第八章 宇宙的起源和命運

寶玉

愛因斯坦廣義相對論本身預言了：空間—時間在大爆炸奇點處開始，並會在大擠壓
奇點處（如果整個宇宙坍縮的話）或在黑洞中的一個奇點處（如果一個局部區域，譬如
恒星要坍縮的話）結束。任何抛進黑洞的東西都會在奇點處被毀滅，只有它的質量的引
力效應能繼續在外面被感覺得到。另一方面，當計入量子效應時，物體的質量和能量會
最終回到宇宙的其余部分，黑洞和在它當中的任何奇點一道被蒸發掉並最終消失。量子
力學對大爆炸和大擠壓奇點也能有同樣戲劇性的效應嗎？在宇宙的極早或極晚期，當引
力場是如此之強，以至于量子效應不能不考慮時，究竟會發生什麽？宇宙究竟是否有一
個開端或終結？如果有的話，它們是什麽樣子的？
    整個70年代我主要在研究黑洞，但在1981年參加在梵蒂岡由耶稣會組織的宇宙學會
議時，我對于宇宙的起源和命運問題的興趣重新被喚起。天主教會試圖對科學的問題立
法，並宣布太陽是繞著地球運動時，對伽利略犯下了大錯誤。幾個世紀後的現在，它決
定邀請一些專家就宇宙學問題提出建議。在會議的尾聲，所有參加者應邀出席教皇的一
次演講。他告訴我們，在大爆炸之後的宇宙演化是可以研究的，但是我們不應該去過問
大爆炸本身，因爲那是創生的時刻，因而是上帝的事務。那時候我心中暗喜，他並不知
道，我剛在會議上作過的演講的主題——空間—時間是有限而無界的可能性，就表明著
沒有開端、沒有創生的時刻。我不想去分享伽利略的厄運。我對伽利略之所以有一種強
烈的認同感，其部分原因是剛好我出生于他死後的300年！
    爲了解釋我和其他人關于量子力學如何影響宇宙的起源和命運的思想，必須首先按
照“熱大爆炸模型”來理解爲大家所接受的宇宙曆史。它是假定從早到大爆炸時刻起宇
宙就用弗利德曼模型描述。在此模型中，人們發現當宇宙膨脹時，其中的任何物體或輻
射都變得更涼。（當宇宙的尺度大到二倍，它的溫度就降低到一半。）由于溫度即是粒
子的平均能量——或速度的測度，宇宙的變涼對于其中的物質就會有較大的效應。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。但是可以預料，當它們變冷下來時，互相吸引的粒子開始結塊。更有甚者，
連存在于宇宙中的粒子的種類也依賴于溫度。在足夠高的溫度下，粒子的能量是如此之
高，只要它們碰撞就會産生出來很多不同的粒子�反粒子對——並且，雖然其中一些粒
子打到反粒子上去時會湮滅，但是它們産生得比湮滅得更快。然而，在更低的溫度下，
碰撞粒子具有較小的能量，粒子�反粒子對産生得不快，而湮滅則變得比産生更快。
    就在大爆炸時，宇宙體積被認爲是零，所以是無限熱。但是，輻射的溫度隨著宇宙
的膨脹而降低。大爆炸後的1秒鍾，溫度降低到約爲100億度，這大約是太陽中心溫度的
1千倍，亦即氫彈爆炸達到的溫度。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，還有一些質子和中子。隨著宇宙的繼續膨
脹，溫度繼續降低，電子�反電子對在碰撞中的産生率就落到它們湮滅率之下。這樣只
剩下很少的電子，而大部分電子和反電子相互湮滅，産生出更多的光子。然而，中微子
和反中微子並沒有互相湮滅掉，因爲這些粒子和它們自己以及其他粒子的作用非常微弱，
所以直到今天它們應該仍然存在。如果我們能觀測到它們，就會爲非常熱的早期宇宙階
段的圖象提供一個很好的證據。可惜現今它們的能量太低了，以至于我們不能直接地觀
察到。然而，如果中微子不是零質量，而是如蘇聯在1981年進行的一次沒被證實的實驗
所暗示的，自身具有小的質量，我們則可能間接地探測到它們。正如前面提到的那樣，
它們可以是“暗物質”的一種形式，具有足夠的引力吸引去遏止宇宙的膨脹，並使之重
新坍縮。
    在大爆炸後的大約100秒，溫度降到了10億度，也即最熱的恒星內部的溫度。在此溫
度下，質子和中子不再有足夠的能量逃脫強核力的吸引，所以開始結合産生氘（重氫）
的原子核。氘核包含一個質子和一個中子。然後，氘核和更多的質子中子相結合形成氦
核，它包含二個質子和二個中子，還産生了少量的兩種更重的元素锂和铍。可以計算出，
在熱大爆炸模型中大約4分之1的質子和中子轉變了氦核，還有少量的重氫和其他元素。
所余下的中子會衰變成質子，這正是通常氫原子的核。
    1948年，科學家喬治·伽莫夫和他的學生拉夫·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。伽莫夫頗有幽默——他說服了核物理學家漢
斯·貝特將他的名字加到這論文上面，使得列名作者爲“阿爾法、貝特、伽莫夫”，正
如希臘字母的前三個：阿爾法、貝他、伽瑪，這特別適合于一篇關于宇宙開初的論文！
他們在此論文中作出了一個驚人的預言：宇宙的熱的早期階段的輻射（以光子的形式）
今天還應在周圍存在，但是其溫度已被降低到只比絕對零度（一273℃）高幾度。這正是
彭齊亞斯和威爾遜在1965年發現的輻射。在阿爾法、貝特和伽莫夫寫此論文時，對于質
