【导读】宇宙是如何开始的，又会怎样结束？这个问题曾困惑多少的智者和哲人。从亚里士多德到康德，从牛顿到爱因斯坦，都没有找到答案。今天，霍金为你解读他的宇宙观，和这一切的缘起。 你知道他研究宇宙，是因为要结婚养家么？你知道他把宇宙的起源，归根于里根经济学么？上帝是否存在？宇宙如何运行？知社学术圈带你走进霍金的宇宙。
全文分三部分：（一）静态宇宙观；（二）宇宙大爆炸；（三）无边的宇宙。
宇宙起源的问题，与“鸡先生蛋，还是蛋先生鸡”这个古老的问题有些相似。也就是要回答是什么主体创造了宇宙，而这个主体又来源于何处。亦或，宇宙、或者创造宇宙的主体永恒存在，从不需要被创造。直到最近，科学家们都倾向于回避这类问题，认为它们与其说是科学问题，倒不如归结于形而上学或者宗教的范畴。然而，在过去几年里，研究逐渐表明科学定律或可适用于宇宙诞生之初。由此而言，宇宙是由科学定律决定的自足性集合体。
关于宇宙起源的争论贯穿整个记载史册，观点基本分为两派。很多早期文化以及犹太、基督、和伊斯兰等宗教均认为宇宙是在相当近的历史时期诞生的。例如，邬谢尔主教通过将旧约中的人物年龄相加，推算出宇宙诞生的时间是公元前4004年。据以支撑宇宙近期诞生观点的一个事实是，人类的文化技术显然在不断快速进化。我们记得首次使用或创造这些技术的人。由此推断，我们不可能存在太久，否则，我们理应比目前更为先进。事实上，圣经的创世日期与上一个冰河时代结束的时间相近，而这也正是现代人类首次出现的时候。
另一派观点以希腊哲学家亚里士多德为代表，认为宇宙并无开端。他们觉得承认宇宙有开端则意味着存在神意的干涉。他们宁愿相信宇宙早已存在并将永远持续。永恒不朽的存在，比那些创造产生的事物更为完美。对于上述人类进化的问题，他们也作出回应：周期性洪水以及其他自然灾害一次又一次将人类打退回原点。
两派观点都认为宇宙不随着时间的改变而发生变化，要么自创造以来就保持现状，要么从来就是现在这个样子。在那个时代，这样的观点非常自然，因为人类生命乃至整个有记载的历史是如此短暂，而宇宙在这样短暂的时期内不会有什么显著的变化。在一个静止不变的世界里，宇宙是永恒存在，还是在某一个确定的时间被创造产生，的确只是哲学或宗教的问题。 两种理论都能解释这样的宇宙。的确，1781年，哲学家康德曾写过一本晦涩难懂的不朽名著：《纯粹理性批判》。书中他总结到，宇宙有开端或无起源的观点都能得到合理有效的论证。正如标题所示，他的结论仅仅基于逻辑推理，并无对宇宙的实际观测。毕竟，一个静止不变的宇宙，又有什么好观测的？
然而，到19世纪，逐渐累积的证据表明地球乃至宇宙实际上是随时间而变化的。在一方面，地学家意识到岩石以及化石的形成需要几亿甚至十亿年的时间。这可比创世论者认为的地球诞生之时久远得多。在另一方面，德国物理学家波尔兹曼发现热力学第二定律，即宇宙中无序度的总量，也就是“熵”，总是随着时间而增加。由此可以推算宇宙仅存在了有限的时间，类似于上面所述关于人类进化的论证。否则，宇宙现在应该已退化到一种完全无序的状态，万物都处于同一温度。
