【正文】 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(méi)有被普遍看出來(lái)（對(duì)我也正 是如此）。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。（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。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(méi)有得到關(guān)于這些 定律應(yīng)是什么樣子的任何提示。當(dāng)它們膨脹時(shí)，它們中的場(chǎng)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。聽(tīng)眾中有一位年輕的賓夕凡尼亞大學(xué)的助理 教授保羅莫斯討論。以后，宇宙就以標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸模 式繼續(xù)膨脹并變冷。兩塊互相靠近的物質(zhì)比兩塊分得很 開(kāi)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(kāi)。宇宙常數(shù)是當(dāng)愛(ài)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。 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 首先，在何種意義上可以說(shuō)，所有這些不同的宇宙存在？如果它們確實(shí)互相隔開(kāi)， 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(méi)有可觀測(cè)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。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。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(xiàn)背景所限定的多得多的太初黑洞的形成。 看來(lái)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。進(jìn)化的過(guò)程就是用這種方式開(kāi)始，它導(dǎo)致了越 來(lái)越復(fù)雜的自復(fù)制的組織。人們不完全 清楚下面還會(huì)發(fā)生什么，但是看來(lái)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。之后的 100萬(wàn)年左 右，宇宙僅僅只是繼續(xù)膨脹，沒(méi)有發(fā)生什么事。 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(kāi)始結(jié)合產(chǎn)生 氘（重氫）的原子核。但是可以預(yù)料，當(dāng)它們變冷下來(lái)時(shí)，互相吸 引的粒子開(kāi)始結(jié)塊。 第八章 宇宙的起源和命運(yùn) 愛(ài)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(kāi)始，并會(huì)在大 13 擠壓奇點(diǎn)處（如果整個(gè)宇宙坍縮的話(huà)）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(huà)）結(jié)束。然而，最終包括約翰其 結(jié)果是產(chǎn)生稱(chēng)作切倫科夫輻射的光的形式。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。這些 X 射線(xiàn)和伽瑪射線(xiàn)像是光波，只是波長(zhǎng)短得多。 按照愛(ài)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。然而，可以測(cè)量出它們的間接效應(yīng)。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。如果一個(gè)黑洞具有熵，那它也應(yīng)該有溫度。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(kāi)并充滿(mǎn)整個(gè)盒子。 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。 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)。該 磁場(chǎng)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。如 果黑洞確實(shí)存在， 基帕他們還看到 了，其中只有一顆可見(jiàn)的恒星繞著另一顆看不見(jiàn)的伴星運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng)。人們 會(huì)想到，產(chǎn)生這么大量能量的唯一機(jī)制看來(lái)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。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(chēng)軸。 然而，對(duì)于伊斯雷爾的結(jié)果，一些人，特別是羅杰）例如，繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的 地球即產(chǎn)生引力波。 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)。就像光一樣，它帶走了發(fā)射它們的物體的能量。施瓦茲席爾德找到的。 