子和中子的核反應了解得不多。所以對于早期宇宙不同元素比例所作的預言相當不准確，
但是，在用更好的知識重新進行這些計算之後，現在已和我們的觀測符合得非常好。況
且，在解釋宇宙爲何應該有這麽多氦時，用任何其他方法都是非常困難的。所以，我們
相當確信，至少一直回溯到大爆炸後大約一秒鍾爲止，這個圖像是正確無誤的。
    大爆炸後的幾個鍾頭之內，氦和其他元素的産生就停止了。之後的100萬年左右，宇
宙僅僅只是繼續膨脹，沒有發生什麽事。最後，一旦溫度降低到幾千度，電子和核子不
再有足夠能量去抵抗它們之間的電磁吸引力，它們就開始結合形成原子。宇宙作爲整體，
繼續膨脹變冷，但在一個略比平均更密集的區域，膨脹就會由于額外的引力吸引而慢下
來。在一些區域膨脹會最終停止並開始坍縮。當它們坍縮時，在這些區域外的物體的引
力拉力使它們開始很慢地旋轉；當坍縮的區域變得更小，它會自轉得更快——正如在冰
上自轉的滑冰者，縮回手臂時會自轉得更快；最終，當這些區域變得足夠小，自轉的速
度就足以平衡引力的吸引，碟狀的旋轉星系就以這種方式誕生了。另外一些區域剛好沒
有得到旋轉，就形成了叫做橢圓星系的橢球狀物體。這些區域之所以停止坍縮是因爲星
系的個別部分穩定地繞著它的中心旋轉，但星系整體並沒有旋轉。
    隨著時間流逝，星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星雲，它們在自身引力下坍縮。
當它們收縮時，其中的原子相碰撞，氣體溫度升高，直到最後，熱得足以開始熱驟變反
應。這些反應將更多的氫轉變成氦，釋放出的熱升高了壓力，因此使星雲不再繼續收縮。
正如同我們的太陽一樣，它們將氫燃燒成氦，並將得到的能量以熱和光的形式輻射出來。
它們會穩定地在這種狀態下停留一段很長的時間。質量更大的恒星需要變得更熱，以去
平衡它們更強的引力，使得其核聚變反應進行得極快，以至于它們在1億年這麽短的時間
裏將氫用光。然後，它們會稍微收縮一點。當它們進一步變熱，就開始將氦轉變成像碳
和氧這樣更重的元素。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，危機就會發生了。人們不完全清楚下面還會發生什麽，但是看來恒星的中心
區域會坍縮成一個非常緊致的狀態，譬如中子星或黑洞。恒星的外部區域有時會在叫做
超新星的巨大爆發中吹出來，這種爆發會使星系中的所有恒星相形之下顯得黯淡無光。
一些恒星接近生命終點時産生的重元素就抛回到星系裏的氣體中去，爲下一代恒星提供
一些原料。我們自己的太陽包含大約2％這樣的重元素，因爲它是第二代或第三代恒星，
是由50億年前從包含有更早的超新星的碎片的旋轉氣體雲形成的。雲裏的大部分氣體形
成了太陽或者噴到外面去，但是少量的重元素集聚在一起，形成了像地球這樣的、現在
繞太陽公轉的物體。
    地球原先是非常熱的，並且沒有大氣。在時間的長河中它冷卻下來，並從岩石中溢
出的氣體裏得到了大氣。這早先的大氣不能使我們存活。因爲它不包含氧氣，但有很多
對我們有毒的氣體，如硫化氫（即是使臭雞蛋難聞的氣體）。然而，存在其他在這條件
下能繁衍的生命的原始形式。人們認爲，它們可能是作爲原子的偶然結合形成叫做宏觀
分子的大結構的結果而在海洋中發展，這種結構能夠將海洋中的其他原子聚集成類似的
結構。它們就這樣地複制了自己並繁殖。在有些情況下複制有誤差。這些誤差多數使得
新的宏觀分子不能複制自己，並最終被消滅。然而，有一些誤差會産生出新的宏觀分子，
在複制它們自己時會變得更好。所以它們具有優點，並趨向于取代原先的宏觀分子。進
化的過程就是用這種方式開始，它導致了越來越複雜的自複制的組織。第一種原始的生
命形式消化了包括硫化氫在內的不同物質而放出氧氣。這樣就逐漸地將大氣改變到今天
這樣的成份，允許諸如魚、爬行動物、哺乳動物以及最後人類等生命的更高形式的發展。
    宇宙從非常熱開始並隨膨脹而冷卻的景象，和我們今天所有的觀測證據相一致。盡
管如此，還有許多重要問題未被回答：
    （1）爲何早期宇宙如此之熱？
    （2）爲何在大尺度上宇宙是如此一致？爲何在空間的所有地方和所有方向上它顯得
是一樣的？尤其是，當我們朝不同方向看時，爲何微波輻射背景的溫度是如此之相同？
這有點像問許多學生一個考試題。如果所有人都剛好給出相同的回答，你就會十分肯定，
他們互相之間通過話。在上述的模型中，從大爆炸開始光還沒有來得及從一個很遠的區
域傳到另一個區域，即使這兩個區域在宇宙的早期靠得很近。按照相對論，如果連光都
不能從一個區域走到另一個區域，則沒有任何其他的信息能做到。所以，除非因爲某種
不能解釋的原因，導致早期宇宙中不同的區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。
    （3）爲何宇宙以這樣接近于區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100億年以後的現在，它仍然幾乎以臨界的速率膨脹？如果在大爆炸後的1秒
