1. 第一章 我們的宇宙圖像

我們生存在一個奇妙無比的宇宙中。只有憑借非凡的想象力才能鑒賞其年齡、尺度、狂暴甚至美麗。在這個極其廣袤的宇宙中，我們人類所處的地位似乎微不足道。因此我們試圖理解這一切的迫切心情是可以理解的。我們人類究竟是什么？我們究竟從哪里來，又將到哪里去？關于宇宙的起源和命運的故事，自古以來就吸引著各個時代最優(yōu)秀的思想家。宇宙曾經是這樣的：如此之巨大，以致沒有開端和終結，它只是簡單地在時間中存在？抑或它是在過去的某個特定時刻創(chuàng)生，并可能在未來終結？如何理解在它外部可能存在的世界？時空的本質是什么？它如何以及為何創(chuàng)生？它是我們宇宙的特征嗎？或者它僅僅是更基本的某種東西的衍生？這個故事——我們現代宇宙學——開始于一種認識：我們宇宙的行為在非常大的尺度上由一種稱為廣義相對論的理論來描述。我們現在知道，這個理論在時間的開端處失效。但是廣義相對論本身預言了它的失效，正如我們將看到的，它預言了宇宙以及時間本身應有一個開端，還預言了時間在大爆炸處應有一個終結。這個故事就是關于我們如何達到這種認識，以及由此產生的新的疑難和問題，包括最近的一些嘗試，這些嘗試旨在尋求一個更深刻的理論，在這個理論中，時間可以存在而無始終。

2. 第二章 空間和時間

我們現在關于物體運動的觀念來自于伽利略和牛頓。在他們之前，人們信奉亞里士多德的學說，他說物體的自然狀態(tài)是靜止的，并且只有在受到力或沖擊的推動時才運動。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因為它受到更大的力將其拉向地球。亞里士多德的傳統(tǒng)觀點還認為，人們依靠純粹思維即可以找出所有制約宇宙的定律；我們不必要用觀測去檢驗之。這樣，伽利略是第一個駁斥亞里士多德錯誤觀念的人。據說伽利略從比薩斜塔上扔下不同重量的物體，并觀察它們是否同時落地。但是，這故事很可能不真實。不過，伽利略的確做了一些等效的事——讓不同形狀的球從光滑的斜面上滾下。這種情況類似于重物的垂直下落，只是因為速度小而更容易觀察。伽利略的測量指出，不管物體的重量是多少，其速度增加的速率是一樣的。例如，你在一個沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上釋放一個球，則球在滾下斜面時每秒的速度增加1米/秒。如果釋放一個重一倍的同質球，其速度仍會增加1米/秒。更輕的或更重的球也應該以相同的速率增加速度。（當然，一個羽毛會因空氣阻力而緩慢下落，但是一個重羽毛和一個輕羽毛下落的速度一樣。）伽利略的測量被牛頓用來作為他的運動定律的基礎。在伽利略的實驗中，當物體從斜坡上滾下時，它一直受到將其拉向地球的恒定的力（它的重量），其效應是使它恒定地加速。這表明，力的真正效應總是改變物體的速度，而不是像原先想象的那樣，僅僅使之運動。同時，它還意味著，只要一個物體沒有受到外力，它就會以同樣的速度保持直線運動。這是牛頓第一定律，它直接來自于伽利略的實驗結果。

亞里士多德和伽利略牛頓觀念的巨大差別在于，亞里士多德相信存在一個優(yōu)越的靜止狀態(tài)，任何沒有受到外力和沖擊的物體都處于這種狀態(tài)。特別是他以為地球是靜止的。但是從牛頓定律引出，并不存在唯一的靜止標準。人們可以講物體A靜止而物體B以恒定的速度相對于物體A運動，或物體B靜止而物體A運動，這兩種講法是等價的。例如，我們暫時不理睬地球的自轉和它圍繞太陽的公轉，則可以講地球是靜止的，一列火車以每小時90英里的速度向北前進，或火車是靜止的，而地球以每小時90英里的速度向南運動。如果一個人在火車上做運動物體的實驗，所有牛頓定律仍然都成立。例如，在火車上打乒乓球，人們會發(fā)現，正如在鐵軌旁一張臺桌上的球一樣，乒乓球服從牛頓定律，所以無法得知是火車還是地球在運動。

缺乏靜止的絕對標準意味著，人們不能確定，在不同時間發(fā)生的兩個事件是否發(fā)生在空間的同一位置。例如，假定在火車上我們的乒乓球直上直下地彈跳，在一秒鐘前后兩次撞到桌面上的同一處。在鐵軌上的人來看，這兩次彈跳發(fā)生在大約相距90英里的不同的位置，因為在這兩回彈跳的間隔時間里，火車已經在鐵軌上走了這么遠。這樣，不存在絕對靜止意味著不能給事件指定一個絕對的空間位置，正如牛頓的絕對時間一樣。事件的位置以及它們之間的距離對于在火車和鐵軌上的人來講是不同的，所以沒有理由以為一個人的立場比別人的更優(yōu)越。

