爱雅阁 / 天文地理 / 霍金讲演录 宇宙的起源

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       如果观测不与预言相符合,我们就知道在可能历史的种类中必须有奇性。然而,这就大致上是我们知道的一切。我们不能计算出这种奇性历史的概率,因此我们不能预言宇宙应如何运行。有人也许会认为,如果不可预见性只发生在大爆炸处,那不会太碍事,那毕竟是一百亿或二百亿年以前的事。但是,如果可预言性在大爆炸的非常强引力场中失效,那么只要恒星坍缩它也会失效。这种事件仅在我们的银河系中每周就会发生几次。我们的预言能力甚至按照天气预报的标准来说也是非常差劲的。

       当然,人们还会说,我们根本不必在乎发生在一颗遥远恒星处的可预言性的失效。然而,在量子理论中任何不被实际上禁止的东西都能够并将要发生。这样,如果可能历史的种类中包括奇性空间的话,这些奇性可在任何地方发生,而不仅在大爆炸处以及坍缩星之中。这意味着,我们不能预言任何东西。反过来说,我们能够预言事件的这一事实是反对奇性并赞同无边界设想的实验证据。

       那么无边界设想为宇宙做出什么预言呢?第一个预言是,因为宇宙的所有可能的历史在广延上都是有限的,所以人们用来作为时间测度的任何量都必须有一个最大值和一个最小值。这样宇宙就有一个开端和一个终结。在实时间中的开端即是大爆炸奇点。然而在虚时间中这个开端就不再是奇点。相反的,它有点像地球的北极。如果人们把地球表面的纬度当作时间的类似物,则可以说地球的表面从北极开始。然而,北极是地球上完全普通的一点。它没有任何特殊之处,同样的定律在北极正如同在地球上的其他地方同样地成立。类似的,我们用来标志作“在虚时间内宇宙的启始”的事件是时空中的一个通常的点,正如其他的点那样。科学定律在开端处正如在其他地方一样成立。

       人们从和地球表面的类比,也许会预料到,正如北极和南极相似一样,宇宙的终结会和开端相类似。然而,北南二极是对应于虚时间中的宇宙历史的开端和终结。如果人们把对历史求和的结果从虚时间向实时间延拓,就会发现宇宙在实时间中的开端和它的终结可以非常不同。

       约纳逊·哈里威尔和我对无边界条件的含义作过一个近似计算。我们把宇宙当作一个完全光滑和均匀的背景来处理,在这个背景上存在密度的小微扰。宇宙在实时间中从非常小的半径开始膨胀。最初的这种膨胀被称作暴涨,也就是说,宇宙尺度在比一秒还要短暂非常多的每一时间间隔中得到加倍,这正如在某些国家中每一年价格都要加倍一样。第一次世界大战后的德国也许创下了通货膨胀的世界纪录,一捆面包的价格在几个月的时间内从一个马克涨到一百万马克。但是没有任何东西可与似乎在极早期宇宙发生过的暴涨相比拟,宇宙尺度在一秒的极微小的部分时间内至少增加了一百万亿亿亿倍。这当然是发生在当局政府之前的事。

       暴涨在如下意义上来说,是件好事,它产生了一个在大尺度上光滑而均匀的宇宙,而且这个宇宙以刚好避免坍缩的临界速度膨胀。它还能在相当严格的意义上把宇宙的所有内容从无中创生出来,这是暴涨的又一好处。当宇宙像北极那样的一个单独点时,它不包含有任何东西。然而,在我们可观测到的宇宙部分至少有十的八十次方颗粒子。所有这些粒子从何而来呢?其答案是,相对论和量子力学允许物质从能量中以粒子反粒子对的形式创生出来。那么能量又是从何而来以创生物质呢?其答案是,它是从宇宙的引力能中借来的。宇宙亏欠了极大数量的负引力能的债务,它刚好和物质的正能量相平衡。其结果便是凯恩斯经济学的胜利:一个充满物质的、充满活力的正在膨胀的宇宙。引力能的债务只有在宇宙终结时才能偿付清。

       早期宇宙不能是完全均匀一致的,因为否则的话就会违反量子力学的不确定性原理。相反的,必须存在对均匀密度的一些偏差。无边界设想意味着,这些密度差别是从它们的基态开始,也就是说,它们是和不确定性原理相一致的尽可能的小。然而,这些差别在暴涨时被放大了。在暴涨时期结束之后,留下的宇宙是一些地方比另一些地方膨胀得稍快一些。在膨胀稍慢的区域,物质的引力吸引使膨胀进一步减慢。该区域最终会停止膨胀,并且收缩形成星系和恒星。这样,无边界设想可以解释我们四周看到的所有复杂结构。然而,它没有给宇宙作出单独的预言。相反地,它预言整整一族可能的历史,每一个历史都具有自己的概率。也许可能有这样的历史,工党在上次英国竞选中取胜,虽然这种概率很小。

       无边界设想对于上帝在宇宙事务中的作用含义极其深远。人们现在广泛接受,宇宙按照定义很好的定律演化。这些定律可能是上帝钦定的,但是他似乎不去干涉宇宙去违反这些定律。然而,直到不久以前,人们都认为这些定律不能适用于宇宙的开初。那就要依赖上帝去旋紧发条,并让宇宙顺着他的意愿的方式去运行。这样,宇宙的现状是上帝对初始条件选择的结果。

       然而,如果某种像无边界设想的东西是正确的话,则情况就会大大改观。在那种情形下,物理定律甚至也适用于宇宙的开端,这样上帝就没有选取初始条件的自由。当然他在选取宇宙要服从的定律上仍然具有自由。然而,这里并没有许多选择的余地。也许只存在很少数目的定律,这些定律是自洽的,并能导致像我们自己这么复杂的生物的存在,他能询问什么是上帝的性质。

       甚至即使只存在唯一的一族可能的定律,它也只不过是一族方程。究竟是什么东西将生命之火赋予这些方程,使之产生一个受它们制约的宇宙呢?难道终极的统一理论是如此之咄咄逼人,以至于其自身的实现成为不可避免?虽然科学能解决宇宙如何启始的课题,它仍然无法回答这个问题:为何宇宙必须存在?我对此没有答案。

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