《十问：霍金沉思录》之二：一切如何开始？

《十问：霍金沉思录》之二：一切如何开始？

一、宇宙的开端

《十问：霍金沉思录》之二：一切如何开始？

宇宙真的是无限的，还是仅仅非常大？它有一个开端吗？它会持续无限的时间，还是很长一段时间？我们有限的思想何以理解无限的宇宙？哪怕我们仅仅试图理解，这难道不是自命不凡吗？

像许多其他民族一样，这些创世神话试图回答我们都要问的问题。我们为什么在这里？我们来自何处？通常给出的答案是，人类起源是比较近世的事，因为人类还一直在改善其知识和技术，这应是显而易见的。所以它不可能已经存在了很长时间，否则它本应取得更大的进展。

然而，并不是每个人都对宇宙有一个开端这个思想感到满意。例如，亚里士多德，这位最著名的希腊哲学家，相信宇宙永远存在。永恒的东西比创生的东西更完美。他认为，我们能看到文明进展的原因是洪水或其他自然灾害一再使文明返回开始。人们愿意相信宇宙是永恒的，这是因为人们渴望不必援引神力来创造宇宙并使之运行。相反，那些相信宇宙有一个开端的人用它来证明上帝作为宇宙的第一个原因或第一推动者的存在。

二、绝对时间VS相对时间

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如果有人相信宇宙有一个开端，那么显而易见的问题是，“在开端之前发生了什么？在创造世界之前，上帝在做什么？他是否为提出这些问题的人准备了地狱？”几乎所有其他人都认为的，时间是绝对的。也就是说，它从无限的过去走向无限的未来，独立于任何可能或不可能存在的宇宙。

这仍然是当今许多科学家心目中的图景。然而，1915年，爱因斯坦引入了他革命性的广义相对论。其中，空间和时间不再是绝对的，不再是事件的固定的背景。相反，它们是动力学的，是由宇宙中物质和能量塑造的量。它们只在宇宙中才被定义，所以谈论宇宙开端之前的时间是没有意义的。这就像询问南极以南的一点，它是没有定义的。

三、膨胀的宇宙

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随着20世纪20年代我们在威尔逊山上用百英寸的望远镜观测宇宙，不同的思想出现了。首先，埃德温·哈勃发现了许多被称为星云的微弱的光斑。它们实际上是其他星系，那是庞大的恒星集合。这些恒星就像我们的太阳一样，但距离很远。它们之所以显得如此微小而黯淡，距离必定大到来自它们的光要花数百万年甚至数十亿年才能到达我们。这表明了宇宙的开端绝不会在区区几千年前。

但哈勃发现的第二件事更加惊人。通过分析来自其他星系的光，哈勃能够衡量它们是否正在趋近或离开我们。令他惊讶的是，他发现它们几乎都在离开。此外，它们离我们越远，就离开得越快。换句话说，宇宙正在膨胀，星系正相互离开。

宇宙膨胀的发现是20世纪伟大的智力革命之一。这个发现完全出乎意料，它彻底改变了关于宇宙起源的讨论。如果这些星系正在分离，那么它们在过去必定相互靠得更近。从目前的膨胀速度来看，我们可以估计，大约在100亿年到150亿年前，它们确实一度非常接近。因此，似乎宇宙那时就开始了，此刻万物都处在空间中的同一点。

四、稳恒态宇宙

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但是许多科学家对宇宙有一个开端不满，因为它似乎意味着物理学崩溃了。人们将不得不求助于一个外部机制，为方便起见，可以称之为上帝，来决定宇宙如何开始。因此，他们推出了宇宙当前正在膨胀，但没有开端的理论。其中之一是由赫曼·邦迪、托马斯·戈尔德和弗雷德·霍伊尔于1948年提出的稳恒态理论。

稳恒态理论的思想是，随着星系分离，新星系将由设想的在整个太空中不断产生的物质形成。宇宙已经存在了无限久，并且在任何时候都显得是一样的。最后一个属性具有明确预言的突出优点，它可以通过观察被检验。20世纪60年代早期，剑桥射电天文学组在马丁·赖尔的领导下，对微弱的射电波源进行了一次调查。这些源相当均匀地分布在天空，表明大部分源都位于我们的银河系的外面。平均来说，越弱的源离我们越远。

稳恒态理论预测了源的数量和它们的强度之间的一种关系。但观察显示存在比预测更多的微弱的源，这表明源的密度在过去较高。这与稳恒态理论的基本假设相冲突，该假设说，所有一切都不随时间而改变。出于这个以及其他原因，稳恒态理论被抛弃了。

