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果壳中的宇宙.doc

果壳中的宇宙

艾玛
2013-11-05 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《果壳中的宇宙doc》,可适用于高等教育领域

本图书由WWWANTIXCN为您整理制作QQ:致力食品安全造福百姓健康!http:hibaiducomfanledemutou《果壳中的宇宙》第一章相对论简史  霍金  爱因斯坦是如何为世纪两个基本理论即相对论和量子论奠基的。  阿尔伯特爱因斯坦这是位狭义和广义相对论的发现者年诞生于德国的乌尔姆。次年他的全家即迁往慕尼黑。在那里他的父亲赫曼和叔父各自建立了一个小型的不很成功的电器公司。阿尔伯特并非神童但是宣称他在学校中成绩劣等似乎又言过其实。年他的父亲公司倒闭全家又迁往意大利的米兰。他的父亲决定让他留在慕尼黑以便完成中学学业但是他讨厌其独裁主义几个月后离开了前往意大利与家人团聚。后来他在苏黎完成学业。ETH的教授们不喜欢他好辩的性格以及对权威的蔑视他们中无人愿意雇他为助手而这恰恰是进入学术生涯的正常途径。两年以后他终于在伯尔尼的瑞士专利局获得一个低级职位。年正是在专利局任上他写了三篇论文。这三篇论文不仅奠定了他作为世界最主要的科学家之一的地位而且开启了两项观念革命这革命改变了我们对时间空间以及未来本身饿理解。    在世纪末科学家们相信他们已经处于完整描述宇宙的前夕。他们好象空间充满了所谓“以太”的连续介质。光线和无线电讯号是在以太中的波动如同声音为空气中的压力波一样。对于完整理论所需要的一切只不过是要仔细测量已太的弹性性质。事实上为了进行这种测量哈佛大学建立了杰佛弗逊实验室。整个建筑物不能用任何铁钉以免干扰灵敏的磁测量。然而策划者忘记了构筑实验室和哈佛大部分楼房的褐红色砖头砖头含有大量的铁。这座建筑物迄今仍在使用虽然哈佛仍然不能清楚不用铁钉的图书馆地板究竟可以支撑多少卷藏书。    到世纪交替之际开始出现可和穿透一切的以太观的偏差。人们预料光在通过已太时以恒定的速度旅行但如果你通过已以太顺着光的方向运动它的速度会显得更快。  然而一系列实验不支持这个观念。阿尔伯特麦克尔逊和爱德华莫雷于年在俄亥俄的克里夫兰的凯思应用科学学校所进行的实验为其中最为仔细最为精确者。他们对相互垂直的两束光的速度进行比较。随着地球绕轴自转以及公转仪器以变化的速度和方向通过以太运动。但是麦克尔逊和莫雷的两光束之间没有周日和周年的差别。不管人们在哪个方向上多快运动光似乎总是以相同的速率相对于他的所在地运动。  爱尔兰的物理学家乔治费兹杰拉德和荷兰物理学家亨得利克洛伦兹在麦克尔逊莫雷的基础上建议物体在通过以太运动时会收缩而且钟表要变慢。这种收缩和钟表变慢使人们测量到相同的光速而不管他们相对于以太如何运动。然而爱因斯坦在年月撰写的一篇论文中指出如果我们不能检测出他是否穿越时空的运动则以太观念纯熟多余。想反的他以为科学定律对于所有自由运动的观察者都显得相同的假设为出发点。特别是不管他们如何快速运动都应测量到相同的光速。光速和他们运动无关并且在所有方向上都相同。  这就需要抛弃一个观念即存在一个所有钟表都测量的成为时间的普适的量。相反的每个人都有他或者她自己的个人时间。如果两个人处于相对静止状态则他们的时间就一致但是一旦他们相互运动则不一致。  这已经被很多实验所证实其中包括两台以相反方向绕世界飞行的精确的钟表返回后显示时间的微小差异。这似乎暗示人们若要活的更长久应该不断地飞向东去使得地球的旋转叠加上飞机的速度。然而人们所获得的比一秒还短得多的生命延长远远不及劣质飞机餐对健康的残害。  爱因斯坦的假定即自然定律对于所有有自由运动的观察者应该显得相同是相对论的基础。之所以这么称呼是因为它意味着只有相对运动才是重要的。它的美丽和简单征服了许多科学家但是仍然有许多人反对。爱因斯坦推翻了世纪科学家的两个绝对物:以太代表的绝对静止和所有钟表都测量的或普适时间。许多人觉得这是一个另人不安的概念。他们问道这是否意味着万物都是相对静止的甚至不存在绝对的道德标准呢?