牛頓對絕對空間或絕對時間的存在非常憂慮，因為他意識到了他的定律隱含著絕對運動的不存在。但是，盡管如此，他還是接受了絕對空間。盡管他受到嚴厲的批評，大多數人卻直到20世紀初都接受絕對空間。牛頓之所以接受絕對空間，是因為他信仰一個絕對的上帝。事實上，即使不存在絕對空間，他的定律也能同樣好地成立。然而，正是這種絕對的、獨立于物質的空間和時間觀念，在20世紀初被愛因斯坦的狹義相對論所推翻。

3. 第三章 膨脹的宇宙

1929年，哈勃發(fā)表的結果證實了這種關系：甚至在大尺度上，星系也正在飛離我們，其退行速度正比于它們和我們之間的距離。哈勃發(fā)現，星系的光譜向紅端移動，而且紅移量大致與星系的距離成正比。解釋這個紅移的唯一合理的方式是，星系正在遠離我們運動，而且退行速度與距離成正比——這正是弗里德曼模型所預言的情形。哈勃的發(fā)現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙的尺度無窮小，而且無限緊密。在這種條件下，所有科學定律并因此所有預見將來的能力都崩潰了。如果在此時刻之前有過些事件，它們將不可能影響現在發(fā)生的東西。因為它們沒有任何觀測的后果，所以我們可以把它們從我們的模型中剪切掉，并宣稱時間從大爆炸開始。

人們必須接受的觀念是：空間本身正在膨脹，而且星系隨之而被攜帶相互離開，這正如同一個畫上許多斑點的氣球被吹脹的情形。當氣球膨脹時，任何兩個斑點之間的距離增加，但是沒有一個斑點能被認為是膨脹的中心。不僅如此，斑點相離得越遠，則它們互相離開得越快。類似地，在弗里德曼模型中，任何兩個星系互相離開的速度和它們之間的距離成正比。所以，他預言了星系的紅移應與離開我們的距離成正比，這正是哈勃發(fā)現的。盡管弗里德曼只找到一個模型，其實滿足宇宙在空間中均勻且各向同性的基本假設的模型共有三個。

在第一類（弗里德曼找到的那一類）中，宇宙膨脹得足夠慢，以至于在不同星系之間的引力使膨脹減緩，并最終停止。然后星系開始相互靠近，而宇宙收縮。圖3.2表示隨著時間增加兩個鄰近星系的距離的變化。在時間起點處為零，它增長到最大值，然后減小到零；在第二類解中，宇宙膨脹得如此之快，以至于引力雖然能使之緩慢一些，卻永遠不能使之停止。圖3.3表示此模型中的鄰近星系的距離。它從零開始，最后星系以穩(wěn)恒的速度相互離開；最后，還有第三類解，宇宙的膨脹速度剛好足以避免坍縮。正如圖3.4所示，星系的距離也從零開始，然后永遠增大。然而，雖然星系分開的速度永遠不會變?yōu)榱�，這速度卻越變越小。

4. 第四章 不確定性原理

為了預言一個粒子未來的位置和速度，人們必須能夠準確地測量它現在的位置和速度。顯而易見的辦法是將光照射到這粒子上。一部分光波被此粒子散射開來，由此指明它的位置。然而，人們不可能將粒子的位置確定到比光的兩個波峰之間距離更小的程度，所以必須用短波長的光來測量粒子的位置。現在，由普朗克的量子假設，人們不能用任意少的光的量，至少要用一個光量子。這量子會擾動這粒子，并以一種不能預見的方式改變粒子的速度。而且，位置測量得越準確，所需的波長就越短，單獨量子的能量就越大，這樣粒子的速度就被擾動得越厲害。換言之，你對粒子的位置測量得越準確，你對速度的測量就越不準確，反之亦然。海森伯指出，粒子位置的不確定性乘上粒子質量再乘以速度的不確定性不能小于一個確定量——普朗克常數。并且，這個極限既不依賴于測量粒子位置和速度的方法，也不依賴于粒子的種類。海森伯不確定性原理是世界的一個基本的不可回避的性質。

不確定性原理對我們世界觀有非常深遠的影響。甚至到了70多年之后，它還沒有被許多哲學家充分鑒賞，仍然是許多爭議的課題。不確定性原理使拉普拉斯的科學理論，即一個完全宿命論的宇宙模型的夢想壽終正寢：如果人們甚至不能準確地測量宇宙的現在的態(tài)，就肯定不能準確地預言將來的事件了！我們仍然可以想象，對于一些超自然的生物，存在一族完全地決定事件的定律，這些生物能夠不干擾宇宙地觀測它現在的狀態(tài)。然而，對于我們這些凡夫俗子而言，這樣的宇宙模型并沒有太多的興趣�？磥�，最好是采用稱為奧鏗剃刀的經濟學原理，將理論中不能被觀測到的所有特征都割除掉。20世紀20年代，在不確定性原理的基礎上，海森伯、厄文·薛定諤和保羅·狄拉克運用這種手段將力學重新表述成稱為量子力學的新理論。在此理論中，粒子不再有分別被很好定義的、能被同時觀測的位置和速度，而代之以位置和速度的結合物的量子態(tài)。

