【正文】 括硫化氫在內(nèi)的不同物 質(zhì)而放出氧氣。 （ 3） 為何宇宙以這樣接近于區(qū)分坍縮和永遠膨脹模型的臨界膨脹率的速率開 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 秒鐘那一時刻其膨脹率甚至只要小十億億分之一， 那么在它達到今天這 么大的尺度之前宇宙就已坍縮。這些定律也許原先是由 上帝頒布的，但是看來從那以后他就讓宇宙按照這些定律去演化，而不再對它干涉。 所謂的紊亂邊界條件即是這樣的一種可能性。 如果宇宙確實是空間無限的，或者如果存在無限多宇宙，則就會存在某 些從光 滑和一致的形態(tài)開始演化的大的區(qū)域。弱人擇原理是講，在一個大的或具 有無限空間和／或時間的宇宙里，只有在空間一時間有限的一定區(qū)域里，才存在智 慧生命發(fā)展的必要條件。余下的 30 億年左右才用于生物進化的漫長過程，這個過程導(dǎo)致 從最簡單的組織到能夠測量回溯到大爆炸那一瞬間的生物的形成。 例如，如果電子的電荷只要稍微有點不同，則要么恒星不能夠燃燒氫和氦，要么它 們沒有爆炸過。另一方面，它們?nèi)魞H僅是一個單 17 獨宇宙的不同區(qū)域，則在每個區(qū)域里的科學(xué)定律必須是一樣 的，因為否則人們不能 從一個區(qū)域連續(xù)地運動到另一區(qū)域。 如果人們能夠表明，相當多的宇宙的不同初始結(jié)構(gòu)會演化產(chǎn)生像我們今天看到 的宇宙，至少在弱的形式上，人們會對人擇原理感到更滿意。固斯提出，早期宇宙可能存在過一個非?？焖倥? 脹的時期。相變的一個普通的例子是，當水降溫時會凍結(jié)成 冰。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)的排斥作用超過了物質(zhì)的引力吸引作用。這樣，不必去假設(shè)宇宙 初始膨脹率曾被非常仔細地選擇過，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。這樣，在一定意義上，引力場具有負能量。在暴漲相，宇宙的尺度增大了一個非常大的倍數(shù)。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。會后，我在斯特堡天文研究所 做了一個有關(guān)暴漲模型和它的問題的講演。然而， 當我后來收到一個科學(xué)雜志社寄來的林德的論文，征求是否可以發(fā)表時，作為他的 朋友，我感到相當難為情。我的秘書朱 迪斯特恩哈特， 講演后他和我討論暴漲的問題。然而我和其他幾 個人指出，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。這些區(qū)域之一就成為我們看到的宇宙。如果你在時間前進方向 上按照科學(xué)定律演化這樣的宇宙，你就會得到你一開始給定的那個成團的無規(guī)則的 態(tài)。然而，奇點定理真正表明的是，該處引力場變得如 此之強，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。粒子通過一指定點的概率是將通過此點的所有可能途徑的波迭加而求得。）人們必須利用虛時間，以避免在 進行費因曼對歷史求和的技術(shù)上的困難。 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特征是愛因斯坦的 思想，即引力場是由彎曲的空間 — 時間來代表：粒子在彎曲空間中試圖沿著最接近 于直線的某種途徑走，但因為空間 — 時間不是平坦的。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)。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 — 時間沒有邊界，所以沒有 必要指定邊界上的行為。在梵蒂岡會議期間，我不知道如何用“無邊界”思想去預(yù)言宇宙。哈里威爾繼續(xù)從事這項 工作。 我正是在早先提到的那次梵帝岡會議上第一次提出，時間和空間可能會共同形 成一個在尺度上有限而沒有任何邊界或邊緣的面。 地球的表面積是有限的，但它沒有邊界或邊緣：如果你朝著落日的方向駕船，你不 會掉到邊緣外面或陷入奇點中去。 在廣義相對論的經(jīng)典理論中，有許多不同的可能彎曲的空間 — 時間，每一個對 應(yīng)于宇宙的不同的初始態(tài)。另一方面，在通常用實的時間坐標來標記 事件的實的空間 — 時間里，人們很容易區(qū)別這兩種方向 —— 在光錐中的任何點是時 間方向，之外為空間方向。 然而，有一種特別的數(shù)（叫虛數(shù)），當它們自乘時得到負數(shù)。在這種方法里，一個粒子不像 在經(jīng)典理論中那樣，不僅只有一個歷史。 彭羅斯和我證明的奇點定理指出，如果廣義相對論的經(jīng)典理論是正確的，則時間的 開端是具有無限密度和無限空間 —— 時間曲率的一點，在這一點上所有已知的科學(xué) 定律都失效。