，最快更新時間簡史最新章節！

    從愛因斯坦廣義相對論本身就能預言：時空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，譬如恒星坍縮的話）結束。任何落進黑洞的東西都會在奇點處毀滅，在外麵隻能繼續感覺到它的質量的引力效應。另一方麵，當考慮量子效應時，物體的質量和能量似乎會最終回到宇宙的其餘部分，黑洞和在它當中的任何奇點會一道蒸發掉並最終消失。量子力學對大爆炸和大擠壓奇點也能有同等戲劇性的效應嗎？在宇宙的極早或極晚期，當引力場如此之強，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？

    我在整個70年代主要研究黑洞，但在1981年參加在梵蒂岡由耶穌會組織的宇宙學會議時，我對於宇宙的起源和命運問題的興趣被重新喚起。當天主教會試圖對科學的問題發號施令，並宣布太陽圍繞著地球運動時，對伽利略犯下了嚴重的錯誤。幾個世紀後的現在，它決定邀請一些專家做宇宙學問題的顧問。在會議的尾聲，教皇接見所有與會者。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，因為那是創生的時刻，因而隻能是上帝的事務。我心中竊喜，看來他並不知道，我剛在會議上作過的演講的主題——時空有限而無界的可能性，這意味著它沒有開端、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，其部分原因是我剛好出生於他死後的300年！

    為了解釋我和其他人關於量子力學如何影響宇宙的起源和命運的思想，必須首先按照所謂的“熱大爆炸模型”

    來理解被廣泛接受的宇宙曆史。這是假定從早到大爆炸時刻起宇宙就可用弗裏德曼模型來描述。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2倍，它的溫度就降低到一半。）由於溫度即是粒子的平均能量——或速度的測度，宇宙的變涼對於其中的物質就會有較大的效應。在非常高的溫度下，粒子能夠運動得如此之快，可以逃脫任何由核力或電磁力將它們吸引在一起的作用。但是可以預料到，隨著它們冷卻下來，粒子相互吸引並且開始結塊。更有甚者，連存在於宇宙中的粒子種類也依賴於溫度。在足夠高的溫度下，粒子的能量是如此之高，隻要它們碰撞就會產生很多不同的粒子/反粒子對一一並且，雖然其中一些粒子打到反粒子上去時會湮滅，但是它們產生得比湮滅得更快。然而，在更低的溫度下，碰撞粒子具有較小的能量，粒子/反粒子對產生得不快——而湮滅則變得比產生更快。

    就在大爆炸時，宇宙體積被認為是零，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，溫度降低到約為100億度，這大約是太陽中心溫度的1000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，它隻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產生率就落到它們的湮滅率之下。這樣，大多數電子和反電子相互湮滅掉了，產生出更多的光子，隻剩下很少的電子。然而，中微子和反中微子並沒有相互湮滅掉，因為這些粒子和它們自己以及其他粒子的作用非常微弱。

    這樣，直到今天它們應該仍然存在。如果我們能觀測到它們，就會為非常熱的早期宇宙階段的圖象提供一個很好的檢驗。可惜現在它們的能量太低了，使得我們不能直接觀察到。然而，如果中微子不是零質量，而是像近年的一些實驗暗示的，自身具有小的質量，我們則可能間接地探測到它們：正如前麵提到的那樣，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，所以開始結合產生氘（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，它包含兩個質子和兩個中子，還產生了少量的兩種更重的元素鋰和鈹。可以計算出，在熱大爆炸模型中大約1/4的質子和中子變成了氦核，還有少量的重氫和其他元素。餘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·阿爾法在一篇著名的合作的論文中，第一次提出了宇宙的熱的早期階段的圖象。伽莫夫頗為幽默——他說服了核物理學家漢斯·貝特將他的名字加到這論文上麵，使得列名作者為“阿爾法、貝特、伽莫夫”，正如最前麵三個希臘字母：阿爾法、貝他、伽馬：這特別適合於一篇關於宇宙開初的論文！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）今天還應該在周圍存在，但是其溫度已被降低到隻比絕對零度（-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，對於質子和中子的核反應了解得不多，所以對於早期宇宙不同元素比例所作的預言相當不準確；但是，在用更好的知識重新進行這些計算之後，現在的結果已和我們的觀測符合得非常好。況且，在解釋宇宙為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1秒鍾為止，這個圖象是正確無誤的。

    大爆炸後的幾個鍾頭之內，氦和其他元素的產生就停止了。之後的100萬年左右，宇宙僅僅是繼續膨脹，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戰勝它們之間的電磁吸引力，就開始結合形成原子。宇宙作為整體，繼續膨脹變冷，但在一個比平均稍微密集些的區域，膨脹就會由於額外的引力吸引而緩慢下來。在一些區域膨脹最終會停止並開始坍縮。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，當區域變得足夠小，它自轉得快到足以平衡引力的吸引，碟狀的旋轉星係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係的橢球狀物體。這些區域之所以停止坍縮，是因為星係的個別部分穩定地圍繞著它的中心公轉，但星係整體並沒有旋轉。

