宇宙的起源  

　　宇宙起源的問(wèn)題有點(diǎn)像這個(gè)古老的問(wèn)題：是先有雞呢,，還是先有蛋。換句話說(shuō),，就是何物創(chuàng)生宇宙,，又是何物創(chuàng)生該物呢？也許宇宙,，或者創(chuàng)生它的東西已經(jīng)存在了無(wú)限久的時(shí)間,，并不需要被創(chuàng)生。直到不久之前,，科學(xué)家們還一直試圖回避這樣的問(wèn)題,，覺得它們與其說(shuō)是屬于科學(xué)，不如說(shuō)是屬于形而上學(xué)或宗教的問(wèn)題,，然而,，人們?cè)谶^(guò)去幾年發(fā)現(xiàn)，科學(xué)定律甚至在宇宙的開端也是成立的,。在那種情形下,，宇宙可以是自足的，并由科學(xué)定律所完全確定,。

　　關(guān)于宇宙是否并如何啟始的爭(zhēng)論貫穿了整個(gè)記載的歷史?；旧洗嬖趦蓚€(gè)思想學(xué)派,。許多早期的傳統(tǒng)，以及猶太教,、基督教和伊斯蘭教認(rèn)為宇宙是相當(dāng)近的過(guò)去創(chuàng)生的,。(十七世紀(jì)時(shí)鄔謝爾主教算出宇宙誕生的日期是公元前4004年，這個(gè)數(shù)目是由把在舊約圣經(jīng)中人物的年齡加起來(lái)而得到的,。)承認(rèn)人類在文化和技術(shù)上的明顯進(jìn)化,，是近代出現(xiàn)的支持上述思想的一個(gè)事實(shí)。我們記得那種業(yè)績(jī)的首創(chuàng)者或者這種技術(shù)的發(fā)展者,?？梢匀绱诉@般地進(jìn)行論證，即我們不可能存在了那許久；因?yàn)榉駝t的話,，我們應(yīng)比目前更加先進(jìn)才對(duì),。事實(shí)上，圣經(jīng)的創(chuàng)世日期和上次冰河期結(jié)束相差不多,，而這似乎正是現(xiàn)代人類首次出現(xiàn)的時(shí)候,。

　　另一方面，還有諸如希臘哲學(xué)家亞里斯多德的一些人,，他們不喜歡宇宙有個(gè)開端的思想,。他們覺得這意味著神意的干涉。他們寧愿相信宇宙已經(jīng)存在了并將繼續(xù)存在無(wú)限久,。某種不朽的東西比某種必須被創(chuàng)生的東西更加完美,。他們對(duì)上述有關(guān)人類進(jìn)步的詰難的回答是：周期性洪水或者其他自然災(zāi)難重復(fù)地使人類回到起始狀態(tài)。

　　兩種學(xué)派都認(rèn)為,，宇宙在根本上隨時(shí)間不變,。它要么以現(xiàn)在形式創(chuàng)生，要么以今天的樣子維持了無(wú)限久,。這是一種自然的信念,，由于人類生命──整個(gè)有記載的歷史是如此之短暫，宇宙在此期間從未顯著地改變過(guò),。在一個(gè)穩(wěn)定不變的宇宙的框架中,，它是否已經(jīng)存在了無(wú)限久或者是在有限久的過(guò)去誕生的問(wèn)題，實(shí)在是一種形而上學(xué)或宗教的問(wèn)題：任何一種理論都對(duì)此作解釋,。1781年哲學(xué)家伊曼努爾·康德寫了一部里程碑式的,，也是非常模糊的著作《純粹理性批判》。他在這部著作中得出結(jié)論,，存在同樣有效的論證分別用以支持宇宙有一個(gè)開端或者宇宙沒有開端的信仰,。正如他的書名所提示的，他是簡(jiǎn)單地基于推理得出結(jié)論,，換句話說(shuō),，就是根本不管宇宙的觀測(cè)。畢竟也是,，在一個(gè)不變的宇宙中,，有什么可供觀測(cè)的呢？

