第四章

1975年,梵蒂岡把授予「有傑出成就的年輕科學家」的庇佑斯十二世獎章頒發給史蒂芬?霍金。他和白納德?卡爾一同飛往羅馬,在梵蒂岡接受教宗保羅六世頒獎。

白納德?卡爾那是一個非常感人的場合。在正常情形下,得獎的人必須走到教宗面前去接受獎章。可是,因為史蒂芬不能上前,所以教宗一直走到史蒂芬面前來。

這是一個歷史時刻。教會——尤其是天主教會,和宇宙學史之間一向有衝突,這可一直回溯到伽利略時代。史蒂芬對伽利略有極大的親切感。我記得,我們去梵蒂岡時,他非常渴望到檔案館去查閱被認為是伽利略悔過的文件。在這文件中伽利略在教會的壓力下,收回地球圍繞太陽旋轉的理論。

科學和教會之間的爭論仍然方興未艾。最後,教會宣布他們犯了錯誤,事實上伽利略是對的。這使我們感到欣慰。但是我很懷疑,如果教宗真的理解史蒂芬的發現,他是否會認可。

基帕?索恩我看得十分清楚,從70年代早期開始,史蒂芬的研究方式發生了顯著的改變。

這種改變,可用他在1980年左右對我說的話來代表:「我寧願是正確的,而不是嚴密的。」嚴密性質是數學家追求的,他們認為正確性需要堅定清晰的數學證明。60年代和70年代早期,史蒂芬在研究中追求過這種嚴密性,他試圖使每一部分都完全堅定穩固。

近年來,他在尋求真理時變得更富猜測性。譬如說達到了百分之九十五的正確性,然後他就繼續很快地前進。他放棄了似乎在70年代早期對確定性的追求,而喜歡高或然性,從而快速地朝理解宇宙性質的終極目標前進。

史蒂芬?霍金1981年在梵蒂岡召開宇宙學會議時,我又重新喚起了對宇宙開端和命運問題的興趣。之後我們受到教皇的召見,他剛從那次謀殺中恢複過來。他告訴我們,研究宇宙在大爆炸後的演化是可以的,但是由於大爆炸本身是創生的時刻,因而是上帝的事務,所以我們不應該去詢問那個時刻本身。我高興的是,那時候他不知道,我在會議上剛發表的論題是,空間——時間為有限的、但是沒有邊界的可能性,這表明它沒有開端,也就是創生的時刻。

因為這篇論文相當技術性,並且採用了一個令人敬畏的題目《宇宙的邊界條件》,所以關於宇宙起始的含義不是一下子就那麼一目了然。我在該論文中提出:空間和時間在範圍上有限,但是自己包容起來,而沒有邊界或邊緣;正如地球的表面面積是有限的,卻沒有邊界或邊緣一樣。在我所有的旅行中,我從未從世界的邊緣掉下去。

在梵蒂岡會議期間,我不知道如何利用這個思想對宇宙行為作預言。但是在1982和1983年間,我和我的朋友兼同事加州大學聖他巴巴拉分校的詹姆?哈特爾合作。我們指出如何利用這個無邊界思想,在量子引力論中計算出宇宙的態。

如果無邊界設想是正確的,則不存在奇性,而科學定律,就在包括宇宙開端的任何地方都成立。宇宙開始的方式就由科學定律所決定。我成功地實現了發現宇宙如何開始的抱負。但是我仍然不知道它為什麼要啟始。

詹姆?哈特爾詹姆?哈特爾是史蒂芬?霍金的哈特爾——霍金設想的合作者。他現為加州大學聖他巴巴拉分校的物理教授,他的研究方向主要是相對論和引力。

在量子力學中,我們是用一個系統的波函數來描述它。因此,我們能計算看到的東西的機率。例如,在宇宙的情形下,我們也許對它的大小、形狀,以及它能顯示出空間的三維幾何感興趣。波函數允許我們計算其他不同答案的機率。所以我們也研究其他可能的模式。可是,我們的宇宙不是這樣,我們生活在固定的一個量子態中,因此產生了一個有趣的問題:根據什麼原則,從許多可能的宇宙態中特別選出一種態,使我們得到一種機制,用以預測或者聯接現有宇宙的不同特徵?

