【正文】 景 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。我們是從托 勒密和他的黨人的地心宇宙論發(fā)展而來，通過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萬億個(gè)星系中的一個(gè)。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。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。 正如前面所解釋的，一個(gè)早代的恒星首先必須形 成。然而，假定只有在光滑的區(qū)域里星系、恒星才能形成，才能有 合適的條件，讓像我們這樣復(fù)雜的、有能力質(zhì)疑為什么宇宙是如此光滑的問題、能 自然復(fù)制的組織得以存在。因?yàn)榕c光滑和有序的宇宙相比，存在著更多得多的紊亂和無序的 16 宇宙。這秩序可以是、 也可以不是由神靈主宰的。在奇點(diǎn)處，廣義相對(duì)論和所有其他物理定律都失效： 人們不能預(yù)言從奇點(diǎn)會(huì)出來什么。如果所有人都剛好給出相同的回答， 你就會(huì)十分肯定，他們互相之間通過話。這些誤差多數(shù)使得新的宏觀分子不能復(fù)制自己，并最終被消滅。 地球原先是非常熱的，并且沒有大氣。 然后，它們會(huì)稍微收縮一點(diǎn)。另外一些區(qū)域剛好沒有得到旋轉(zhuǎn)，就形成了叫做橢圓星系的橢球 狀物體。況且，在解釋宇宙為何應(yīng)該有這么多氦 時(shí)，用任何其他方法都是非常困難的。 1948 年，科學(xué)家喬治然而，如果中微子不是零質(zhì) 量，而是如蘇聯(lián)在 1981 年進(jìn)行的一次沒被證實(shí)的實(shí)驗(yàn)所暗示的，自身具有小的質(zhì)量， 我們則可能間接地探測到它們。但是，輻射 的溫度隨著 宇宙的膨脹而降低。（當(dāng)宇宙的尺度大到二倍，它的溫度就降低到一半。幾個(gè)世紀(jì)后 的現(xiàn)在，它決定邀請一些專家就宇宙學(xué)問題提出建議。費(fèi)因曼對(duì)于歷史 求和的思想，我開始發(fā)展一種更強(qiáng)有力的量子引力論方法。這樣，此航天員在某種意義上被“再 循環(huán)”了。我講 演結(jié)束后，會(huì)議主席、倫敦國王學(xué)院的約翰波特和特勒伏 12 整個(gè)地球大氣可以看作是一個(gè)能夠認(rèn)出太初黑洞的伽瑪射線探測器。否則，它們僅可能是背 景的一部份。但它們確 實(shí)告訴我們，在宇宙中每立方光年不可 能平均有 300 個(gè)以上的太初黑洞。所以僅有的放置黑洞并利用之發(fā)出能量的地方是繞著地球轉(zhuǎn)動(dòng)的軌道，而僅有 的將其放到這軌道上的辦法是，用在它之前的一個(gè)大質(zhì)量的吸引力去拖它，這和在 驢子前面放一根胡羅卜相當(dāng)像。這樣的小黑洞會(huì)有高得多的溫度，并以大得多的速率發(fā)生輻射。人們并不很清楚，當(dāng)黑洞的質(zhì)量最后變得 極小時(shí)會(huì)發(fā)生什么。對(duì)于一個(gè)遠(yuǎn) 處的觀察者而言，這看起來就像粒子是從黑洞發(fā)射出來一樣。由于在正常情況下實(shí)粒子總是具有正能量，所以具有負(fù)能量的那 一個(gè)粒子注定是短命的虛粒子。場的值必須有一定的最小的不準(zhǔn)確量或量子起伏。起初我以為這種輻射表明我所用的一 種近似無效。捷爾多維奇和 亞歷山大所以黑洞必須發(fā)出輻射。柏肯斯坦的研究生提出，事件視界的面 積即是黑洞熵的量度。這種狀態(tài)比原先分開的兩盒的初始狀態(tài)更無序，即具有更大的熵。譬 如，考慮一盒氣體分子的系統(tǒng)。然而，他是用稍微不同的黑洞 定義。如果你看到在遠(yuǎn)距離上的一 個(gè)源（譬如太陽）投下的影子，就能明白邊緣上的光線不會(huì)互相靠近。彭羅斯討論過將黑洞定義為不能逃逸到遠(yuǎn)處的事件集合的想法 ，這也就是現(xiàn) 在被廣泛接受的定義。質(zhì)量大于 10 億噸（一座大山的質(zhì)量）的太 初黑洞，可由它對(duì)其他可見物質(zhì)或宇宙膨脹的影響被探測到。