種情形下熱這個字根本不適合,因為其溫度只不過比絕對零度高2。7度而已。宇宙是一個既寒冷又黑暗的地方!穩恆態理論中沒有一種產生具有這種譜的微波的合理機制,所以穩恆態理論難逃被拋棄的命運。
1963年兩位俄國科學家歐格尼·利弗席茲和伊薩克·哈拉尼科夫提出另一種思想,企圖用來避免大爆炸奇性。他們說,只有當星系直接相互接近或離開時,它們才會在過去的一個單獨的點上相重疊,才導致無限密度狀態。可惜的是,星系還多少具有一些側向速度,宇宙早斯就可能存在過這樣的一種收縮相,這時,星系雖然曾經非常靠近過,卻能設法避免互相撞擊。然後宇宙會繼續重新膨脹,而不必透過一種無限的密度的狀態。
當利弗席茲和哈拉尼科夫提出其設想時,我正是一名研究生,亟需一個問題以完成博士論文。因為是否有過大爆炸奇點的問題對於理解宇宙的起源關係重大,所以它引起了我的興趣。我和羅傑·彭羅斯一道發展了一套數學工具,用以處理這個以及類似的問題。我們指出,如果廣義相對論是正確的,任何合理的宇宙模型都必須起始於一個奇點。這就表明,科學能夠預言,宇宙必須有一個開端,但是它不能夠預言宇宙應如何啟始的:正因為如此,人們必須求助於上帝。
審察人們對奇性看法的變化是十分有趣的。當我還是一名研究生時,幾乎沒人認真地看待之。現在,作為奇性定理的一個結果,幾乎無人不信宇宙是從一個奇點起始的,物理定律在該處失效。然而,現在我認為,雖然存在奇點,物理定律仍能確定宇宙是如何起始的。
廣義相對論是一種被稱為經典的理論。也就是說,它沒有顧及這個事實,即粒子不具備精確定義的位置和速度,由於過於力學的不確定性原理位置和速度在小範圍內被〃抹平〃,不確定性原理不允許我們同時既測量位置又測量速度。因為在正常情形下時空的曲率在和粒子位置的不確定性相比較時非常大,這些對我們沒什麼影響。然而奇性定理指出,在現在的宇宙膨脹相的開端,時空被高度地畸變,並且具有很小的曲率半徑。不確定原理在這種情形下變成非常重要。這樣,廣義相對論因預言奇性而導致自身的垮臺。為了討論宇宙的開端,我們需要一種結合廣義相對論和量子力學的理論。
那種理論便是量子引力論。我們尚未知道正確的量子引力論應採取的準確形式。我們此刻所擁有的最佳候選者是超弦理論,但它仍有許多未解決的困難。然而,人們可以期望,任何有前途的理論都應具有的某些特徵。其中之一便是愛因斯坦的思想,引力效應由被物質和能量所彎曲甚至捲曲的時空來體現。物體在彎曲空間中沿著最接近於直線的軌跡執行。然而,由於時空是彎曲的,所以它們的路徑就顯得是彎折的,正如同被引力場所彎折了似的。
另一種在這個終極理論中可以預料的要素是裡查德·費因曼的設想,即量子理論可以表達成〃對歷史的求和〃。該思想可以最簡單的形式表達成,每顆粒子在時間中走過任何可能的路徑或歷史。每一路徑或歷史具有依其形狀而定的機率。為了使這種思想可行,人們必須考慮在虛時間裡發生的歷史,而不是在我們感覺生活於其中的實時間裡發生的歷史。虛時間聽起來有點像是科學幻想的東西,其實它是定義得很好的數學概念。它在某種意義上可被認為是和實時間成直角的時間方向。人們把所有具有某種性質的粒子歷史,譬如講在某些時刻透過某些點的歷史的機率加起來。然後應把這結果延拓到我們在其中生活的實的時空中去。這不是量子力學的最熟知的手段,但它給出和其他方法得到的相同結果。
在量子引力的情形下,費因曼的對歷史求和的思想牽涉到對宇宙的不同的可能的歷史,也就是對不同的彎曲時空的求和。這些代表了宇宙和它之中的任何東西的歷史。人們必須指明,在對歷史的求和中,應包括哪些種類的彎曲空間。這種空間種類的選取確定了宇宙處於什麼狀態。如果定義宇宙狀態的彎曲空間種類包括具有奇性的空間,則該理論就不能確定這類空間的機率。相反的,它們必須以某種任意的方法被賦予機率。這意味著科學不能預言時空的這類奇性歷史的機率。這樣,它就不能預言宇宙應如何執行。然而,宇宙可能處於由只包括非奇性彎曲空間的求和所定義的狀態。在這種情形下,科學定律就把宇宙完全確定,人們就不必籲求宇宙之外的某物來確定宇宙如何啟始。由只對非奇性歷史的求和確定宇宙的狀態有點像一名醉漢在燈柱之下找他的鑰匙:這兒也許不是他遺失之處,但是這兒是他可能找到的僅有的地方。類似的,宇