时间简史全集-第19部分

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是重要的，因为它表明不必非常细心地选取我们居住的那部份宇宙区域的初始状态。所
以，如果愿意的话，我们可以利用弱人择原理解释宇宙为何是这个样子。然而，绝不是
任何一种初始结构都会产生像我们所观察到的宇宙。这一点很容易说明，考虑现在宇宙
处于一个非常不同的态，例如一个非常成团的、非常无规则的态，人们可以利用科学定
律，在时间上将其演化回去，以确定宇宙在更早时刻的结构。按照经典广义相对论的奇
点定理，仍然存在一个大爆炸奇点。如果你在时间前进方向上按照科学定律演化这样的
宇宙，你就会得到你一开始给定的那个成团的无规则的态。这样，必定存在不会产生我
们今天所观察到的宇宙的初始结构。所以，就连暴涨模型也没有告诉我们，为何初始结
构不是那种产生和我们观测到的非常不同的宇宙的某种态。我们是否应该转去应用人择
原理以求解释呢？难道所有这一切仅仅是因为好运气？看来，这只是无望的遁词，是对
我们理解宇宙内在秩序的所有希望的否定。
　　　　为了预言宇宙应该是如何开始的，人们需要在时间开端处有效的定律。罗杰·彭罗
斯和我证明的奇点定理指出，如果广义相对论的经典理论是正确的，则时间的开端是具
有无限密度和无限空间——时间曲率的一点，在这一点上所有已知的科学定律都失效。
人们可以设想存在在奇点处成立的新定律，但是在如此不守规矩的点处，甚至连表述这
样的定律都是非常困难的，而且从观察中我们没有得到关于这些定律应是什么样子的任
何提示。然而，奇点定理真正表明的是，该处引力场变得如此之强，以至于量子引力效
应变得重要：经典理论不再能很好地描述宇宙。所以，人们必须用量子引力论去讨论宇
宙的极早期阶段。我们将会看到，在量子力学中，通常的科学定律有可能在任何地方都
有效，包括时间开端这一点在内：不必针对奇点提出新的定律，因为在量子理论中不须
有任何奇点。
　　　　我们仍然没有一套完整而协调的理论，它将量子力学和引力结合在一起。然而，我
们相当清楚这样一套统一理论所应该具有的某些特征。其中一个就是它必须和费因曼提
出的按照对历史求和的量子力学表述相一致。在这种方法里，一个粒子不像在经典理论
中那样，不仅只有一个历史。相反的，它被认为是通过空间——时间里的每一可能的路
径，每一条途径有一对相关的数，一个代表波的幅度，另一个代表它的相位。粒子通过
一指定点的概率是将通过此点的所有可能途径的波迭加而求得。然而，当人们实际去进
行这些求和时，就遇到了严重的技术问题。回避这个问题的唯一独特的方法是：你必须
不是对发生在你我经验的“实”的时间内的，而是对发生在所谓“虚”的时间内的粒子
的途径的波进行求和。虚时间可能听起来像科学幻想，但事实上，它是定义得很好的数
学概念。如果你取任何平常的（或“实的”）数和它自己相乘，结果是一个正数。（例
如2乘2是4，但－2乘－2也是这么多）。然而，有一种特别的数（叫虚数），当它们自乘
时得到负数。（在这儿的虚数单位叫做i，它自乘时得－1，2i自乘得－4，等等。）人们
必须利用虚时间，以避免在进行费因曼对历史求和的技术上的困难。也就是为了计算的
目的人们必须用虚数而不是用实数来测量时间。这对空间—时间有一有趣的效应：时间
和空间的区别完全消失。事件具有虚值时间坐标的空间—时间被称为欧几里德型的，它
是采用建立了二维面几何的希腊人欧几里德的名字命名的。我们现在称之为欧几里德空
间—时间的东西除了是四维而不是二维以外，其余的和它非常相似。在欧几里德空间—
时间中，时间方向和空间方向没有不同之处。另一方面，在通常用实的时间坐标来标记
事件的实的空间—时间里，人们很容易区别这两种方向——在光锥中的任何点是时间方
向，之外为空间方向。就日常的量子力学而言，在任何情况下，我们利用虚的时间和欧
几里德空间—时间可以认为仅仅是一个计算实空间—时间的答案的数学手段（或技巧）。
　　　　我们相信，作为任何终极理论的一部分而不可或缺的第二个特征是爱因斯坦的思想，
即引力场是由弯曲的空间—时间来代表：粒子在弯曲空间中试图沿着最接近于直线的某
种途径走，但因为空间—时间不是平坦的。它们的途径看起来似乎被引力场折弯了。当
我们用费因曼的路径求和方法去处理爱因斯坦的引力观点时，和粒子的历史相类似的东
西则是代表整个宇宙历史的完整的弯曲的空间—时间。为了避免实际进行历史求和的技
术困难，这些弯曲的空间—时间必须采用欧几里德型的。也就是，时间是虚的并和空间
的方向不可区分。为了计算找到具有一定性质，例如在每一点和每一方向上看起来都一
样的实的空间—时间的概率，人们将和所有具有这性质的历史相关联的波迭加起来即可。
　　　　在广义相对论的经典理论中，有许多不同的可能弯曲的空间—时间，每一个对应于
宇宙的不同的初始态。如果我们知道宇宙的初始态，我们就会知道它的整个历史。类似
地，在量子引力论中，存在许多不同的可能的宇宙量子态。如果我们知道在历史求和中
的欧几里德弯曲空间—时间在早先时刻的行为，我们就会知道宇宙的量子态。