5. 第五章 基本粒子和自然的力

亞里士多德相信宇宙中的所有物質由四種基本元素即土、空氣、火和水組成。有兩種力作用在這些元素上：引力，這是指土和水往下沉的趨勢；浮力，這是指空氣和火往上升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。亞里士多德相信物質是連續(xù)的，也就是說，人們可以將物質無限制地分割成越來越小的小塊，即人們永遠不可能得到一個不可再分割下去的最小顆粒。然而，幾個希臘人，例如德謨克利特，則堅持物質具有固有的顆粒性，而且認為每一件東西都是由大量各種不同類型的原子組成（原子在希臘文中的意義是“不可分的”）。爭論一直持續(xù)了幾個世紀，任何一方都沒有任何實際的證據。但1803年英國人約翰·道爾頓指出，化合物總是以一定的比例結合而成的，這一事實可以用由原子聚合一起形成叫做分子的個體來解釋。然而，直到20世紀初這兩個學派的爭論才以原子論的勝利而告終。愛因斯坦提供了一個重要的物理學證據。1905年，在他關于狹義相對論的著名論文發(fā)表前的幾周，他在發(fā)表的另一篇文章里指出，所謂的布朗運動——懸浮在液體中塵埃小顆粒的無規(guī)則隨機運動——可以解釋為液體原子和灰塵粒子碰撞的效應。

當時人們就以為原子是基本粒子。但是1911年歐內斯特·盧瑟福在卡文迪許實驗室證明，原子是由一個很小的帶正電荷的核以及圍繞著它公轉的帶負電荷的電子組成的。他通過分析從放射性原子釋放出的α粒子撞擊到原子上的偏折情況而推斷出這一結論。起初，人們認為原子核是由電子和不同數量的帶正電的叫做質子的粒子組成。質子是由希臘文中的“第一”演化而來，因為質子被認為是組成物質的基本單位。然而，1932年盧瑟福在卡文迪許實驗室的一位同事詹姆斯·查德威克發(fā)現，原子核還包含另外稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質子一樣大的質量但不帶電荷。查德威克因這個發(fā)現獲得諾貝爾獎，并被選為卡文迪許實驗室教授。后來，他因為和一位同事在爭論上分歧而辭去此職務。一批年輕的科學家從戰(zhàn)爭中回到核物理研究，他們對他不能和這樣的氣量相容感到震驚。

直到大約30年前，人們還認為質子和中子是“基本”粒子。但是，將質子和另外的質子或電子在高速度下碰撞的實驗表明，它們事實上是由更小的粒子構成的。這些粒子叫做夸克，它們具有極不尋常的性質。它們不像其他粒子那樣以低于光速的速度運動，而且只能作為復合體的一部分而存在，這些復合體具有整個數目的電荷。質子或中子包含三個夸克，介子包含一個夸克和一個反夸克。反夸克是夸克對應的反物質。存在著幾種不同類型的夸克：至少有六種“味”，這些味我們稱之為上、下、奇、粲、底和頂。每一味都帶有三種“色”，即紅、綠和藍。（必須強調，這些術語僅僅是記號而已；夸克比可見光的波長小得多，所以在通常意義下沒有任何顏色。這只不過是現代物理學家似乎更富有想象力地命名新粒子和新現象的一個例子——他們不再讓自己受限制于希臘文！）一個質子或中子由三個夸克組成，每個夸克各有一種顏色——一個紅、一個綠、一個藍。一個粒子的三個夸克的色不斷地相互改變，但是因為它們配合得這么好，所以復合粒子在外部看來是無色的。

隨著越來越大的粒子的發(fā)現，所謂“基本”粒子這一術語似乎有點不合適。實際上，這些粒子是否應被平等地視為“基本”，或者它們中的一些是否由其他更小的粒子構成，這仍然是一個懸而未決的問題。甚至質子和中子（一度被認為是“基本”粒子）現在已知是由夸克構成的。在20世紀的頭一半，我們了解了原子結構；在20世紀的后一半，我們了解了原子核結構；在21世紀，我們是否將了解質子和中子的結構？我們是否將發(fā)現更基本的組成部分？