鍾那一時刻其膨脹率甚至只要小十億億分之一，那麽在它達到今天這麽大的尺度之前宇
宙就已坍縮。
    （4）盡管在大尺度上宇宙是如此的一致和均勻，它卻包含有局部的無規性，諸如恒
星和星系。人們認爲，這些是從早期宇宙中不同區域間的密度的很小的差別發展而來。
這些密度起伏的起源是什麽？
    廣義相對論本身不能解釋這些特征或回答這些問題，因爲它預言，在大爆炸奇點宇
宙是從無限密度開始的。在奇點處，廣義相對論和所有其他物理定律都失效：人們不能
預言從奇點會出來什麽。正如以前解釋的，這表明我們可以從這理論中除去大爆炸奇點
和任何先于它的事件，因爲它們對我們沒有任何觀測效應。空間一時間就會有邊界——
大爆炸處的開端。
    看來科學揭露了一組定律，在不確定性原理極限內，如果我們知道宇宙在任一時刻
的狀態，這些定律就會告訴我們，它如何隨時間發展。這些定律也許原先是由上帝頒布
的，但是看來從那以後他就讓宇宙按照這些定律去演化，而不再對它幹涉。但是，它是
如何選擇宇宙的初始狀態和結構的？在時間的開端處“邊界條件”是什麽？
    一種可能的回答是，上帝選擇宇宙的這種初始結構是因爲某些我們無望理解的原因。
這肯定是在一個全能造物主的力量之內。但是如果他使宇宙以這種不可理解的方式開始，
何以他又選擇讓它按照我們可理解的定律去演化？整部科學史是對事件不是以任意方式
發生，而是反映了一定的內在秩序的逐步的意識。這秩序可以是、也可以不是由神靈主
宰的。只有假定這種秩序不但應用于定律，而且應用于在空間—時間邊界處所給定的宇
宙初始條件才是自然的。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。
應該存在某種原則去抽取一個初始狀態，也就是一個模型去代表我們的宇宙。
    所謂的紊亂邊界條件即是這樣的一種可能性。這裏含蓄地假定，或者宇宙是空間無
限的，或者存在無限多宇宙。在紊亂邊界條件下，在剛剛大爆炸之後，尋求任何空間的
區域在任意給定的結構的概率，在某種意義上，和它在任何其他的結構的概率是一樣的：
宇宙初始態的選擇純粹是隨機的。這意味著，早期宇宙可能是非常紊亂和無規則的。因
爲與光滑和有序的宇宙相比，存在著更多得多的紊亂和無序的宇宙。（如果每一結構都
是等幾率的，多半宇宙是從紊亂無序態開始，就是因爲這種態多得這麽多。）很難理解，
從這樣紊亂的初始條件，如何導致今天我們這個在大尺度上如此光滑和規則的宇宙。人
們還預料，在這樣的模型中，密度起伏導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。
    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
一致的形態開始演化的大的區域。這有一點像著名的一大群猴子敲打打字機的故事——
它們大部分所寫的都是廢話。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。類似地，在宇宙的情形，是否我們可能剛好生活在一個光滑和一致的區域裏呢？初
看起來，這是非常不可能的，因爲這樣光滑的區域比紊亂的無序的區域少得多得多。然
而，假定只有在光滑的區域裏星系、恒星才能形成，才能有合適的條件，讓像我們這樣
複雜的、有能力質疑爲什麽宇宙是如此光滑的問題、能自然複制的組織得以存在。這就
是被稱爲人擇原理的一個應用的例子。人擇原理可以釋義作：“我們看到的宇宙之所以
這個樣子，乃是因爲我們的存在。”
    人擇原理有弱的和強的意義下的兩種版本。弱人擇原理是講，在一個大的或具有無
限空間和�或時間的宇宙裏，只有在空間一時間有限的一定區域裏，才存在智慧生命發
展的必要條件。在這些區域中，如果智慧生物觀察到他們在宇宙的位置滿足那些爲他們
生存所需的條件，他們不應感到驚訝。這有點像生活在富裕街坊的富人看不到任何貧窮。
    應用弱人擇原理的一個例子是“解釋”爲何大爆炸發生于大約100億年之前——智慧
生物需要那麽長時間演化。正如前面所解釋的，一個早代的恒星首先必須形成。這些恒
星將一些原先的氫和氦轉化成像碳和氧這樣的元素，由這些元素構成我們。然後恒星作
爲超新星而爆發，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。地球存在的頭10億或20億年，對于任何複雜東西的發展都嫌太熱。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。
    很少人會對弱人擇原理的有效性提出異議。然而，有的人走得更遠並提出強人擇原
理。按照這個理論，存在許多不同的宇宙或者一個單獨宇宙的許多不同的區域，每一個
都有自己初始的結構，或許還有自己的一套科學定律。在這些大部分宇宙中，不具備複
雜組織發展的條件；只有很少像我們的宇宙，在那裏智慧生命得以發展並質疑：“爲何
宇宙是我們看到的這種樣子？”這回答很簡單：如果它不是這個樣子，我們就不會在這
兒！
    我們現在知道，科學定律包含許多基本的數，如電子電荷的大小以及質子和電子的
