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(huà)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(jué)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，人們在過(guò)去幾年發(fā)現，科學(xué)定律甚至在宇宙的開(kāi)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，以及猶太教、基督教和伊斯蘭教認為宇宙是相當近的過(guò)去創(chuàng )生的。(十七世紀時(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。)承認人類(lèi)在文化和技術(shù)上的明顯進(jìn)化，是近代出現的支持上述思想的一個(gè)事實(shí)。我們記得那種業(yè)績(jì)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；因為否則的話(huà)，我們應比目前更加先進(jìn)才對。事實(shí)上，圣經(jīng)的創(chuàng )世日期和上次冰河期結束相差不多，而這似乎正是現代人類(lèi)首次出現的時(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(kāi)端的思想。他們覺(jué)得這意味著(zhù)神意的干涉。他們寧愿相信宇宙已經(jīng)存在了并將繼續存在無(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。他們對上述有關(guān)人類(lèi)進(jìn)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(lèi)回到起始狀態(tài)。
兩種學(xué)派都認為，宇宙在根本上隨時(shí)間不變。它要么以現在形式創(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(lèi)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(zhù)地改變過(guò)。在一個(gè)穩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：任何一種理論都對此作解釋。1781年哲學(xué)家伊曼努爾·康德寫(xiě)了一部里程碑式的，也是非常模糊的著(zhù)作《純粹理性批判》。他在這部著(zhù)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(gè)開(kāi)端或者宇宙沒(méi)有開(kāi)端的信仰。正如他的書(shū)名所提示的，他是簡(jiǎn)單地基于推理得出結論，換句話(huà)說(shuō)，就是根本不管宇宙的觀(guān)測。畢竟也是，在一個(gè)不變的宇宙中，有什么可供觀(guān)測的呢？
然而在十九世紀，證據開(kāi)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(shí)間。這比創(chuàng )生論者計算的地球年齡長(cháng)得太多了。由德國物理學(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，宇宙中的無(wú)序度的總量(它是由稱(chēng)為熵的量所測量的)總是隨時(shí)間而增加，正如有關(guān)人類(lèi)進(jìn)步的論證，它暗示只能運行了有限的時(shí)間，否則的話(huà)，它現在應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。
穩恒宇宙思想所遭遇到的另外困難是，根據牛頓的引力定律，宇宙中的每一顆恒星必須相互吸引。如果是這樣的話(huà)，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)現完全改觀(guān)了有關(guān)其起源的討論。如果你把星系現在的運動(dòng)往時(shí)間的過(guò)去方向例溯，它們在一百億和二百億年前之間的某一時(shí)刻似乎應該重疊在一起，在這個(gè)稱(chēng)為大爆炸奇點(diǎn)的時(shí)刻，宇宙的密度和時(shí)空的曲率應為無(wú)窮大。所有的已知的科學(xué)定律在這種條件下都失效了。這對科學(xué)是一樁災難?？茖W(xué)所能告訴我們的一切是：宇宙現狀之所以如此是因為它是過(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)家對此結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(kāi)端的結論，人們進(jìn)行了若干嘗試。其中一種稱(chēng)為穩恒態(tài)理論。它的思想是，隨著(zhù)星不互相分離而去，由連續產(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，而且還將繼續存在無(wú)限長(cháng)時(shí)間。