　　然而在十九世紀(jì),，證據(jù)開始逐漸積累起來(lái),，它表明地球戲及宇宙拭其他部分事實(shí)上是隨時(shí)間而變化的。地學(xué)家們意識(shí)到巖石以及其中的化石的形成需要花費(fèi)幾億甚至幾十億年的時(shí)間,。這比創(chuàng)生論者計(jì)算的地球年齡長(zhǎng)得太多了,。由德國(guó)物理學(xué)家路德維希·破爾茲曼提出的所謂熱力學(xué)第二定律還提供了進(jìn)一步的證據(jù),，宇宙中的無(wú)序度的總量(它是由稱為熵的量所測(cè)量的)總是隨時(shí)間而增加，正如有關(guān)人類進(jìn)步的論證,，它暗示只能運(yùn)行了有限的時(shí)間,，否則的話，它現(xiàn)在應(yīng)已退化到一種完全無(wú)序的狀態(tài),，在這種狀態(tài)下萬(wàn)物都牌相同的溫度下,。

　　穩(wěn)恒宇宙思想所遭遇到的另外困難是，根據(jù)牛頓的引力定律,，宇宙中的每一顆恒星必須相互吸引,。如果是這樣的話，它們?cè)趺茨芫S持相互間恒定距離,，并且靜止地停在那里呢,？

　　1929年埃德溫·哈勃的宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)完全改觀了有關(guān)其起源的討論,。如果你把星系現(xiàn)在的運(yùn)動(dòng)往時(shí)間的過(guò)去方向例溯,，它們?cè)谝话賰|和二百億年前之間的某一時(shí)刻似乎應(yīng)該重疊在一起，在這個(gè)稱為大爆炸奇點(diǎn)的時(shí)刻,，宇宙的密度和時(shí)空的曲率應(yīng)為無(wú)窮大,。所有的已知的科學(xué)定律在這種條件下都失效了。這對(duì)科學(xué)是一樁災(zāi)難,?？茖W(xué)所能告訴我們的一切是：宇宙現(xiàn)狀之所以如此是因?yàn)樗沁^(guò)去是處于那種形態(tài)。但是科學(xué)不能解釋為何它在大爆炸后的那一瞬間是那個(gè)樣子的,。

　　這樣,，許多科學(xué)家對(duì)此結(jié)論感到不悅就毫不足怪了。為了避免存在大爆炸奇點(diǎn)以及由此引起的時(shí)間具有開端的結(jié)論,，人們進(jìn)行了若干嘗試,。其中一種稱為穩(wěn)恒態(tài)理論。它的思想是,，隨著星不互相分離而去,，由連續(xù)產(chǎn)生的物質(zhì)在星系之間的空間中形成新的星系。這樣宇宙就多多少少以今日這樣的狀態(tài)不但已經(jīng)存在了,，而且還將繼續(xù)存在無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間,。