1970 年， 我在劍橋的一位同事和研究生同學(xué)布蘭登他發(fā)現(xiàn)引力場(chǎng)不可能引起這么大的紅移 —— 如果它是引力紅移，這類(lèi) 星體必須具有如此大的質(zhì)量，并離我們?nèi)绱酥灾劣跁?huì)干擾太陽(yáng)系中的行星軌 道。正如約翰索恩打賭說(shuō)，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。 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。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(jiàn)物質(zhì)或宇宙膨脹的影響被探測(cè)到。如果你看到在遠(yuǎn)距離上的一 個(gè)源（譬如太陽(yáng)）投下的影子，就能明白邊緣上的光線(xiàn)不會(huì)互相靠近。譬 如，考慮一盒氣體分子的系統(tǒng)。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。捷爾多維奇和 亞歷山大場(chǎng)的值必須有一定的最小的不準(zhǔn)確量或量子起伏。對(duì)于一個(gè)遠(yuǎn) 處的觀察者而言，這看起來(lái)就像粒子是從黑洞發(fā)射出來(lái)一樣。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。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。 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(xiàn)探測(cè)器。我講 演結(jié)束后，會(huì)議主席、倫敦國(guó)王學(xué)院的約翰費(fèi)因曼對(duì)于歷史 求和的思想，我開(kāi)始發(fā)展一種更強(qiáng)有力的量子引力論方法。（當(dāng)宇宙的尺度大到二倍，它的溫度就降低到一半。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(méi)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(cè)到它們。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。 然后，它們會(huì)稍微收縮一點(diǎn)。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。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(lái)什么。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(wú)序的 16 宇宙。 正如前面所解釋的，一個(gè)早代的恒星首先必須形 成。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。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。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(chēng)受到破壞。但這只不過(guò)引 起了能量從何而來(lái)的問(wèn)題。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。林德的緩慢對(duì)稱(chēng) 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(chēng)不僅 僅在泡泡里，而且在所有的地方同時(shí)被破壞。之后，應(yīng)邀作了關(guān)于暴漲宇宙的講演。林德在 1983年提出 了一個(gè)更好的所謂紊亂暴漲模型。 為了預(yù)言宇宙應(yīng)該是如何開(kāi)始的，人們需要在時(shí)間開(kāi)端處有效的定律。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)。 也就是，時(shí)間是虛的并和空間的方向不可區(qū)分。它既不被創(chuàng)生，也不被消滅。我的一位朋友兼合作者詹姆 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(kāi)端。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。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(kāi)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)。 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。阿爾伯勒希特合寫(xiě)的論文。我建議將此論文照原樣發(fā)表。 其想法是，正如同沸騰的水圍繞著蒸汽泡，新的對(duì)稱(chēng)破缺相的“泡泡”在原有的對(duì) 稱(chēng)相中形成。 零的兩倍仍為零。當(dāng)它們膨 脹時(shí)，物質(zhì)粒子越分越開(kāi)，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。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。這樣，強(qiáng)人擇原理即歸結(jié)為弱人擇原理。然而，有的人走得更遠(yuǎn)并提出強(qiáng)人 擇原理。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)。這肯定是在一個(gè)全能造物主的力量之內(nèi)。 宇宙從非常熱開(kāi)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。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?，是?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。 