第三章 果壳中的宇宙

 霍金

宇宙具有多重历史，每一个历史都是由微小的硬果确定的。

哈姆雷特也许想说，虽然我们人类的肉体受到许多限制，但是我们的精神却能自由地探索整个宇宙，甚至勇敢地闯出入连《星际航行》都畏缩不前之处——噩梦不再纠缠的话。

宇宙究竟是无限的，或者仅仅是非常浩渺的呢？它是永恒存在的，或者仅仅是年代久远的呢？我们有限的思维何以理解无限的宇宙？什么仅仅是这种企图是否就已经过于自信?我们是否冒着罗密修斯命运的风险?在经典的神话中,他为了人类的用火从宙斯处盗取火种,因为愚勇而受惩罚,他被连锁在岩石上,让鹰啄食他的肝脏。

尽管这些警戒的传说，我仍然相信，我们能够而且应该试图去理解宇宙。我们在这个方面以有了显著的进展，尤其是在前几年。当然，我们还未得到完整的图象。但以为期不远。

空间的最明显之处是它无限地向外延伸。现代仪器证明了这一点，譬如哈勃望远镜允许我们探测太空深处。我们所看到的是各种形状和尺度的数以亿计的星系。

每个星系包含难以记数的亿万个恒星，尤其许多恒星还被行星所围绕。我们生活在围绕着一个恒星公转的行星之上，而这个恒星位于螺旋形银河系的外臂上。螺旋臂上的尘埃遮住了我们在银河系平面上的宇宙视野，但是我们在该平面的每一边的方向圆锥中的视线都非常清晰，而且我们能够画出遥远星系的位置。我们发现星系大体均匀地分布于整个太空，有一些局部的聚集和空间。星系密度在非常大的距离外显得有些下降，但这也是因为它们如此遥远的暗淡，以至于我们看不见。我们所能说的是，宇宙在空间中永远延伸下去。

尽管宇宙似乎在空间的每一位置上都很相同，它肯定是随时间而变化的。这一点是直到20世纪的早期才被意识到。但此之前，人们认为，宇宙在本质上是时间不变的。它也许存在了无限长的时间，但是这会导致荒谬的结论。如果恒星已经辐射了无限长的时间，那么它们就会把宇宙加热到和它们相同的温度。因为每一道视线都会要么终结于恒星的表面，要么终结于被加热至和恒星一样炽热的尘埃尘云团之上，所以甚至在夜晚，整个天空都会和太陽一样明亮。

我们所有人都进行过夜空是黑的观察，这是非常重要的。它意味着宇宙不能以我们今天看到的状态存在了无限久的时间。过去一定发生过某些事情，使得恒星在有限的过去时刻点亮，这意味着从非常遥远恒星来的光线尚未到达我们这里。这就解释了夜空为何不在每一个方向发光。

如果恒星仅仅是永远地待在那里，为何它们在几十亿年前忽然点亮呢？是什么钟通知它们发亮的瞬间呢？正如我们看到过的，这个问题使那些哲学家，例如伊曼努尔·康德陷入沉思。他们相信，宇宙已经存在了无限久时间。但是对于大多数人而言，它和宇宙在仅仅几千年以前和现在非常相同的初始状态下创生的观念一致。

然而，20世纪20年代韦斯托·史里弗和埃德温·哈勃的观测开始偏离这种观念。1923年哈勃发祥了许多称为星云的黯淡的光斑，实际上是其他星系，正像我们太陽系的但在遥远距离之外的恒星的巨大集团。它们之所以显得这么微笑和黯淡，其距离一定非常遥远，甚至连光线都要花费几百万甚至几十亿年才能到达我们这里。这表明，宇宙的其实不可能发生在区区几千年以前。

但是哈勃发现的第二桩事情甚至更加非凡。天文学家们已经通晓，从分析来自其他星系的光线，可以测量它们是趋近还是远离我们的运动。使他们大为惊奇的是，他们发现，几乎所有的星系都运动离去。此外，它们距我们越远，则离开运动得越快。正是哈勃认识到这个发现的戏剧性含义：在大尺度上，每一个星系都从其余每个星系运动离去。宇宙正在膨胀。

宇宙膨胀的发现是20世纪的伟大的智力革命之一。它完全出乎意外，而且彻底改变了有关宇宙起源的讨论。如果星系正在相互运动离开，则它们在过去必然更加接近。我们从现在的膨胀率，可以估计它们在100至150亿年前必须非常接近。正如在上一章中描述的，罗杰·彭罗斯和我能够证明，爱因斯坦的广义相对论意味着，宇宙和时间本身有过一个可怕的爆炸中的开端。这里提供了夜空威吓黑暗的解释：没有恒星可以发光的比100亿至150亿年，也就是从大爆炸迄今的时间更久。