6. 第六章 黑洞

黑洞是科學史上極為罕見的情形之一，在沒有任何觀測到的證據證明其理論是正確的情形下，作為數學的模型被發(fā)展到非常詳盡的地步。的確，這經常是反對黑洞的主要論據：你怎么能相信一個其依據只是基于令人懷疑的廣義相對論的計算的對象呢？然而，1963年，加利福尼亞的帕羅瑪天文臺的天文學家馬丁·施密特測量了在稱為3C273（即是劍橋射電源編目第三類的273號）射電源方向的一個黯淡的類星體的紅移。他發(fā)現引力場不可能引起這么大的紅移——如果它是引力紅移，這類星體必須具有如此大的質量，并離我們如此之近，以至于會干擾太陽系中的行星軌道。這暗示此紅移是由宇宙的膨脹引起的，進而表明這個物體離我們非常遠。由于在這么遠的距離還能被觀察到，它必須非常亮，也就是必須輻射出大量的能量。人們會想到，產生這么大量能量的唯一機制看來不僅是一個恒星，而是一個星系的整個中心區(qū)域的引力坍縮。人們還發(fā)現了許多其他類星體，它們都有很大的紅移。但是它們都離開我們太遠了，所以對之進行觀察太困難，以至于不能給黑洞提供結論性的證據。

1967年，劍橋的一位研究生約瑟琳·貝爾發(fā)現了天空發(fā)射出無線電波的規(guī)則脈沖的物體，這對黑洞的存在的預言帶來了進一步的鼓舞。起初貝爾和她的導師安東尼·赫維什以為，他們可能和我們星系中的外星文明進行了接觸！在宣布他們發(fā)現的討論會上，他們將這四個最早發(fā)現的源稱為LGM1－4，LGM表示“小綠人”（“Little Green Man”）。然而，最終他們和所有其他人都得到不太浪漫的結論，這些被稱為脈沖星的物體，事實上是旋轉的中子星。這些中子星由于它們的磁場和周圍物質復雜的相互作用，而發(fā)出無線電波的脈沖。這對于寫空間探險的作者而言是個壞消息，但對于我們這些當時相信黑洞的少數人來說，是非常有希望的——這是第一個中子星存在的證據。中子星的半徑大約10英里，只是恒星變成黑洞的臨界半徑的幾倍。如果一顆恒星能坍縮到這么小的尺度，預計其他恒星能坍縮到更小的尺度而變成黑洞，就是理所當然的了。

按照黑洞定義，它不能發(fā)出光，我們何以希望能檢測到它呢？這有點像在煤庫里找黑貓。慶幸的是，有一種辦法。正如約翰·米歇爾在他1783年的先驅性論文中指出的，黑洞仍然將它的引力作用到它周圍的物體上。天文學家觀測了許多系統(tǒng)，在這些系統(tǒng)中兩顆恒星由于相互之間的引力吸引而相互圍繞著運動。他們還觀察到了這樣的系統(tǒng)，其中只有一顆可見的恒星圍繞著另一顆看不見的伴星運動。人們當然不能立即得出結論說，這伴星即為黑洞——它可能僅僅是一顆太暗以至于看不見的恒星而已。然而，有些這種系統(tǒng)，例如叫做天鵝X－1的系統(tǒng)，也是強X射線源。對這現象的最好解釋是，物質從可見星的表面被吹起來，當它落向不可見的伴星時，發(fā)展成螺旋狀的軌道（這和水從浴池流出很相似），并且變得非常熱，發(fā)出X射線（圖6.2）。為了使這機制起作用，不可見物體必須非常小，像白矮星、中子星或黑洞那樣。從觀察那顆可見星的軌道，人們可推算出不可見物體的最小的可能質量。在天鵝X－1的情形，這質量大約是太陽質量的6倍。按照昌德拉塞卡的結果，它的質量太大了，既不可能是白矮星，也不可能是中子星。所以看來它只能是一個黑洞。

黑洞是這樣一個時空區(qū)域，那里的引力場強到使任何東西，甚至光都不能逃逸出來。正如在第七章將要討論的，廣義相對論預言，重質量的恒星當其核燃料耗盡時會坍縮成黑洞。黑洞將吞噬任何穿過其事件視界的東西，并且，正如我在1970年證明的，它的質量和表面積都會增加。事件視界，即黑洞的邊界，正如同一個臨界的膜：一旦穿過它，物體就無法再返回了。然而，當黑洞的質量增加時，事件視界的面積總是增加。而且，如果兩個黑洞碰撞并合并成一個單獨的黑洞，圍繞形成黑洞的事件視界的面積比原先兩個黑洞事件視界的面積的和更大。這些性質暗示，在事件視界的面積和熱力學的熵概念之間存在類似。熵可被看作是系統(tǒng)無序度的度量，或等價地講，是它缺乏信息度的度量。熱力學著名的第二定律說，熵隨時間增加。

