【正文】 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。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)。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。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。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。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)。 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。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 14 有少量的重氫和其他元素。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。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。 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。 在一些區(qū)域膨脹會(huì)最終停止并開始坍縮。 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 在自身引力下 坍縮。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。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。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阈牵怯?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。這早先的大氣不能使我們存活。它們就這樣地復(fù)制了自己并繁殖。所以它們具有優(yōu) 點(diǎn)，并趨向于取代原先的宏觀分子。 宇宙從非常熱開始并隨膨脹而 冷卻的景象，和我們今天所有的觀測(cè)證據(jù)相一致。 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。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)。空間一時(shí) 間就會(huì)有邊界 —— 大爆炸處的開端。這肯定是在一個(gè)全能造物主的力量之內(nèi)。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。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。）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。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)。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?。這有點(diǎn)像生活在富裕街坊的富 人看不到任何貧窮。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。然而，有的人走得更遠(yuǎn)并提出強(qiáng)人 擇原理。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。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。 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。這樣，強(qiáng)人擇原理即歸結(jié)為弱人擇原理。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。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。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。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。當(dāng)宇宙膨脹時(shí) 它會(huì)變冷，粒子能量下降。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。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)。當(dāng)它們膨 脹時(shí)，物質(zhì)粒子越分越開，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。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。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。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。 零的兩倍仍為零。然而，這種情形確實(shí)發(fā)生于暴漲時(shí)期。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。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。 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。這樣的模型跟我們所觀察到的宇宙并不吻合。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。我被這個(gè)思想弄得非常激動(dòng)，并和我的一個(gè)學(xué)生因我建議將此論文照原樣發(fā)表。我們?cè)谠撐闹兄赋鲞@泡泡的問(wèn)題，并提出如何將其解決。然而，在去機(jī)場(chǎng)的路上被大雨耽擱，我沒(méi)趕上航班。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)。阿爾伯勒希特合寫的論文。（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。 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。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。 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)。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)。 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。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)。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?；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。 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)。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。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。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。 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)。 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)開端。 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。人們 可以說(shuō)：“宇宙的邊界條件是它沒(méi)有邊界。 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。我的一位朋友兼合作者詹姆哈里威爾繼續(xù)從事這項(xiàng) 工作。回 到劍橋后，我和我的兩個(gè)研究生朱麗安在梵蒂岡會(huì)議期間，我不知道如何用“無(wú)邊界”思想去預(yù)言宇宙。它既不被創(chuàng)生，也不被消滅。另一方 面，量子引力論開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。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。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)。 也就是，時(shí)間是虛的并和空間的方向不可區(qū)分。 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。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。）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。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)。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， 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。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。 為了預(yù)言宇宙應(yīng)該是如何開始的，人們需要在時(shí)間開端處有效的定律。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)得到你一開始給定的那個(gè)成團(tuán)的無(wú)規(guī)則的 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。這些區(qū)域之一就成為我們看到的宇宙。林德在 1983年提出 了一個(gè)更好的所謂紊亂暴漲模型。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)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。斯特恩哈特， 講演后他和我討論暴漲的問(wèn)題。之后，應(yīng)邀作了關(guān)于暴漲宇宙的講演。我的秘書朱 迪我和因然而， 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。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。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。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。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。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。在暴漲相，宇宙的尺度增大了一個(gè)非常大的倍數(shù)。在宇宙的正常膨脹時(shí)，這并沒(méi)有發(fā)生。這樣，在一定意義上，引力場(chǎng)具有負(fù)能量。但這只不過(guò)引 起了能量從何而來(lái)的問(wèn)題。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。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)。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。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。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。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。固斯提出，早期宇宙可能存在過(guò)一個(gè)非?？焖倥? 脹的時(shí)期。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? 輻射都有同樣溫度，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。 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。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)。另一方面，它們?nèi)魞H僅是一個(gè)單 17 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。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。 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)。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。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