質量比。至少現在，我們不能從理論上預言這些數值——我們必須由觀察找到它們。也
許有一天，我們會發現一個將它們所有都預言出來的一個完整的統一理論，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。令人吃驚的事實是，
這些數值看來是被非常細致地調整到使得生命的發展成爲可能。例如，如果電子的電荷
只要稍微有點不同，則要麽恒星不能夠燃燒氫和氦，要麽它們沒有爆炸過。當然，也許
存在其他形式的、甚至還沒被科學幻想作家夢想過的智慧生命。它並不需要像太陽這樣
恒星的光，或在恒星中制造出並在它爆炸時被抛到空間去的更重的化學元素。盡管如此，
看來很清楚，允許任何智慧生命形式的發展的數值範圍是比較小的。對于大部份數值的
集合，宇宙也會産生，雖然它們可以是非常美的，但不包含任何一個能爲如此美麗而驚
訝的人。人們既可以認爲這是在創生和科學定律選擇中的神意的證據，也可以認爲是對
強人擇原理的支持。
    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的解釋。首
先，在何種意義上可以說，所有這些不同的宇宙存在？如果它們確實互相隔開，在其他
宇宙發生的東西，怎麽可以在我們自己的宇宙中沒有可觀測的後果？所以，我們應該用
經濟學原理，將它們從理論中割除去。另一方面，它們若僅僅是一個單獨宇宙的不同區
域，則在每個區域裏的科學定律必須是一樣的，因爲否則人們不能從一個區域連續地運
動到另一區域。在這種情況下，不同區域之間的僅有的不同只是它們的初始結構。這樣，
強人擇原理即歸結爲弱人擇原理。
    對強人擇原理的第二個異議是，它和整個科學史的潮流背道而馳。我們是從托勒密
和他的黨人的地心宇宙論發展而來，通過哥白尼和伽利略日心宇宙論，直到現代的圖象，
其中地球是一個中等大小的行星，它繞著一個尋常的螺旋星系外圈的普通恒星作公轉，
而這星系本身只是在可觀察到的宇宙中萬億個星系中的一個。然而強人擇原理卻宣布，
這整個龐大的構造僅僅是爲我們的緣故而存在，這是非常難以令人置信的。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産生重
元素。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。
    如果人們能夠表明，相當多的宇宙的不同初始結構會演化産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。如果這樣，則一個從某些隨機
的初始條件發展而來的宇宙，應當包含許多光滑的、一致的並適合智慧生命演化的區域。
另一方面，如果宇宙的初始條件必須極端仔細地選擇，才能導致在我們周圍所看到的一
切，宇宙就不太可能包含任何會出現生命的區域。在上述的熱大爆炸模型中，沒有足夠
的方向使熱從一個區域流到另一區域。這意味著宇宙的初始態在每一處必須剛好有同樣
的溫度，才能說明我們在每一方向上看到的微波背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。這表明，如果直到時間的開端熱大爆炸模型都是正確的，則必須非常仔細地
選擇宇宙的初始態。所以，除非作爲上帝有意創造像我們這樣生命的行爲，否則要解釋
爲何宇宙只用這種方式起始是非常困難的。
    爲了試圖尋找一個能從許多不同的初始結構演化到象現在這樣的宇宙的宇宙模型，
麻省理工學院的科學家阿倫·固斯提出，早期宇宙可能存在過一個非常快速膨脹的時期。
這種膨脹叫做“暴漲”，意指宇宙在一段時間裏，不像現在這樣以減少的、而是以增加
的速率膨脹。按照固斯理論，在遠遠小于1秒的時間裏，宇宙的半徑增大了100萬億億億
（1後面跟30個0）倍。
    固斯提出，宇宙是以一個非常熱而且相當紊亂的狀態從大爆炸開始的。這些高溫表
明宇宙中的粒子運動得非常快並具有高能量。正如早先我們討論的，人們預料在這麽高
的溫度下，強和弱核力及電磁力都被統一成一個單獨的力。當宇宙膨脹時它會變冷，粒
子能量下降。最後出現了所謂的相變，並且力之間的對稱性被破壞了：強力變得和弱力
以及電磁力不同。相變的一個普通的例子是，當水降溫時會凍結成冰。液態水是對稱的，
它在任何一點和任何方向上都是相同的。然而，當冰晶體形成時，它們有確定的位置，
並在某一方向上整齊排列，這就破壞了水的對稱。
    處理水的時候，只要你足夠小心，就能使之“過冷”，也就是可以將溫度降低到冰
點（0℃）以下而不結冰。固斯認爲，宇宙的行爲也很相似：宇宙溫度可以低到臨界值以
下，而沒有使不同的力之間的對稱受到破壞。如果發生這種情形，宇宙就處于一個不穩
定狀態，其能量比對稱破缺時更大。這特殊的額外能量呈現出反引力的效應：其作用如
同一個宇宙常數。宇宙常數是當愛因斯坦在試圖建立一個穩定的宇宙模型時，引進廣義
相對論之中去的。由于宇宙已經像大爆炸模型那樣膨脹，所以這宇宙常數的排斥效應使