这种苦恼持续穿于世纪年代和年代。年爱因斯坦获得诺贝尔奖时其颂词是至关重要的但是按照他的标准却是相对次要的也是在年做过的研究。它没有提及相对论因为相对论被认为太过于争论性了。尽管如此现在科学界已经完全接受了相对论无数的应用证实了他的预言。  相对论的一个非常重要的推论是质量和能量的关系。爱因斯坦关于光速对于任何人而言都应该显得相同的假设意味着没有任何运动的比光还快。当人们应能量加速任何物体无论是粒子或者空间飞船实际上发生的是它的质量增加使得对她进一步加速更困难。要把一个粒子加速到光速要消耗无限大能量因而是不可能的正如爱因斯坦的著名公式总结的:E=mc^质量和能量是等效的。这也许是物理学中的唯一的妇孺皆知的公式。它的一项后果是意识到如果铀原子核裂变总质量稍小的两个核就会释放巨大的能量。  年世界大战迫在眉睫众多意识到这些含义的物理学家都说服爱因斯坦克服其和平主义原则以他的权威给罗斯福总统写一封信要求美国开始核研究计划。  这就导致了曼哈顿规划并最终产生了于年在日本的广岛和长崎爆炸的原子弹。有人将原子弹归咎于爱因斯坦发现了智能关系但是这和把飞机失实归咎于牛顿发现了引力很类似。爱因斯坦本人没有参与曼哈顿规划并且为投原子弹而感到震惊。  爱因斯坦年的开创性论文为他建立了科学声望但是直到年他回到苏黎世这一次是返回苏黎世高工。尽管在欧洲的许多地方甚至在大学中盛行反犹主义他现在是学术界的巨星。维也纳和乌特勒希特都邀他任教但是他选择了柏林的普鲁士科学院的研究员职务因为这样他可以摆脱教学。年月他迁往柏林不久他的妻子和两个儿子也来团聚。然而婚姻不谐已有时日他的家庭不久返回苏黎世。尽管他偶尔去看望他们他和妻子最终还是离婚了。爱因斯坦后来娶了他住在柏林的表姐爱尔莎。在战争年代里他过着独身生活避免了家事纠缠也许是他在这一段期间科学上多产的一个原因。  虽然相对论和制约电磁学的定律配合的天衣无缝它却不能和牛顿的引力定律想协调。牛顿引力定律说如果果人们在时间的区域改变物质分布引力场的改变在宇宙其他任何地方就会瞬间被察觉到。这不仅意味着人们可以发送比光还快的信号为了知道这里瞬刻的含义它还需要存在绝对或普适的时间。这正式那种被相对论抛弃了的并被个人时间所取代的时间。  年当爱因斯坦还在伯尔尼的专利局工作时他就知道了这个困难但是直到年他在布拉格时才开始认真地思考这个问题。他意识到在加速度和引力场之间存在一个紧密的关系。待在一个封闭的盒子里譬如升降机中的某人不能将盒子静止地处于地球引力场中和盒子在自由空间中被火箭加速这两种情形区别开来。  如果地球是平坦的人们既可以说服苹果因为引力而落到牛顿头上也可以等效地说因为牛顿和地球被往上加速。然而对于球形地球加速度和引力之间的不等效似乎不成立世界相反两边的人要停留在固定的相互距离上就必须在反方向上被加速。  在爱因斯坦年回苏黎世时他灵感奔涌意识到如果时空几何是弯曲的而不是想迄今所假定的那样平坦则等效成立。他的思想是质量和能量以一种还未被确定的方式将时空弯曲。诸如苹果或者行星的物体在通过时空的企图沿着直线运动但是因为时空是弯曲的所以他们的轨道显得被引力场所弯折。  爱因斯坦借助于他的朋友玛索尔格罗斯曼通晓了弯曲时空和面的理论。在此之前乔治弗里德里希黎曼把这种理论发展成一种抽象的数学黎曼从未想到它和实在世界有何相干。年爱因斯坦和格罗斯曼合写了一篇论文他们在论文中提出了这样的思想我们认为是引力的只不过是时空为弯曲的这一事实的表现。然而由于爱因斯坦的一个错误他们未能找到将时空曲率和处于其中的质量和能量相联系的方程。爱因斯坦在柏林继续研究这个问题。他不受家事的烦扰而且不受战争影响终于在年月找到了正确的方程。年夏天当他访问哥廷大学时曾经和数学家大卫希尔伯特讨论过他的思想希尔伯特甚至比爱因斯坦还早几天独立找到了同一方程。尽管如此新理论的成功应归功于爱因斯坦:把引力和时空弯曲联系起来正是爱因斯坦的思想。这个时期的德国作为文明国家是值得赞扬的甚至在战时科学讨论和交流仍然可以不收干扰的进行。这和年后的纳粹时期相比真是天壤之别。  弯曲时空的理论被称为广义相对论以和原先没有引力的理论相区别后者现在被认为狭义相对论。年当英国赴西非的探险队在日食观察到光线通过太阳临近被稍微偏折广义相对论因而得到辉煌的确认。