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安东尼·赫维许
我想,过去二十年来最奇妙的事情是:我们现在能论证在时间开端后的一百万分之一秒前发生的事。宇宙具有奇性的起始是一个令人惊异的观念。但是,能够有意义地谈论及争议那么早宇宙的物理,对我而言无疑是一场革命。尤其回顾我自己的一生,想到过去我们甚至不知道宇宙是演化的或是稳态的,真是感慨不已。
这还引起了令人敬畏的哲学问题,诸如时间有无开端,以及这个问题的真正含义。要使物理学家真正掌握这些问题是困难的。
约翰·惠勒
许多人在许多场合多次提出有关宇宙起源的问题:它是如何启始的?
当爱因斯坦第一次探索自己的理论,发现理论断言宇宙不能永远维持尺度不变时,他不信任它的预言。为什么他如此不相信呢?因为他心目中的伟大英雄斯宾诺莎在很久以前反驳了圣经中的太初创世的思想;斯宾诺莎说过:〃在不存在任何可以告知钟表何时启始之前的东西,钟表存在何方?〃这听起来很矛盾。
当然,当最后发现宇宙在膨胀时,爱因斯坦告诉他和我伟大的朋友乔治·伽莫夫:〃这是我研究生涯中的最大错误。〃
从此以后,他和我都把宇宙膨胀的预言当做强而有力的证据,认为是某种和人类以前理解的一切截然不同的东西,是人类被赋予探索空间和宇宙运行方式的能力的最强有力的证据,以及我们有朝一日能解开这些秘密的最伟大象征。可是,我认为按照量子力学,我们对诸如宇宙如何开端这类问题会有更深刻的洞察,因为我们在那里意识到了时间的概念本身是一种理想化。〃时间〃这个词不是上帝从天上赐予我们的礼物;时间的观念是人们发明的一个词。。如果它牵涉着一些困惑,应是谁的过错?那是我们发明使用这个词的过错。
有一次,我在德州奥斯汀市一个咖啡馆的男厕所看到了一行涂鸦:〃时间是大自然避免使所有事情同时发生的方法〃,这是我们通常解释时间的简要说法。但是,我们用量子力学观点越深入地探究时间,就得到越多洞察,时间本身也就越显得微妙,在彻底理解这全部图像的过程中,需要解决的困惑就越繁重。
所以,任何询问宇宙如何开始的人都应反躬自问:〃你从何处得到时间观念的?〃
在量子力学中,电子的位置是不确定的。这种不确定性在正常情形下是可以忽略的,但是它在原于距离尺度下变成很重要,以至于诸如〃原子在何处?〃的问题没有什么意义的答案。类似地,在量子引力中也存在空间时间几何的不确定性。这种不确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离尺度和时间间隔下变得很重要,以至于诸如〃现在什么时候?〃的问题没有什么意义。尤其是,这意味着时间概念在非常接近大爆炸时变成没有意义。
史蒂芬·霍金提出,使用虚时间也许能取得一些进展。虚时间和实时间的关系,犹如虚数和实数的关系。虚时间物理是物理学的爱丽丝奇境; 例如, 粒子可以运动得比光还快,甚至可在(虚)时间中向后运动。当然,当描述变成对量子力学的一种近似时,每件事都是对的,没有人可比光运动得更快或者在(实)时间中向后运动。
詹姆·哈特尔和史蒂芬·霍金提出一种方法,把虚时间技巧用到量子宇宙论中,并用它来分析极端简化了的宇宙模型。虽然该模型比实在宇宙大为简化,当它用经典广义相对论处理时,具有大爆炸奇性,但是它的量子力学形式却根本没有奇性。哈特尔和霍金成功地用所谓历史前的时间来取代奇性。
哈特尔霍金思想是否能成功地应用于实在宇宙,仍是一个未解决的问题。
克里斯多福·伊宣蒙
克里斯多福·伊宣蒙是伦敦帝国学院的理论物理教授:他研究广义相对论和量子物理之间的关系。
从〃无〃中创生的观念当然是非常激动人心的,这是使人极感兴趣的东西。哈特尔霍金的从〃无〃创生的图像,实际上是以非技术性术语非常形象化地描述数学。你瞧,物理学中正常发生的东西是,在具有传统的因果性和决定性观念的地方,如果给你某个特殊时刻的态,你就能唯一地算出后来某个时刻的态。那就是人们所说的因果性。按照这个观点,你永远不能从〃无〃中创生,事实上你根本不可能有创生。你真正拥有的一切是变化:因果性变化,可是这变化属于已经存在那里的东西。这种变化也许牵涉到创生,例如你在CERN'9' 的粒子加速器看到基本粒子相碰撞而出现一堆新粒子;那看起来像创生,但是你其实只是把能量从一种形式转变成另一种形式,而这整个系统纯粹是因果性和决定性的,每一件东西都只是以通常的方式流动,你肯定不是从〃无〃中生〃有〃。