在一些區(qū)域膨脹會(huì)最終停止并開(kāi)始坍縮?？梢杂?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。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。量子力學(xué)對(duì)大爆炸和大擠壓奇點(diǎn)也能有同樣戲劇性的效應(yīng)嗎？在 宇宙的極早或極晚期，當(dāng)引力場(chǎng)是如此之強(qiáng)，以至于量子效應(yīng)不能不考慮時(shí)，究竟 會(huì)發(fā)生什么？宇宙究竟是否有一個(gè)開(kāi)端或終結(jié)？如果有的話(huà)，它們是什么樣子的？ 整個(gè) 70 年代我主要在研究黑洞，但在 1981 年參加在梵蒂岡由耶穌會(huì)組織的宇宙 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。 黑洞輻射的存在看來(lái)意味著，引力坍縮不像我們?cè)?jīng)認(rèn)為的那樣是最終的、不 可逆轉(zhuǎn)的。人們可在兩個(gè)或更多的隔開(kāi)相當(dāng)遠(yuǎn)的地 點(diǎn)同時(shí)觀察這閃光，將伽瑪射線(xiàn)爆從以上所說(shuō)的現(xiàn)象中識(shí)別出來(lái)。在這個(gè)距離上去探測(cè)黑洞恒定的輻射，即使其功率 為 1 萬(wàn)兆瓦， 仍是非常困難的。 然而，這是非常困難的：這黑洞的質(zhì)量和一座山差不多，卻被壓縮成萬(wàn)億之一英寸 亦即比一個(gè)原子核的尺度還?。∪绻诘厍虮砻嫔夏阌羞@樣的一個(gè)黑洞，就無(wú)法阻 止它透過(guò)地面落到地球的中心。 還有，黑洞的質(zhì)量越小，則其溫度越高。然而在這種情形下，粒子對(duì)的一個(gè)成員為粒子而另一成員為 反粒子（光和引力的反粒子正是和粒子相同）。我預(yù)料要去發(fā)現(xiàn)的正是捷爾多維奇和斯塔拉賓斯基所預(yù)言的從旋 轉(zhuǎn)黑洞發(fā)出的輻射。 但在低溫下物體也發(fā)出輻射；通常情況下，只是因?yàn)槠漭椛湎喈?dāng)小而沒(méi)被注意到。類(lèi)似地，我們將一個(gè)充滿(mǎn)氧分子的盒子和另 一 個(gè)充滿(mǎn)氮分子的盒子連在一起并除去中間的壁，則氧分子和氮分子就開(kāi)始混合。彭羅斯打 電話(huà)，他同意我的 結(jié)果。那時(shí)候還不存 在關(guān)于空間 —— 時(shí)間的那一點(diǎn)是在黑洞之內(nèi)還是在黑洞之外的準(zhǔn)確定義。因?yàn)樗鼈兊馁|(zhì)量比強(qiáng) 德拉塞卡極限低，所以不能由引力坍縮產(chǎn)生： 這樣小質(zhì)量的恒星，甚至在耗盡了自 己的核燃料之后，還能支持自己對(duì)抗引力。迄今，我可以講大約 95％是肯定的，但輸贏最終尚未見(jiàn)分曉。對(duì)這現(xiàn)象的最好解釋是，物質(zhì)從可見(jiàn)星的表面被吹起來(lái)，當(dāng)它落向不可見(jiàn) 的伴星之時(shí)，發(fā)展成螺旋狀的軌道（這和水從浴缸流出很相似），并且變得非常熱 而發(fā)出 X 射線(xiàn)（圖 ）。 1967 年，劍橋的一位研究生約瑟琳 所以在引力坍縮之后，一個(gè)黑洞必須最終演變成一種能夠旋轉(zhuǎn)、但是不能搏動(dòng)的態(tài)。他們論證道，牽涉恒星坍縮的快速運(yùn)動(dòng)表明，其釋放出來(lái)的引力 波使之越來(lái)越近于球形，到它終于靜態(tài)時(shí)，就變成準(zhǔn)確的球形。但幾年以前，在稱(chēng)為 PSR1913＋ 16（ PSR表 示“脈沖星”，一 種特別的發(fā)射出無(wú)線(xiàn)電波規(guī)則脈沖的中子星）的系統(tǒng)中觀測(cè)到這一效應(yīng)。但是不幸的是，所有這些解似乎都是非常 不穩(wěn)定的；最小的干擾，譬如一個(gè)航天員的存在就會(huì)使之改變，以至于他還沒(méi)能看 到此奇點(diǎn)，就撞上去而結(jié)束了他的時(shí)間。” 任何東西或任何人一旦進(jìn)入事件視界，就會(huì)很快地到達(dá)無(wú)限致密的區(qū)域和時(shí)間的終 點(diǎn)。伊斯雷爾（他生于柏林，在南非長(zhǎng)大，在愛(ài)爾蘭得 到博士）在 1967 年使黑洞研究發(fā)生了徹底的改變。如果旋轉(zhuǎn)為零，黑洞就 是完美的球形，這解就和施瓦茲席爾德解一樣。 黑洞是科學(xué)史上極為罕見(jiàn)的情形之一，在沒(méi)有任何觀測(cè)到的證據(jù)證明其理論是 正確的情形下，作為數(shù)學(xué)的模型被發(fā) 展到非常詳盡的地步。如果 一顆恒星能坍縮到這么小的尺度，預(yù)料其他恒星 會(huì)坍縮到更小的尺度而成為黑洞，就是理所當(dāng)然的了。 4 圖 還有其他不用黑洞來(lái)解釋天鵝 X－ 1 的模型，但所有這些都相當(dāng)牽強(qiáng)附會(huì)。星系中的恒星若十分靠近這個(gè)黑洞 時(shí)，作用在它的近端和遠(yuǎn)端上的引力之差或潮汐力會(huì)將其撕開(kāi)，它們的遺骸以及其 他恒星所拋出的氣體將落到黑洞上去。但是我 們知道，早期宇宙必須存在一些無(wú)規(guī)性，否則現(xiàn)在宇宙中的物質(zhì)分布仍然會(huì)是完全 均勻的，而不能結(jié)塊形成恒星和星系。）但是，如果這些光線(xiàn)被黑洞所吞沒(méi)， 那它們就不可能在黑洞的邊界上呆過(guò)。（例如你只要停止保養(yǎng)房子，看會(huì)發(fā)生什么？）人們可以從無(wú)序 中創(chuàng)造出有序來(lái)（例如你可以油漆房子），但是必須消耗精力或能量，因而減少了 可得到的有序能量的數(shù)量。當(dāng)然， 人們?nèi)匀豢梢哉f(shuō)包括黑洞里的熵的總熵沒(méi)有降低 —— 但是由于沒(méi)有辦法看到黑洞里 面，我們不能知道里面物體的熵為多少。我必須承認(rèn)，寫(xiě)此文章的部份動(dòng)機(jī)是因?yàn)楸话乜纤固顾?