宇宙的起源  

　　宇宙起源的問題有點像這個古老的問題：是先有雞呢，還是先有蛋。換句話說，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)存在了無限久的時間，并不需要被創(chuàng)生。直到不久之前，科學家們還一直試圖回避這樣的問題，覺得它們與其說是屬于科學，不如說是屬于形而上學或宗教的問題，然而，人們在過去幾年發(fā)現(xiàn)，科學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，并由科學定律所完全確定。

　　關于宇宙是否并如何啟始的爭論貫穿了整個記載的歷史?；旧洗嬖趦蓚€思想學派。許多早期的傳統(tǒng)，以及猶太教、基督教和伊斯蘭教認為宇宙是相當近的過去創(chuàng)生的。(十七世紀時鄔謝爾主教算出宇宙誕生的日期是公元前4004年，這個數(shù)目是由把在舊約圣經(jīng)中人物的年齡加起來而得到的。)承認人類在文化和技術上的明顯進化，是近代出現(xiàn)的支持上述思想的一個事實。我們記得那種業(yè)績的首創(chuàng)者或者這種技術的發(fā)展者?？梢匀绱诉@般地進行論證，即我們不可能存在了那許久；因為否則的話，我們應比目前更加先進才對。事實上，圣經(jīng)的創(chuàng)世日期和上次冰河期結束相差不多，而這似乎正是現(xiàn)代人類首次出現(xiàn)的時候。

　　另一方面，還有諸如希臘哲學家亞里斯多德的一些人，他們不喜歡宇宙有個開端的思想。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。他們對上述有關人類進步的詰難的回答是：周期性洪水或者其他自然災難重復地使人類回到起始狀態(tài)。

　　兩種學派都認為，宇宙在根本上隨時間不變。它要么以現(xiàn)在形式創(chuàng)生，要么以今天的樣子維持了無限久。這是一種自然的信念，由于人類生命──整個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。在一個穩(wěn)定不變的宇宙的框架中，它是否已經(jīng)存在了無限久或者是在有限久的過去誕生的問題，實在是一種形而上學或宗教的問題：任何一種理論都對此作解釋。1781年哲學家伊曼努爾·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論，存在同樣有效的論證分別用以支持宇宙有一個開端或者宇宙沒有開端的信仰。正如他的書名所提示的，他是簡單地基于推理得出結論，換句話說，就是根本不管宇宙的觀測。畢竟也是，在一個不變的宇宙中，有什么可供觀測的呢？

　　然而在十九世紀，證據(jù)開始逐漸積累起來，它表明地球戲及宇宙拭其他部分事實上是隨時間而變化的。地學家們意識到巖石以及其中的化石的形成需要花費幾億甚至幾十億年的時間。這比創(chuàng)生論者計算的地球年齡長得太多了。由德國物理學家路德維希·破爾茲曼提出的所謂熱力學第二定律還提供了進一步的證據(jù)，宇宙中的無序度的總量(它是由稱為熵的量所測量的)總是隨時間而增加，正如有關人類進步的論證，它暗示只能運行了有限的時間，否則的話，它現(xiàn)在應已退化到一種完全無序的狀態(tài)，在這種狀態(tài)下萬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，它們怎么能維持相互間恒定距離，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)完全改觀了有關其起源的討論。如果你把星系現(xiàn)在的運動往時間的過去方向例溯，它們在一百億和二百億年前之間的某一時刻似乎應該重疊在一起，在這個稱為大爆炸奇點的時刻，宇宙的密度和時空的曲率應為無窮大。所有的已知的科學定律在這種條件下都失效了。這對科學是一樁災難。科學所能告訴我們的一切是：宇宙現(xiàn)狀之所以如此是因為它是過去是處于那種形態(tài)。但是科學不能解釋為何它在大爆炸后的那一瞬間是那個樣子的。

　　這樣，許多科學家對此結論感到不悅就毫不足怪了。為了避免存在大爆炸奇點以及由此引起的時間具有開端的結論，人們進行了若干嘗試。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)存在無限長時間。