　　為了使宇宙繼續(xù)膨脹并創(chuàng)生新物質(zhì)，穩(wěn)恒態(tài)模型需要修改廣義相對(duì)論,。但是所需要的產(chǎn)生率非常低：大約為每年每立方公里一個(gè)粒子,，這不會(huì)和觀測(cè)相沖突。該理論還預(yù)言了,，星系和類似物體的平均密度不但在空間上而且在時(shí)間上必須是常數(shù),。然而，由馬丁·賴爾和他的劍橋小組進(jìn)行的銀河系外射電源的普查顯示,，弱源的數(shù)目比強(qiáng)源的數(shù)目多得多,。人們可以預(yù)料,，弱的源在平均上講應(yīng)是較遙遠(yuǎn)的。這樣就存在兩種可能性：或許我們正位于宇宙中的一個(gè)強(qiáng)源不如平均源頻繁的區(qū)域,；或者過(guò)去的源的密度更高,，光線在離開這些源向我們傳播時(shí)更遙遠(yuǎn)的距離。這兩種可能性沒有一種和穩(wěn)恒態(tài)理論相協(xié)調(diào),，因?yàn)樵摾碚擃A(yù)言射電源密度不僅在空間上而且在時(shí)間上必須為常數(shù),。1964年阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發(fā)現(xiàn)了從比我們的銀河系遙遠(yuǎn)得多的地方起源的微波輻射背景，這是對(duì)該理論的致命打擊,。它具有從一個(gè)熱體發(fā)射出的輻射的特征譜,，盡管在這種情形下熱這個(gè)字根本不適合，因?yàn)槠錅囟戎徊贿^(guò)比絕對(duì)零度高2.7度而已,。宇宙是一個(gè)既寒冷又黑暗的地方,！穩(wěn)恒態(tài)理論中沒有一種產(chǎn)生具有這種譜的微波的合理機(jī)制，所以穩(wěn)恒態(tài)理論難逃被拋棄的命運(yùn),。

　　1963年兩位俄國(guó)科學(xué)家歐格尼·利費(fèi)席茲和伊薩克·哈拉尼科夫提出另一種思想,，企圖用來(lái)避免大爆炸奇性。他們說(shuō),，只有當(dāng)星系直接相互接近或離開時(shí),，它們才會(huì)在過(guò)去的一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)上相重疊，才導(dǎo)致無(wú)限密度狀態(tài),?？上У氖牵窍颠€多少具有一些側(cè)向速度,，宇宙早斯就可能存在過(guò)這樣的一種收縮相,，這時(shí)，星系雖然曾經(jīng)非?？拷^(guò),，卻能設(shè)法避免互相撞擊。然后宇宙會(huì)繼續(xù)重新膨脹,，而不必通過(guò)一種無(wú)限的密度的狀態(tài),。

　　當(dāng)利費(fèi)席茲和哈拉尼科夫提出其設(shè)想時(shí)，我正是一名研究生,，亟需一個(gè)問(wèn)題以完成博士論文,。因?yàn)槭欠裼惺卮蟊ㄆ纥c(diǎn)的問(wèn)題對(duì)于理解宇宙的起源關(guān)系重大,，所以它引起了我的興趣,。我和羅杰·彭羅斯一道發(fā)展了一套數(shù)學(xué)工具,，用以處理這個(gè)以及類似的問(wèn)題,。我們指出,，如果廣義相對(duì)論是正確的，任何合理的宇宙模型都必需起始于一個(gè)奇點(diǎn),。這就表明，科學(xué)能夠預(yù)言,，宇宙必須有一個(gè)開端,，但是它不能夠預(yù)言宇宙應(yīng)如何啟始的：正因?yàn)槿绱耍藗儽仨毲笾谏系邸?/p>

　　那種理論便是量子引力論,。我們尚未知道正確的量子引力論應(yīng)采取的準(zhǔn)確形式。我們此刻所擁有的最佳候選者是超弦理論,，但它仍有許多耒解決的困難,。然而，人們可以期望,，任何有前途的理論都應(yīng)具有某些特征,。其中之一便是愛因斯坦的思想,，引力效應(yīng)由被物質(zhì)和能量所彎曲甚至卷曲的時(shí)空來(lái)體現(xiàn)。物體在彎曲空間中沿著最接近于直線的軌跡運(yùn)行,。然而,，由于時(shí)空是彎曲的。所以它們的路徑就顯得是彎折的,，正如同被引力場(chǎng)所彎折的似的,。