得宇宙以不斷增加的速度膨脹，即使在一些物質粒子比平均數多的區域，這一有效宇宙
常數的排斥作用超過了物質的引力吸引作用。這樣，這些區域也以加速暴漲的形式而膨
脹。當它們膨脹時，物質粒子越分越開，留下了一個幾乎不包含任何粒子，並仍然處于
過冷狀態的膨脹的宇宙。宇宙中的任何不規則性都被這膨脹抹平，正如當你吹脹氣球時，
它上面的皺紋就被抹平了。所以，宇宙現在光滑一致的狀態，可以是從許多不同的非一
致的初始狀態演化而來。
    在這樣一個其膨脹由宇宙常數加速、而不由物質的引力吸引使之減慢的宇宙中，早
期宇宙中的光線就有足夠的時間從一個地方傳到另一個地方。這就解答了早先提出的，
爲何在早期宇宙中的不同區域具有同樣性質的問題。不但如此，宇宙的膨脹率也自動變
得非常接近于由宇宙的能量密度決定的臨界值。這樣，不必去假設宇宙初始膨脹率曾被
非常仔細地選擇過，就能解釋爲何現在的膨脹率仍然是如此地接近于臨界值。
    暴漲的思想還能解釋爲何宇宙存在這麽多物質。在我們能觀察到的宇宙裏大體有1億
億億億億億億億億億（1後面跟80個0）個粒子。它們從何而來？答案是，在量子理論中，
粒子可以從粒子�反粒子對的形式由能量中創生出來。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。宇宙的物質是由正能量構成的；然而，所有
物質都由引力互相吸引。兩塊互相靠近的物質比兩塊分得很開的物質具有更少的能量，
因爲你必須消耗能量去克服把它們拉在一起的引力而將其分開。這樣，在一定意義上，
引力場具有負能量。在空間上大體一致的宇宙的情形中，人們可以證明，這個負的引力
能剛好抵消了物質所代表的正能量，所以宇宙的總能量爲零。
    零的兩倍仍爲零。這樣宇宙可以同時將其正的物質能和負的引力能加倍，而不破壞
其能量的守恒。在宇宙的正常膨脹時，這並沒有發生。這時當宇宙變大時，物質能量密
度下降。然而，這種情形確實發生于暴漲時期。因爲宇宙膨脹時，過冷態的能量密度保
持不變：當宇宙體積加倍時，正物質能和負引力能都加倍，總能量保持爲零。在暴漲相，
宇宙的尺度增大了一個非常大的倍數。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：“都說沒有免費午餐這件事，但是宇宙是最徹底的免費午餐。”
    今天宇宙不是以暴漲的方式膨脹。這樣，必須有一種機制，它可以消去這一非常大
的有效宇宙常數，從而使膨脹率從加速的狀態，改變爲正如同今天這樣由引力減慢下的
樣子。人們可以預料，在宇宙暴漲時不同力之間的對稱最終會被破壞，正如過冷的水最
終會凝固一樣。這樣，未破缺的對稱態的額外能量就會釋放，並將宇宙重新加熱到剛好
低于使不同力對稱的臨界溫度。以後，宇宙就以標准的大爆炸模式繼續膨脹並變冷。但
是，現在找到了何以宇宙剛好以臨界速率膨脹，並在不同的區域具有相同溫度的解釋。
    在固斯的原先設想中，有點像在非常冷的水中出現冰晶體，相變是突然發生的。其
想法是，正如同沸騰的水圍繞著蒸汽泡，新的對稱破缺相的“泡泡”在原有的對稱相中
形成。泡泡膨脹並互相碰撞，直到整個宇宙變成新相。麻煩在于，正如同我和其他幾個
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，並
因此不能合並在一起。結果宇宙變成一種非常不一致的狀態，有些區域仍具有不同力之
間的對稱。這樣的模型跟我們所觀察到的宇宙並不吻合。
    1981年10月，我去莫斯科參加量子引力的會議。會後，我在斯特堡天文研究所做了
一個有關暴漲模型和它的問題的講演。聽衆席中有一年輕的蘇聯人——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域被整個
地包含在一個單獨的泡泡之中，則可以避免泡泡不能合並在一起的困難。爲了使這個行
得通，從對稱相向對稱破缺相的改變必須在泡泡中進行得非常慢，而按照大統一理論這
是相當可能的。林德的緩慢對稱破缺思想是非常好的，但過後我意識到，他的泡泡在那
一時刻必須比宇宙的尺度還要大！我指出，那時對稱不僅僅在泡泡裏，而且在所有的地
方同時被破壞。這會導致一個正如我們所觀察到的一致的宇宙。我被這個思想弄得非常
激動，並和我的一個學生因·莫斯討論。然而，當我後來收到一個科學雜志社寄來的林
德的論文，征求是否可以發表時，作爲他的朋友，我感到相當難爲情。我回答說，這裏
有一個關于泡泡比宇宙還大的瑕疵，但是裏面關于緩慢對稱破缺的基本思想是非常好的。
我建議將此論文照原樣發表。因爲林德要花幾個月時間去改正它，並且他寄到西方的任
何東西都要通過蘇聯的審查，這種對于科學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，爲同一雜志寫了一篇短文。我們在該文中指出這泡泡的問題，並提
出如何將其解決。
    我從莫斯科返回的第二天，即去費城接受富蘭克林研究所的獎章。我的秘書朱迪·
費拉以其不差的魅力說服了英國航空公司向她和我免費提供協和式飛機的宣傳旅行座席。