　　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粒子，這不會和觀測相沖突。該理論還預言了，星系和類似物體的平均密度不但在空間上而且在時間上必須是常數(shù)。然而，由馬丁·賴爾和他的劍橋小組進行的銀河系外射電源的普查顯示，弱源的數(shù)目比強源的數(shù)目多得多。人們可以預料，弱的源在平均上講應是較遙遠的。這樣就存在兩種可能性：或許我們正位于宇宙中的一個強源不如平均源頻繁的區(qū)域；或者過去的源的密度更高，光線在離開這些源向我們傳播時更遙遠的距離。這兩種可能性沒有一種和穩(wěn)恒態(tài)理論相協(xié)調(diào)，因為該理論預言射電源密度不僅在空間上而且在時間上必須為常數(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得多的地方起源的微波輻射背景，這是對該理論的致命打擊。它具有從一個熱體發(fā)射出的輻射的特征譜，盡管在這種情形下熱這個字根本不適合，因為其溫度只不過比絕對零度高2.7度而已。宇宙是一個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制，所以穩(wěn)恒態(tài)理論難逃被拋棄的命運。

　　1963年兩位俄國科學家歐格尼·利費席茲和伊薩克·哈拉尼科夫提出另一種思想，企圖用來避免大爆炸奇性。他們說，只有當星系直接相互接近或離開時，它們才會在過去的一個單獨的點上相重疊，才導致無限密度狀態(tài)。可惜的是，星系還多少具有一些側向速度，宇宙早斯就可能存在過這樣的一種收縮相，這時，星系雖然曾經(jīng)非?？拷^，卻能設法避免互相撞擊。然后宇宙會繼續(xù)重新膨脹，而不必通過一種無限的密度的狀態(tài)。

　　當利費席茲和哈拉尼科夫提出其設想時，我正是一名研究生，亟需一個問題以完成博士論文。因為是否有守大爆炸奇點的問題對于理解宇宙的起源關系重大，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)學工具，用以處理這個以及類似的問題。我們指出，如果廣義相對論是正確的，任何合理的宇宙模型都必需起始于一個奇點。這就表明，科學能夠預言，宇宙必須有一個開端，但是它不能夠預言宇宙應如何啟始的：正因為如此，人們必須求助于上帝。

　　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采取的準確形式。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具有某些特征。其中之一便是愛因斯坦的思想，引力效應由被物質(zhì)和能量所彎曲甚至卷曲的時空來體現(xiàn)。物體在彎曲空間中沿著最接近于直線的軌跡運行。然而，由于時空是彎曲的。所以它們的路徑就顯得是彎折的，正如同被引力場所彎折的似的。

　　另一種在這個終極理論中可以預料的要素是里查德·費因曼的設想，即量子理論可以表達成“對歷史的求和”。該思想可以最簡單的形式表達成，每顆粒子在時間中走過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間里發(fā)生的歷史，而不是在我們感受生活于其中的實時間城發(fā)生的歷史。虛時間聽起來有點像是科學幻想的東西，其實它是定義得很好的數(shù)學概念。它在某種意義上可被認為是和實時間成直角的時間方向。人們把所有具有某種性質(zhì)粒子歷史，譬如講在某些時刻通過某些點的歷史的概率加起來。然后應把這結果延拓到我們在其中生活的實的時空中去。這不是量子力學的最熟知的手段，但它給出和其他方法得到的相同結果。

　　在量子引力的情形下，費因曼的對歷史求和的思想牽涉到對宇宙的不同的可能性的歷史，也就是對不同的彎曲時空的求和。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，在對歷史的求和中，應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。這意味著科學不能預言時空這類奇性歷史的概率。這樣，它就不能預言宇宙應如何運行。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確定宇宙如何啟始。由只對非奇性歷史的求和確定宇宙的狀態(tài)有點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非奇性歷史求和定義的狀態(tài)，但這是科學能預言應當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)應由對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)用實驗驗證過這一點。我作過環(huán)球旅行，而沒有落到外面去。

　　哈特爾和我所做的設想可以被重新表達成：宇宙的邊界條件是它沒有邊界。只有當宇宙處于這個無邊界狀態(tài)時，科學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，已知的定律才會確定宇宙應如何運行。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出來。而另一方面，如果宇宙是處于無邊界狀態(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如何運行。