【導(dǎo)讀】的影響，但它對(duì)那位不幸落到黑洞里的可憐的航天員卻是愛莫能助。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)。許能避免撞到奇點(diǎn)上去，而穿過一個(gè)“蟲洞”來到宇宙的另一區(qū)域。——時(shí)間內(nèi)的旅行提供了巨大的可能性。但是不幸的是，所有這些解似乎都是非常。換言之，奇點(diǎn)總是發(fā)生在他的將來，而從。于將來，或者整個(gè)存在于過去。奇點(diǎn)處可能旅行到過去，所以宇宙監(jiān)督猜測(cè)的某種形式的成立是大有希望的。以回到過去，在你投胎之前殺死你的父親或母親！何東西可以通過事件視界而逃離黑洞。地球即產(chǎn)生引力波。其能量損失的效應(yīng)將改變地球的軌道，使之逐漸越來越接近太。陽，最后撞到太陽上，以這種方式歸于最終不變的狀態(tài)。地球才會(huì)和太陽相撞，沒有必要立即去為之擔(dān)憂！他指出，根據(jù)廣義相對(duì)論，非旋。這個(gè)解是在廣義相對(duì)論發(fā)現(xiàn)后不久的1917年卡爾·施瓦茲席爾德找到的?！盁o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。

　　

【正文】 是如此地接近 于臨界值。 暴漲的思想還能解釋為何宇宙存在這么多物質(zhì)。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。它們從何而來？答案是，在 量子理論中，粒子可以從粒子／反粒子對(duì)的形式由能量中創(chuàng)生出來。但這只不過引 起了能量從何而來的問題。答案是，宇宙的總能量剛好是零。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。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。這樣，在一定意義上，引力場(chǎng)具有負(fù)能量。在空間上大體一致的宇宙的情 形中，人們可以證明，這個(gè)負(fù)的引力能剛好抵消了物質(zhì)所代表的正能量，所以宇宙 的總能量為零。 零的兩倍仍為零。這樣宇宙可以同時(shí)將其正的物質(zhì)能和負(fù)的引力能加倍，而不 破壞其能量的守恒。在宇宙的正常膨脹時(shí)，這并沒有發(fā)生。這時(shí)當(dāng)宇宙變大時(shí)，物 質(zhì)能量密度下降。然而，這種情形確實(shí)發(fā)生于暴漲時(shí)期。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。在暴漲相，宇宙的尺度增大了一個(gè)非常大的倍數(shù)。這樣，可用以制造粒子 的總能量變得非常大。正如固斯所說的：“都說沒有免費(fèi)午餐這件事，但是宇宙是 最徹底的免費(fèi)午餐?！? 今天宇宙不是以暴漲的方式膨脹。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。人們可以預(yù)料，在宇宙暴漲時(shí)不同力之間的對(duì)稱最終會(huì)被破壞，正 如過冷的水最終會(huì)凝固一樣。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。以后，宇宙就以標(biāo)準(zhǔn)的大爆炸模 式繼續(xù)膨脹并變冷。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。 在固斯的原先設(shè)想中，有點(diǎn)像在非常冷的水中出現(xiàn)冰晶體，相變是突然發(fā)生的。 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。泡泡膨脹并互相碰撞，直到整個(gè)宇宙變成新相。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。結(jié)果宇宙變成一種非常不一致 的狀態(tài)，有些 區(qū)域仍具有不同力之間的對(duì)稱。這樣的模型跟我們所觀察到的宇宙并不吻合。 1981 年 10 月，我去莫斯科參加量子引力的會(huì)議。會(huì)后，我在斯特堡天文研究所 做了一個(gè)有關(guān)暴漲模型和它的問題的講演。聽眾席中有一年輕的蘇聯(lián)人 —— 莫斯科 列別提夫研究所的安德雷林德 —— 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。為了使這個(gè)行得通，從對(duì)稱相向?qū)ΨQ破缺相的改變必須在泡泡中進(jìn)行得非常慢， 而按照大統(tǒng)一理論這是相當(dāng)可能的。林德的緩慢對(duì)稱 破缺思想是非常好的，但過后 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。這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)正如我們所觀察到的一 致的宇宙。我被這個(gè)思想弄得非常激動(dòng)，并和我的一個(gè)學(xué)生因莫斯討論。然而， 當(dāng)我后來收到一個(gè)科學(xué)雜志社寄來的林德的論文，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。我回答說，這里有一個(gè)關(guān)于泡泡比宇宙還大的瑕疵，但 是里面關(guān)于緩慢對(duì)稱破缺的基本思想是非常好的。我建議將此論文照原樣發(fā)表。因 19 為林德要花幾個(gè)月時(shí)間去改正它，并且他寄到 西方的任何東西都要通過蘇聯(lián)的審查， 這種對(duì)于科學(xué)論文的審查既無技巧可言又很緩慢。