圖

人們必須利用虛時(shí)間，以避免在進(jìn)行費(fèi)因曼對(duì)歷史求和的技術(shù)上的困難。也就是為了計(jì)算的目的人們必須用虛數(shù)而不是用實(shí)數(shù)來(lái)測(cè)量時(shí)間。這對(duì)時(shí)空有一有趣的效應(yīng)：時(shí)間和空間的區(qū)別完全消失。事件具有虛值時(shí)間坐標(biāo)的時(shí)空被稱為歐幾里德型的，它是采用建立了二維面幾何的希臘人歐幾里德的名字命名的。我們現(xiàn)在稱之為歐幾里德時(shí)空的東西除了是四維而不是二維以外，其余的和它非常相似。在歐幾里德時(shí)空中，時(shí)間方向和空間方向沒有不同之處。另一方面，在通常用實(shí)的時(shí)間坐標(biāo)來(lái)標(biāo)記事件的實(shí)的時(shí)空里，人們很容易區(qū)別這兩種方向——在光錐中的任何點(diǎn)是時(shí)間方向，之外為空間方向。就日常的量子力學(xué)而言，在任何情況下，我們利用虛的時(shí)間和歐幾里德時(shí)空可以認(rèn)為僅僅是一個(gè)計(jì)算實(shí)時(shí)空的答案的數(shù)學(xué)手段（或技巧）。

我們相信，作為任何終極理論的一部分而不可或缺的第二個(gè)特征是愛因斯坦的思想，即引力場(chǎng)是由彎曲的時(shí)空來(lái)代表：粒子在彎曲空間中試圖沿著最接近于直線的某種途徑走，但因?yàn)闀r(shí)空不是平坦的。它們的途徑看起來(lái)似乎被引力場(chǎng)折彎了。當(dāng)我們用費(fèi)因曼的路徑求和方法去處理愛因斯坦的引力觀點(diǎn)時(shí)，和粒子的歷史相類似的東西則是代表整個(gè)宇宙歷史的完整的彎曲的時(shí)空。為了避免實(shí)際進(jìn)行歷史求和的技術(shù)困難，這些彎曲的時(shí)空必須采用歐幾里德型的。也就是，時(shí)間是虛的并和空間的方向不可區(qū)分。為了計(jì)算找到具有一定性質(zhì)，例如在每一點(diǎn)和每一方向上看起來(lái)都一樣的實(shí)的時(shí)空的概率，人們將和所有具有這性質(zhì)的歷史相關(guān)聯(lián)的波迭加起來(lái)即可。

在廣義相對(duì)論的經(jīng)典理論中，有許多不同的可能彎曲的時(shí)空，每一個(gè)對(duì)應(yīng)于宇宙的不同的初始態(tài)。如果我們知道宇宙的初始態(tài)，我們就會(huì)知道它的整個(gè)歷史。類似地，在量子引力論中，存在許多不同的可能的宇宙量子態(tài)。如果我們知道在歷史求和中的歐幾里德彎曲時(shí)空在早先時(shí)刻的行為，我們就會(huì)知道宇宙的量子態(tài)。

在以實(shí)的時(shí)空為基礎(chǔ)的經(jīng)典引力論中，宇宙可能的行為只有兩種方式：或者它已存在了無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間，或者它在有限的過去的某一時(shí)刻的奇點(diǎn)上有一個(gè)開端。而在量子引力論中，還存在第三種可能性。因?yàn)槿藗兪怯脷W幾里德時(shí)空，在這兒時(shí)間方向和空間方向是同等的，所以時(shí)空只有有限的尺度，卻沒有奇點(diǎn)作為它的邊界或邊緣是可能的。時(shí)空就像是地球的表面，只不過多了兩維。地球的表面積是有限的，但它沒有邊界或邊緣：如果你朝著落日的方向駕船，你不會(huì)掉到邊緣外面或陷入奇點(diǎn)中去。（因?yàn)槲以?jīng)環(huán)球旅行過，所以知道！）

如果歐幾里德時(shí)空延伸到無(wú)限的虛時(shí)間，或者在一個(gè)虛時(shí)間奇點(diǎn)處開始，我們就有了和在經(jīng)典理論中指定宇宙初態(tài)的同樣問題，即上帝可以知道宇宙如何開始，但是我們提不出任何特別原因，認(rèn)為它應(yīng)以這種而不是那種方式開始。另一方面，量子引力論開辟了另一種新的可能性，在這兒時(shí)空沒有邊界，所以沒有必要指定邊界上的行為。這兒就沒有使科學(xué)定律失效的奇點(diǎn)，也就是不存在在該處必須祈求上帝或某些新的定律給空間一時(shí)間設(shè)定邊界條件的時(shí)空邊緣。人們可以說(shuō)：“宇宙的邊界條件是它沒有邊界。”宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的東西所影響。它既不被創(chuàng)生，也不被消滅。它就是存在。

