Astronomy 版 (精华区)

　　为了使宇宙继续膨胀并创生新物质，稳恒态模型需要修改广义相对论。但是所
需要的产生率非常低：大约为每年每立方公里一个粒子，这不会和观测相冲突。该
理论还预言了，星系和类似物体的平均密度不但在空间上而且在时间上必须是常数
。然而，由马丁·赖尔和他的剑桥小组进行的银河系外射电源的普查显示，弱源的
数目比强源的数目多得多。人们可以预料，弱的源在平均上讲应是较遥远的。这样
就存在两种可能性：或许我们正位于宇宙中的一个强源不如平均源频繁的区域；或
者过去的源的密度更高，光线在离开这些源向我们传播时更遥远的距离。这两种可
能性没有一种和稳恒态理论相协调，因为该理论预言射电源密度不仅在空间上而且
在时间上必须为常数。1964年阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现了从比我们的
银河系遥远得多的地方起源的微波辐射背景，这是对该理论的致命打击。它具有从
一个热体发射出的辐射的特征谱，尽管在这种情形下热这个字根本不适合，因为其
温度只不过比绝对零度高2.7度而已。宇宙是一个既寒冷又黑暗的地方！稳恒态理
论中没有一种产生具有这种谱的微波的合理机制，所以稳恒态理论难逃被抛弃的命
运。

　　1963年两位俄国科学家欧格尼·利费席兹和伊萨克·哈拉尼科夫提出另一种思
想，企图用来避免大爆炸奇性。他们说，只有当星系直接相互接近或离开时，它们
才会在过去的一个单独的点上相重叠，才导致无限密度状态。可惜的是，星系还多
少具有一些侧向速度，宇宙早斯就可能存在过这样的一种收缩相，这时，星系虽然
曾经非常靠近过，却能设法避免互相撞击。然后宇宙会继续重新膨胀，而不必通过
一种无限的密度的状态。

　　当利费席兹和哈拉尼科夫提出其设想时，我正是一名研究生，亟需一个问题以
完成博士论文。因为是否有守大爆炸奇点的问题对于理解宇宙的起源关系重大，所
以它引起了我的兴趣。我和罗杰·彭罗斯一道发展了一套数学工具，用以处理这个
以及类似的问题。我们指出，如果广义相对论是正确的，任何合理的宇宙模型都必
需起始于一个奇点。这就表明，科学能够预言，宇宙必须有一个开端，但是它不能
够预言宇宙应如何启始的：正因为如此，人们必须求助于上帝。

　　审察人闪对奇性看法的变化是十分有趣的。当我还是一名研究生时，几乎没人
认真地看待之。现在，作为奇性定理的一个结果，几乎无人不信宇宙是从一个奇眯
起始的，物理定律在该处失效。然而，现在我认为，虽然存在奇点，物理定律仍能
确定宇宙是如何起始的。

　　广义相对论是一种被称为经典的理论。也就是说，它没有顾及这个事实，即粒
子不具备精确定义的位置和速度，由于量子力学的不确定性原理位置和速度的小范
围内被“抹平”，不确定性原理不允许我们同时既测量又测量速度。因为正常情形
下时空的曲率在和粒子位置的不确定性相比较时非常大，这些以我们没什么影响。
然而奇性定理指出，在现在的宇宙膨胀相的开端，时空被高度地畸变，并且具有很
小的曲率半径。不确定性原理在这种情形下变成非常重要。这样，广义相对论因预
言奇性而导致自身的垮台。为了讨论宇宙的开端，我们需要一种结合广义相对论和
量子力学的理论。

　　那种理论便是量子引力论。我们尚未知道正确的量子引力论应采取的准确形式
。我们此刻所拥有的最佳候选者是超弦理论，但它仍有许多耒解决的困难。然而，
人们可以期望，任何有前途的理论都应具有某些特征。其中之一便是爱因斯坦的思
想，引力效应由被物质和能量所弯曲甚至卷曲的时空来体现。物体在弯曲空间中沿
着最接近于直线的轨迹运行。然而，由于时空是弯曲的。所以它们的路径就显得是
弯折的，正如同被引力场所弯折的似的。

　　另一种在这个终极理论中可以预料的要素是里查德·费因曼的设想，即量子理
论可以表达成“对历史的求和”。该思想可以最简单的形式表达成，每颗粒子在时
间中走过任何可能的路径或历史。每一路径或历史具有依其形状而定的概率。为了
使这种思想可行，人们必须考虑在虚时间里发生的历史，而不是在我们感受生活于
其中的实时间城发生的历史。虚时间听起来有点像是科学幻想的东西，其实它是定
义得很好的数学概念。它在某种意义上可被认为是和实时间成直角的时间方向。人
们把所有具有某种性质粒子历史，譬如讲在某些时刻通过某些点的历史的概率加起
来。然后应把这结果延拓到我们在其中生活的实的时空中去。这不是量子力学的最
熟知的手段，但它给出和其他方法得到的相同结果。

　　在量子引力的情形下，费因曼的对历史求和的思想牵涉到对宇宙的不同的可能
性的历史，也就是对不同的弯曲时空的求和。这些代表了宇宙和它之中的任何东西
的历史。人们必须指明，在对历史的求和中，应包括哪些种类的弯曲空间。这种空
间种类包括具有奇性的的空间，则该理论就不能确定这类空间的概率。相反的，它
们必须以某种任意的方法被赋予概率。这意味着科学不能预言时空这类奇性历史的
概率。这样，它就不能预言宇宙应如何运行。然而，宇宙可能处于由只包括非奇性
弯曲空间的求和所定义的状态。在这种情形下，科学定律就把宇宙完全确定，人们
就不必吁求宇宙之外的某物来确定宇宙如何启始。由只对非奇性历史的求和确定宇
宙的状态有点像一名醉汉在灯柱之下找他的钥匙：这儿也许不是他遗失之处，但是
这儿是他可能找到的仅有的地方。类似的，宇宙也许不处于由对非奇性历史求和定
义的状态，但这是科学能预言应当什么样子的仅有的状态。

　　1983年詹姆·哈特尔和我提出，宇宙的状态应由对一定种类历史的求和给出。
这类历史由没有奇性的，而且具有有限尺度却没有边界或边缘的弯曲空间组成。它
们像是地球的表面，只不过多了两维。地球的表面具有有限的面积，但是它不具有
任何奇性、边界或边缘。我曾经用实验验证过这一点。我作过环球旅行，而没有落
到外面去。

　　哈特尔和我所做的设想可以被重新表达成：宇宙的边界条件是它没有边界。只
有当宇宙处于这个无边界状态时，科学定律自身才能确定每种可能历史的概率。因
此，只有在这种情形下，已知的定律才会确定宇宙应如何运行。如果宇宙处于任何
其他的状态，则历史求和中的弯曲空间的种类就要包括具有奇性的空间。人们必须
求助于已知科学定律以外的某种原理，才能确定这种奇性历史的概率。这种原理就
会是外在于我们宇宙的某种东西。我们不能从我们宇宙之中将其推导出来。而另一
方面，如果宇宙是处于无边界状态，在原则上，我们就能在不确定性原理容忍的限
制之仙完全确定宇宙应如何运行。