這一點很容易說明， 考慮現(xiàn)在宇宙處于一個非常不同的態(tài)，例如一個非常成團的、非常無規(guī)則的態(tài)，人 們可以利用科學(xué)定律，在時間上將其演化回去，以確定宇宙在更早時刻的結(jié)構(gòu)。在那些區(qū)域中， 場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。（舊的暴 漲模型是指固斯關(guān)于形成 泡泡后快速對稱破缺的原始設(shè)想。但在結(jié)尾時，我提到林德關(guān)于緩慢 對稱破缺的思想，以及我的修正意見。我們在該文中指出這泡泡的問題，并提出如何將其解決。我被這個思想弄得非常激動，并和我的一個學(xué)生因這樣的模型跟我們所觀察到的宇宙并不吻合。這樣，未破缺的對稱態(tài)的額外能量就會釋放，并將宇 宙重新加熱到剛好低于使不 同力對稱的臨界溫度。然而，這種情形確實發(fā)生于暴漲時期。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。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)的問題。這特殊的額外能量呈現(xiàn)出反引 力的效應(yīng)：其作用如同一個宇宙常數(shù)。當宇宙膨脹時 它會變冷，粒子能量下降。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。我們太陽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。 人們可以提出一系列理由，來反對強人擇原理對宇宙的所觀察到的狀態(tài)的解釋。也許有一天，我們會發(fā)現(xiàn)一個將它們所有都預(yù)言出來的一個完整的 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宇宙之中是變化的。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 太陽系，太陽系年齡大約是 50 億年。人擇原理可 以釋義作：“我們看到的宇宙之所以這個樣子，乃是因為我們的存在。）很難理解，從這樣紊亂的初始條件，如何導(dǎo)致今天我們這個在 大尺度上如此光滑和規(guī)則的宇宙。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?？臻g一時 間就會有邊界 —— 大爆炸處的開端。 按照相對論， 如果連光都不能從一個區(qū)域走到另一個區(qū)域，則沒有任何其他的信息 能做到。所以它們具有優(yōu) 點，并趨向于取代原先的宏觀分子。這早先的大氣不能使我們存活。但是，這一過程沒有 釋放出太多的能量，所以正如在黑洞那一章描述的，危機就會發(fā)生了。 隨著時間流逝，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。 大爆炸后的幾個鐘頭之內(nèi)， 氦和其他元素的產(chǎn)生就停止了。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。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。在非常高的溫度下，粒子會運動 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。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)該去過問大爆炸本身，因為那是創(chuàng)生的時刻，因而是上帝的事務(wù)。 我們將看到，雖然不確定性原理對于我們所有的預(yù)言的準確性都加上了限制，同時 它卻可以排除掉發(fā)生在空間 —— 時間奇點處的基本的不可預(yù)言性。 當黑洞的質(zhì)量大于幾分之一克時，我用以推導(dǎo)黑洞輻射的近似應(yīng)是很有效的。他 甚至為此還寫了一篇論文。他 們找到了一些閃光，但沒有一個可以確認為是從太初黑洞來的伽瑪射線爆。當這些對打到其他原子上 時，它們依序會產(chǎn)生出更多的電子正電子對，所以人們得到了所謂的電子陣雨。而要觀測到 從冥王星這么遠來的如此少的粒子，需要一個比任何迄今已造成的更大的伽瑪射線 探測器。 11 圖 由于太初黑洞是如此之稀罕，看來不太可能存在一個近到我們可以將其當作一 個單獨的伽瑪射線源來觀察。 但是，即使我們不能駕馭這些太初黑洞的輻射，我們觀測 到它們的機遇又如何 呢？我們可以去尋找在太初黑洞壽命的大部分時間里發(fā)出的伽瑪射線輻射。初始質(zhì)量比這小的太初黑 洞應(yīng)該已蒸發(fā)完畢，但那些比這稍大的黑洞仍在輻射出 X 射線以及伽瑪射線。 一個具有幾倍太陽質(zhì)量的黑洞只具有千萬分之一度的絕對溫度。 