我正是在早先提到的那次梵帝岡會(huì)議上第一次提出，時(shí)間和空間可能會(huì)共同形成一個(gè)在尺度上有限而沒有任何邊界或邊緣的面。然而我的論文數(shù)學(xué)氣息太濃，所以文章中包含的上帝在創(chuàng)造宇宙的作用的含義在當(dāng)時(shí)沒有被普遍看出來(lái)（對(duì)我也正是如此）。在梵蒂岡會(huì)議期間，我不知道如何用“無(wú)邊界”思想去預(yù)言宇宙。然而，第二年夏天我在加州大學(xué)的圣他巴巴拉分校渡過。我的一位朋友兼合作者詹姆·哈特爾在那里，他和我共同得出了如果時(shí)空沒有邊界時(shí)宇宙應(yīng)滿足的條件。回到劍橋后，我和我的兩個(gè)研究生朱麗安·拉卻爾和約納遜·哈里威爾繼續(xù)從事這項(xiàng)工作。

我要著重說(shuō)明，時(shí)空是有限而無(wú)界的思想僅僅只是一個(gè)設(shè)想，它不能從其他原理導(dǎo)出。正如任何其他的科學(xué)理論，它原先可以是出于美學(xué)或形而上學(xué)的原因而被提出，但是對(duì)它的真正檢驗(yàn)在于它所給出的預(yù)言是否與觀測(cè)相一致。然而，在量子引力的情況下，由于以下兩個(gè)原因這很難確定。首先，正如將在十一章所要解釋的，雖然我們對(duì)能將廣義相對(duì)論和量子力學(xué)結(jié)合在一起的理論所應(yīng)具有的特征，已經(jīng)知道得相當(dāng)多，但我們還不能準(zhǔn)確地認(rèn)定這樣一個(gè)理論。其次，任何詳盡描述整個(gè)宇宙的模型在數(shù)學(xué)上都過于復(fù)雜，以至于我們不能通過計(jì)算做出準(zhǔn)確的預(yù)言。所以，人們不得不做簡(jiǎn)化的假設(shè)和近似——并且甚至這樣，要從中引出預(yù)言仍是令人生畏的問題。

在對(duì)歷史求和中的每一個(gè)歷史不只描述時(shí)空，而且描述在其中的任何東西——包括像能觀察宇宙歷史的人類那樣復(fù)雜的生物。這可對(duì)人擇原理提供另一個(gè)支持，因?yàn)槿绻魏螝v史都是可能的，就可以用人擇原理去解釋為何我們發(fā)現(xiàn)宇宙是現(xiàn)今這樣子。盡管我們對(duì)自己并不生存于其中的其他歷史究竟有什么意義還不清楚。然而，如果利用對(duì)歷史求和可以顯示，我們的宇宙不只是一個(gè)可能的，而且是最有可能的歷史，則這個(gè)量子引力論的觀點(diǎn)就會(huì)令人滿意得多。為此，我們必須對(duì)所有可能的沒有邊界的歐幾里德時(shí)空進(jìn)行歷史求和。

人們從“無(wú)邊界”假定得知，宇宙沿著大多數(shù)歷史的機(jī)會(huì)是可以忽略不計(jì)的，但是有一族特別的歷史比其他的歷史有更多機(jī)會(huì)。這些歷史可以描繪得像是地球的表面。在那兒與北極的距離代表虛的時(shí)間，并且離北極等距離的圓周長(zhǎng)代表宇宙的空間尺度。宇宙是從作為單獨(dú)一點(diǎn)的北極開始的。當(dāng)你一直往南走去，離開北極等距離的緯度圈變大，這是和宇宙隨虛時(shí)間的膨脹相對(duì)應(yīng)（圖）。宇宙在赤道處達(dá)到最大的尺度，并且隨著虛時(shí)間的繼續(xù)增加而收縮，最后在南極收縮成一點(diǎn)。盡管宇宙在北南二極的尺度為零，這些點(diǎn)不是奇點(diǎn)，并不比地球上的北南二極更奇異。科學(xué)定律在這兒有效，正如同它仍在地球上的北南二極有效一樣。