鄧尼斯?西阿瑪史蒂芬的「量子宇宙論」,或者更通俗點講「宇宙的波函數」是一個新的物理設想。它是說,使用量子力學計算宇宙的行為,要牽涉到高度技巧性的步驟,這些步驟代表了物理作用方式的新假設;因此它們是有爭議的,是還沒有被確立起來的。

可是,他想指出的是,如果用他建議的步驟計算出宇宙的波函數,那麼就能算出宇宙會像什麼樣子。這是一種非常聰明和卓越的建議,但是並沒有公認一定會成功。他和他的學生,以及世界上其他地方的人,都在看真實的宇宙是否具有和他設想的理論含義相同的性質,以此來檢驗這個新理論。他的觀點是:這會導致一系列成功的思想。但是,目前這一切還都處於爭議的階段。

在經典物理中,人們可以給定所有粒子在同一個時刻的位置和速度,從而描述一個系統的狀態。另一方面,在量子物理中,粒子不具有精確定義的位置和速度。相反的,人們所能提供最完整的描述只是所謂的波函數。這可以認為是提供在不同位置上找到該粒於的概率。人們不必再指明該粒子的速度。這些在不確定性規定的程度上由波函數決定。

在量子理論中,宇宙的態可由所謂的宇宙波函數來描述。它提供了現在空間為以不同方式彎曲的或者翹曲的概率。空間幾乎為平坦的概率最大,但是哈特爾和霍金的無邊界設想預言,在空間幾何中的小波浪的概率相當大。這些對應於引力波,現在人們正用非常精密的測量手段去檢測它們。

基帕?索恩描述量子引力——也就是廣義相對論和量子理論的結合,有許多方法。我發現最富有魅力的,是哈特爾和霍金在描述把量子力學和引力結合在一起時所採用的方法。我覺得這很合我意。當你在科學(譬如物理學)的最前沿探索時,必須大大地仰仗你自己的體會和感覺。你必須決定你的研究方向,或者為學生指出哪個方向較有可為。這一類指導必須來自於直覺,來自於天性。正如蘇聯同事所說的,來自於心肝。我打從我的心肝里感到它們是對的。

安東尼?赫維許我想,過去二十年來最奇妙的事情是:我們現在能論證在時間開端後的一百萬分之一秒前發生的事。宇宙具有奇性的起始是一個令人驚異的觀念。但是,能夠有意義地談論及爭議那麼早宇宙的物理,對我而言無疑是一場革命。尤其回顧我自己的一生,想到過去我們甚至不知道宇宙是演化的或是穩態的,真是感慨不已。

這還引起了令人敬畏的哲學問題,諸如時間有無開端,以及這個問題的真正含義。要使物理學家真正掌握這些問題是困難的。

約翰?惠勒許多人在許多場合多次提出有關宇宙起源的問題:它是如何啟始的?

當愛因斯坦第一次探索自己的理論,發現理論斷言宇宙不能永遠維持尺度不變時,他不信任它的預言。為什麼他如此不相信呢?因為他心目中的偉大英雄斯賓諾莎在很久以前反駁了聖經中的太初創世的思想;斯賓諾莎說過:「在不存在任何可以告知鐘錶何時啟始之前的東西,鐘錶存在何方?」這聽起來很矛盾。

當然,當最後發現宇宙在膨脹時,愛因斯坦告訴他和我偉大的朋友喬治?伽莫夫:「這是我研究生涯中的最大錯誤。」

從此以後,他和我都把宇宙膨脹的預言當做強而有力的證據,認為是某種和人類以前理解的一切截然不同的東西,是人類被賦予探索空間和宇宙運行方式的能力的最強有力的證據,以及我們有朝一日能解開這些秘密的最偉大象徵。可是,我認為按照量子力學,我們對諸如宇宙如何開端這類問題會有更深刻的洞察,因為我們在那裡意識到了時間的概念本身是一種理想化。「時間」這個詞不是上帝從天上賜予我們的禮物;時間的觀念是人們發明的一個詞。。如果它牽涉著一些困惑,應是誰的過錯?那是我們發明使用這個詞的過錯。

有一次,我在德州奧斯汀市一個咖啡館的男廁所看到了一行塗鴉:「時間是大自然避免使所有事情同時發生的方法」,這是我們通常解釋時間的簡要說法。但是,我們用量子力學觀點越深入地探究時間,就得到越多洞察,時間本身也就越顯得微妙,在徹底理解這全部圖像的過程中,需要解決的困惑就越繁重。

所以,任何詢問宇宙如何開始的人都應反躬自問:「你從何處得到時間觀念的?」

在量子力學中,電子的位置是不確定的。這種不確定性在正常情形下是可以忽略的,但是它在原於距離尺度下變成很重要,以至於諸如「原子在何處?」的問題沒有什麼意義的答案。類似地,在量子引力中也存在空間——時間幾何的不確定性。這種不確定性在正常情形下也是可以忽略的,可是它在非常微小的距離尺度和時間間隔下變得很重要,以至於諸如「現在什麼時候?」

的問題沒有什麼意義。尤其是,這意味著時間概念在非常接近大爆炸時變成沒有意義。

史蒂芬?霍金提出,使用虛時間也許能取得一些進展。虛時間和實時間的關係,猶如虛數和實數的關係。虛時間物理是物理學的愛麗絲奇境;例如,粒子

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