我首先意識到，事件視界的面積永不減少的行為，類似于被稱為熵的物理量的行為。熵測量一個系統(tǒng)的無序度，而且除非外界對它做功，否則它總是增加的。例如，如果我打碎一個花瓶，它的熵就增加了，因為現在碎片比整個花瓶處于更無序的狀態(tài)。但是，要把它重新拼湊成原來的狀態(tài)，我就必須消耗能量，因此增加了宇宙的無序度。這個事實是熱力學第二定律的一個例子。它說，宇宙中的總熵總是隨時間增加。我和其他人證明，當物質和輻射落入黑洞時，黑洞的事件視界的面積會增加，因此，黑洞事件視界面積的度量，非常像是黑洞的熵。通過發(fā)射霍金輻射，黑洞會損失質量，其事件視界的面積會減小。但是輻射的熵會補償黑洞熵的減少，第二定律從未被違反過。

7. 第七章 黑洞不是這么黑的

在1970年以前，我關于廣義相對論的研究，主要集中于是否存在一個大爆炸奇點。然而，同年11月我的女兒露西出生后不久的一個晚上，當我上床時，開始思考黑洞的問題。我的殘廢使得這個過程相當慢，所以我有許多時間。那時候還不存在關于時空的那些點是在黑洞之內還是黑洞之外的精確的定義。我已經和羅杰·彭羅斯討論過將黑洞定義為不能逃逸到遠處的事件集合的想法，這也就是現在被廣泛接受的定義。它意味著，黑洞邊界——即事件視界——是由剛好不能從黑洞逃逸而永遠只在邊緣上徘徊的光線在時空里的路徑形成的。這有點像從警察那里逃開，但是僅僅只能比警察快一步，而不能完全地逃脫的情景！

我忽然意識到，這些光線的路徑永遠不可能互相靠近。如果它們靠近，它們最終就必須互相撞上。這正如和另一個對手朝相反方向跑開——你們倆最終都會被抓到�。ㄈ绻厍蚴菑澢�，你們甚至可以在開始跑時就撞上。）但是，如果這些光線被黑洞所吞沒，那它們就從來沒有從黑洞逃逸出來過。所以，光線在事件視界上的路徑必須永遠是互相平行或互相散開的。另一種看到這一點的方法是，事件視界，亦即黑洞邊界，正像一個影子的邊緣——一個即將臨頭的災難的影子。如果你看到在遠距離上的一個源（例如太陽）投下的影子，就能明白影子邊緣上的光線不會互相靠近。

如果從事件視界（亦即黑洞邊界）來的光線永遠不可能互相靠近，則事件視界的面積可以保持不變或者隨時間增大，但它永遠不會減小——因為這意味著至少一些在邊界上的光線必須互相靠近。事實上，每當物質或輻射落到黑洞中去，這面積就會增大（圖7.2）；或者如果兩個黑洞碰撞并合并成一個單獨的黑洞，這最后的黑洞的事件視界面積比原先兩個黑洞的視界面積的和更大（圖7.3）。事件視界面積的不減性質給黑洞的可能行為加上了重要的限制。我如此地為我的發(fā)現所激動，以至于當夜沒睡多少。

黑洞輻射的發(fā)現，看來未受測不準原理的限制，而測不準原理是量子力學的基礎。然而，正是因為黑洞發(fā)出輻射，所以我們可以協(xié)調量子力學和廣義相對論，而不犧牲測不準原理。因此，在某種意義上，我們可以說，引力輻射的發(fā)現拯救了量子力學。它表明，引力不是像以前設想的那樣，是經典理論中的一種普通的力。相反，它是由被稱為引力子的粒子攜帶的。引力子沒有質量，因此它們由長程場攜帶，正如光子一樣。但是，因為它們與引力的平方反比定律相關聯，它們不是以光速運動，而是以無限速度運動嗎？不，廣義相對論預言，引力波應以光速運動，而這一預言已被觀測所證實。那么，引力子必須以光速運動，因此它們具有零靜質量。但是，這樣它們如何能攜帶長程力呢？答案是，引力子與虛粒子不同，它們是實粒子。正如我們看到的，實粒子可以以小于光速的速度運動，而虛粒子可以以任何速度運動。但是，長程力是由虛粒子，而不是由實粒子攜帶的。因此，引力不能由引力子攜帶。相反，它是由時空彎曲所代表的經典場攜帶的。

8. 第八章 宇宙的起源和命運

如果在一個清澈的、無月亮的夜晚仰望星空，能看到的最亮的星體最可能是金星、火星、木星和土星這幾顆行星，還有巨大數目的類似太陽但離開我們遠得多的恒星。事實上，當地球繞著太陽公轉時，某些固定的恒星相互之間的位置看起來確實有了非常微小的改變——它們不是完全固定不動的！這是因為它們距離我們相對靠近一些。當地球繞著太陽公轉時，相對于更遠處的恒星的背景，我們從不同的位置觀測它們。這是幸運的，因為它使我們能直接測量這些恒星離開我們的距離，它們離我們越近，就顯得移動得越多。最近的恒星叫做普羅希馬半人馬座，它大約在4光年那么遠。它發(fā)出的光要花4年才能到達我們。這意味著，當我們觀測這顆恒星時，我們看到的是它4年前的樣子。這樣，觀察宇宙就有點像在觀看一部影片。我們所看到的最遠的物體是類星體。有些類星體在100億光年那么遠，所以我們是在看100億年前的樣子，也就是在看宇宙的嬰兒時期。