然而，在去機場的路上被大雨耽擱，我沒趕上航班。盡管如此，我最終還是到了費城並
得到獎章。之後，應邀作了關于暴漲宇宙的講演。正如在莫斯科那樣，我用大部分時間
講授關于暴漲模型的問題。但在結尾時，我提到林德關于緩慢對稱破缺的思想，以及我
的修正意見。聽衆中有一位年輕的賓夕凡尼亞大學的助理教授保羅·斯特恩哈特，講演
後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學生安德魯斯·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稱破缺的思想。後
來他告訴我，他不記得我描述過林德的思想，並且只是在他們幾乎完成論文之時，才看
到林德的文章。在西方，現在他們和林德分享以緩慢對稱破缺的思想爲基礎，並發現所
謂新暴漲模型的榮譽。（舊的暴漲模型是指固斯關于形成泡泡後快速對稱破缺的原始設
想。）
    新暴漲模型是一個好的嘗試，它能解釋宇宙爲何是這種樣子。然而我和其他幾個人
指出，至少在它原先的形式，它預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。後來的工作還對極早期宇宙中是否存在這類所需要的相變提出懷疑。我個人的意
見是，現在新暴漲模型作爲一個科學理論是氣數已盡。雖然有很多人似乎沒有聽進它的
死訊，還繼續寫文章，好像那理論還有生命力。林德在1983年提出了一個更好的所謂紊
亂暴漲模型。這裏沒有相變和過冷，而代之以存在一個自旋爲0的場，由于它的量子漲落，
在早期宇宙的某些區域有大的場量。在那些區域中，場的能量起到宇宙常數的作用，它
具有排斥的引力效應，因此使得這些區域以暴漲的形式膨脹。當它們膨脹時，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爲止。這些區域之
一就成爲我們看到的宇宙。這個模型具有早先暴漲模型的所有優點，但它不是取決于使
人生疑的相變，並且還能給出微波背景輻射的溫度起伏，其幅度與觀測相符合。
    暴漲模型的研究指出：宇宙現在的狀態可以從相當大量的不同初始結構引起的。這
是重要的，因爲它表明不必非常細心地選取我們居住的那部份宇宙區域的初始狀態。所
以，如果願意的話，我們可以利用弱人擇原理解釋宇宙爲何是這個樣子。然而，絕不是
任何一種初始結構都會産生像我們所觀察到的宇宙。這一點很容易說明，考慮現在宇宙
處于一個非常不同的態，例如一個非常成團的、非常無規則的態，人們可以利用科學定
律，在時間上將其演化回去，以確定宇宙在更早時刻的結構。按照經典廣義相對論的奇
點定理，仍然存在一個大爆炸奇點。如果你在時間前進方向上按照科學定律演化這樣的
宇宙，你就會得到你一開始給定的那個成團的無規則的態。這樣，必定存在不會産生我
們今天所觀察到的宇宙的初始結構。所以，就連暴漲模型也沒有告訴我們，爲何初始結
構不是那種産生和我們觀測到的非常不同的宇宙的某種態。我們是否應該轉去應用人擇
原理以求解釋呢？難道所有這一切僅僅是因爲好運氣？看來，這只是無望的遁詞，是對
我們理解宇宙內在秩序的所有希望的否定。
    爲了預言宇宙應該是如何開始的，人們需要在時間開端處有效的定律。羅傑·彭羅
斯和我證明的奇點定理指出，如果廣義相對論的經典理論是正確的，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定律都失效。
人們可以設想存在在奇點處成立的新定律，但是在如此不守規矩的點處，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于這些定律應是什麽樣子的任
何提示。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
應變得重要：經典理論不再能很好地描述宇宙。所以，人們必須用量子引力論去討論宇
宙的極早期階段。我們將會看到，在量子力學中，通常的科學定律有可能在任何地方都
有效，包括時間開端這一點在內：不必針對奇點提出新的定律，因爲在量子理論中不須
有任何奇點。
    我們仍然沒有一套完整而協調的理論，它將量子力學和引力結合在一起。然而，我
們相當清楚這樣一套統一理論所應該具有的某些特征。其中一個就是它必須和費因曼提
出的按照對曆史求和的量子力學表述相一致。在這種方法裏，一個粒子不像在經典理論
中那樣，不僅只有一個曆史。相反的，它被認爲是通過空間——時間裏的每一可能的路
徑，每一條途徑有一對相關的數，一個代表波的幅度，另一個代表它的相位。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叠加而求得。然而，當人們實際去進
行這些求和時，就遇到了嚴重的技術問題。回避這個問題的唯一獨特的方法是：你必須
不是對發生在你我經驗的“實”的時間內的，而是對發生在所謂“虛”的時間內的粒子
的途徑的波進行求和。虛時間可能聽起來像科學幻想，但事實上，它是定義得很好的數