我和因莫斯便越俎代庖，為同 一雜志寫了一篇短文。我們?cè)谠撐闹兄赋鲞@泡泡的問題，并提出如何將其解決。 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)?。我的秘書? 迪費(fèi)拉以其不差的魅力說服了英國(guó)航空公司向她和我免費(fèi)提供協(xié)和式飛機(jī)的宣傳 旅行座席。然而，在去機(jī)場(chǎng)的路上被大雨耽擱，我沒趕上航班。盡管如此，我最終 還是到了費(fèi)城并得到獎(jiǎng)?wù)隆Ｖ?，?yīng)邀作了關(guān)于暴漲宇宙的講演。正如在莫斯科那 樣，我用大部分時(shí)間講授關(guān)于暴漲 模型的問題。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。聽眾中有一位年輕的賓夕凡尼亞大學(xué)的助理 教授保羅斯特恩哈特， 講演后他和我討論暴漲的問題。次年 2 月份，他寄給我一 篇由他和一個(gè)學(xué)生安德魯斯阿爾伯勒希特合寫的論文。在該文中，他們提出了某 種非常類似林德緩慢對(duì)稱破缺的思想。后來他告訴我，他不記得我描述過林德的思 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。在西方，現(xiàn)在他們和 林德分享以緩慢對(duì)稱破缺的思想為基礎(chǔ)，并發(fā)現(xiàn)所謂新暴漲模型的榮譽(yù)。（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。） 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。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。后來的工作還對(duì)極早期宇宙中是否存在這類所需要的相變提出懷疑。 我個(gè)人的意見是，現(xiàn)在新暴漲模型作為一個(gè)科學(xué)理論是氣數(shù)已盡。雖然有很多人似 乎沒有聽進(jìn)它的死訊，還繼續(xù)寫文章，好像那理論還有生命力。林德在 1983年提出 了一個(gè)更好的所謂紊亂暴漲模型。這里沒有相變和過冷，而代之以存在一個(gè)自旋為 0 的場(chǎng)， 由于它的量子漲 落，在早期宇宙的某些區(qū)域有大的場(chǎng)量。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。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。這些區(qū)域之一就成為我們看到的宇宙。這個(gè)模型具 有早先暴漲模型的所有優(yōu)點(diǎn)，但它不是取決于使人生疑的相變，并且還能給出微波 背景輻射的溫度起伏，其幅度與觀測(cè)相符合。 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。 這是重要的，因?yàn)樗砻鞑槐胤浅＜?xì)心地選取我 們居住的那部份宇宙區(qū)域的初始狀 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。然 而，絕不是任何一種初始結(jié)構(gòu)都會(huì)產(chǎn)生像我們所觀察到的宇宙。這一點(diǎn)很容易說明， 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)。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)。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)的無規(guī)則的 態(tài)。這樣，必定存在不會(huì)產(chǎn)生我們今天 所觀察到的宇宙的初始結(jié)構(gòu)。所以，就連暴 漲模型也沒有告訴我們，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)。我們是否應(yīng)該轉(zhuǎn)去應(yīng)用人擇原理以求解釋呢？難道所有這一切僅僅是 因?yàn)楹眠\(yùn)氣？看來，這只是無望的遁詞，是對(duì)我們理解宇宙內(nèi)在秩序的所有希望的 否定。 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。羅杰 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 開端是具有無限密度和無限空間 —— 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。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。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。所以， 20 人們必須用量子引力論去討論宇宙的極早期階段。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)。 我們?nèi)匀粵]有一套完整而協(xié)調(diào) 的理論，它將量子力學(xué)和引力結(jié)合在一起。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。其中一個(gè)就是它必須和費(fèi) 因曼提出的按照對(duì)歷史求和的量子力學(xué)表述相一致。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。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。