    隨著時間流逝，星係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，其中的原子相互碰撞，氣體溫度升高，直到最後，熱得足以開始熱聚變反應。這些反應將更多的氫轉變成氦，釋放出的熱增加了壓力，因此使星雲不再繼續收縮。它們會穩定地在這種狀態下，作為像太陽一樣的恒星停留一段很長的時間，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。質量更大的恒星需要變得更熱，以平衡它們更強的引力吸引，使得其核聚變反應進行得極快，以至於它們在1億年這麽短的時間裏將氫耗光。然後，它們會稍微收縮一點，而隨著它們進一步變熱，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。人們不完全清楚下一步還會發生什麽，但是看來恒星的中心區域很可能坍縮成一個非常致密的狀態，譬如中子星或黑洞。恒星的外部區域有時會在稱為超新星的巨大爆發中吹出來，這種爆發使星係中的所有恒星在相形之下顯得黯淡無光。恒星接近生命終點時產生的一些重元素就被拋回到星係裏的氣體中去，為下一代恒星提供一些原料。因為我們的太陽是第二代或第三代恒星，是大約50億年前由包含有更早超新星碎片的旋轉氣體雲形成的，所以大約包含2%這樣的重元素。雲裏的大部分氣體形成了太陽或者噴到外麵去，但是少量的重元素聚集在一起，形成了像地球這樣的，現在作為行星圍繞太陽公轉的物體。

    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，並從岩石中散發氣體得到了大氣。我們無法在這早先的大氣中存活。因為它不包含氧氣，反而包含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，存在其他能在這種條件下繁衍的原始的生命形式。人們認為，它們可能是作為原子的偶然結合，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。它們就這樣複製自己並繁殖。在有些情況下複製有些誤差。這些誤差通常使新的宏觀分子不能複製自己，並最終被消滅。

    然而，一些誤差會產生出新的宏觀分子，它們會更有效地複製自己。因此它們具有優勢，並趨向於取代原先的宏觀分子。進化的過程就是用這種方式開始，並導致越來越複雜的自我複製組織的產生。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，而釋放出氧氣。這就逐漸地將大氣改變成今天這樣的成分，並且允許諸如魚、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。

    宇宙從非常熱的狀態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，它還留下許多未被回答的重要問題：

    （1）為何早期宇宙如此之熱？

    （2）為何宇宙在大尺度上如此均勻？為何它在空間的所有點上和所有方向上看起來相同？尤其是，當我們朝不同方向看時，為何微波輻射背景的溫度幾乎完全相同？

    這有點像問許多學生一個考試題。如果所有人都給出完全相同的回答，你就會相當肯定，他們相互之間交流過。在上述的模型中，從大爆炸開始光還沒有來得及從一個遙遠的區域到達另一個區域，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到達另一個區域，則沒有任何其他的信息能做到。所以，除非因為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達到相互一樣的溫度。

    （3）為何宇宙以這麽接近於區分坍縮和永遠膨脹模型的臨界膨脹率開始，這樣即使在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哪怕小十億億分之一，那麽在它達到今天這麽大的尺度之前宇宙早已坍縮。

    （4）盡管宇宙在大尺度上是如此的一致和均勻，它卻包含有局部的無規性，諸如恒星和星係。人們認為，這些是從早期宇宙中不同區域之間密度的細小差別發展而來的。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，因為它預言，宇宙是從在大爆炸奇點處的無限密度起始的。廣義相對論和所有其他物理定律在奇點處都失效了：

    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割除去大爆炸奇點和任何先於它的事件，因為它們對我們沒有任何觀測效應。時空會有一個邊界——大爆炸處的開端。

    科學似乎揭示了一族定律，在不確定性原理設下的極限內，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自身按照這些定律去演化，而現在不對它幹涉。但是，他是怎麽選擇宇宙的初始狀態和結構的呢？什麽是在時間起始處的“邊界條件”？

    一種可能的回答是，上帝選擇宇宙的這種初始結構是因為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能理解的方式開始，他為何又選擇讓它按照我們可理解的定律去演化？

    整部科學史正是對事件不是以任意方式發生，而是反映了一定內在秩序的逐步的意識。這秩序可以是，也可以不是由神靈啟示的。隻有假定這種秩序不但應用於定律，而且應用於時空邊界處的條件時才是自然的，這種條件指明宇宙的初始態。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。

    所謂的混沌邊界條件即是這樣一種可能性。這些條件含蓄地假定，要麽宇宙是空間無限的，要麽存在無限多宇宙。在混沌邊界條件下，在剛剛大爆炸之後，尋求任何空間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混沌和無序的。

    因為與光滑和有序的宇宙相比，存在著多得多的混沌和無序的宇宙。（如果每一結構都是等幾率的，因為混沌無序態多得這麽多，宇宙多半會從這種態起始）。很難理解，從這樣混沌的初始條件，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，密度起伏導致比伽馬射線背景觀測設定的上限多得多的太初黑洞的形成。