為了使宇宙繼續膨脹并創(chuàng )生新物質(zhì)，穩恒態(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(gè)粒子，這不會(huì )和觀(guān)測相沖突。該理論還預言了，星系和類(lèi)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。然而，由馬丁·賴(lài)爾和他的劍橋小組進(jìn)行的銀河系外射電源的普查顯示，弱源的數目比強源的數目多得多。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(gè)強源不如平均源頻繁的區域；或者過(guò)去的源的密度更高，光線(xiàn)在離開(kāi)這些源向我們傳播時(shí)更遙遠的距離。這兩種可能性沒(méi)有一種和穩恒態(tài)理論相協(xié)調，因為該理論預言射電源密度不僅在空間上而且在時(shí)間上必須為常數。1964年阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發(fā)現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(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，因為其溫度只不過(guò)比絕對零度高2.7度而已。宇宙是一個(gè)既寒冷又黑暗的地方！穩恒態(tài)理論中沒(méi)有一種產(chǎn)生具有這種譜的微波的合理機制，所以穩恒態(tài)理論難逃被拋棄的命運。
1963年兩位俄國科學(xué)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(lái)避免大爆炸奇性。他們說(shuō)，只有當星系直接相互接近或離開(kāi)時(shí)，它們才會(huì )在過(guò)去的一個(gè)單獨的點(diǎn)上相重疊，才導致無(wú)限密度狀態(tài)?？上У氖?，星系還多少具有一些側向速度，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)，卻能設法避免互相撞擊。然后宇宙會(huì )繼續重新膨脹，而不必通過(guò)一種無(wú)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(shí)，我正是一名研究生，亟需一個(gè)問(wèn)題以完成博士論文。因為是否有守大爆炸奇點(diǎn)的問(wèn)題對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)展了一套數學(xué)工具，用以處理這個(gè)以及類(lèi)似的問(wèn)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(gè)奇點(diǎn)。這就表明，科學(xué)能夠預言，宇宙必須有一個(gè)開(kāi)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(ài)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(shí)空來(lái)體現。物體在彎曲空間中沿著(zhù)最接近于直線(xiàn)的軌跡運行。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(jiǎn)單的形式表達成，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(tīng)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學(xué)概念。它在某種意義上可被認為是和實(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)。然后應把這結果延拓到我們在其中生活的實(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(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，在對歷史的求和中，應包括哪些種類(lèi)的彎曲空間。這種空間種類(lèi)包括具有奇性的的空間，則該理論就不能確定這類(lèi)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(zhù)科學(xué)不能預言時(shí)空這類(lèi)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(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(lèi)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(xué)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(lèi)歷史的求和給出。這類(lèi)歷史由沒(méi)有奇性的，而且具有有限尺度卻沒(méi)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)驗驗證過(guò)這一點(diǎn)。我作過(guò)環(huán)球旅行，而沒(méi)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(méi)有邊界。只有當宇宙處于這個(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(lèi)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如何運行。
當然，人們還會(huì )說(shuō)，我們根本不必在乎發(fā)生在一顆遙遠恒星處的可預言性的失效。然而，在量子理論中任何不被實(shí)際上禁止的東西都能夠并將要發(fā)生。這樣，如果可能歷史的種類(lèi)中包括奇性空間的話(huà)，這些奇性可在任何地方發(fā)生，而不僅在大爆炸處以及坍縮星之中。這意味著(zhù)，我們不能預言任何東西。反過(guò)來(lái)說(shuō)，我們能夠預言事件的這一事實(shí)是反對奇性并贊同無(wú)邊界設想的實(shí)驗證據。