静态宇宙观的另一个困难在于，根据牛顿的万有引力定律，宇宙中的任何恒星都相互吸引。因此它们之间很难保持恒定的距离，而最终所有的恒星都会陷在一起。牛顿很清楚地知道这个问题。在一封致当时大哲学家Richard Bentley的信中，他同意一个有限的恒星集群不可能静止不动，它们均会向一个中心点聚集。然而，他反驳说，一个无限的恒星集群不会向某一中心聚集，因为在无限集合中不存在这样一个中心。这一论断恰恰是讨论无限系统时可能遭遇的一个陷阱。恒星之间是否能够维持恒定距离呢？用不同的方法将宇宙中其他无限数目的恒星对其作用力相加，对这个问题将会得出不同的答案。现在我们知道正确的步骤是先考虑有限区域的恒星，然后再加入更多的大致均匀分布于该有限区域之外的恒星。有限的恒星集群将向某点聚集。根据牛顿万有引力定律，加入更多有限区域外的恒星也不能阻止其塌陷。因此，即使无限恒星集群也不可能处于静止状态。如果它们在某一时刻没有相对运动，它们之间的引力也会使得它们逐渐靠近对方。或者，它们开始也可能是反向运动，而引力会使得它们的反向速度降低。
尽管静态宇宙观存在诸多问题，十七、十八、十九甚至二十世纪早期均无人提出宇宙可能随着时间而演变。牛顿和爱因斯坦都错过了预言宇宙收缩亦或膨胀的机会。或许我们能够理解牛顿，因为他生活在观测到宇宙膨胀的250年之前。但是爱因斯坦应该能做得更好。当他提出广义相对论以调和牛顿理论和他的狭义相对论时，他加入了一个所谓的“宇宙常数”，具有排斥作用，从而能够平衡宇宙间物质的相互吸引力。这样一来，就有可能构建出宇宙的静态模型。
爱因斯坦后来说：宇宙常数的提出是我毕生所犯的最大错误。二十世纪二十年代哈勃关于遥远星系的发现显示，这些星系以与距离大致成比例的速度正逐渐远离我们。也就是说，宇宙不是以前所想象的静止的。它正在膨胀。星系之间的距离在不断增大。
毫不意外，很多科学家对这样的结论并不满意，因而有若干尝试以避开大爆炸的难题。其中之一是所谓的稳态理论，认为在原有星系相互远离之时，新的星系将由持续产生的新物质在原有星系之间形成。宇宙早已存在，并继续存在，永恒存在，维持现状。
稳态理论需要对广义相对论进行修正，以解释宇宙持续膨胀，新的物质不断产生。新物质产生频率非常低：大约为每年每立方公里产生一个粒子，因此，这一理论预测和观测并不矛盾。该理论同时预测星系以及类似物质的平均密度在时间和空间的维度上是恒定不变的。然而，Martin Ryle和他的剑桥团队对银河系之外射电源的研究显示，弱源的数目远多于强源。通常人们可预期弱源距离更为遥远。因此出现两种可能解释：一种是我们处于宇宙中一个强源频率低于平均的区域；另一种是在过去、光线从那些更遥远的射电源发出时，源的密度更高。可是，这两种可能的解释都与稳态理论关于射电源密度在时间和空间上恒定的观点不相符合。对于稳态理论的致命一击来自于1965年微波背景辐射的发现。它具一个热体辐射的特征谱。当然“热”在这里用得并不恰当，因为该热体的温度仅高于绝对零度2.7度。宇宙是个寒冷而又黑暗的地方。稳态理论没有一种产生具有这种特征谱微波的合理机制，最终难逃被抛弃的命运。
另一回避大爆炸奇点的观点由俄国科学家Lifshitz和Khalatnikov提出。他们认为，无穷密度的状态只有在星系直接相向运动或相反运动时才会出现。只有这样各星系才有可能在过去某个时刻聚集于一点。然而，人们可以想象星系在运动时存在微小的侧向速度。这样宇宙早期便有可能存在一个收缩期，各星系虽相互接近却设法避免碰撞。然后宇宙开始重新膨胀，却并没有经历无限密度的状态。