我们对如下观念熟视无睹，即事件总是由更早的事件引起，后者依序又是由比它还早的事件引起。存在一个向过去延展的因果性之链。但是假定这条链有一个开端。假定存在第一个事件，那么它的肇因又是什么呢？许多科学家不愿意面对这个问题。他们企图逃避它，或者像俄国人那样宣布宇宙没有开端，或者坚持说宇宙的开端不属于科学王国的范畴，而是属于形而上学或宗教。依我看来，这不是任何真正的科学家该采取的立场。如果科学定律在宇宙的开端处失效，它们不也可以在其他时间失败吗？如果定律只能有时成立则不能称之定律。我们也许是超过我们能力之外的任务，但是我们至少应该进行尝试。

彭罗斯和我证明的定理指出，宇宙必须有一开端，这些定理并没有对开端的性质给出很多信息。它们指出，宇宙从一个大爆炸启始的。很显然，人们面临的局面是，宇宙起源的问题属于科学范畴之外。

科学家不应该对这个结论满意。正如在第一章和第二章中指出的，广义相对论在大爆炸邻近失效的原因是，它没有和不正确定性原理相合并。爱因斯坦基于上帝不玩弄骰子的论断反对量子理论中的这个随机元素。然而所有证据表明，上帝完全是一名赌徒。人们可以将宇宙认为市一个庞大的赌场，在每一个场合下骰子都在滚动或者轮子在旋转。因为在你每回投掷骰子或者转动轮子之际都有输钱的风险，你也许会认为开赌场是一种非常冒险的营生。但在非常多次的赌博之后，虽然不能预言任何特定赌博的结束，却能预言得失的平均结果。赌场的经营者保证概率平均的结果对他们有利。这就是为什么赌场的经营者如此庸俗。你赢他们的仅有机会是把你所有的钱压下去掷几回骰子或者转几回赌轮。

宇宙的情景也是一样。当宇宙尺度很大，正如它今天这样时，骰子被投掷的次数极为巨大，其平均结果就会得出某种可遇见的东西。这就是为何对于大系统经典定律有效的原因。但是，当宇宙尺度非常微笑时，正如它在临近大爆炸的时刻，投掷骰子的次数很少，而不确定性原理则非常重要。

因为宇宙不停地滚动骰子，看看下一步还会发生什么，它就不像人们以为的那样仅仅存在一个历史。相反地，宇宙应该拥有所有可能的历史，伯里兹囊括了奥林匹克运动的所有金牌，虽然也许其概率很小。

宇宙具有很重历史懂得思想听起来像是科学幻想，但是它现在被当作科学事实而广被接受。正是理查德·费因曼提出了这个思想，他不仅是一位伟大的物理学家，也是一位有趣的人物。

我们现在所从事的是把爱因斯坦的广义相对论和费因曼的多种历史的思想合并成一个完备的统一理论，该理论将描述在宇宙中发生的一切事物。如果我们知道宇宙的历史是如何开始的话，这个统一理论就使我们能够计算宇宙将如何发展。但是统一理论自身并不告诉我们宇宙如何开始，或者说初始条件是什么。为此，我们需要所谓的“边界条件”，也就是告诉我们在宇宙的前沿，或者在空间和时间的边缘上发生什么的规则。

如果宇宙的前言只不过是在空间和时间的正常点上，我们便可以超越过它并宣布更远的领地为宇宙的一部分。另一方面，如果宇宙的边界是处于一个不整齐的边缘，在那儿空间和时间被挤皱而且密度无限大，要去定义有意义的边界条件则非常困难。

然而，我和一位合作者，詹姆·哈特尔意识到还存在第三种可能性。宇宙在空间和时间中也许没有边界。初看起来，这似乎与彭罗斯和我证明的定理直接接触。该定理看出，宇宙必须有一个开端，即时间的边界。然而，正如在第二章中解释过的，存在另一种时间，称作虚时间，那是和我们感觉到正在流逝的通常的实时间成直角的时间。宇宙在实时间中的历史确定其在虚时间中的历史，反之亦然，但是这两种历史可以非常不同。特别是，宇宙在虚时间中可不必有开端或终结。虚时间正如同空间中的另一个方向那样行为。这样，宇宙在虚时间中的历史可被认为是一张曲面，像一个球面，一个平面或者一个马鞍面，只不过是思维而不是二维的。

如果宇宙的历史像一张马鞍面或一张平面那样伸展出去，人们就遭遇到如何在无穷处选取边界条件的问题。但是，如果宇宙在虚时间中的历史是一张闭合的曲面，正如地球的表面那样，人们便可以在根本上避免边界条件的选取。地球的表面没有边界或边缘。从来未有可靠的报道说人们从那儿失阻落下。

