天員所遺留下來的僅有特徵是他的質量或能量。
當黑洞的質量大於幾分之一克時,我用以推導黑洞輻射的近似應是很有效的。但是,當黑洞在它的生命晚期,質量變成非常小時,這近似就失效了。最可能的結果看來是,它至少從宇宙的我們這一區域消失了,帶走了航天員和可能在它裡面的任何奇點(如果其中確有一個奇點的話)。這是量子力學能夠去掉廣義相對論預言的奇點的第一個跡象。然而,我和其他人在1974年所用的方法不能回答諸如量子引力論中是否會發生奇性的問題。所以從1975年以來,根據理查德·費因曼對於歷史求和的思想,我開始發展一種更強有力的量子引力論方法。這種方法對宇宙的開端和終結,以及其中的諸如航天員之類的存在物給出的答案,這些將在下兩章中敘述。我們將看到,雖然不確定性原理對於我們所有的預言的準確性都加上了限制,同時它卻可以排除掉髮生在空間——時間奇點處的基本的不可預言性。 第八章 宇宙的起源和命運
愛因斯坦廣義相對論本身預言了:空間—時間在大爆炸奇點處開始,並會在大擠壓奇點處(如果整個宇宙坍縮的話)或在黑洞中的一個奇點處(如果一個區域性區域,譬如恆星要坍縮的話)結束。任何拋進黑洞的東西都會在奇點處被毀滅,只有它的質量的引力效應能繼續在外面被感覺得到。另一方面,當計入量子效應時,物體的質量和能量會最終回到宇宙的其餘部分,黑洞和在它當中的任何奇點一道被蒸發掉並最終消失。量子力學對大爆炸和大擠壓奇點也能有同樣戲劇性的效應嗎?在宇宙的極早或極晚期,當引力場是如此之強,以至於量子效應不能不考慮時,究竟會發生什麼?宇宙究竟是否有一個開端或終結?如果有的話,它們是什麼樣子的?
整個70年代我主要在研究黑洞,但在1981年參加在梵蒂岡由耶穌會組織的宇宙學會議時,我對於宇宙的起源和命運問題的興趣重新被喚起。天主教會試圖對科學的問題立法,並宣佈太陽是繞著地球運動時,對伽利略犯下了大錯誤。幾個世紀後的現在,它決定邀請一些專家就宇宙學問題提出建議。在會議的尾聲,所有參加者應邀出席教皇的一次演講。他告訴我們,在大爆炸之後的宇宙演化是可以研究的,但是我們不應該去過問大爆炸本身,因為那是創生的時刻,因而是上帝的事務。那時候我心中暗喜,他並不知道,我剛在會議上作過的演講的主題——空間—時間是有限而無界的可能性,就表明著沒有開端、沒有創生的時刻。我不想去分享伽利略的厄運。我對伽利略之所以有一種強烈的認同感,其部分原因是剛好我出生於他死後的300年!
為了解釋我和其他人關於量子力學如何影響宇宙的起源和命運的思想,必須首先按照“熱大爆炸模型”來理解為大家所接受的宇宙歷史。它是假定從早到大爆炸時刻起宇宙就用弗利德曼模型描述。在此模型中,人們發現當宇宙膨脹時,其中的任何物體或輻射都變得更涼。(當宇宙的尺度大到二倍,它的溫度就降低到一半。)由於溫度即是粒子的平均能量——或速度的測度,宇宙的變涼對於其中的物質就會有較大的效應。在非常高的溫度下,粒子會運動得如此之快,以至於能逃脫任何由核力或電磁力將它們吸引一起的作用。但是可以預料,當它們變冷下來時,互相吸引的粒子開始結塊。更有甚者,連存在於宇宙中的粒子的種類也依賴於溫度。在足夠高的溫度下,粒子的能量是如此之高,只要它們碰撞就會產生出來很多不同的粒子/反粒子對——並且,雖然其中一些粒子打到反粒子上去時會湮滅,但是它們產生得比湮滅得更快。然而,在更低的溫度下,碰撞粒子具有較小的能量,粒子/反粒子對產生得不快,而湮滅則變得比產生更快。
就在大爆炸時,宇宙體積被認為是零,所以是無限熱。但是,輻射的溫度隨著宇宙的膨脹而降低。大爆炸後的1秒鐘,溫度降低到約為100億度,這大約是太陽中心溫度的1千倍,亦即氫彈爆炸達到的溫度。此刻宇宙主要包含光子、電子和中微子(極輕的粒子,它只受弱力和引力的作用)和它們的反粒子,還有一些質子和中子。隨著宇宙的繼續膨脹,溫度繼續降低,電子/反電子對在碰撞中的產生率就落到它們湮滅率之下。這樣只剩下很少的電子,而大部分電子和反電子相互湮滅,產生出更多的光子。然而,中微子和反中微子並沒有互相湮滅掉,因為這些粒子和它們自己以及其他粒子的作用非常微弱,所以直到今天它們應該仍然存在。如果我們能觀測到它們,就會為非常熱的早期宇宙階段的圖象提供一個很好的證據。可惜現今它們的能量太低了,以至