当Lifshitz和Khalatnikov的假设提出时，我还是个研究生，正在寻找博士论文的研究课题。在那之前两年，我被诊断出ALS（肌萎缩侧索硬化症；知社学术圈），一类运动神经元疾病，被告知至多能活二至三年。这种情况下，似乎攻读博士已没有什么意义，因为我也不指望能活着毕业。然而，两年过去了，病情并没有恶化。此外，我还订婚了。为了结婚，我必须找到一份工作，要找到工作，那就必须完成博士论文。
大爆炸奇点的存在与否引发了我浓厚的研究兴趣，因为这对于理解宇宙的起源至关重要。我与Roger Penrose一起创建了一套新的数学方法，用以处理此类问题。我们指出，如果广义相对论是正确的，那么任何合理的宇宙模型都应由一个奇点开始。这就意味着科学能够预言宇宙肯定存在一个开端，但是不能预言宇宙是如何开始的。这个得去问上帝。
审视人们对于大爆炸奇点思想的态度变化是件很有意思的事。当我还是一名研究生的时候，几乎无人重视奇点学说。现在，由于奇点定理，几乎人人都相信宇宙开始于奇点。此时，我却改变了想法：我仍然认为宇宙有一个开端，但不是开始于奇点。
广义相对论属于经典范畴。也就是说，它没有考虑量子力学的测不准原理，即粒子不同时具备精确定义的位置和速度。通常情况下，相较于粒子位置的不确定性，时空的曲率半径非常之大，所以这一事实对我们的体验并没有什么影响。然而，奇点定理表明，在现今宇宙膨胀的初期，时空高度畸变，曲率半径很小。在这一情形下，测不准原理显得非常重要。于是，广义相对论因预言奇点的存在而导致自我坍塌。为了更好地探索宇宙的开端，我们需要将广义相对论与量子力学相结合。
我们尚未得知正确量子引力理论的精确形式。当前最佳候选者应属超弦理论，但其仍有诸多未解之困难。但是我们可以预期任何可行理论的一些基本共性。其中之一便是爱因斯坦的思想，即引力效应可由被物质和能量扭曲的时空来体现。物体在弯曲空间中尽量沿着最接近直线的轨迹运行。然而，由于时空的弯曲性，轨道也呈现弯曲，如同被引力场扭转一样。
另一个在此终极理论中可预期出现的要素是费因曼关于“量子理论可表述为‘历史求和’”的设想。该理论的最简单形式是，每一粒子在时空中具有可能的轨迹、或历史。每一轨迹或者历史都有依其形状而定的概率。为使得该理论可行，必须在虚时间内考虑其所走过的历史，而不能以我们生活的实时间为基础。虚时间听起来有点像科幻小说里的事物，但其实它是一个定义明确的数学概念。在某种意义上，它可以被看作与实时间成直角的时间方向。统计所有具有某种特性的粒子历史的概率，譬如某时期经过某点，然后再将结果拓展至我们生活的实时空。这并不是量子理论最为熟知的方法，但能够得出与其他方法同样的结果。
在量子引力的情形下，费因曼的“历史求和”理论涉及对宇宙所有不同的可能的历史、即不同的弯曲时空相加求和。因此，必须说明哪种可能的弯曲空间应被纳入历史求和的范畴，而对空间种类的选择则决定了宇宙的状态。如果决定宇宙状态的弯曲空间种类包括奇性空间，则该理论不能决定此类空间的存在概率。相反，它们需要以任意的方式给定。也就是说，科学将无法预测时空奇性历史的概率，因而也不能预言宇宙应如何运行。然而，宇宙可能处于一种仅包含非奇性弯曲空间相加的状态。此种情况下，科学定律将完全决定宇宙，人们无需呼唤宇宙之外的某种主体来决定宇宙的起源。在一定意义上，仅由非奇性历史之和定义宇宙状态的设想就像一个醉汉在灯柱下寻找自己的钥匙 - 也许这并不是钥匙遗失的地方，却是他唯一可能找到钥匙的地方。同样地，宇宙也许并不处于非奇性历史之和所定义的状态，但这是科学唯一能够预言的宇宙状态。