如果正如哈特尔和我设想的那样，宇宙在虚时间中的历史的确是一张闭合的曲面，它对于哲学和我们从何而来的图景边有基本的含义。宇宙就会是完全自足的；它不需要外界的任何东西去卷紧其发条并启动之。想反地，宇宙中的任何东西都由科学定律以及宇宙之中的骰子的滚动所确定。这听起来也许有些狂妄，但是它正是我和许多其他科学家所相信的。

如果即便宇宙的边界条件是它没有边界，它也不仅仅只有一个单独的历史。它将具有多重历史，正如费因曼所建议的那样。对应于每一种可能的闭曲面在虚时间中多存在一个历史，而在虚时间中的每一个历史都确定其在实时间中的历史。这样，我们对于宇宙就有了过量的可能性。是什么东西从所有可能的宇宙中挑选出我们在其中生存的特殊的宇宙呢？我们会注意到的一点是许多可能的宇宙历史不会经过形成星系和恒星的过程序列，而这个序列对于我们自身的发展是至关重要的。而智慧生命在没有星系和恒星的条件下演化似乎是不太可能的。这样，我们作为能够诘问“宇宙为何是这样子？”的问题的生命的存在本身，便是加在我们生活其中的历史的一个限制。它意味着我们的历史是具有星系和恒星的少数历史中的一个。这就是所谓的人择原理的一个例子。人择原理讲，宇宙必须多多少少像我们看到的那样，否则的话，便不会有任何人在此观察它。许多科学家不喜欢人择原理，因为它似乎相当模糊，而且似乎没有多少预言能力。但是可以赋予人择原理以精确的表述，而且看来它在处理宇宙起源之时是关键的。在第二章中描述的M-理论允许巨大数量的可能的宇宙历史。这些历史中的大多数不适合智慧生命的发展：它们要么是空虚的，要么太短命，要么太过弯曲，或者在其他某方面出差错。而根据查里德·费因曼的多重历史观念，这些不可居住的历史可有相当高的概率。

事实上，可以存在多少不包含智慧生命的历史根本没有什么关系。我们只对智慧生命在其中发展的历史的子集感到兴趣。这种智慧生命可以一点都不像人类。小绿色外星人也可以。事实上，他们也许更优秀。人类的智慧行为的记录并不非常光彩。

作为人择原理威力的一个例子，考虑空间中的方向数目。我们生存在三维空间中，这是一个常识。那也就是说，我们可以用三个数代表空间中的一点的位置，例如纬度，精度和海拔高度。但是为何空间是三维的呢？为什么不像科学幻想中的那样为二维的，或者四维的，或者甚至是其他的维呢？在M-理论中，空间有九维或者十维，但是人们认为其中六七个或七个方向被卷曲成非常小，只留下三个大的几乎平坦的方向。

为何我们不生活在八维被卷曲得很小只留下二维可让我们察觉到的历史中呢？一只二维动物要消化食物非常困难。如果它有一个穿过自身的肠子，它就把动物分离成两部分，而这可怜的生灵就一分为二了。这样两个个年吨秒年的方向对于任何像智慧生命这样复杂的东西是不够的。另一方面，如果存在四个或者更多个的几乎平坦的方向，那么两个物体之间的万有引力在它们相互靠近时就增加的越快。这就意味着行星们没有围绕其太陽公转的稳定轨道。它们要么会落到太陽中去，要么逃逸到黑暗和寒冷的太空去。

类似的，原子中的电子的轨道也不稳定，因此我们所知的物体边不存在。这样，尽管多重历史的思想允许任何数目的几乎平坦的方向，只有具有三个平坦方向的历史才包括智慧生命。也只有具有三个在这种历史中才会提出这样的诘问：“为何空间具有三维？”

宇宙在虚时间中的最简单的历史是一个圆球面，正如地球的表面那样，只是多了两个维。它确定了宇宙在我们所经历的实时间中的历史，在这个历史中宇宙在空间的每一个点上都相同，而在时间中膨胀。它在这些方面和我们生活其间的宇宙很相象。但是其膨胀率非常快速而且踏它不断地越来越快。这种加速膨胀成为暴胀，因为它就像价格以一直上升的速率增长的方式。

一般而言，价格的暴胀被认为是糟糕的事，但是在宇宙的情形下，暴胀是非常有用的。其巨大的膨胀将早期宇宙也存在的坑坑洼洼全部抹平。随着宇宙膨胀，它从引力场借得能量去创造更多的物质。正的物质能量刚好和负的引力能量相互平衡，这样使总能量为零。当宇宙的尺度加倍，物质和引力能都加倍——这样，零的两倍仍为零。如果银行业这么简单该多好！