这正是空间和时间被弯曲的直接证据。它激励了从欧几里得在公元前年左右写下《几何原本》以来我们对自身生活其间的宇宙之认识的最大变革。  爱因斯坦的广义相对论把空间和时间从一个事件在其中发生的被动的背景转变成宇宙动力学的主动参与者。这就引发了一个伟大的问题这个问题在世纪仍然处于物理学的最前沿。宇宙充满物质而物质弯曲时空使得物体落到一块。爱因斯坦发现他的方程没有描述一个静态的也就是在时间中不变的宇宙解。他宁愿不放弃这样一种永恒的宇宙这正是他和和其他大多数人所深信的而不惜对该方程进行补缀添加上称为宇宙常数的一项使得物体相互离开。宇宙常数在相反的意义上将时空弯曲使得物体相互离开。宇宙常数的排斥效应可以平衡物质的吸引效应这样就容许宇宙具有静态解。这是理论物理学的历史中错失的最重大的机会之一。如果爱因斯坦坚持其原先的方程他就能够语言宇宙要么正在膨胀要么正在收缩二者必居之一。直至世纪年代在威尔逊山上用英寸望远镜进行观测人们才认真接受宇宙随时间变化的可能性。  这些观测揭示了星系和我们像距越远则越快速地离开我们而去。宇宙正在膨胀任何两个星系之间的距离会随时间恒定地增加。这个发现排除了为获得静态宇宙解对宇宙常数的重要。爱因斯坦后来把宇宙常数称为他一生中最大的错误。然而现在看来这也许根本不是什么错误:将在第三章中描述现代观测暗示也许确实存在一个小的宇宙常数。广义相对论彻底地改变了有关宇宙起源和命运的讨论。一个静态的宇宙可以存在无限长时间或者以它目前的形状在过去的某个瞬间创生。然而如果现在星系正在相互分开这表明它们过去曾经更加靠近。大约亿年以前所有它们都会相互靠在一起而且密度非常大。天主教牧师乔治拉玛特是第一位研究我们今天叫做大爆炸的宇宙起源。他把这种状态称作“太初原子”。  爱因斯坦似乎从未认真地接受过大爆炸。他显然认为如果人们随着星系的运动在时间上回溯过去则一个一致膨胀宇宙的简单模型就会失效因为星系的很小的倾向速度就会使它们相互错开。他认为宇宙也许早先有过一个收缩相在一个相当适度的密度下反弹成现在的膨胀。然而我们现在知道为了在早期宇宙中核反应能产生在我们周围观察到的轻元素数量其密度曾经至少达到每立方英寸吨而且温度达到亿度。况且微波背景的观测显示密度也许一度达到每立方英寸×^吨。我们现在还知道爱因斯坦的广义相对论不允许宇宙从一个收缩相反弹到现在的膨胀。正如在第二中将要讨论的罗杰彭罗斯和我能够证明广义相对论预言宇宙大爆炸启始。这样爱因斯坦理论的确隐含着时间有一个开端虽然他从不喜欢这个思想。  爱因斯坦甚至更不愿意承认广义相对论的预言即当一个大质量恒星到达其生命的钟点而且不能产生足够的热去平衡其自身使它收缩的引力时时间将会到达尽头。爱因斯坦认为这样的恒星将会在一终态安定下来。但是我们现在知道对于比太阳质量两倍还大的恒星并不存在终态的结构。这类恒星将会继续收缩直至它们变为黑洞。黑洞是时空中如此弯曲的一个区域甚至连光线都无法从那里逃出来。  彭罗斯和我证明了广义相对论语言无论是该恒星还是任何不慎落入黑洞的可怜的航天员其时间在黑洞中都将到达终点。但是无论是时间的开端还是终结都是广义相对论不能被定义之处。这样理论不能语言从大爆炸会出现什么。有些人将此视作上帝具有随心所欲创生宇宙的自由启示但是其他人觉得宇宙的开端应受在其他时刻成立的同样定律的制约。真如将在第三章中所描述的那样我们为达到这一目标已经取得一些进展。但是我们尚未完全理解宇宙的起源。  广义相对论在讨论大爆炸处失效的原因是它和量子理论不协调。量子理论是世纪早期的另一项伟大的观念变革。年马克思普朗克在柏林发现如果光只能以分立的称为量子的波包发射或者吸收就可以结实来自一个炽热物体的辐射。这是向量子理论进展的第一步。年爱因斯坦在专利局撰写的开创性论文中的一篇里指出普朗克的量子假设可以解释所谓的光电效应。光电效应是讲当光照射到某些金属表面时释放电子的方程式。这是现代光检测器和电视摄像机的基础也正式因为这个工作爱因斯坦获得了物理学的诺贝尔奖。  直至世纪年代爱因斯坦继续研究量子的思想但是哥本哈根的威纳海森堡剑桥的保罗狄拉克和苏黎世的厄文薛定谔的工作使他深为困扰。这些人发展了所谓量子力学的实在的新图象。