆炸：宇宙開(kāi)端的奇點(diǎn)。

    大擠壓：宇宙終結(jié)的奇點(diǎn)。

    黑洞：空間—時(shí)間的一個(gè)區(qū)域，因?yàn)槟莾旱囊κ侨绱酥畯?qiáng)，以至于任何東西，甚至光都不能從該處逃逸出來(lái)。

    強(qiáng)德拉塞卡極限：一個(gè)穩(wěn)定的冷星的最大的可能的質(zhì)量的臨界值，若比這質(zhì)量更大的恒星，則會(huì)坍縮成一個(gè)黑洞。

    能量守恒：關(guān)于能量（或它的等效質(zhì)量）既不能產(chǎn)生也不能消滅的科學(xué)定律。

    坐標(biāo)：指定點(diǎn)在空間—時(shí)間中的位置的一組數(shù)。

    宇宙常數(shù)：愛(ài)因斯坦所用的一個(gè)數(shù)學(xué)方法，該方法使空間—時(shí)間有一固有的膨脹傾向。

    宇宙學(xué)：對(duì)整個(gè)宇宙的研究。

    電荷：粒子的一個(gè)性質(zhì)，由于這性質(zhì)粒子排斥（或吸引）其他與之帶相同（或相反）符號(hào)電荷的粒子。

    電磁力：帶電荷的粒子之間的相互作用力，它是四種基本力中第二強(qiáng)的力。

    電子：帶有負(fù)電荷并繞著一個(gè)原子核轉(zhuǎn)動(dòng)的粒子。

    弱電統(tǒng)一能量： 大約為100吉電子伏的能量，在比這能量更大時(shí)，電磁力和弱力之間的差別消失。

    基本粒子：被認(rèn)為不可能再分的粒子。

    事件：由它的時(shí)間和空間所指定的空間—時(shí)間中的一點(diǎn)。

    事件視界：黑洞的邊界。

    不相容原理：兩個(gè)相同的自旋為1／2的粒子（在測(cè)不準(zhǔn)原理設(shè)定的極限之內(nèi)）不能同時(shí)具有相同的位置和速度。

    場(chǎng)：某種充滿空間和時(shí)間的東西，與它相反的是在一個(gè)時(shí)刻，只存在于空間—時(shí)間中的一點(diǎn)的粒子。

    頻率：對(duì)一個(gè)波而言，在1秒鐘內(nèi)完整循環(huán)的次數(shù)。

    伽瑪射線：波長(zhǎng)非常短的電磁波，是由放射性衰變或由基本粒子碰撞產(chǎn)生的。

    廣義相對(duì)論：愛(ài)因斯坦的基于科學(xué)定律對(duì)所有的觀察者（而不管他們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)的）必須是相同的觀念的理論。它將引力按照四維空間—時(shí)間的曲率來(lái)解釋。

    測(cè)地線：兩點(diǎn)之間最短（或最長(zhǎng)）的道路。

    大統(tǒng)一能量：人們相信，在比這能量更大時(shí)，電磁力、弱力和強(qiáng)力之間的差別消失。

    大統(tǒng)一理論（GUT）：一種統(tǒng)一電磁、強(qiáng)和弱力的理論。

    虛時(shí)間：用虛數(shù)測(cè)量的時(shí)間。

    光錐：空間—時(shí)間中的面，在上面標(biāo)出光通過(guò)一給定事件的可能方向。

    光秒（光年）：光在1秒（1年）時(shí)間里走過(guò)的距離。

    磁場(chǎng)：引起磁力的場(chǎng)，和電場(chǎng)合并成電磁場(chǎng)。

    質(zhì)量：物體中物質(zhì)的量；它的慣性，或?qū)铀俚牡挚埂?o:p>

    微波背景輻射：起源于早期宇宙的灼熱的輻射，現(xiàn)在它受到如此大的紅移，以至于不以光而以微波（波長(zhǎng)為幾厘米的無(wú)線電波）的形式呈現(xiàn)出來(lái)。