1983年Jim Hartle和我提出宇宙应该由某特定种类的历史求和所决定。这一种类包括没有奇点、尺寸有限、并且没有边界和边缘的弯曲空间。它们就像地球的表面，不过增加了两个维度。地球表面是一个有限区域，但是没有奇点、边界和边缘。我自己曾通过实验验证了这点 - 我环球旅行，但并没有跌落出地球之外。
Hartle和我的观点可重新阐述为：宇宙的边界条件是宇宙没有边界。只有当宇宙处于无边界状态时，科学定律本身才能决定每一种可能的历史的概率。因此，只有在此种情况下已知定律才能决定宇宙的运行。如果宇宙处于任何其他状态，历史求和中的弯曲空间必将涵括奇性空间。那人们就需要借助已知科学定律之外的一些原理才能够确定这些奇性历史的概率。这样的原理会是宇宙之外的事物，而不能从宇宙内部推演。相反，如果宇宙处于无边界状态，原则上我们可以在测不准原理的限制内完全确定宇宙如何运行。
如果宇宙处于无边界状态，对于科学来说自然是极好的。但是我们如何才能知道事实是否如此呢？答案是，无边界理论对于宇宙如何运行做出了明确的预言。如果这些预言与实际观测不相符合，我们就可以得出结论，宇宙并不是处于无边界状态。因此，无边界理论以哲学家Karl Popper的标准来看，是一种好的科学理论，因为它可以由实际观测证伪。
假如实际观测与理论预言不一致，我们将知晓诸多可能的历史种类中必然存在奇点。然而，我们能知道的也就这么多了。我们不能计算出奇性历史的概率，因而也不能预测宇宙将如何运行。有人或许认为，如果不可预见性仅出现在大爆炸时，那么影响并不大，毕竟这都是一、两百亿年前的事了。但是如果可预见性在大爆炸的强引力场中失效，那么恒星坍缩时它也会失效。此类事件仅仅在我们银河系一周就会发生几次。这样的话我们的预言能力是很差劲的，即便是以天气预报的标准来衡量。
当然，人们可以对于遥远恒星预言的失效性并不在乎。然而，在量子理论中，任何不被禁止的事情都能够而且将会发生。因此，如果可能历史的类型包含奇性空间，那么奇性在任何地方都可能发生，而不仅仅局限于大爆炸处以及恒星坍缩处。这意味着我们不能预言任何事物。反过来说，我们能够预测事件这一事实是反驳奇点并支持无边界设想的实验证据。
那么无边界学说怎样预言宇宙呢？首先，由于所有宇宙的可能历史在广延上是有限的，因此人们用以作为时间测度的任何量都应有最大值和最小值。于是宇宙就必须有开端和结束。然而，开端不会是一个奇点。相反，它有点像地球的北极。假如将地球表面的纬度类比作时间，那么地球表面始于北极。但北极只是地球上很普通的一点，并没什么特别之处。北极点与地球其他地方一样，适用同样的法则。相似地，我们选择贴上标签的“宇宙开端”不过就是时空中普通的一个点，与其他点一样，都适用科学法则。
从与地球表面的类比可预料宇宙的终结与开端相似，正如北极点和南极点一样。然而，北极点和南极点只是对应于虚时间上的宇宙开端和终结，而非我们现实生活的实时间。如果将“历史求和”的结果从虚时间延伸至实时间，可发现实时间中的宇宙开端与终结差异很大。目前很难推算出无边界设想预言宇宙开端和终结的具体细节，有两大原因。首先，我们尚未知道在量子力学测不准原理规范下的引力的精确定理，尽管我们知道其大致形式和诸多特性。其次，即便我们知道精确定理，也不能用它进行精准的预测，因为准确求解这个方程实在是太难了。不过，对于无边界条件下的状态，我们还是能有个大概近似的结果。Jonathan Halliwell和我曾进行近似计算。我们将宇宙视为一个绝对光滑且均匀的背景，在这个大背景上存在密度的微扰。宇宙应该是从最小的半径开始膨胀。起初，这个膨胀可以称做暴涨，宇宙在远小于一秒的时间里成倍增大，就像某些国家的物价一样。一战后的德国创下了通货膨胀的世界纪录，一块面包的价格在短短几个月由过去的一马克涨至百万马克。然而没有什么可以和宇宙初期暴涨的情形相比较 - 在远小于一秒的时间里体积暴涨至少一百万亿亿亿倍。