微笑的离子不再具有确定的位置和速度。相反的粒子的位置被确定得越准确其速度则被确定得越不准确反之亦然。其本定律中的这一随机的不可预见的要素使得爱因斯坦震惊他从未全盘接受过量子力学。他的著名格言表达了他的感受:“上帝不玩骰子”。然而新的量子定律能够解释整个范围原先的量子定律能够解释整个范围原先未能阐明的现象以及和观测极好地符合所以其他为数不多的科学家欣然接受他们的有效性。它们是现代化学分子生物学和电子学发展的基础也是近年来使世界发生天翻地覆地变化的技术的基础。  年月获悉纳粹和希特勒即将在德国上台爱因斯坦离开德国并且四个月后放弃德国国籍。他的最后年是在新泽西普林斯顿的高等数学研究所度过的。  纳粹在德国发动了反对“犹太人科学”运动而许多德国科学家是犹太人这是德国不能制造原子弹的部分原因。爱因斯坦和相对论成为这个运动的主要目标。当他听说出版为《个反爱因斯坦的作家》的一本书时回答道:“何必要个人呢?如果我是错了一个人就足够了。“第二次世界大战之后他要求盟国政府建立一个世界政府以控制原子弹。年他拒绝了担任以色列新国家总统的邀请。他有一回说:“政治是为当前而一个方程却是一种永恒的东西。”广义相对论的爱因斯坦方程是他最好的墓志铭和纪念物。它们将和宇宙同在。  世界在上一世纪的改变超过了以往的任一世纪。其原因并非新的政治后经济的教义而是由于基础科学的进步导致的巨大发展。还有何人比阿尔伯特爱因斯坦更能代表这些进步呢?第二章 时间的形态  爱因斯坦的广义相对论使时间具有形态。这如何与量子理论相互和谐。  时间为何物?它是否像古老的赞歌说的那样把我们所有的梦想一卷而空的东流逝波?抑或像一直前进却又回到线上的早先过站。  世纪作家查里斯朗母写到:“世间万物没有任何东西像时间和空间那么使我困惑。然而没有任何东西比时间和空间更少使我烦恼因为我从不想起它们。”我们中的大多数人早本部分时间不去考虑时间和空间不管他们为何物但是我们所有人有时极想知道时间是什么它如何开始并且把我们知道何方。  关于时间或者任何别的概念的任何可靠性的科学理论依照我的意见都必须基于最可操作的科学哲学之上:这就是卡尔波普和其他人提出的实证主义的方法。按照这种思维方式科学理论是一种数学模型它能描述和整理我们所进行的观测。一种好的理论可在一些最简单假设的基础上描述大范围的现象并且做出被验证的预言。如果预言和观测相一致则该理论在这个检验下存活尽管它永远不能被证明是正确的。另一方面如果观测和预言先抵触人们必须将该理论抛弃或者修正。如果人们如同我们那样采用实证主义立场他就不能说时间究竟为何物。人们说能做的一切是将所发现的描述成时间的一种非常好的数学模型并且说明它能预言什么。  艾萨克牛顿在年出版的《数学原理》一书中为我们给出时间和空间的第一个数学模型。牛顿担任剑桥的卢卡斯教席。虽然在牛顿那个时代这一教席不用电动驱动。时间和空间在牛顿的模型中是事件发生的背景但是这种背静不受事件的影响。时间和空间相互分离。时间被认为是一跟单独的线或者是两端无限延伸的轨道。时间本身被认为是永恒的这是在它已经并将永远存在的意义上来说的。与此相反大多数人认为有宇宙是在仅几千年前已多少和现状相同的形态创生的。这使哲学家们忧虑譬如德国思想家伊曼努尔康德。如果宇宙的的确确是被创生的那么为何要在创生之前等待无限久?另一方面如果宇宙已经存在了很久为何将要发生的每一件事不早已发生使得历史早已完结?特别是威吓宇宙尚未到达热平衡使得万物都具有相同温度?  康德把这个问题称作“纯粹理性的二律背反”因为它似乎是一个逻辑矛盾它没有办法解决。但是它只是在牛顿数学模型的矿架里才是矛盾。时间在牛顿模型中是根无限的线独立于在宇宙发生的东西。然而正如我们在第一章中看到的爱因斯坦在年提出了一种崭新的数学模型:广义相对论。在爱因斯坦论文以后的年代里我们添加了一些细节但是爱因斯坦提出的理论仍然是我们时间和空间的基础。本章和下几章将描述从爱因斯坦革命性论文之后的年代里我们观念发展。这是许许多多人合作成功的故事而且我为自己的小贡献感到自豪。  广义相对论把时间维和空间的三维合并形成了所谓的时空。该理论将引力效应集体化为宇宙中物质和能量的分布引起时空弯曲和畸变使之不平坦的思想。