弗里德曼對于宇宙做了兩個非常簡單的假定：我們不論從哪個方向看，也不論在任何地方進行觀察，宇宙看起來都是一樣的。弗里德曼指出，僅僅從這兩個觀念出發(fā)，我們就應該預料宇宙不是靜態(tài)的。事實上，弗里德曼在1922年所做的預言，正是哈勃在1929年發(fā)現的宇宙膨脹。宇宙膨脹的發(fā)現是20世紀最偉大的智力革命之一。它完全出乎人們的意料，而且徹底改變了關于宇宙起源的討論。如果星系正在相互離開，那它們在過去必然更加靠近。這就意味著，在過去某個時刻，所有星系可能曾相互重疊在一起，其密度為無限大。這個時刻很可能是宇宙的開端。大約在150億年前，宇宙有一個開端，這是所謂的“大爆炸”。它正是宇宙的起源。

盡管弗里德曼只找到一個模型，其實滿足他的兩個基本假設的共有三類模型。在第一類模型（即弗里德曼本人找到的）中，宇宙膨脹得足夠慢，以至于在不同星系之間的引力使膨脹變慢下來，并最終停止。然后星系開始相互靠近，而宇宙收縮。圖3.2表示隨著時間增加兩個鄰近星系的距離的變化。它在時間起點處為零，最后又減少到零；在第二類解中，宇宙膨脹得如此之快，以至于引力雖然能使之緩慢一些，卻永遠不能使之停止。圖3.3表示此模型中的鄰近星系的距離。它從零開始，最后星系以穩(wěn)恒的速度相互離開；最后，還有第三類解，宇宙的膨脹速度剛好足以避免坍縮。正如圖3.4所示，星系的距離從零開始，然后永遠增大。然而，雖然星系分開的速度永遠不會變?yōu)榱悖@速度卻越變越小。

第一類弗里德曼模型的奇異特點是，宇宙在空間上不是無限的，并且是沒有邊界的。引力是如此之強，以至于空間被折彎而又繞回到自身，使之相當像地球的表面。如果在地球表面上沿著任何方向不停前進，人們永遠不會遇到一個不可逾越的障礙或掉下邊緣，但最終會回到出發(fā)點。第一類弗里德曼模型中的空間正與此非常相像，只不過地球表面是二維的，而它是三維的罷了。第四維——時間——在范圍上也是有限的，但是它像一根有兩個端點或邊界即開端和終端的線。以后我們會看到，當人們將廣義相對論和量子力學的不確定性原理結合在一起時，空間和時間一起可以形成一個有限的、四維的、沒有奇點或邊界的空間，這正如地球的表面，但有更多的維數�？磥磉@種思想能夠解釋觀察到的宇宙的許多特征，諸如它的大尺度一致性，還有像星系、恒星甚至人類等等小尺度的偏離均勻性的起伏。它甚至可以說明我們觀察到的時間的箭頭。

9. 第九章 時間箭頭

至少存在三個不同的時間箭頭：第一個是熱力學時間箭頭，即是在這個時間方向上無序度或熵增加；然后是心理學時間箭頭，這就是我們感覺時間流逝的方向，在這個方向上我們可以記憶過去而不是未來；最后，是宇宙學時間箭頭，在這個方向上宇宙在膨脹，而不是收縮。

我斷言，心理學箭頭是由熱力學箭頭所決定，并且這兩種箭頭必須總是指向相同的方向。假如宇宙處于一個完全有序的狀態(tài)，它的熵為零，那么無序度或熵隨著時間增加，因為時間流逝，宇宙變得更加無序。那么，為什么我們觀察到熱力學箭頭和宇宙學箭頭一致呢？或者說，為什么無序度增加的時間方向正是宇宙膨脹的時間方向呢？如果人們相信，正如現在一般認為的那樣，宇宙是從一個大爆炸奇點起始的，這個問題就迎刃而解了。在初始時刻，宇宙是非常光滑和有序的。隨著時間流逝，因為宇宙膨脹，它就從有序變得無序。這就解釋了熱力學箭頭和宇宙學箭頭的一致。而且，我們只能記住那些已經發(fā)生過的事，不能記住尚未發(fā)生的事，這一事實可以解釋為什么心理學箭頭和熱力學箭頭一致。這樣，我們對時間方向的主觀感覺，即心理學箭頭，是在我們頭腦中由熱力學箭頭所決定的。正像一個計算機，我們只能在熵增加的方向上記住時間。