一個(gè)巨大的氫彈可提供這樣的條件： 物理學(xué)家約翰 落入此超重的黑洞的物質(zhì)能提供僅有的足夠強(qiáng)大的能源，用以解釋這些 物體釋放出的巨大能量。然而，幾乎可以肯定，黑洞的數(shù)量比這多得太多了！在宇宙 的漫長歷史中，很多恒星應(yīng)該已經(jīng)燒盡了它們的核燃料并坍縮了。索恩打賭說，天鵝 X－ 1 不包含一個(gè)黑洞！這對(duì)我而言是一個(gè)保險(xiǎn)的形式。從觀察那顆可見星的軌道，人們可推算出不可見物體的最小的 可能質(zhì)量。正如約翰起初貝爾和她的導(dǎo)師安東 尼他發(fā)現(xiàn)引力場不可能引起這么大的紅移 —— 如果它是引力紅移，這類 星體必須具有如此大的質(zhì)量，并離我們?nèi)绱酥?，以至于?huì)干擾太陽系中的行星軌 道。此結(jié)果以這樣的一句諺語表達(dá)而成為眾所周知：“黑洞沒有毛。 1970 年， 我在劍橋的一位同事和研究生同學(xué)布蘭登這種觀點(diǎn)得到進(jìn)一步的計(jì)算支持，并 且很快就為大家所接受。施瓦茲席爾德找到的。 在恒星引力坍縮形成黑洞時(shí)，運(yùn)動(dòng)會(huì)更快得多，這樣能量被帶走的速率就高得 多。就像光一樣，它帶走了發(fā)射它們的物體的能量。強(qiáng)的宇宙監(jiān)督猜測是說，在一個(gè)現(xiàn)實(shí)的解里，奇點(diǎn)總是或者整個(gè)存在 于 將來（如引力坍縮的奇點(diǎn)），或者整個(gè)存在于過去（如大爆炸）。 廣義相對(duì)論方程存在一些解，這些解使得我們的航天員可能看到裸奇點(diǎn)。（記住事件視界是企圖逃離黑洞的光的空間 —— 時(shí)問軌道，沒有任 何東西可以比光運(yùn)動(dòng)得更快。）例如，繞著太陽公轉(zhuǎn)的 地球即產(chǎn)生引力波。如果黑洞就像坍 縮形成它們的原先物體那樣變化 多端，一般來講，對(duì)之作任何預(yù)言都將是非常困難 的。 然而，對(duì)于伊斯雷爾的結(jié)果，一些人，特別是羅杰 克爾找到了廣義相對(duì)論方程的描述旋轉(zhuǎn)黑洞的一族解。然后我在 1971年證明 了，任何穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)黑洞確實(shí)有這樣的一個(gè)對(duì)稱軸。 因?yàn)樵诤诙葱纬芍螅覀兯軠y量的只是有關(guān)坍縮物體的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度，所以 “無毛”定理還意味著，有關(guān)這物體的非常大量的信息，在黑洞形成時(shí)損失了。人們 會(huì)想到，產(chǎn)生這么大量能量的唯一機(jī)制看來不僅僅是一個(gè)恒星，而是一個(gè)星系的整 個(gè)中心區(qū)域的引力坍縮。這對(duì)于寫空間 探險(xiǎn)的作者而言是個(gè)壞消息，但對(duì)于我們這些當(dāng)時(shí)相信黑洞的少數(shù)人來說，是非常 大的希望 —— 這是第一個(gè)中子星存在的證據(jù)。他們還看到 了，其中只有一顆可見的恒星繞著另一顆看不見的伴星運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。所以看來它只 能是一個(gè)黑洞。如 果黑洞確實(shí)存在， 基帕這樣巨大數(shù)量的黑洞的額外引力就能解釋 為何目前我們星系具有如此的轉(zhuǎn)動(dòng)速 率，單是可見恒星的質(zhì)量是不足夠的。該 磁場是如此之強(qiáng)，以至于將這些粒子聚焦成沿著黑洞旋轉(zhuǎn)軸，也即它的北極和南極 5 方向往外噴射的射流。因?yàn)橐粋€(gè)比平均值更緊密的小區(qū)域，才能以這樣的方式被壓縮形 成一個(gè)黑洞。 第七章 黑洞不是這么黑的 在 1970 年以前，我關(guān)于廣義相對(duì)論的研究，主要集中于是否存在一個(gè)大爆炸奇 點(diǎn)。如果它們靠近了，它們 最終就必須互相撞上。 事件視界面積的非減性質(zhì)給黑洞的可能行為加上了重要的限制。