那么無(wú)邊界設想為宇宙做出什么預言呢？第一個(gè)預言是，因為宇宙的怕有可能的歷史在廣延上都是有限的，所以人們用來(lái)作為時(shí)間測度的任何量都必須有一個(gè)最大值和一個(gè)最小值。這樣宇宙就有一個(gè)開(kāi)端和一個(gè)終結。在實(shí)時(shí)間中的開(kāi)端即是大爆炸奇點(diǎn)。然而在虛時(shí)間中這個(gè)開(kāi)端就不再是奇點(diǎn)。相反的，它有點(diǎn)像地球的北極。如果人們把地球表面的緯度當作時(shí)間的類(lèi)似物，則可以說(shuō)地球的表面從北極開(kāi)始。然而，北極是地球上完全普通的一點(diǎn)。它沒(méi)有任何特殊之處，同樣的定律在北極正如同在地球上的其他地方同樣地成立。類(lèi)似的，我們用來(lái)標志作撛諦槭奔淠謨鈧嫻鈉羰紨的事件是時(shí)空中的一個(gè)通常的點(diǎn)，正如其他的點(diǎn)那樣?？茖W(xué)定律在開(kāi)端處正如在其他地方一樣成立。
人們從和地球表面的類(lèi)比，也許會(huì )預料到，正如北極和南極相似一樣，宇宙的終結會(huì )和開(kāi)端相類(lèi)似。然而，北南二極是對應于虛時(shí)間向實(shí)時(shí)間延拓，就會(huì )發(fā)現宇宙在實(shí)時(shí)間中的開(kāi)端和它的終結可以非常不同。
約納遜·哈里威爾和我對無(wú)邊界條件的含義作過(guò)一個(gè)近似計算。我們把宇宙當作一個(gè)完全光滑和均勻的背景來(lái)處理，在這個(gè)背景上存在密度的小微擾。宇宙在之前時(shí)間中從非常小的半徑開(kāi)始膨脹。最初的這種膨脹稱(chēng)作暴漲，也就是說(shuō)，宇宙尺度在比一秒還要短暫非常多的每一時(shí)間間隔中得到加倍，這正如在某些國家中每一年價(jià)格都要加倍一樣。第一次世界大戰后的德國也許創(chuàng )下了通貨膨脹的世界紀錄，一捆面包的價(jià)格在幾個(gè)月的時(shí)間內從一個(gè)馬克漲到一百萬(wàn)馬克。但是沒(méi)有任何東西可與似乎在極早期宇宙發(fā)生過(guò)的暴漲相比擬，宇宙尺度在一秒的極微小的部分時(shí)間內至少增加了一百萬(wàn)億億億倍。這當然是發(fā)生在當局政府之前的事。
暴漲在如下意義上來(lái)說(shuō)，是件好事，它產(chǎn)生了一個(gè)在大尺度上光滑而均勻的宇宙，而且這個(gè)宇宙以剛好避免坍縮的臨界速度膨脹。它還能在相當嚴格的意義上把宇宙的怕有內容從無(wú)中創(chuàng )生出來(lái)，這是暴漲的又一好處。當宇宙像北極那樣的一個(gè)單獨點(diǎn)時(shí)，它不包含有任何東西。然而，在我們可觀(guān)測到的宇宙部分至少有十的八十次方顆粒子。所有這些粒子從何而來(lái)呢？其答案是，相對論和量子力學(xué)允許物質(zhì)從能量中以粒子反粒子對的形式創(chuàng )生出來(lái)。那么能量又是從何而來(lái)以創(chuàng )生物質(zhì)呢？其答案是，它是從宇宙的引力能中借來(lái)的。宇宙虧欠了極大數量的負引力能的債務(wù)，它剛好和物質(zhì)的正能量相平衡。其結果便是凱恩斯經(jīng)濟學(xué)的勝利：一個(gè)充滿(mǎn)物質(zhì)的、充滿(mǎn)活力的正在膨脹的宇宙。引力能的債務(wù)只有在宇宙終結時(shí)才能償付清。
早期宇宙不能是完全均勻一致的，因為否則的話(huà)就會(huì )違反量子力學(xué)的不確定性原理。相反的，必須存在對均勻密度的一些偏差。無(wú)邊界設想意味著(zhù)，這些密度差別是從它們的基態(tài)開(kāi)始，也就是說(shuō)，它們是和不確定性原理相一盡可能的小。然而，這些差別在暴漲時(shí)被放大了。在暴漲時(shí)期結束之后，留下的宇宙是一些地方比另一些地方膨脹得稍快一些。在膨脹稍慢的區域，物質(zhì)的引力吸引使膨脹進(jìn)一步減慢。該區域最終會(huì )停止膨脹，并且收縮形成星系和恒星。這樣，無(wú)邊界設想可以解釋我們四周看到的所有復雜結構。然而，它沒(méi)有給宇宙作出單獨的預言。相反地，它預言整整一族可能的歷史，每一個(gè)歷史都具有自己的概率。也許可能有這樣的歷史，工黨在上次英國競選中取勝，雖然這種概率很小。
無(wú)邊界設想對于上商在宇宙事務(wù)中的作用含義極其深遠。人們現在廣泛接受，宇宙按照定義很好的定律演化。這些定律可能是上帝欽定的，但是它似乎不去干涉宇宙去違反這些定律。然而，直到不久以前，人們都認為這些定律不能適用于宇宙的開(kāi)初。那就要依賴(lài)上帝去旋緊發(fā)條，并讓宇宙順著(zhù)它的意愿的方式去運行。這樣，宇宙的現狀是上帝對初始條件選擇的結果。
然而，如果某種像無(wú)邊界設想的東西是正確的話(huà)，則情況就會(huì )大大改觀(guān)。在那種情形下，物理定律甚至也適用于宇宙的開(kāi)端，這樣上帝就沒(méi)有選取初始條件的自由。當然它在選取宇宙要服從的定律上仍然具有自由。然而，這里并沒(méi)有許多選擇的余地。也許只存在很少數目的定律，這些定律是自洽的，并能導致像我們自己這么復雜的生物的存在，他能詢(xún)問(wèn)什么是上帝的性質(zhì)。
甚至即使只存在唯一的一族可能的定律，它也只不過(guò)是一族方程。究竟是什么東西將生命之火賦予這些方程，使之產(chǎn)生一個(gè)受它們制約的宇宙呢？難道終結的統一理論是如此之咄咄逼人，以至于其自身的實(shí)現成為不可避免？雖然科學(xué)能解決宇宙如何啟始的課題，它仍然無(wú)法回答這個(gè)問(wèn)題：為何宇宙必須存在？我對此沒(méi)有答案。
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