學概念。如果你取任何平常的（或“實的”）數和它自己相乘，結果是一個正數。（例
如2乘2是4，但－2乘－2也是這麽多）。然而，有一種特別的數（叫虛數），當它們自乘
時得到負數。（在這兒的虛數單位叫做i，它自乘時得－1，2i自乘得－4，等等。）人們
必須利用虛時間，以避免在進行費因曼對曆史求和的技術上的困難。也就是爲了計算的
目的人們必須用虛數而不是用實數來測量時間。這對空間—時間有一有趣的效應：時間
和空間的區別完全消失。事件具有虛值時間坐標的空間—時間被稱爲歐幾裏德型的，它
是采用建立了二維面幾何的希臘人歐幾裏德的名字命名的。我們現在稱之爲歐幾裏德空
間—時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。在歐幾裏德空間—
時間中，時間方向和空間方向沒有不同之處。另一方面，在通常用實的時間坐標來標記
事件的實的空間—時間裏，人們很容易區別這兩種方向——在光錐中的任何點是時間方
向，之外爲空間方向。就日常的量子力學而言，在任何情況下，我們利用虛的時間和歐
幾裏德空間—時間可以認爲僅僅是一個計算實空間—時間的答案的數學手段（或技巧）。
    我們相信，作爲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，但因爲空間—時間不是平坦的。它們的途徑看起來似乎被引力場折彎了。當
我們用費因曼的路徑求和方法去處理愛因斯坦的引力觀點時，和粒子的曆史相類似的東
西則是代表整個宇宙曆史的完整的彎曲的空間—時間。爲了避免實際進行曆史求和的技
術困難，這些彎曲的空間—時間必須采用歐幾裏德型的。也就是，時間是虛的並和空間
的方向不可區分。爲了計算找到具有一定性質，例如在每一點和每一方向上看起來都一
樣的實的空間—時間的概率，人們將和所有具有這性質的曆史相關聯的波叠加起來即可。
    在廣義相對論的經典理論中，有許多不同的可能彎曲的空間—時間，每一個對應于
宇宙的不同的初始態。如果我們知道宇宙的初始態，我們就會知道它的整個曆史。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。如果我們知道在曆史求和中
的歐幾裏德彎曲空間—時間在早先時刻的行爲，我們就會知道宇宙的量子態。
    在以實的空間—時間爲基礎的經典引力論中，宇宙可能的行爲只有兩種方式：或者
它已存在了無限長時間，或者它在有限的過去的某一時刻的奇點上有一個開端。而在量
子引力論中，還存在第三種可能性。因爲人們是用歐幾裏德空間—時間，在這兒時間方
向和空間方向是同等的，所以空間—時間只有有限的尺度，卻沒有奇點作爲它的邊界或
邊緣是可能的。空間—時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，你不會掉到邊緣外面或陷入奇
點中去。（因爲我曾經環球旅行過，所以知道！）
    如果歐幾裏德空間—時間延伸到無限的虛時間，或者在一個虛時間奇點處開始，我
們就有了和在經典理論中指定宇宙初態的同樣問題，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，認爲它應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—時間沒有邊界，所以沒有必要指定邊界上
的行爲。這兒就沒有使科學定律失效的奇點，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間設定邊界條件的空間—時間邊緣。人們可以說：“宇宙的邊界條
件是它沒有邊界。”宇宙是完全自足的，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。然而我的論文數學氣息太濃，所以文章中
包含的上帝在創造宇宙的作用的含義在當時沒有被普遍看出來（對我也正是如此）。在
梵蒂岡會議期間，我不知道如何用“無邊界”思想去預言宇宙。然而，第二年夏天我在
加州大學的聖他巴巴拉分校渡過。我的一位朋友兼合作者詹姆·哈特爾在那裏，他和我
共同得出了如果空間—時間沒有邊界時宇宙應滿足的條件。回到劍橋後，我和我的兩個
研究生朱麗安·拉卻爾和約納遜·哈裏威爾繼續從事這項工作。
    我要著重說明，時間一空間是有限而無界的思想僅僅只是一個設想，它不能從其他
原理導出。正如任何其他的科學理論，它原先可以是出于美學或形而上學的原因而被提
出，但是對它的真正檢驗在于它所給出的預言是否與觀測相一致。然而，在量子引力的
情況下，由于以下兩個原因這很難確定。首先，正如將在下一章　所要解釋的，雖然我
們對能將廣義相對論和量子力學結合在一起的理論所應具有的特征，已經知道得相當多，
但我們還不能准確地認定這樣一個理論。其次，任何詳盡描述整個宇宙的模型在數學上
都過于複雜，以至于我們不能通過計算做出准確的預言。所以，人們不得不做簡化的假
設和近似——並且甚至這樣，要從中引出預言仍是令人生畏的問題。