这个时空是弯曲的它们的轨迹显得被弯曲了。它们的运动犹如受到引力场的影响。作为一个粗糙的比喻但不要过于的拘泥想象一张橡皮膜。人们可把一个大球放在膜上它代表太阳。球的质量把膜压陷下去使之在太阳邻近弯曲。现在如果人们在膜上滚动小滚珠它不会直接地穿到对面去而是围绕着该重物运动正如行星绕日公转一样。  这个比喻是不完整的因为在这个比喻中只有时空的两维截面是弯曲的而时间正如在牛顿理论中那样没有受到扰动。然而在与大量实验相符合的相对论中时间和空间难分难解地相互纠缠。人们不能只使空间弯曲而让时间安然无恙。这样时间就被赋予了形态。广义相对论使时空和时间弯曲把它们从被动的事件发生的背景改变成为发生的动力参与者。在牛顿理论中时间独立于其他万物而存在人么也许回诘问:上帝在创造宇宙之前做什么》正如圣奥古斯丁说的人们不可以为此笑柄就象有人这样说过:“(也)正为那些寻根究底的人们准备地狱。”这是一个人们世代深思的严肃的问题。根据圣奥古斯丁的说法在上帝制造天地之前(也)根本无所作为。事实上这和现代观念非常接近。  另一方面在广义相对论中时间和空间的存在不仅不能独立于宇宙而且不能相互独立。在宇宙中的测量将它们定义譬如钟表中的石英晶体的振动数或者尺子的长度。以这种方式在宇宙中定义的时间应该有一个最小或者最大值换言之即开端或者终结这是完全可以理解的。询问在开端之前或者终结之后发生什么是没有任何意义的因为这种时间是不被定义的。  决定广义相对论的数学模型是否预言宇宙以及时间本身应有一个开端或者终结显然是非常重要的。在包括爱因斯坦在内的理论物理学家中有一种普遍成见认为时间在两个方向都必须是无限的。否则的话就引起有关宇宙创生的令人不安的问题这个问题似乎在科学王国之外。人们知道时间具有开端或者终结的爱因斯坦方程的解但是所有这些解都是非常特殊的具有大量的对称性。人们以为在自身引力之下坍缩的实际物体压力或者斜方向的速度会阻止所有物质一道落向同一点使那一点的密度变成无穷大。类似的如果人们在时间的反方向将宇宙膨胀倒溯过去他会发现宇宙中的全部物质并非从具有无限密度的一点涌现。这样无限密度的点被成为奇点并且是时间的开端或者终结。  年两位苏联科学家叶弗根尼利弗席兹和艾萨克哈拉尼科夫宣称他们证明了所有奇点的爱因斯坦方程的解都对物质和速度做过特殊的安置。代表宇宙的解具有这种特殊安置的机会实际上为零。几乎所有能代表宇宙的解都是避免无限密度的奇点:在宇宙膨胀时期之前必须预先存在一个收缩相。在收缩相中物质落到一起但是相互之间不碰撞在现在的碰撞相中重新分离。如果事实果真如此则时间就会从无限过去向无限将来永远流逝。  利弗席兹和哈拉尼科夫的论证并没有人信服。相反的罗杰彭罗斯和我采用了不同的手段不像他们那样基于解的细节研究而是基于时空的全局结构。在广义相对论中在时空中不仅大质量物体而且能量使它弯曲。能量总是正的所以它赋予时空的曲率曲率使光线的轨道对方弯折。  现在考虑我们的过去的光锥。也就是从遥远的星系来在此刻到达我们的光线通过时空的途径。在一张时间向上放画时空往四边画的图上它是一个光锥其顶点正式我们的此时此时。随着我们在光锥中从顶点向下走向过去我们就看到越来越早的星系。因为迄今为止宇宙都在膨胀而且所有的东西在以前更加靠近得多。当我们更一步忘会看我们边透过物质密度更高的区域。我们观测到微波辐射的黯然背景这种辐射是从宇宙在比现在密集得多也热得多的极早的时刻沿着我们的过去光锥传播到我们的。我们把接受器调节到微波的不同频率就能测量到这个辐射的谱。这种微辐射不能溶化冻比萨饼但是该谱和度的物体辐射谱那么一致这一事实告诉我们这种辐射必须起源于对微波不透明的区域。  这样我们才能够得出结论当我们沿着过去的光锥回溯过去它必须通过一定量的物质。那么多的物质足以弯曲时空使得我们过去光锥中的光线往相互方向弯折。  当我们往过去回溯过去光锥的截面会达到最大尺度然后开始再度缩小。我们的过去是梨子形状的。  当人们沿着我们过去光锥回溯得更远物质的正的能量密度引起光线朝相互方向更强烈地弯折。光锥的截面在有限的时间内缩小为零尺度。这意味着在我们过去光锥之内的所有物质被捕获在一个边界收缩为零的区域之内。