　　另一種在這個(gè)終極理論中可以預(yù)料的要素是里查德·費(fèi)因曼的設(shè)想，即量子理論可以表達(dá)成“對(duì)歷史的求和”,。該思想可以最簡(jiǎn)單的形式表達(dá)成,，每顆粒子在時(shí)間中走過(guò)任何可能的路徑或歷史。每一路徑或歷史具有依其形狀而定的概率,。為了使這種思想可行,，人們必須考慮在虛時(shí)間里發(fā)生的歷史，而不是在我們感受生活于其中的實(shí)時(shí)間城發(fā)生的歷史,。虛時(shí)間聽起來(lái)有點(diǎn)像是科學(xué)幻想的東西,，其實(shí)它是定義得很好的數(shù)學(xué)概念。它在某種意義上可被認(rèn)為是和實(shí)時(shí)間成直角的時(shí)間方向,。人們把所有具有某種性質(zhì)粒子歷史,，譬如講在某些時(shí)刻通過(guò)某些點(diǎn)的歷史的概率加起來(lái)。然后應(yīng)把這結(jié)果延拓到我們?cè)谄渲猩畹膶?shí)的時(shí)空中去,。這不是量子力學(xué)的最熟知的手段,，但它給出和其他方法得到的相同結(jié)果。

　　在量子引力的情形下,，費(fèi)因曼的對(duì)歷史求和的思想牽涉到對(duì)宇宙的不同的可能性的歷史,，也就是對(duì)不同的彎曲時(shí)空的求和。這些代表了宇宙和它之中的任何東西的歷史,。人們必須指明,，在對(duì)歷史的求和中，應(yīng)包括哪些種類的彎曲空間,。這種空間種類包括具有奇性的的空間,，則該理論就不能確定這類空間的概率。相反的,，它們必須以某種任意的方法被賦予概率,。這意味著科學(xué)不能預(yù)言時(shí)空這類奇性歷史的概率。這樣,，它就不能預(yù)言宇宙應(yīng)如何運(yùn)行,。然而，宇宙可能處于由只包括非奇性彎曲空間的求和所定義的狀態(tài)。在這種情形下,，科學(xué)定律就把宇宙完全確定,，人們就不必吁求宇宙之外的某物來(lái)確定宇宙如何啟始。由只對(duì)非奇性歷史的求和確定宇宙的狀態(tài)有點(diǎn)像一名醉漢在燈柱之下找他的鑰匙：這兒也許不是他遺失之處,，但是這兒是他可能找到的僅有的地方,。類似的，宇宙也許不處于由對(duì)非奇性歷史求和定義的狀態(tài),，但這是科學(xué)能預(yù)言應(yīng)當(dāng)什么樣子的僅有的狀態(tài)。

　　1983年詹姆·哈特爾和我提出,，宇宙的狀態(tài)應(yīng)由對(duì)一定種類歷史的求和給出,。這類歷史由沒有奇性的，而且具有有限尺度卻沒有邊界或邊緣的彎曲空間組成,。它們像是地球的表面,，只不過(guò)多了兩維。地球的表面具有有限的面積,，但是它不具有任何奇性,、邊界或邊緣。我曾經(jīng)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)這一點(diǎn),。我作過(guò)環(huán)球旅行,，而沒有落到外面去。

　　哈特爾和我所做的設(shè)想可以被重新表達(dá)成：宇宙的邊界條件是它沒有邊界,。只有當(dāng)宇宙處于這個(gè)無(wú)邊界狀態(tài)時(shí),，科學(xué)定律自身才能確定每種可能歷史的概率。因此,，只有在這種情形下,，已知的定律才會(huì)確定宇宙應(yīng)如何運(yùn)行。如果宇宙處于任何其他的狀態(tài),，則歷史求和中的彎曲空間的種類就要包括具有奇性的空間,。人們必須求助于已知科學(xué)定律以外的某種原理，才能確定這種奇性歷史的概率,。這種原理就會(huì)是外在于我們宇宙的某種東西,。我們不能從我們宇宙之中將其推導(dǎo)出來(lái)。而另一方面,，如果宇宙是處于無(wú)邊界狀態(tài),，在原則上，我們就能在不確定性原理容忍的限制之仙完全確定宇宙應(yīng)如何運(yùn)行,。