但是，如果宇宙停止膨脹并開始收縮，將會發(fā)生什么？熱力學箭頭會不會倒轉，而無序度開始隨時間減少呢？這會導致所有各種科學幻想的結果。人們會看到打碎的水杯集合起來，從地板上跳回到桌子上。人們會記住明天的價格，并在股票市場上發(fā)財。如果宇宙開始收縮，人們是否會從老年活到青年，并從收縮相存活到膨脹相？對于宇宙收縮相中的人們而言，熱力學和心理學時間箭頭會不會倒轉過來？這個問題是在我和我的兩個學生，戈登·貝里和邁克·拉弗蒂，合寫的一篇論文中提出的。我們得出結論，當宇宙開始收縮時，生命不可能繼續(xù)存在，更不用說觀察熱力學箭頭的倒轉了。其原因是，宇宙至少還要再收縮100億年才能達到大擠壓。但是，在宇宙收縮之前，太陽早已把地球燒成灰燼了，或者它已吞沒了地球。因此，在宇宙開始收縮之前，人類早已滅亡了。而且，在宇宙收縮相中，條件對于任何生命形式都是非常不利的。此外，在宇宙重新坍縮成高密度狀態(tài)之前，它不會達到熱平衡。這意味著，熱力學箭頭不會倒轉，因此我們不會看到打碎的水杯集合起來，從地板上跳回到桌子上。

10. 第十章 蟲洞和時間旅行

科學幻想作家之所以喜歡時間旅行的概念，是因為它開啟了進行各種探險的可能性。如果一個人能夠旅行到過去并改變歷史，那么邏輯上的一致性怎么維持？例如，如果你回到過去并在你父母親相遇之前將你父親殺死，那么你怎么會出生呢？還有一些人認為，自然總是巧妙地防止我們過去旅行到過去，以維持邏輯的一致性。然而，這似乎排除了我們進行時間旅行的自由意志。如果你能回到過去，并且在你父母相遇之前殺死你父親，那么有些事情必須阻止你這么做。因為你沒有這么做，所以你沒有自由意志。這似乎是一個悖論。

解決這些悖論的一種可能是，當時空被卷曲得可能旅行到過去時，在時空中就產生閉合的類時曲線。這樣，時空就不太可能具有許可時間旅行的拓撲。人們可以想象，某種超自然的存在物，在宇宙大爆炸時，在時空上強加了一個拓撲，這個拓撲不允許時間旅行。但是，如果宇宙是由某種統(tǒng)一理論完全決定地演化的話，那么對于時空的拓撲就沒有選擇。它必須是由方程和初始條件所確定的。但是，為什么這些方程和初始條件應該排除被似乎對我們而言是那么自然的時空拓撲呢？為什么時空拓撲不被選擇成能夠允許時間旅行呢？

愛因斯坦的廣義相對論似乎為時間旅行開啟了可能性。廣義相對論中，物質和能量使時空彎曲。物體（例如行星）試圖沿著彎曲時空中的直線運行，但是因為時空是彎曲的，所以它們的路徑顯得被一個力所彎曲。在廣義相對論中，有可能存在這樣的時空，其中人們可以旅行到過去。其中一個例子是包含兩根宇宙弦的時空。宇宙弦是假設的物體，它具有長度但截面很微小。它們聽起來像科學幻想，但有堅實的科學基礎。宇宙弦可能是在早期宇宙中形成的。因為它們的張力，以及它們從早期宇宙遺存下來的事實，宇宙弦可能被加速到非常高的速度。1974年，我發(fā)現了從黑洞輻射出粒子。黑洞輻射的發(fā)現依賴于量子理論，而量子理論是描述小尺度現象的。這表明，為了討論時間旅行，我們需要一個理論，它把廣義相對論和量子力學結合起來。

在量子理論中，時間旅行也許可能，但只能到某種程度。似乎有一個時序保護機構，防止閉合類時曲線的出現，從而阻止從宏觀尺度上的時間旅行。這個機構就是量子理論的不確定性原理。為了回到過去，你需要一個物質分布，它使時空彎曲成允許時間旅行的樣子。但是，不確定性原理意味著，物質不能完全精確地分布。相反，存在物質分布和速度的量子漲落。我計算過這些漲落，并且發(fā)現它們總是足以阻止閉合類時曲線的形成。因此，時間旅行似乎被物理定律所禁止。這對于歷史學家是一個幸事，它使世界對于科學幻想作家更安全，但是如果它使我們不能到過去旅行，也許將來某一天我們能夠到未來旅行。