因此彭罗斯和我能够在广义相对论的数学模型中证明时间必须有成为大爆炸的开端就不足为奇了。类似的论证显示当恒星和星系在它们自身的引力下坍缩形成黑洞时间会有一个终结。我们抛弃了康德的暗含的假设即时间具有独立于宇宙的意义的假设因此逃避了他的纯粹性的二率背反。我们真名时间具有开端的论文在年赢得引力研究基金会的第二名的论文奖彭杰和我对分了丰厚的美元。我认为同一年获奖的其他论文没有什么永远的价值。  我们的研究引起了各式各样的反应。它使得很多物理学家烦恼但是使信仰创新世纪的宗教领袖们欣喜:此处便是创世纪的科学证明。此时利弗席兹和哈拉尼科夫就处在尴尬的境地。他们无法和我们证明的数学定理争辩但是在苏维埃制度下他们有不能承认自己错了而西方科学是对的。然而他们找到一族具有急电的更不一般的解不像他们原先的解那么特殊以此挽回颓势。这样他们便可以宣称奇性以及时间的开端或终结是苏维埃的发现。  大多数物理学家仍然本能地讨厌时间具有开端或终结的观念。因此他们指出可以预料数学模型不能对奇点附近的时空作出很好的描述。其原因是描述引力场的广义相对论是一种经典理论正如在第一章中提到的它和制约我们已知的所有其他的力的量子理论的不确定性相协调。因为在宇宙的大多数地方和大多数时间里时空弯曲的尺度非常大量子效应变得显著的尺度非常小这种不一致性没有什么关系。但是在一个奇点附近这两种尺度可以相互比较而量子理论效应就会很重要。这样彭罗斯和我自己的奇点定理真正确立的是我们时空的经典区域在过去或许还在将来以量子引力效应显著的区域为边界。为了理解宇宙的起源和命运我们需要量子引力理论这将是本书大部分的主题。  具有有限数量粒子系统譬如原子的量子理论是年海森堡狄拉克和薛定谔提出的。然而人们在试图把量子观念推广到麦克斯韦场时遇到的困难。麦克斯韦场是描述电磁和光。  人们可以把麦克斯韦场认为是由不同波长的波组成的波长是在两个临近波峰之间的距离。在一个波长中场就像单摆一样从一个值向另一个值来回摆动。  根据量子理论一个单摆的基态或者最低能量的态不是只停留在最低能量的点上而直接向下指。如果那样就具有确定的位置和确定的速度即零速度。就违背了不确定性原理这个原理禁止同时精确地测量位置和速度。位置的不确定性乘上动量的不确定性必须大于被称为普朗克常数的一定量。普朗克常数因为经常使用显得太长所以用一个符号来表示:h。  这样一个单摆的基态或最低能量的态正如人们预料的不具有零能量。相反的甚至在一个单摆后者任何振动系统的基态之中必须有一定的称为零点起伏的最小量。这意味着单摆不必须垂直下指它还有在和垂直成小角度处被发现的概率。类似的甚至在真空或者最低能的态在麦克斯韦场中的波长也不严格为零而具有很小的量。单摆或者波的频率越高则基态的能量越高。  人们计算了麦克斯韦场和电子场的基态起伏发现这种起伏使电子的表现质量和电荷都变成无穷大这根本不是我们所观测到的。然而在年代物理学家查里德费因曼朱里安施温格和超永振一郎发展了一种协调的方法除去或者“减掉”这些无穷大而且只要处理质量和电荷的有限的观测值。尽管如此基态起伏仍然产生微小效应这种效应可以被提出的理论中的杨米尔斯理论是麦克斯韦理论的一种推广它描述另外两种成为弱核力和强核力的相互作用。然而在量子引力论中基态起伏具有严重的多的效应。这里重复一下每一波长各种基态能量。由于麦克斯韦场具有任意短的波长所以在时空的任一区域中都具有无限数目的不同波长并且此具有无限量的基态能。因为能量密度和物质一样是引力之源这种无限大的能量密度表明宇宙中存在足够的引力吸引使时空卷曲成单独的一点显然这并未发生。  人们也许会说基态起伏没有引力效应以冀解决似乎在观测和理论之间的冲突但是这也不可以。人们可以对利用卡米西尔效应是把符合在平板间的波长的数目相对于外面的数目稍微减少一些。这就意味着在平板之间的基态起伏的能量密度虽然仍为无限大却比外界的能量密度少了有限量。这种能量密度差产生了将平板拉到一起的力量这种力已被实验观测到。在广义相对论中力正和物质一样是引力的源。这样如果无视这种能量差的引力效应则是不协调的。  解决这个问题的另一种可能的方法是假定存在诸如爱因斯坦为了得到宇宙的静态模型的宇宙常数。如果该常数具有无限大负值它就可能精确地对消自由空间中的基态能量的无限正值。