熵是測 量一個(gè)系統(tǒng)的無序的程度。假定初始時(shí)所有分子被一隔 板限制在盒子的左半部，如果接著將隔板除去，這些分子將散開并充滿整個(gè)盒子。但 是，如果附近有一黑洞，看來存在一種非常容易的方法違反第二定律：只要將一些 具有大量熵的物體，譬如一盒氣體扔進(jìn)黑洞里。如果一個(gè)黑洞具有熵，那它也應(yīng)該有溫度。卡特以及美國同事詹姆在物理學(xué)的基礎(chǔ)上，我相信他們的論點(diǎn)，但是不喜歡 他們計(jì)算輻射所用的數(shù)學(xué)方法。但是，最后使我信服這輻射是真實(shí)的理由是，這輻射的粒子譜 剛好是一個(gè)熱體輻射的譜，而且黑洞以剛好防止第二定律被違反的準(zhǔn)確速率發(fā)射粒 子。然而，可以測量出它們的間接效應(yīng)。正常情況下，這粒子的能量仍然是正的。 按照愛因斯坦方程 E＝ mc^2（ E是能量， m 是質(zhì)量， c 為光速），能量和質(zhì)量成正比。這比充滿宇宙 的微波輻射的溫度（大約 ）要低得多，所以這種黑洞的輻射比它吸收的還要少。這些 X 射線和伽瑪射線像是光波，只是波長短得多。雖然它 們在很遠(yuǎn)以外的地方，從大部分黑洞來的輻射非常弱，但是從所有它們來的總的輻 射是可以檢測得到的。但是由于引 力會(huì) 圖 將太初黑洞往任何物質(zhì)處拉近， 所以在星系里面和附近它們應(yīng)該會(huì)更稠 密得多。況且，由于伽瑪射線不能穿透大氣層，此探測器必須放到外空間。其 結(jié)果是產(chǎn)生稱作切倫科夫輻射的光的形式。 即使對(duì)太初黑洞的探索證明是否定的，并且看來可能會(huì)是這樣，仍然給了我們 關(guān)于極早期宇宙的重要信息。然而，最終包括約翰 但是，當(dāng)黑洞在它的生命晚期，質(zhì)量變成非常小時(shí)，這近似就失效了。 第八章 宇宙的起源和命運(yùn) 愛因斯坦廣義相對(duì)論本身預(yù)言了：空間 — 時(shí)間在大爆炸奇點(diǎn)處開始，并會(huì)在大 13 擠壓奇點(diǎn)處（如果整個(gè)宇宙坍縮的話）或在黑洞中的一個(gè)奇點(diǎn)處（如果一個(gè)局部區(qū) 域，譬如恒星要坍縮 的話）結(jié)束。那 時(shí)候我心中暗喜，他并不知道，我剛在會(huì)議上作過的演講的主題 —— 空間 — 時(shí)間是 有限而無界的可能性，就表明著沒有開端、沒有創(chuàng)生的時(shí)刻。但是可以預(yù)料，當(dāng)它們變冷下來時(shí)，互相吸 引的粒子開始結(jié)塊。隨著宇宙的繼續(xù)膨脹，溫度繼續(xù)降低，電子／反電子對(duì)在碰撞中的產(chǎn)生率就落 到它們湮滅率之下。 在此溫度下，質(zhì)子和中子不再有足夠的能量逃 脫強(qiáng)核力的吸引，所以開始結(jié)合產(chǎn)生 氘（重氫）的原子核。伽莫夫頗有幽默 —— 他說服了核 物理學(xué)家漢斯之后的 100萬年左 右，宇宙僅僅只是繼續(xù)膨脹，沒有發(fā)生什么事。當(dāng)它們收縮時(shí)，其中的原子相碰撞，氣體溫度升高，直到最后，熱得足以開 始熱驟變反應(yīng)。人們不完全 清楚下面還會(huì)發(fā)生什么，但是看來恒星的中心區(qū)域會(huì)坍縮成一個(gè)非常緊致的狀態(tài)， 譬如中子星或黑洞。因?yàn)樗话鯕猓? 但有很多對(duì)我們有毒的氣體，如硫化氫（即是使臭雞蛋難聞的氣體）。進(jìn)化的過程就是用這種方式開始，它導(dǎo)致了越 來越復(fù)雜的自復(fù)制的組織。所以，除非因?yàn)槟撤N不能解釋的原因，導(dǎo)致早期宇宙中不同的區(qū)域剛好從 同樣的溫度開始，否則，沒有一種方法能使它們有互相一樣的溫度。 看來科學(xué)揭露了一組定律，在不 確定性原理極限內(nèi)，如果我們知道宇宙在任一 時(shí)刻的狀態(tài)，這些定律就會(huì)告訴我們，它如何隨時(shí)間發(fā)展。應(yīng)該存在某種原則去抽取一個(gè)初始狀態(tài)，也就是一個(gè) 模型去代表我們的宇宙。人們還預(yù)料，在這樣的模型中，密度起伏導(dǎo)致了 比由伽瑪射線背景所限定的多得多的太初黑洞的形成。” 