我们习惯于这样的思想，事件由较早期事件引起，而较早期事件又由更早期事件引起。存在一系列的因果关系，可以一直追溯到过去。但假设这个链有一个开头，即假设存在第一个事件，那它是由什么引起的？这不是许多科学家想要解决的问题。他们要么像俄罗斯人和稳恒态理论家那样，声称宇宙没有开端，要么认为宇宙的起源不属于科学领域而属于形而上学或宗教，由此试图避免它。在我看来，这不是任何真正的科学家应该采取的立场。如果科学定律在宇宙开始时暂时失效，那么它们不也可能在其他时候失效吗？如果定律只是有时有效，则定律不成其为定律。我相信我们应该在科学的基础上尝试理解宇宙的起源。这可能是超出我们能力的任务，但至少我们应该进行尝试。

五、宇宙有开端

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罗杰·彭罗斯和霍金设法证明了几何定理，表明如果爱因斯坦的广义相对论是正确的，并且某些合理的条件得到满足，那么宇宙就必定有过一个开端。

虽然罗杰·彭罗斯和我证明的定理表明宇宙必定有过一个开端，但它们没有提供有关那个开端性质的多少信息。它们指出宇宙开始于一次大爆炸，这时整个宇宙和其中万物都被皱缩成无限密度的单一的点，一个时空奇点。爱因斯坦的广义相对论在这一点崩溃了。因此，它不能用来预测宇宙以何种方式开始。遗留下的宇宙起源的问题显然超出了科学范围。

1965年10月，在我得到第一个奇点结果的几个月后，人们获得了宇宙有一个非常致密的开端的观察证据，那是在整个太空发现了微弱的微波背景。这些微波与你的微波炉中的相同，但功率却低得多。它们只会把你的比萨加热到零下270.4摄氏度，对于解冻比萨没什么用，更不用说烹饪了。你实际上可以亲自观察到这些微波。那些记得模拟信号电视的人几乎肯定看过这些微波。如果你曾经把电视机调到一个空的频道，你在屏幕上看到的雪花的百分之几就是由这个微波背景引起的。对这个背景唯一合理的解释是，它是由早期非常热和密集的状态遗留下的辐射。随着宇宙膨胀，辐射会冷却，直到它变成我们今天观察到的微弱残余。

爱因斯坦广义相对论在大爆炸附近崩溃的原因在于它是所谓的经典理论。也就是说，它隐含地假设从常识中看似显而易见的事，即每个粒子都具有明确定义的位置和明确定义的速度。在这种所谓的经典理论中，如果知道宇宙中所有粒子在某时刻的位置和速度，就可以计算出它们在过去或将来的任何其他时刻的值。然而，在20世纪初，科学家们发现，他们无法准确计算出在非常短的距离会发生什么。这不仅仅是他们需要更好的理论。在自然中似乎存在一定程度的随机性或者不确定性，无论我们的理论有多好，都无法将它们移除。它可以被概括为德国科学家沃纳·海森堡在1927年提出的不确定性原理。人们不能准确地同时预测一个粒子的位置和速度。你把位置预测得越准确，你能预测的速度就越不准确，反之亦然。

现在假设我们试图预测未来。因为我们只知道粒子的位置和速度的某种组合，所以我们无法对粒子的未来位置和速度做出精确的预测。我们只能为特定的位置和速度组合赋以概率。因此宇宙的特定未来有一定的可能性。但现在假设我们试图以同样的方式理解过去。

六、宇宙有很多个历史

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鉴于我们现在可以做出的观察的性质，我们所能做的全部就是将概率赋予宇宙的特定历史。因此，宇宙必然拥有许多可能的历史，每个历史都有自己的概率。宇宙有多个历史的观点听起来可能像科幻小说，但它现在已被接受为科学事实。这要归功于理查德·费曼，费曼理解事物如何运行的方式是，给每个可能的历史分配特定的概率，然后使用这个思想做出预测。它预测未来的效果非常好。因此我们认为它也可以倒推过去。

科学家们正在努力将爱因斯坦的广义相对论与费曼的多重历史的思想结合成为一个完整的统一理论，它将描述宇宙中发生的一切。这个统一理论将使我们能够计算出宇宙会如何演化，只要我们知道它在某时刻的状态。但统一理论本身并没告诉我们宇宙是如何开始的，或者它的初始状态是什么。为此，我们需要额外的东西。我们所需要的被称为边界条件，它告诉我们在宇宙的边界，即空间和时间的边缘发生了什么。不过如果宇宙的边界只是处于空间和时间的正常点的话，我们可以越过它并宣称超越的领域还是宇宙的一部分。另一方面，如果宇宙的边界是锯齿状的边缘，那里的空间或时间被压缩，而且密度为无限，那么要定义有意义的边界条件就非常困难。所以尚不清楚需要什么样的边界条件。似乎没有逻辑基础排斥一族边界条件，而选择另外一族。

然而，加州大学圣巴巴拉分校的吉姆·哈特尔和我意识到第三种可能性。也许宇宙在空间和时间上没有边界。乍一看，这似乎与我前面提到的几何定理直接矛盾。这些定理表明宇宙必须有一个开始，一个时间边界。然而，为了使费曼技巧在数学上得到很好的定义，数学家们发展了一个叫作虚时间的概念。它与我们所经验的实时间无关。这是一个使计算成立的数学技巧，它取代了我们经验的实时间。我们的思想是说，在虚时间里没有边界。这就使试图发明边界条件没有必要。我们把这个思想称为无边界设想。