但是这个宇宙常数似乎非常特别并且必须被无限准确地调准。  世纪年代人们非常幸运地发现了一种崭新的对称。这种对称机制将从基态起伏引起的无穷大对消了。超对称是我们现代数学模型的一个特征它可以不同的方式来描述。一种方式是讲时空除了我们所体验到的维以外还有额外维。这些维被成为格拉斯曼维因为它们是用所谓的格拉斯曼变量的数而不用通常的实数来度量。通常的数是可以变换的也就是说你进行乘法时乘数的顺序无关紧要:乘以和乘以相等。但是格拉斯曼变量是反交换的x乘以y和y乘以x相等。  超对称首先用于无论通常数的维还是格拉斯曼维都是平坦而不是弯曲的时空中去消除物质场和杨米尔斯场的无穷大。但是把它推广到通常数和格拉斯曼维的弯曲的情形是很自然的事。这就导致一些所谓超引力的理论它们分别具有不同数目的超对称。超对称一个推论是每一中场或粒子应有一个其自旋比它大或小半个的“超伴侣”。  玻色子也就是其自悬数为整数的场的基态能量只正的。另一方面费米子也就是其自旋为半整数的场的基态能量非负值。因为存在相等数目的玻色子和费米子超引力理论中的最大的无穷大就被抵消了。  或许还遗留下更小的但是仍然无限的量的可能性。无人有足够的耐心去计算这些理论究竟是否全有限。人们认为这要一名能干的学生花年才能完成而且你何以得知他是否在第二也就犯错误了?直到年大多数人仍然相信最超前对称的超引力理论可避免无穷大。  然后时尚突然改变。人们宣称没有理由期望超引力理论可以避免无穷大而这意味着它们作为理论而言具有的把引力和量子理论合并的方法。它们只有长度。在弦理论中是同名物是一维的延展的物体。它们只有长度。在弦理论中弦在时空背景中运动。弦上的涟漪被解释为粒子。  如果弦除了他们通常数的维外还有格拉斯曼维涟漪就对应于玻色子和费米子。在这种情形下正的和负的基态能就会准确对消到甚至连更小种类的无穷大都不存在。人们宣布超弦是TOE也就是万物的理论。  未来的科学史家将会发现去描绘理论物理学家中的思潮的起伏是很有趣的事。在好些年里弦理论甚至高无上而超引力只能作为在低能下有效的近似理论而受到轻视。限定词“低能”尤其晦气尽管此处低能是指其能量比在TNT爆炸中粒子能量的一百亿亿倍更低的粒子。如果超引力仅仅是低能近似它就不能被宣称为宇宙的基本理论。相反地五种可能的超弦理论中的一种被认为是基本理论。但是物种弦理论中的哪一种是我们的宇宙呢?还有在超出弦被描绘成具有一个时空维和一个时间维的通过平坦时空背景运动的面的近似时弦理论应如何表述呢?难道弦不使背景时空弯曲吗?  年后弦理论不是完整的图象这一点逐渐清晰了。一开始人们意识到弦只不过是延展成多于一维的物体的广泛族类中的一员。包罗汤森他正如我一样是剑桥的应用数学和理论物理系的成员他关于这些东西做了许多研究将这些东西命名为“P膜”。一个P膜在P个方向上有长度。这样P=就是弦膜P=的膜是面或者薄膜等等。似乎就是没有理由对P=的的弦的情形比其他可能的P值更宠爱。相反地我们应采用P膜的解。十维或者十一维听起来不太像我们体验的时空。人们的观念是其余的六维或七维被弯卷成这么小小到我们察觉不到我们只知悉剩下的四维宏观的几乎平坦的维。  我应该说对于相信而外的维我本人一直犹豫不决。但是对于我这样的一名实证主义者“额外维的雀存在吗?”的问题是没有意义的。人们最多只能问:具有额外维的数学模型能很好地描述宇宙吗?我们还没有任何不用额外维便无法解释的观测。然而我们在日内瓦的大型强子碰撞机存在观察到它们的可能性。但是使包括我在内的许多人信服的必须认真地接受具有额外维的模型的理由是在这些模型之间存在一种所谓对偶性的意外的关系之网。这些对偶性显示所有这些模型在本质上都是等效的也就是说它们只不过是同一基本理论的不同方面这个基础理论被叫做M理论。怀疑这些对偶性之网是我们在正确轨道上的征兆有点象相信上帝把化石放在岩石中去是为了误导达尔文去提出生命演化的理论。  这些对偶性表明所有五种超弦理论都描述同样的物理而且它们在物理上也和超引力等效。人们不能讲超弦比超引力更基本反之亦然。人们宁愿说它们是同一基本理论的不同表达对在不同情形下的计算各有用处。因为弦理论没有任何无穷大所以用来计算一些高能离子碰撞以及散射事件很方便。