    在對曆史求和中的每一個曆史不只描述空間—時間，而且描述在其中的任何東西—
—包括像能觀察宇宙曆史的人類那樣複雜的生物。這可對人擇原理提供另一個支持，因
爲如果任何曆史都是可能的，就可以用人擇原理去解釋爲何我們發現宇宙是現今這樣子。
盡管我們對自己並不生存于其中的其他曆史究竟有什麽意義還不清楚。然而，如果利用
對曆史求和可以顯示，我們的宇宙不只是一個可能的，而且是最有可能的曆史，則這個
量子引力論的觀點就會令人滿意得多。爲此，我們必須對所有可能的沒有邊界的歐幾裏
德空間—時間進行曆史求和。
    人們從無邊界假定得知，宇宙沿著大多數曆史的機會是可以忽略不計的，但是有一
族特別的曆史比其他的曆史有更多機會。這些曆史可以描繪得像是地球的表面。在那兒
與北極的距離代表虛的時間，並且離北極等距離的圓周長代表宇宙的空間尺度。宇宙是
從作爲單獨一點的北極開始的。當你一直往南走去，離開北極等距離的緯度圈變大，這
是和宇宙隨虛時間的膨脹相對應（圖8.1）。宇宙在赤道處達到最大的尺度，並且隨著虛
時間的繼續增加而收縮，最後在南極收縮成一點。盡管宇宙在北南二極的尺度爲零，這
些點不是奇點，並不比地球上的北南二極更奇異。科學定律在這兒有效，正如同它仍在
地球上的北南二極有效一樣。



    圖8.1
    然而，在實的時間裏宇宙的曆史顯得非常不一樣。大約在100或200億年以前，它有
一個最小的尺度，這相當于在虛時間裏的最大的半徑。在後來的實時間裏，宇宙就像由
林德設想的紊亂暴漲模型那樣地膨脹（但是現在人們不必假定宇宙是從某一類正確的狀
態産生出來）。宇宙會膨脹到一個非常大的尺度，並最終重新坍縮成爲在實時間裏看起
來像是奇點的一個東西。這樣，在某種意義上說，即使我們躲開黑洞，仍然是注定要毀
滅的。只有當我們按照虛時間來描繪宇宙時才不會有奇點。
    如果宇宙確實處在這樣的一個量子態裏，在虛時間裏宇宙就沒有奇點。所以，我近
期的工作似乎完全使我早期研究奇點的工作成果付之東流。但是正如上面所指出的，奇
點定理的真正重要性在于，它們指出引力場必然會強到不能無視量子引力效應的程度。
這接著導致也許在虛時間裏宇宙的尺度有限但沒有邊界或奇點的觀念。然而，當人們回
到我們生活于其中的實時間，那兒仍會出現奇點。陷進黑洞那位可憐的航天員的結局仍
然是極可悲的；只有當他在虛時間裏生活，才不會遭遇到奇點。
    上述這些也許暗示所謂的虛時間是真正的實時間，而我們叫做實時間的東西恰恰是
子虛烏有的空想的産物。在實時間中，宇宙的開端和終結都是奇點。這奇點構成了科學
定律在那兒不成立的空間—時間邊界。但是，在虛時間裏不存在奇點或邊界。所以，很
可能我們稱之爲虛時間的才真正是更基本的觀念，而我們稱作實時間的反而是我們臆造
的，它有助于我們描述宇宙的模樣。但是，按照我在第一章　所描述的方法，科學理論
僅僅是我們用以描述自己所觀察的數學模型，它只存在于我們的頭腦中。所以去問諸如
這樣的問題是毫無意義的：“實”的或“虛”的時間，哪一個是實在的？這僅僅是哪一
個描述更爲有用的問題。
    人們還可以利用對曆史求和以及無邊界假設去發現宇宙的哪些性質可能發生。例如，
人們可以計算，當宇宙具有現在密度的某一時刻，在所有方向上以幾乎同等速率膨脹的
概率。在迄今已被考察的簡化的模型中，發現這個概率是高的；也就是，無邊界假設導
致一個預言，即宇宙現在在每一方向的膨脹率幾乎相同是極其可能的。這與微波背景輻
射的觀測相一致，它指出在任何方向上具有幾乎完全同樣的強度。如果宇宙在某些方向
比其他方向膨脹得更快，在那些方向輻射的強度就會被一個附加的紅移所減小。
    人們正在研究無邊界條件的進一步預言。一個特別有趣的問題是，早期宇宙中物質
密度對其平均值小幅度的偏離，這些偏離首先引起星系，然後是恒星，最後是我們自身
的形成。測不准原理意味著，早期宇宙不可能是完全均勻的，因爲粒子的位置和速度必
定有一些不確定性或起伏。利用無邊界條件，我們發現，宇宙事實上必須是從僅僅由測
不准原理允許的最小的可能的非均勻性開始的。然後，正如在暴漲模型中預言的一樣，
宇宙經曆了一個快速膨脹時期。在這個期間，開初的非均勻性被放大到足以解釋在我們
周圍觀察到的結構的起源。在一個各處物質密度稍有變化的膨脹宇宙中，引力使得較緊
密區域的膨脹減慢，並使之開始收縮。這就導致星系、恒星和最終甚至像我們自己這樣
微不足道的生物的形成。因而，我們在宇宙中看到的所有複雜的結構，可由宇宙無邊界
條件和量子力學中的測不准原理給予解釋。
    空間和時間可以形成一個沒有邊界的閉曲面的思想，對于上帝在宇宙事務中的作用
還有一個深遠的含義。隨著科學理論在描述事件的成功，大部分人進而相信上帝允許宇
宙按照一套定律來演化，而不介入其間促使宇宙觸犯這些定律。然而，定律並沒有告訴
我們，宇宙的太初應像什麽樣子——它依然要靠上帝卷緊發條，並選擇如何去啓動它。
只要宇宙有一個開端，我們就可以設想存在一個造物主。但是，如果宇宙確實是完全自
足的、沒有邊界或邊緣，它就既沒有開端也沒有終結——它就是存在。那麽，還會有造
物主存身之處嗎？