　　　　在以实的空间—时间为基础的经典引力论中，宇宙可能的行为只有两种方式：或者
它已存在了无限长时间，或者它在有限的过去的某一时刻的奇点上有一个开端。而在量
子引力论中，还存在第三种可能性。因为人们是用欧几里德空间—时间，在这儿时间方
向和空间方向是同等的，所以空间—时间只有有限的尺度，却没有奇点作为它的边界或
边缘是可能的。空间—时间就像是地球的表面，只不过多了两维。地球的表面积是有限
的，但它没有边界或边缘：如果你朝着落日的方向驾船，你不会掉到边缘外面或陷入奇
点中去。（因为我曾经环球旅行过，所以知道！）
　　　　如果欧几里德空间—时间延伸到无限的虚时间，或者在一个虚时间奇点处开始，我
们就有了和在经典理论中指定宇宙初态的同样问题，即上帝可以知道宇宙如何开始，但
是我们提不出任何特别原因，认为它应以这种而不是那种方式开始。另一方面，量子引
力论开辟了另一种新的可能性，在这儿空间—时间没有边界，所以没有必要指定边界上
的行为。这儿就没有使科学定律失效的奇点，也就是不存在在该处必须祈求上帝或某些
新的定律给空间一时间设定边界条件的空间—时间边缘。人们可以说：“宇宙的边界条
件是它没有边界。”宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被
创生，也不被消灭。它就是存在。
　　　　我正是在早先提到的那次梵帝冈会议上第一次提出，时间和空间可能会共同形成一
个在尺度上有限而没有任何边界或边缘的面。然而我的论文数学气息太浓，所以文章中
包含的上帝在创造宇宙的作用的含义在当时没有被普遍看出来（对我也正是如此）。在
梵蒂冈会议期间，我不知道如何用“无边界”思想去预言宇宙。然而，第二年夏天我在
加州大学的圣他巴巴拉分校渡过。我的一位朋友兼合作者詹姆·哈特尔在那里，他和我
共同得出了如果空间—时间没有边界时宇宙应满足的条件。回到剑桥后，我和我的两个
研究生朱丽安·拉却尔和约纳逊·哈里威尔继续从事这项工作。
　　　　我要着重说明，时间一空间是有限而无界的思想仅仅只是一个设想，它不能从其他
原理导出。正如任何其他的科学理论，它原先可以是出于美学或形而上学的原因而被提
出，但是对它的真正检验在于它所给出的预言是否与观测相一致。然而，在量子引力的
情况下，由于以下两个原因这很难确定。首先，正如将在下一章　所要解释的，虽然我
们对能将广义相对论和量子力学结合在一起的理论所应具有的特征，已经知道得相当多，
但我们还不能准确地认定这样一个理论。其次，任何详尽描述整个宇宙的模型在数学上
都过于复杂，以至于我们不能通过计算做出准确的预言。所以，人们不得不做简化的假
设和近似——并且甚至这样，要从中引出预言仍是令人生畏的问题。
　　　　在对历史求和中的每一个历史不只描述空间—时间，而且描述在其中的任何东西—
—包括像能观察宇宙历史的人类那样复杂的生物。这可对人择原理提供另一个支持，因
为如果任何历史都是可能的，就可以用人择原理去解释为何我们发现宇宙是现今这样子。
尽管我们对自己并不生存于其中的其他历史究竟有什么意义还不清楚。然而，如果利用
对历史求和可以显示，我们的宇宙不只是一个可能的，而且是最有可能的历史，则这个
量子引力论的观点就会令人满意得多。为此，我们必须对所有可能的没有边界的欧几里
德空间—时间进行历史求和。
　　　　人们从无边界假定得知，宇宙沿着大多数历史的机会是可以忽略不计的，但是有一
族特别的历史比其他的历史有更多机会。这些历史可以描绘得像是地球的表面。在那儿
与北极的距离代表虚的时间，并且离北极等距离的圆周长代表宇宙的空间尺度。宇宙是
从作为单独一点的北极开始的。当你一直往南走去，离开北极等距离的纬度圈变大，这
是和宇宙随虚时间的膨胀相对应（图8。1）。宇宙在赤道处达到最大的尺度，并且随着虚
时间的继续增加而收缩，最后在南极收缩成一点。尽管宇宙在北南二极的尺度为零，这
些点不是奇点，并不比地球上的北南二极更奇异。科学定律在这儿有效，正如同它仍在
地球上的北南二极有效一样。



　　　　图8。1
　　　　然而，在实的时间里宇宙的历史显得非常不一样。大约在100或200亿年以前，它有
一个最小的尺度，这相当于在虚时间里的最大的半径。在后来的实时间里，宇宙就像由
林德设想的紊乱暴涨模型那样地膨胀（但是现在人们不必假定宇宙是从某一类正确的状
态产生出来）。宇宙会膨胀到一个非常大的尺度，并最终重新坍缩成为在实时间里看起
来像是奇点的一个东西。这样，在某种意义上说，即使我们躲开黑洞，仍然是注定要毁
灭的。只有当我们按照虚时间来描绘宇宙时才不会有奇点。
　　　　如果宇宙确实处在这样的一个量子态里，在虚时间里宇宙就没有奇点。所以，我近
期的工作似乎完全使我早期研究奇点的工作成果付之东流。但是正如上面所指出的，奇
点定理的真正重要性在于，它们指出引力场必然会强到不能无视量子引力效应的程度。
这接着导致也许在虚时间里宇宙的尺度有限但没有边界或奇点的观念。然而，当人们回
到我们生活于其中的实时间，那儿仍会出现奇点。陷进黑洞那位可怜的航天员的结局仍
然是极可悲的；只有当他在虚时间