    裸奇點(diǎn)：不被黑洞圍繞的空間—時(shí)間奇點(diǎn)。

    中微子：只受弱力和引力作用的極輕的（可能是無(wú)質(zhì)量的）基本物質(zhì)粒子。

    中子：一種不帶電的、和質(zhì)子非常類似的粒子，在大多數(shù)原子核中大約一半的粒子是中子。

    中子星：一種由中子之間的不相容原理排斥力所支持的冷的恒星。

    無(wú)邊界條件：宇宙是有限的但無(wú)界的（在虛時(shí)間里）思想。

    核聚變：兩個(gè)核碰撞并合并成一個(gè)更重的核的過(guò)程。

    核：原子的中心部份，只包括由強(qiáng)作用力將其束縛在一起的質(zhì)子和中子。

    粒子加速器：一種利用電磁鐵能將運(yùn)動(dòng)的帶電粒子加速，并給它們更多能量的機(jī)器。

    相位：一個(gè)波在特定的時(shí)刻的在它循環(huán)中的位置——一種它是否在波峰、波谷或它們之間的某點(diǎn)的標(biāo)度。

    光子：光的一個(gè)量子。

    普郎克量子原理：光（或任何其他經(jīng)典的波）只能被發(fā)射或吸收其能量與它們頻率成比例的分立的量子的思想。

    正電子：電子的反粒子（帶正電荷）。

    太初黑洞：在極早期宇宙中產(chǎn)生的黑洞。

    比例：“X比例于Y”表示當(dāng)Y被乘以任何數(shù)時(shí)，X也如此；“X反比例于Y”，表示，當(dāng)Y被乘以任何數(shù)時(shí)，X被同一個(gè)數(shù)除。

    質(zhì)子：構(gòu)成大多數(shù)原子中的核中大約一半數(shù)量的、帶正電的粒子。

    量子：波可被發(fā)射或吸收的不可分的單位。

    量子力學(xué)：從普郎克量子原理和海森堡不確定性原理發(fā)展而來(lái)的理論。

    夸克：感受強(qiáng)作用力的帶電的基本粒子。每一個(gè)質(zhì)子和中子都是由三個(gè)夸克組成。

    雷達(dá)：利用脈沖無(wú)線電波的單獨(dú)脈沖到達(dá)目標(biāo)并折回的時(shí)間間隔來(lái)測(cè)量對(duì)象位置的系統(tǒng)。

    放射性：一種類型的原子核自動(dòng)分裂成其他的核。

    紅移：由于多普勒效應(yīng)，從離開(kāi)我們而去的恒星發(fā)出的光線的紅化。

    奇點(diǎn)：空間—時(shí)間中空間—時(shí)間曲率變成無(wú)窮大的點(diǎn)。

    奇點(diǎn)定理：這定理是說(shuō)，在一定情形下奇點(diǎn)必須存在——特別是宇宙必須開(kāi)始于一個(gè)奇點(diǎn)。

    空間—時(shí)間：四維的空間，上面的點(diǎn)即為事件。

    空間的維：空間—時(shí)間的類空的、也就是除了時(shí)間的維之外的三維的任一維。

    狹義相對(duì)論：愛(ài)因斯坦的基于科學(xué)定律對(duì)所有進(jìn)行自由運(yùn)動(dòng)的觀察者（不論他們的運(yùn)動(dòng)速度）必須相同的觀念。

    譜：諸如電磁波對(duì)它的分量頻率的分解。

    自旋：相關(guān)于但不等同于日常的自轉(zhuǎn)概念的基本粒子的內(nèi)部性質(zhì)。

    穩(wěn)態(tài)：不隨時(shí)間變化的態(tài)：一個(gè)以固定速率自轉(zhuǎn)的球是穩(wěn)定的，因?yàn)榧幢闼皇庆o止的，在任何時(shí)刻它看起來(lái)都是等同的。

    強(qiáng)力：四種基本力中最強(qiáng)的、作用距離最短的一種力。它在質(zhì)子和中子中將夸克束縛在一起，并將質(zhì)子和中子束縛在一起形成原子。

    不確定性原理：人們永遠(yuǎn)不能同時(shí)準(zhǔn)確知道粒子的位置和速度；對(duì)其中一個(gè)知道得越精確，則對(duì)另一個(gè)就知道得越不準(zhǔn)確。

    虛粒子：在量子力學(xué)中，一種永遠(yuǎn)不能直接檢測(cè)到的，但其存在確實(shí)具有可測(cè)量效應(yīng)的粒子。

    波／粒二象性：量子力學(xué)中的概念，是說(shuō)在波動(dòng)和粒子之間沒(méi)有區(qū)別；粒子有時(shí)可以像波動(dòng)一樣行為，而波動(dòng)有時(shí)可以像粒子一樣行為。

    波長(zhǎng)：對(duì)于一個(gè)波，在兩相鄰波谷或波峰之間的距離。

    弱力：四種基本力中第二弱的、作用距離非常短的一種力。它作用于所有物質(zhì)粒子，而不作用于攜帶力的粒子。

    重量：引力場(chǎng)作用到物體上的力。它和質(zhì)量成比例，但又不同于質(zhì)量。

    白矮星：一種由電子之間不相容原理排斥力所支持的穩(wěn)定的冷的恒星。