人擇原理有弱的和強(qiáng)的意義下的兩種版本。地球存在的頭 10 億或 20億年，對(duì)于任何復(fù)雜東 西的發(fā)展都嫌太熱。令 人吃驚的事實(shí)是，這些數(shù)值看來是被非常細(xì)致地調(diào)整到使得生命的發(fā)展成為可能。 首先，在何種意義上可以說，所有這些不同的宇宙存在？如果它們確實(shí)互相隔開， 在其他宇宙發(fā)生的東西，怎么可以在我們自己的宇宙中沒有可觀測的后果？所以， 我們應(yīng)該用經(jīng)濟(jì)學(xué)原理，將它們從理論中割除去。但是，絲毫看不出存在任何其他星系的必要，在 大尺度上也不需要宇宙在每一方向上必須如此一致和類似。 為了試圖尋找一個(gè)能從許多不同的初始結(jié)構(gòu)演化到象現(xiàn)在這樣的宇宙的宇宙模 型，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家阿倫最后出現(xiàn)了所謂的相變，并且力之間的對(duì)稱性被破壞了： 強(qiáng)力變得和弱力以及電磁力不同。宇宙常數(shù)是當(dāng)愛因斯坦在試圖建立一個(gè)穩(wěn)定 的宇宙模型時(shí)，引進(jìn)廣義相對(duì)論之中去的。不但如此，宇宙的膨脹 率也自動(dòng)變得非常接近于由宇宙的能量密 度決定的臨界值。兩塊互相靠近的物質(zhì)比兩塊分得很 開的物質(zhì) 具有更少的能量，因?yàn)槟惚仨毾哪芰咳タ朔阉鼈兝谝黄鸬囊Χ鴮? 其分開。因?yàn)橛钪媾蛎洉r(shí)，過冷態(tài) 的能量密度保持不變：當(dāng)宇宙體積加倍時(shí)，正物質(zhì)能和負(fù)引力能 都加倍，總能量保 持為零。以后，宇宙就以標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸模 式繼續(xù)膨脹并變冷。 1981 年 10 月，我去莫斯科參加量子引力的會(huì)議。莫斯討論。 我從莫斯科返回的第二天，即去費(fèi)城接受富蘭克林研究所的獎(jiǎng)?wù)?。聽眾中有一位年輕的賓夕凡尼亞大學(xué)的助理 教授保羅） 新暴漲模型是一個(gè)好的嘗試，它能解釋宇宙為何是這種樣子。當(dāng)它們膨脹時(shí)，它們中的場的能量慢慢地減小，直到暴漲改變到猶如 熱大爆炸模型中的膨脹時(shí)為止。按 照經(jīng)典廣義相對(duì)論的奇點(diǎn)定理，仍然存在一個(gè)大爆炸奇點(diǎn)。人們 可以設(shè)想存在在奇點(diǎn)處成立的新定律，但是在如此不守規(guī)矩的點(diǎn) 處，甚至連表述這樣的定律都是非常困難的，而且從觀察中我們沒有得到關(guān)于這些 定律應(yīng)是什么樣子的任何提示。相反的，它被認(rèn)為是通過空間 —— 時(shí)間里 的每一可能的路徑，每一條途徑有一對(duì)相關(guān)的數(shù)，一個(gè)代表波的幅度，另一個(gè)代表 它的相位。（在這兒的虛數(shù)單位 叫做 i， 它自乘時(shí)得－ 1， 2i 自乘得－ 4，等等。就日常的量子力學(xué)而言，在任何情況下，我們利用虛 的 時(shí)間和歐幾里德空間 — 時(shí)間可以認(rèn)為僅僅是一個(gè)計(jì)算實(shí)空間 — 時(shí)間的答案的數(shù)學(xué)手 段（或技巧）。如果我們知道宇宙的初始態(tài)，我們就會(huì)知道它的整個(gè)歷 史。（因?yàn)槲以?jīng)環(huán)球旅 行過，所以知道?。? 21 如果歐幾里德空間 — 時(shí)間延伸到無限的虛時(shí)間，或者在一個(gè)虛時(shí)間奇點(diǎn)處開始， 我們就有了和在經(jīng)典理論中指定宇宙初態(tài)的同樣問題，即上帝可以知道宇宙如何開 始，但是我們提不出任何特別原因，認(rèn)為它應(yīng)以這種而不是那種方式開始。然而我的論文數(shù)學(xué)氣息太濃，所 以文章中包含的上帝在創(chuàng)造宇宙的作用的含義在當(dāng)時(shí)沒有被普遍看出來（對(duì)我也正 是如此）。 我要著重說明，時(shí)間一空間是有限而無界的思想僅僅只