圖

然而，在實(shí)的時(shí)間里宇宙的歷史顯得非常不一樣。大約在100或200億年以前，它有一個(gè)最小的尺度，這相當(dāng)于在虛時(shí)間里的最大的半徑。在后來(lái)的實(shí)時(shí)間里，宇宙就像由林德設(shè)想的紊亂暴漲模型那樣地膨脹（但是現(xiàn)在人們不必假定宇宙是從某一類正確的狀態(tài)產(chǎn)生出來(lái)）。宇宙會(huì)膨脹到一個(gè)非常大的尺度，并最終重新坍縮成為在實(shí)時(shí)間里看起來(lái)像是奇點(diǎn)的一個(gè)東西。這樣，在某種意義上說(shuō)，即使我們躲開黑洞，仍然是注定要?dú)绲摹Ｖ挥挟?dāng)我們按照虛時(shí)間來(lái)描繪宇宙時(shí)才不會(huì)有奇點(diǎn)。

如果宇宙確實(shí)處在這樣的一個(gè)量子態(tài)里，在虛時(shí)間里宇宙就沒有奇點(diǎn)。所以，我近期的工作似乎完全使我早期研究奇點(diǎn)的工作成果付之東流。但是正如上面所指出的，奇點(diǎn)定理的真正重要性在于，它們指出引力場(chǎng)必然會(huì)強(qiáng)到不能無(wú)視量子引力效應(yīng)的程度。這接著導(dǎo)致也許在虛時(shí)間里宇宙的尺度有限但沒有邊界或奇點(diǎn)的觀念。然而，當(dāng)人們回到我們生活于其中的實(shí)時(shí)間，那兒仍會(huì)出現(xiàn)奇點(diǎn)。陷進(jìn)黑洞那位可憐的航天員的結(jié)局仍然是極可悲的；只有當(dāng)他在虛時(shí)間里生活，才不會(huì)遭遇到奇點(diǎn)。

上述這些也許暗示所謂的虛時(shí)間是真正的實(shí)時(shí)間，而我們叫做實(shí)時(shí)間的東西恰恰是子虛烏有的空想的產(chǎn)物。在實(shí)時(shí)間中，宇宙的開端和終結(jié)都是奇點(diǎn)。這奇點(diǎn)構(gòu)成了科學(xué)定律在那兒不成立的時(shí)空邊界。但是，在虛時(shí)間里不存在奇點(diǎn)或邊界。所以，很可能我們稱之為虛時(shí)間的才真正是更基本的觀念，而我們稱作實(shí)時(shí)間的反而是我們臆造的，它有助于我們描述宇宙的模樣。但是，按照我在第一章所描述的方法，科學(xué)理論僅僅是我們用以描述自己所觀察的數(shù)學(xué)模型，它只存在于我們的頭腦中。所以去問諸如這樣的問題是毫無(wú)意義的：“實(shí)”的或“虛”的時(shí)間，哪一個(gè)是實(shí)在的？這僅僅是哪一個(gè)描述更為有用的問題。

人們還可以利用對(duì)歷史求和以及無(wú)邊界假設(shè)去發(fā)現(xiàn)宇宙的哪些性質(zhì)可能發(fā)生。例如，人們可以計(jì)算，當(dāng)宇宙具有現(xiàn)在密度的某一時(shí)刻，在所有方向上以幾乎同等速率膨脹的概率。在迄今已被考察的簡(jiǎn)化的模型中，發(fā)現(xiàn)這個(gè)概率是高的；也就是，無(wú)邊界假設(shè)導(dǎo)致一個(gè)預(yù)言，即宇宙現(xiàn)在在每一方向的膨脹率幾乎相同是極其可能的。這與微波背景輻射的觀測(cè)相一致，它指出在任何方向上具有幾乎完全同樣的強(qiáng)度。如果宇宙在某些方向比其他方向膨脹得更快，在那些方向輻射的強(qiáng)度就會(huì)被一個(gè)附加的紅移所減小。

人們正在研究無(wú)邊界條件的進(jìn)一步預(yù)言。一個(gè)特別有趣的問題是，早期字宙中物質(zhì)密度對(duì)其平均值的小幅度偏離，這些偏離首先引起星系，然后是恒星，最后是我們自身的形成。不確定性原理意味著，早期宇宙不可能是完全均勻的，因?yàn)榱Ｗ拥奈恢煤退俣缺囟ㄓ幸恍┎淮_定性或起伏。利用無(wú)邊界條件，我們發(fā)現(xiàn)，宇宙事實(shí)上必須是從僅僅由不確定性原理允許的最小的可能的非均勻性開始的。然后，正如在暴脹模型中預(yù)言的一樣，宇宙經(jīng)歷了一段快速膨脹時(shí)期。