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第20章 宇宙的起源和命运(3)(1/2)

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我从莫斯科返回的第二天,即去费城接受富兰克林研究所的奖章。我的秘书朱迪·费拉施展其不俗的魅力说服了英国航空公司给她自己和我免费提供协和式飞机的广告旅行坐席。然而,在去机场的路上被大雨耽搁,我没赶上航班。尽管如此,我最终还是到了费城并得到奖章。之后,我应邀在费城的爵索尔大学作了关于暴胀宇宙的演讲。我所作的讲演,正和在莫斯科的一样,是关于暴胀宇宙的问题。

几个月之后,宾州大学的保罗·斯特恩哈特和安德鲁斯·阿伯勒希特独立地提出和林德非常相似的思想。现在他们和林德分享以缓慢对称破缺的思想为基础的所谓“新暴胀模型”的荣誉。(旧的暴胀模型是指固斯关于形成泡泡后快速对称破缺的原始设想。)新暴胀模型是一个好的尝试,它能解释宇宙为何是这种样子。然而我和其他几个人指出,至少在它原先的形式,它预言的微波背景辐射的温度变化要比观察到的大得多。后来的工作还对极早期宇宙中是否存在过这类需要的相变提出怀疑。我个人的意见是,现在新暴胀模型作为一个科学理论气数已尽。虽然还有很多人似乎不承认它的死亡,还继续写文章,好像那理论还有生命力。1983年,林德提出了一个更好的所谓混沌暴胀模型。这里没有相变和过冷,而代之以存在一个自旋为0的场,由于它的量子涨落,在早期宇宙的某些区域有大的场值。在那些区域中,场的能量起到宇宙常数的作用,它具有排斥的引力效应,而使这些区域以暴胀的形式膨胀。随着它们膨胀,它们中的场的能量慢慢地减小,直到暴胀改变到犹如热大爆炸模型中的膨胀时为止。这些区域之一就成为可观察的宇宙让我们看到。这个模型具有早先暴胀模型的所有优点,但是它并不取决于使人生疑的相变,此外,它还能给出微波背景辐射温度起伏的合理幅度,这与观测相符合。

暴胀模型的这个研究指出:宇宙现在的状态可以从相当大量的不同初始结构引起。这很重要,因为它表明不必非常细心地选取我们居住的那部分宇宙区域的初始状态。

所以,如果愿意的话,我们可以利用弱人存原理解释宇宙为何现在如此这般。然而,绝不是任何一种初始结构都会产生像我们观察到的宇宙。这一点很容易做到。考虑现在宇宙处于一个非常不同的态,例如一个非常成团的非常无规则的态。人们可以利用科学定律,在时间上将其演化回去,以确定宇宙在更早时刻的结构。按照经典广义相对论的奇点定理,仍然存在一个大爆炸奇点。如果你在时间前进方向上按照科学定律演化这样的宇宙,你就会得到你从其开始的那个成团的无规则的态。这样,必定存在不会产生像我们今天观察到的宇宙的初始结构。所以,就连暴胀模型也没有告诉我们,为何初始结构不是那种态,从它演化成和我们观测到的非常不同的宇宙。我们是否应该再从人存原理得到解释呢?难道所有这一切仅仅是因为好运气?看来,这只是无望的遁词,是对我们理解宇宙根本秩序的所有希望的否定。

为了预言宇宙应该如何起始,人们需要在时间开端处成立的定律。罗杰·彭罗斯和我证明的奇点定理指出,如果广义相对论的经典理论是正确的,则时间的开端是具有无限密度和无限时空曲率的一点,在这样的点上所有已知的科学定律都崩溃。人们可以设想存在在奇点处成立的新定律,但是在如此不守规矩之处,甚至连表述这样的定律都是非常困难的,而且从观察中我们没有得到关于这些定律应是什么样子的任何指示。然而,奇点定理真正揭示的是,引力场变得如此之强,使量子引力效应变得十分重要:经典理论已经不能很好地描述宇宙。这样,人们必须用量子引力论去讨论宇宙的极早期阶段。正如我们将会看到的,在量子力学中,通常的科学定律有可能在任何地方都有效,包括时间开端这一点在内:不必针对奇点提出新的定律,因为在量子理论中不必存在任何奇点。

我们仍然没有一套完备而协调的理论将量子力学和引力结合在一起。然而,我们相当清楚这样一套统一理论所应该具备的某些特征。其中一个就是它必须和费恩曼提出的按照对历史求和的量子力学表述相合并。在这种方法里,一个粒子不像在经典理论中那样,不仅只有一个单独的历史。相反,它被认为通过时空里的任何可能的路径,这些历史中的每一个都有一对相关的数,一个代表波的幅度,另一个代表它在循环中的位置(相位)。粒子通过某一特定点的概率是将通过此点的所有可能历史的波叠加求得。然而,当人们实际去进行这些求和时,就遭遇到了严重的技术问题。回避这个问题的仅有的独特方法是:你必须不是对发生在你我经验的“实的”时间内的,而是对发生在所谓“虚的”时间内的粒子历史的波进行求和。

虚时间可能听起来像是科学幻想,但事实上,它是定义得很好的数学概念。如果你取任何平常的(或“实的”)数和它自己相乘,结果是一个正数(例如2乘2是4,但-2乘-2也是这么多。)然而,存在一种特别的数(叫虚数),当它们自乘时得到负数(叫做i的数自乘时得-1,2i自乘得-4,等等)。

人们可以用下面的办法来图解实数和虚数:实数可以用一根从左至右的线来代表,中间是零点,

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