11. 第十一章 物理學的統(tǒng)一

在謹慎樂觀的基礎上，我仍然相信，我們可能已經接近于探索自然的終極定律的終點。在我們尋求知識的過程中，我們可以宣稱，我們現在已經擁有了宇宙的最終理論的前奏。這個前奏就是所謂的M理論。M理論不是一個通常意義上的理論。它是整個理論網絡，這些理論看上去非常不同，但都可以從同一基本理論導出。這些理論中的每一個在現象范圍內都是好的描述。M理論網絡中的不同理論之間的關系是對偶性。這指的是，兩個顯得不同的理論實際上可以等價，并且可以預言相同的物理結果。對偶性在物理學中不是一個新概念，但是它在M理論中起著核心作用。

如果M理論確實是對的，它就必須解釋宇宙的所有性質，包括像人類這樣的復雜結構。但是，我們是否真的需要一個新的萬有理論來做到這一點呢？我們周圍顯然世界的顯著特征之一是它的復雜性和多樣性。我們是如何從僅僅包含一些諸如電子和夸克這樣種類很少的基本粒子的宇宙出發(fā)，達到我們看到的如此復雜的世界的呢？答案在于，宇宙可以存在許多不同的態(tài)。我們可以生活在宇宙的一個區(qū)域，在這里某些物理常數具有允許生命發(fā)展的值。但是，在其他區(qū)域，這些常數具有不同的值。在這樣的區(qū)域，也許不存在任何生命。因此，我們觀察到的宇宙的復雜性，可能是由于我們生活在宇宙的一個允許生命存在的特殊區(qū)域。這被稱為人存原理。

人存原理有弱的和強的兩種版本。弱人存原理是講，在一個大的或無限的宇宙中，只有在某些局部區(qū)域才可能出現智慧生命存在的必要條件。在這些區(qū)域中，如果智慧生命觀察到他們存在的區(qū)域滿足那些必要條件，他們就不應感到驚訝。這有點像生活在富裕街區(qū)的一個富人，他看不到任何貧窮。強人存原理認為，存在許多不同的宇宙或者一個宇宙的許多不同區(qū)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。在這些宇宙中，只有很少數的宇宙允許像我們這樣的生命存在。在這些宇宙中，如果智慧生命存在，他們就會提出這樣的問題：“為什么宇宙是我們看到的這種樣子？”答案很簡單：如果它不是這個樣子，我們就不會在這里！

我們發(fā)現自己處于一個令人困惑的世界中。我們要理解周圍所看到的一切的含義，并且問道：宇宙的本質是什么？我們在它之中的位置如何？宇宙和我們從何而來？為什么它是這個樣子？我們試圖回答這些問題。我們尋求某種設計，某種宇宙的定律，它們賦予這些問題的意義。如果我們找到了這個問題的答案，那將是人類理性的終極勝利——因為那時我們就會知道上帝的精神。

12. 第十二章 結論

我們發(fā)現自己是處于使人困惑的世界中。我們要理解周圍所看到的一切的含義，并且問道：什么是宇宙的性質？我們在它之中的位置如何？宇宙和我們從何而來？為何它是這個樣子？我們采用某種“世界圖”來試圖回答這些問題，如同無限的烏龜塔——一個支持平坦地球的圖象一樣。超弦理論是另一種圖象，或者模型，它允許宇宙中的一切被描述為在時空中傳播的能量的振動模式。這些振動發(fā)生在一個十維或十一維的時空背景中，但是在我們看來，時空是四維的，因為額外維被卷曲成非常小的尺度。在某種意義上，我們周圍的所有東西，包括我們自己，都是宇宙的“音樂”。我們是生活在一個膜世界上，這個膜是更高維時空中的面。我們測量的物理定律被膜的拓撲以及額外維的幾何所決定。也許似乎這些概念和日常經驗相去甚遠。的確如此。但是，正如在本書中描述的，日常經驗本身在應用到宇宙這樣大的尺度或原子這樣小的尺度時，也是不適當的。

盡管我們在尋求知識的過程中取得了一些偉大的成功，我們并非處于故事的結尾，而是處于新篇章的開端。我們已經在尋求終極定律的道路上走了很長的路。但是，我們仍然有許多東西要學習。在20世紀，我們由于在原子和分子尺度上觀測宇宙的能力的改進而取得了巨大的進步。在21世紀，我們將在更小的尺度上，甚至在更接近大爆炸的時刻觀測宇宙。我們還將利用引力波，這種時空曲率的波紋，來觀測宇宙，正如我們利用電磁波一樣。引力波天文學將使我們看到宇宙的暴脹時期，并檢驗我們的理論。我們還可能發(fā)現宇宙的額外維的直接證據。但是，我們最偉大的發(fā)現將是我們未曾預料到的。

然而，如果我們確實發(fā)現了一套完整的理論，它應該在一般的原理上及時讓所有人（而不僅僅是少數科學家）所理解。那時我們所有人，哲學家、科學家以及普通百姓，都能參與討論我們和宇宙為什么存在的問題。如果我們對此找到了答案，那將是人類理性的終極勝利——因為那時我們知道了上帝的精神。

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