暴涨从某种意义上说是件好事，它产生了一个在大尺度上光滑均匀的宇宙，并且以临界速度膨胀以避免宇宙的再度坍缩。同时它使得宇宙中的物质从无到有。当宇宙像北极那样只是一个点时，里面什么也没有，而现在的可观测的宇宙部分至少有10的80次方的粒子。这些粒子从何而来？答案在相对论和量子力学中，它们预言物质从能量中以粒子反粒子对的形式创生出来。那么，创造物质的能量又从何而来？答案是，借来的，借自于宇宙的引力能。宇宙中拥有巨大的负引力势能，正好平衡了物质的正能量。暴胀时期，宇宙在极大程度上借助于引力能来创造物质。这简直是里根债务经济学的巨大胜利，产生了一个物质丰富、充满活力的膨胀中的宇宙。引力能之债，只是在宇宙终结时才需偿还。
早期宇宙不可能是完全同质均匀的，否则将违反量子力学的测不准原理。相反，必须存在一些密度上的差异。无边界设想推论这些密度上的差异是从基态开始的。也就是说，这些差别尽可能小，与测不准原理相符合。然而，暴涨时期它们会被放大。暴涨过后，宇宙有些地方膨胀得比其他地方稍快一些。在缓慢膨胀的区域，物质引力的吸引作用使得膨胀进一步减缓。最终，该区域停止膨胀，开始收缩形成星系和恒星。因此，无边界设想可以解释我们所能看到的所有复杂结构。然而，这并不是它对宇宙的唯一预言。相反，它预言的是一整类可能的历史，每一历史都有其发生的概率。也许曾经有一段历史是Walter Mondale赢得了美国总统竞选，虽然这种概率极低。（Mondale在1984年与里根竞选美国总统；知社学术圈）
无边界设想对于上帝在宇宙中扮演的角色意义尤为深远。人们逐渐广泛接受，宇宙是在明确的法则下不断演化的。这些法则也许是上帝制定的，但似乎上帝也不去干涉宇宙，打破法则。可是，直到最近，人们都还认为这些法则定律不适用于宇宙开端。一切似乎都源于上帝旋动发条，让宇宙顺着它偏爱的方式运行。这样的话，宇宙现在的状态就是上帝所选择的初始条件的结果。但是，如果无边界设想是正确的，那么情形则截然不同。这样的情形下，物理定律在宇宙的开端依然适用，而上帝则丧失了选择初始条件的自由。当然，上帝仍然可以自由选择宇宙运行所遵循的法则。然而，这里其实并没有多大的选择余地。也许仅仅有极少量的自洽法则能构筑起我们这样的复杂生物存在，来询问上帝的本质。即使存在唯一的、独特的可能法则，这也只是一系列方程式而已。是什么赋予方程式以活力，构筑起一个它们可以掌控的宇宙？难道终极统一理论如此强大，以至于产生自我？虽然科学可以解决宇宙起源的问题，但它不能回答宇宙为什么必须存在。这也许只有上帝才能够回答。
【知社学术圈】是由一批海归学者发起的公益学术交流平台，旨在分享学术信息，整合学术资源，加强学术交流，促进学术进步。我们欢迎各领域学者来函来稿交流合作(xueshuquan@yahoo.com)，欢迎无删改的转载与分享。机构公共号分享，请知会微信ID scholarset。
文章有问题？点此查看未经处理的缓存