如果宇宙的边界条件是它在虚时间中没有边界，那么它不止存在一个历史。在虚时间里存在许多历史，其中每个都将确定在实时间中的历史。因此，我们拥有极丰富的宇宙历史。是什么从宇宙所有可能的历史中挑选出我们生活其中的特定历史或一组历史呢？

我们很快注意到的一点是，这些可能的宇宙历史中很多不能经历形成星系和恒星的次序，后者对我们自身的发展至关重要。也许智慧生命会在没有星系和恒星的情况下进化，但那似乎不太可能。这样，我们作为能诘问“为什么宇宙是这样的？”的生命存在这一确凿事实本身就是对我们生活其中的历史的限制。这意味着它是少数拥有星系和恒星的历史之一。这是所谓“人存原理”的一个例子。人存原理说，宇宙必须或多或少是我们看到的样子，因为如果它是不同的，那么就没有任何人在这里观察它。

许多科学家不喜欢人存原理，因为它似乎只比虚晃一招稍好，而不具有很强的预言能力。但是人存原理可以给出一个精确的表述，它在处理宇宙起源时似乎必不可少。M理论是我们完备的统一理论的最好候选者，它允许非常大量的可能的宇宙历史。大多数这些历史非常不适合智慧生命的发展。要么它们是空的，要么是过于短命的，要么是过于高度弯曲的，或在其他方面出错。然而，根据理查德·费曼的多重历史思想，这些无人居住的历史可能有相当高的概率。

我们并不关心存在多少不包含智慧生命的历史。我们只对智慧生命在其中发展的历史子集感兴趣。这种智慧生命不必像人类一样。小绿人也行。事实上，他们可能做得更好。人类智慧行为的记录不很光彩。

我们在阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现的微波背景中观察到宇宙的一个显著特征。它本质上是宇宙在非常年轻时的场景的一种化石记录。这个背景几乎是相同的，不管我们往哪个方向看。不同方向之间的差异约为十万分之一。这些差异不可思议的小，而需要给予解释。对这种光滑性的普遍被接受的解释是，在宇宙历史的极早期，它经历过一个急剧膨胀的时期，宇宙膨胀了至少一千亿亿亿倍。这个过程被称为暴胀。与过于经常折磨我们的通货膨胀形成对比，暴胀对于宇宙是个好东西。如果这就是它的全部故事，那么微波辐射在四面八方都会是完全一样的。那么这微小的差异来自何处？

1982年初，霍金写了一篇论文，提出这些差异源自于暴胀时期的量子涨落。发生量子涨落是不确定性原理的结果。此外，这些波动是形成宇宙中的星系、恒星和我们的种子。这个思想基本上和我在十年前预言的从黑洞视界来的霍金辐射机制一样，除了现在它来自于宇宙视界。宇宙视界是把宇宙中我们能看到的部分和我们看不到的部分分开的面。

有可能存在其他宇宙。M理论预言，从无到有创生了许多宇宙，它们对应于许多不同的可能历史。随着其年龄增长到现在直至未来，每个宇宙都有许多可能的历史及许多可能的状态。这些状态的大多数都非常不同于我们观察到的这个宇宙。

宇宙本身在热大爆炸中的开端是测试M理论，以及时空和物质构件的思想的终极高能实验室。不同的理论在当前的宇宙结构中留下了不同的指纹，因此天体物理数据可以为我们提供统一所有自然力的线索。所以也很可能还存在其他宇宙，但不幸的是我们永远无法探索它们。

我们已经看到了宇宙起源的一些东西，但这留下了两个大问题：宇宙会结束吗？宇宙是独一无二的吗？

那么宇宙中最可能的历史将会有什么样的未来行为？似乎存在各式各样与智慧生命的出现相容的可能性。它们取决于宇宙中的物质数量。如果超过一定的临界量，星系之间的引力将减缓膨胀。

如果宇宙的密度低于临界值，则引力太弱，不足以阻止星系永远飞离。所有的恒星都会燃尽，而且宇宙将变得越来越虚空，越来越寒冷。所以，万物又要终结，不过是以一种不太戏剧化的方式终结而已，我们仍然还有几十亿年的时间可过。

在这个回答中，霍金试图解释一些有关我们宇宙的起源、未来和本性的事情。过去的宇宙是小而密集的，所以它就很像我开始说的果壳那样。然而这个果壳编码了在实时间里发生的一切。所以哈姆雷特是完全正确的。我们可以被束缚在果壳之中，但把我们自己视为无限空间之王。

七、大爆炸之前发生了什么？

“根据无边界设想，询问大爆炸之前发生什么毫无意义——就像问南极之南是什么一样——因为没有时间概念可供参照。时间的概念只存在于我们的宇宙中。”