如果宇宙在虚时间中的历史是完美的圆球面，那么在实时间中的相应的历史就会是继续以暴胀方式永远膨胀的宇宙。当宇宙在暴胀时，物质不会落到一起形成星系和恒星，而且生命，更不用说像我们这样的智慧生命能够发展。这样，尽管多重历史思想允许在嘘时间中完美圆球面的宇宙历史，它们不是对特别有趣。然而，在嘘时间中球面南极处忽略平坦些的历史和我们更加相关。

在这种情形下，在实时间中的相应的历史首先以加速暴胀的方式膨胀。但是这种膨胀接着开始缓慢下来，而且星系能够形成。为了让智慧生命得以发展，南极处变平的程度必须是及其微小的。这将意味着宇宙将首先膨胀一个巨大的倍数。两次世界大战之间德国的通货膨胀创造了记录，价格上升了几十亿倍，但是在宇宙中发生的暴胀至少有一亿亿亿倍。

由于不确定性原理，包含智慧生命的宇宙不仅只有一个历史。相反地，在虚时间中的历史将为一整族稍微变形的球面。每一个对应在实时间中宇宙长时期但非无限久膨胀的历史。然后我们可以问这些允许的历史中的哪一个是最可能的。终于发现最可能的历史不是完全光滑的，而是具有微小的起伏的。在最可能历史中的涟漪实在是非常微小的。它和光滑的偏离只有十万分之一的数量级。尽管它们及其微小，我们已经设法观察到它们。这正是从太空不同方向到达我们这儿的微波的细小变化。宇宙背景探险者在1989年发射并且画出了天空的微波图。

不同颜色表示不同温度。但是从红到蓝的整体范围仅仅大约为一度的万分之一。然而，这种早期宇宙中不同区域之间的变化已足以在更密集的区域产生额外的引力吸引，去阻止它们永久膨胀下去，而使它们在自身的引力下重新坍缩，从而形成星系和恒星。这样，至少在原则上，COBE图是宇宙的所有结构的蓝图。

和智慧生命的出现相容的宇宙最可能历史在未来将如何行为呢？依宇宙中的物质的量而定，似乎存在不同的可能性。如果物质密度超过某一临界值。则星系之间的引力吸引就会使它们之间的分离减缓下来，而且最终阻止它们相互飞离。然后它们将开始相互下落，并在一次大挤压中都碰撞到一起。大挤压是在实时间中宇宙历史的终结。

如果宇宙密度低于临界值，则引力太弱，不足以阻止星系永远相互飞离。所有恒星都燃烧殆尽，而宇宙将变得越来越空虚，越来越冷。这样，事情又要完结，但是以一种不那么戏剧性的方式。不管是哪种方式，宇宙将要继续在生存好几亿年。

宇宙中除了物质，还可以包含所谓“真空能量”的东西。这种能量甚至存在于表现空虚的空间之中。按照爱因斯坦著名的方程，这种真空能量具有质量。这意味着它对宇宙膨胀具有引力效应。但是，非常引人注意的是，真空能量的效应和物质效应相反。物质使膨胀率缓慢下来，并最终能使之停止而且反转。另一方面，真空能量使膨胀加速，正如暴胀那样。事实上，真空能量恰恰如在第一章中提到的宇宙常数那样行为。那是爱因斯坦在1917年意识到，他的原先的方程不能允许一个代表静态宇宙的解时，加到方程上去的。在哈勃发现了宇宙膨胀之后，将这一项家到方程上的动机即不复存在，而爱因斯坦将宇宙常数当作一项错误的拒绝。

然而，着也许是根本就不是错误。正如在第二章中描述的，我们现在意识到，量子论意味着时空中充满了量子涨落。在一中超对称的理论中，这些基态起伏的无限大的正的和负的能量被完全对消，甚至连小的有限的真空能量都不遗留下来。仅有的令人惊讶的是，真空能量这么接近于零，这一点在不久前还没有这么显明。这也许是人择原理的另一个例子。具有更大的真空能量的历史不会形成星系，也就不包含能够询问这个问题的生物：“威吓真空能量这么低？”

我们从各种观测可以试图确定宇宙中物质和真空的能量。我们可以用一张图来表明此结果，水平方向代表物质的密度而垂直方向表示能量。点线显示智慧生命能够发展的区或边缘。

在这张图上分别标出对应于超星系，物质成团和微波背景的观测区域。幸运的是，这三个区域有一个共同的交集。如果物质密度和真空能量处于这个交集，它意味着宇宙膨胀在长期变缓慢之后已开始重新加速。看来暴胀可能是自然的一个定律。

我们在这一章中已经看到，如何按照浩渺宇宙在虚时间中的历史来解释它的行为。这个虚时间中的历史是细小的略微平坦的球面。它酷似哈姆雷特的果壳，然而这个果壳把在实时间中发生的一切都作为密码储存在它上面。这样哈姆雷特是完全正确的。我们也许是被束缚在果壳之中，而仍然自以为无限空间之王。