'9' CERN是欧州核子研究组织,在瑞士日内瓦附近。
在广义相对论中,由于时间和空间在公式中表达的方式,使实际谈论时间的创生成为可能。麻烦的是,在经典理论中,当空间和时间〃开始形成〃时,实在的点本身是数学中的奇点,数学失效了,所以它不能给你一个创生论。你在传统的宇宙论中所能说的是,存在许多不同的可能宇宙,它们所有都和爱因斯坦方程式相符合。我们恰巧在这个宇宙中生活的事实,毋宁说纯粹是出于偶然。你不能赋予任何理由甚至在原则上也不能。你所能说的一切是条件陈述:假定宇宙在这一时刻处在这个状态,则它在以后的时刻将处于那个状态。它是条件性类型的演化。
然而,当你谈到虚时间,就有一个奇怪的可能性,也就是〃现在〃不一定要有一连串的过去时刻。如果我们从现在这一时刻往过去回溯,在很长的时间内一切都完全正常地进行,甚至在虚时间中也是如此。只要你使用这个唯象的时间,看起来就像你在通常时间里回溯过去。
但是随着你往以前退去,越来越接近传统的实时间图像中变成原点之处,你就发现时间的性质在改变,复的或虚的变得越来越有份量。最后,在经典理论中应该是奇点的东西被抹平了,你就得到这张漂亮的图画,这些碗状的宇宙创生图像。那里没有起点,只是某种光滑的形状。
哈特尔和霍金所发现的是,如果你假设,宇宙在虚时间里的过去历史图像是所有可能的、恰好和我们现在时刻字宙相符的这类形状、而你多多少少用传统量子力学方式来解释之,至少在原则上你会得到整个宇宙唯一的波函数。
这样,你就得到了这个没有过去的美妙图画,宇宙根本不从任何东西产生出来。因为它是一个自洽的数学结构,所有你真正能说的是宇宙存在。和从某点创生宇宙的图景不一样,这宇宙没有过去,因为没有任何它在其中创生的东西。
如此,宇宙从〃无〃中创生的说法,实际上有一点用词不当;这是词汇〃无〃的误用。它不只是指在空虚的空间中出现宇宙,你也许可以把这空间称为〃无〃:因为甚至连创生事件也不存在,所以根本不存在任何东西!
在这些理论中,动词过去时态的使用变成不恰当。当然,在人们相信实时间时就建立了时态。不幸的是,我们还没有在虚时间中表示时态的语言形式。因此,在这层意义上,说〃从无中创生〃肯定是误导的。它对于这个在预先存在的时间中忽然出现的宇宙图像很合适,可是它并不是哈特尔霍金态的贴切描述。
史蒂芬·霍金
为了预言宇宙是如何起始的,人们需要在时间开端处也能成立的定律。在实时间内只存在两种可能性:或者时间往过去回溯直至无穷,或者时间在一个奇点处有一个开端。人们可以把实时间认为是从大爆炸起到大挤压止的一根直线。但是,人们还可以考虑和实时间成直角的另一个时间方向。这叫做时间的虚方向。在时间的虚方向,不必要任何形成宇宙开端或终结的奇点。
在虚时间里,没有科学定律在该处失效的奇点,也没有人们需要在该处乞求上帝的宇宙边缘。宇宙既不创生也不毁灭结束。它就是存在。
也许虚时间才真正是真实的时间,而我们称为实时间的仅是我们的想象。宇宙在实时间里各有一个开端和终结。可是在虚时间里,不存在奇点或边界。因此,也许我们称为的虚时间是真正更基本的,而我们叫做实时间的,只不过是我们发明的观念,用来帮助自己描述我们认为的宇宙的样子。
基帕·索恩
宇宙如何终结存在两种基本理论。一种是开放宇宙的观念,它会继续演化,不会突然终止;事情仅仅是缓慢下来,并且按照热力学第二定律到达热死。另外一种是闭合宇宙的观念,它会停止膨胀,而且会向自身坍缩回来,这有时被称作大挤压,像是大爆炸,只不过在时间上颠倒过来就是了。
詹姆·哈特尔
虚时间中的词〃虚〃不是指想象:它是指数学中非常古老的观念,也就是虚数,譬如…1的平方根,理解这一点非常重要。对于一位给定的观察者,空间和时间当然是可区分的:我们用尺来测量空间,用钟表测量时间。爱因斯坦和赫尔曼·闵可夫斯基在本世纪初指出,不同的观察者的空间和时间概念,只不过是同一个统一的空间时间观念的不同方面。空间时间是四维空间几何,它有某些类空间的方向和某些类时间的方向。所以就一定意义上来讲,在那里空