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2006/9/26

霍金演讲录:宇宙的起源(三)

  审察人闪对奇性看法的变化是十分有趣的。当我还是一名研究生时,几乎没人认真地看待之。现在,作为奇性定理的一个结果,几乎无人不信宇宙是从一个奇眯起始的,物理定律在该处失效。然而,现在我认为,虽然存在奇点,物理定律仍能确定宇宙是如何起始的。

  广义相对论是一种被称为经典的理论。也就是说,它没有顾及这个事实,即粒子不具备精确定义的位置和速度,由于量子力学的不确定性原理位置和速度的小范围内被“抹平”,不确定性原理不允许我们同时既测量又测量速度。因为正常情形下时空的曲率在和粒子位置的不确定性相比较时非常大,这些以我们没什么影响。然而奇性定理指出,在现在的宇宙膨胀相的开端,时空被高度地畸变,并且具有很小的曲率半径。不确定性原理在这种情形下变成非常重要。这样,广义相对论因预言奇性而导致自身的垮台。为了讨论宇宙的开端,我们需要一种结合广义相对论和量子力学的理论。

  那种理论便是量子引力论。我们尚未知道正确的量子引力论应采取的准确形式。我们此刻所拥有的最佳候选者是超弦理论,但它仍有许多耒解决的困难。然而,人们可以期望,任何有前途的理论都应具有某些特征。其中之一便是爱因斯坦的思想,引力效应由被物质和能量所弯曲甚至卷曲的时空来体现。物体在弯曲空间中沿着最接近于直线的轨迹运行。然而,由于时空是弯曲的。所以它们的路径就显得是弯折的,正如同被引力场所弯折的似的。

  另一种在这个终极理论中可以预料的要素是里查德·费因曼的设想,即量子理论可以表达成“对历史的求和”。该思想可以最简单的形式表达成,每颗粒子在时间中走过任何可能的路径或历史。每一路径或历史具有依其形状而定的概率。为了使这种思想可行,人们必须考虑在虚时间里发生的历史,而不是在我们感受生活于其中的实时间城发生的历史。虚时间听起来有点像是科学幻想的东西,其实它是定义得很好的数学概念。它在某种意义上可被认为是和实时间成直角的时间方向。人们把所有具有某种性质粒子历史,譬如讲在某些时刻通过某些点的历史的概率加起来。然后应把这结果延拓到我们在其中生活的实的时空中去。这不是量子力学的最熟知的手段,但它给出和其他方法得到的相同结果。

  在量子引力的情形下,费因曼的对历史求和的思想牵涉到对宇宙的不同的可能性的历史,也就是对不同的弯曲时空的求和。这些代表了宇宙和它之中的任何东西的历史。人们必须指明,在对历史的求和中,应包括哪些种类的弯曲空间。这种空间种类包括具有奇性的的空间,则该理论就不能确定这类空间的概率。相反的,它们必须以某种任意的方法被赋予概率。这意味着科学不能预言时空这类奇性历史的概率。这样,它就不能预言宇宙应如何运行。然而,宇宙可能处于由只包括非奇性弯曲空间的求和所定义的状态。在这种情形下,科学定律就把宇宙完全确定,人们就不必吁求宇宙之外的某物来确定宇宙如何启始。由只对非奇性历史的求和确定宇宙的状态有点像一名醉汉在灯柱之下找他的钥匙:这儿也许不是他遗失之处,但是这儿是他可能找到的仅有的地方。类似的,宇宙也许不处于由对非奇性历史求和定义的状态,但这是科学能预言应当什么样子的仅有的状态。

  1983年詹姆·哈特尔和我提出,宇宙的状态应由对一定种类历史的求和给出。这类历史由没有奇性的,而且具有有限尺度却没有边界或边缘的弯曲空间组成。它们像是地球的表面,只不过多了两维。地球的表面具有有限的面积,但是它不具有任何奇性、边界或边缘。我曾经用实验验证过这一点。我作过环球旅行,而没有落到外面去。

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