圖 10 輻射出去的正能量會被落入黑洞的負能粒子流所平衡。然而，一顆接 近大質(zhì)量物體的實粒子比它遠離此物體時能量更小，因為要花費能量抵抗物體的引 力吸引才能將其推到遠處。這些粒子正如同攜帶太陽引力的虛粒子：它們不像 真的粒子那樣能用粒子加速器直接探測到。然而，我越仔細推敲，越覺得這 近似其實應(yīng)該有效。他們說服我，按照量子力學(xué)不確定性 原理， 旋轉(zhuǎn)黑洞應(yīng)產(chǎn)生并輻射粒子。 1972年，我和布蘭登 看來在大多數(shù)情況下，這個建議不違背熱力學(xué)第二定律，然而還有一個致命的 瑕疵。在以后某一時刻，所有我們第一個盒子 中的氣體分子在盒子的一半被發(fā)現(xiàn)的概率只有幾萬億分之一，但它們可能發(fā)生。氣體的溫度越高，分子運動得越快，這樣它們撞擊盒壁越 頻繁越厲害，而且它們作用到壁上的向外的壓力越大。 7 圖 圖 人們非常容易從黑洞面積的不減行為聯(lián)想起被叫做熵的物理量的行為。事實上，只要物質(zhì)或輻射落到黑洞中去，這面積 就會增大（圖 ） ；或者如果兩個黑洞碰撞并合并成一個單獨的黑洞，這最后的 黑洞的事件視界面積就會大于或等于原先黑洞的事件視界面積的總和（圖 ） 。 這有點像從警察那兒逃開，但是僅僅只能比警察快一步，而不能徹底地逃脫的情景！ 6 圖 我忽然意識到，這些光線的路徑永遠不可能互相靠近。所以看起來荒謬，而事實上卻是，小的黑洞也許可以比大的黑 洞更容易地被探測到。（當然，那時沒有一個人可能留下來去對 它進行觀察?。└F(xiàn)實的可能性是，在極早期的宇宙的高溫和高壓條件下會產(chǎn)生這 樣小質(zhì)量的黑洞。落入的物質(zhì)會在黑洞附近產(chǎn)生能量非常高的粒子。 單就我們的星系中，大約總共有 1千億顆可見恒 星。但在這種情形下， 我將得到贏得打賭的安慰，他要給我 4年的雜志《私人眼睛》。按照強德拉塞卡 的結(jié)果，它的質(zhì)量太 大了，既不可能是白矮星，也不可能是中子星。天文學(xué)家觀測了許多系統(tǒng)， 在這些系統(tǒng)中，兩顆恒星由于相互之間的引力吸引而互相圍繞著運動。然而，最終他們和所有其他人都得到了不 太浪漫的結(jié)論，這些被稱為脈沖星的物體，事實上是旋轉(zhuǎn)的中子星，這些中子星由 于它們的磁場和周圍物質(zhì)復(fù)雜的相互作用，而發(fā)出無線電波的脈沖。由于在 這么遠的距離還 能被觀察到，它必須非常亮，也就是必須輻射出大量的能量。所以， 人們可以制造可能包含黑洞的物體的具體模型，再將此模型的預(yù)言和觀測相比較。他指出，假定一個穩(wěn)態(tài)的旋轉(zhuǎn)黑洞，正如一個自旋的陀螺那樣，有一個對 稱軸，則它的大小和形狀，只由它的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度所決定。 1963 年，新西蘭人羅伊所以，任何實際的恒星 —— 從來都不是完美的 球形 —— 只會坍縮形成一個裸奇點。這最終的狀態(tài)將會是怎樣的呢？人 們會以為它將依賴于形成黑洞的恒星的所有的復(fù)雜特征 —— 不僅僅它的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動 速度，而且恒星不同部分的不同密度以及恒星內(nèi)氣體的復(fù)雜運動。（這和扔一塊軟木到水中的情況相當類似，起先翻上翻下折騰了好 一陣，但是當漣漪將其能量帶走，就使它最終平靜下來。這對 科學(xué)幻想作家而言是不錯的，它表明沒有任何一個人的生命曾經(jīng)平安無事：有人可 以回到過去，在你投胎之前殺死你的父親或母親！ 事件視界，也就是空間 —— 時間中不可逃逸區(qū)域的邊界，正如同圍繞著黑洞的 單向膜：物體，譬如不謹慎的航天員，能通過事件視界落到黑洞里去，但是沒有任 何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。的影響，但它對那位不幸落到黑洞里的可憐的航天員卻是愛莫能助。因為在接近裸 奇點處可能旅行到過去，所以宇宙監(jiān)督猜測的某種形式的成立是大有希望的。因為任何運動中的能量都 會被引力波的輻射所帶走，所以可以預(yù)料，一個大質(zhì)量物體的系統(tǒng)最終會趨向于一 種 不變的狀態(tài)。所以不用太長的時間就會達到不變的狀態(tài)。一開始， 許多人（其中包括伊斯雷爾自己）認為，既然黑洞必須是完美的球形，一個黑洞只 能 由一個完美球形物體坍縮而形成。 伊斯雷爾的結(jié)果只處理了由非旋轉(zhuǎn)物體形成的黑洞?？ㄌ貫樽C明此猜測跨出了 第一步?！? “無毛”定理具有巨大的實際重要性，因為它極大地限制了黑洞的可能類型。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的，進而表明此物體離我們非常遠。赫維許以為，他們可能和我們星系中的外星文明進行了接觸！我的 確記得在宣