粒子通過一指定點(diǎn)的概率是將通過此點(diǎn)的所有可能途徑的波迭加而求得。 然而，當(dāng)人們實(shí)際去進(jìn)行這些求和時(shí)，就遇到了嚴(yán)重的技術(shù)問題?；乇苓@個(gè)問題的 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。虛時(shí)間可能聽起來像科學(xué)幻 想，但事實(shí)上，它是定義得很好的數(shù)學(xué)概念。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)。（例如 2 乘 2 是 4，但－ 2乘－ 2也是這么多）。 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)。（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。也就是為了計(jì)算的目的人們必須用虛數(shù)而 不 是用實(shí)數(shù)來測(cè)量時(shí)間。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。事件具有虛值時(shí)間坐標(biāo)的空間 — 時(shí)間被稱為歐幾里德型的，它是采用建立了 二維面幾何的希臘人歐幾里德的名字命名的。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。在歐幾里德空間 — 時(shí)間 中，時(shí)間方向和空間方向沒有不同之處。另一方面，在通常用實(shí)的時(shí)間坐標(biāo)來標(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。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）。 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)特征是愛因斯坦的 思想，即引力場(chǎng)是由彎曲的空間 — 時(shí)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?yàn)榭臻g — 時(shí)間不是平坦的。它們的途徑看起來似乎被引 力場(chǎng)折彎了。當(dāng)我們用費(fèi)因曼的路徑求和方法去處理愛因斯坦的引力觀點(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。為了避 免實(shí)際進(jìn)行歷史求和的技術(shù)困難，這些彎曲的空間 — 時(shí)間必須采用歐幾里德型的。 也就是，時(shí)間是虛的并和空間的方向不可區(qū)分。為了計(jì)算找到具有一定性質(zhì)，例如 在每一點(diǎn)和每一方向上看起來都一樣的實(shí)的空間 — 時(shí)間的概率，人們將和所有具有 這性質(zhì)的歷史相關(guān)聯(lián)的波迭加起來即可。 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)。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。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)。如果我們知道 在歷史求和中的歐幾里德彎曲空間 — 時(shí)間在早先時(shí)刻的行為，我們就會(huì)知道宇宙 的 量子態(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： 或者它已存在了無限長(zhǎng)時(shí)間，或者它在有限的過去的某一時(shí)刻的奇點(diǎn)上有一個(gè)開端。 而在量子引力論中，還存在第三種可能性。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，卻沒有奇點(diǎn) 作為它的邊界或邊緣是可能的?？臻g — 時(shí)間就像是地球的表面，只不過多了兩維。 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(huì)掉到邊緣外面或陷入奇點(diǎn)中去。（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。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)間沒有邊界，所以沒有 必要指定邊界上的行為。這兒就沒有使科學(xué)定律失效的奇點(diǎn)，也就是不存在在該處 必須祈求上帝或某些新的定律給空間一時(shí)間設(shè)定邊界條件的空間 — 時(shí)間邊緣。人們 可以說：“宇宙的邊界條件是它沒有邊界?！庇?宙是完全自足的，而不被任何外在 于它的東西所影響。它既不被創(chuàng)生，也不被消滅。它就是存在。 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)在尺度上有限而沒有任何邊界或邊緣的面。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）。在梵蒂岡會(huì)議期間，我不知道如何用“無邊界”思想去預(yù)言宇宙。然而， 第二年夏天我在加州大學(xué)的圣他巴巴拉分校渡過。我的一位朋友兼合作者詹姆哈 特爾在那里，他和我共同得出了如果空間 — 時(shí)間沒有 邊界時(shí)宇宙應(yīng)滿足的條件?；? 到劍橋后，我和我的兩個(gè)研究生朱麗安拉卻爾和約納遜哈里威爾繼續(xù)從事這項(xiàng) 工作。 我要著重說明，時(shí)間一空間是有限而無界的思想僅僅只是一個(gè)設(shè)