然而在描述非常大量数目的粒子的能量如何弯曲宇宙或者形成束缚态譬如黑洞时没有多大用处。对于这些情形人们需要超导力。超引力基本上是爱因斯坦的弯曲的时空的理论加上一些额外种类的物质。这正是我们以下主要使用的图象。  为了描述量子理论如何赋形于时间和空间引进虚时间的观念是有助益的。虚时间听起来有点科学幻想但其实很好定义的数学概念:它是用所谓的虚数量度的时间。人们可以将诸如等等通常的实数相成对于从左至右伸展的一根线上的位置:零在正当中实正数在右边而负实数在左边。  叙述对应于一根垂直线上的位置:零又是在中点正虚数画在上头而负虚数画在下面。这样虚数可被认为与通常的实数夹直角的新行的数。因为它们是一种数学的构造物不需要实体的实现人们不能有虚数个橘子或者虚数的信用卡帐单。  人们也许认为这意味着虚数只不过是一种数学游戏也现实世界毫不相干。然而从实证主义哲学观点看人们不能确定任何为真实。人们所能做的只不过是去找哪种数学模型描述我们生活其中的宇宙。人们发现牵涉到虚时间的一种数学模型不仅预言了我们已经观测到的效应而且预言了我们尚未能观测到但是因为其他原因仍然坚信的效应。那么何为实何为虚呢?这个差异是否仅存在于我们的头脑之中呢?  爱因斯坦经典广义相对论把实时间和三维时空合并为四维时空。但是实时间方向和三个空间反向可被识别开来一位观察者的世界线或历史总是在实时间方向增加但是它在三维空间的任何方向上可以增加或者减小。换言之人们可以在空间中而非时间中颠倒方向。  另一方面因为虚时间和实时间夹一直角它的行为犹如空间的第四个方向。因此它比通常的实时间的铁轨具有更丰富多彩的可能性。铁轨只可能有开端或者终结或者围着圆圈。正是在这个虚的意义上时间具有形态。  为了领略一些可能性考虑一个虚时间的时空那是一个像地球表面的球面。假定虚时间的纬度那么宇宙在虚时间的历史就是南极启始。这样“在开端之前发生了什么?”的诘问就变得毫无意义恰如不存在比南极更南的点一样。南极是地球表面上完全规则的点相同的定律在那里正如在其他点一样成立。这暗示着宇宙在虚时间中的开端可以是时空规定的点而且相同的定律在开端处正如在宇宙的其他地方一样成立。  另一种可能的行为是可以把虚时间当作地球上的经度来阐明。所有时间在那里静止这是在这样的意义上来讲的即嘘时间或经度的增加让人们停留在同一点。这和在已经认识到这种实和虚时间的静止意味着时空具有温度正如我在黑洞情形下所发现的那样。黑洞不仅有温度它的行为方式似乎还表明它具有称作熵的量熵是黑洞内部状态的数目的量度这是具有给定的质量旋转和电贺的黑洞允许的所有内部状态。作为黑洞外面的观察者只能观测到黑洞的这三种参数。黑洞的熵可由我于年发现的一个非常简单的公式给出。它等于黑洞视界的面积:视界面积的每一基本单位都存在关于黑洞内部状态的一比特的信息。这表明在量子引力和热力学之间存在一个深刻的联系。热力学即热的科学。它还暗示量子引力能展示所谓的全信息性。  有关一个时空区域内的量子态的信息可以某种方式被编码在该区域的少二维的边界上。这就是全信息术把三维的影像携带在二维的表面上的方法。如果把量子引力和全信息原理相合并这也许意味着我们能跟踪发生于黑洞之内的东西。如果我们能够语言来自黑洞的辐射这一点册是重要的。如果我们不能做到我们将不能像原先以为的那样充分地预言将来。这将在第四章中讨论。我们在第七章中将再次讨论全息学。看来我们也许生活在一张膜即一个四维面上。它是五维区域的边界而其余的维被卷得非常小。膜上的世界的态负载发生在五维区域内一切的密码。第三章 果壳中的宇宙  霍金  宇宙具有多重历史每一个历史都是由微小的硬果确定的。  哈姆雷特也许想说虽然我们人类的肉体受到许多限制但是我们的精神却能自由地探索整个宇宙甚至勇敢地闯出入连《星际航行》都畏缩不前之处噩梦不再纠缠的话。  宇宙究竟是无限的或者仅仅是非常浩渺的呢?它是永恒存在的或者仅仅是年代久远的呢?我们有限的思维何以理解无限的宇宙?什么仅仅是这种企图是否就已经过于自信我们是否冒着罗密修斯命运的风险在经典的神话中,他为了人类的用火从宙斯处盗取火种,因为愚勇而受惩罚,他被连锁在岩石上,让鹰啄食他的肝脏。  尽管这些警戒的传说我仍然相信我们能够而且应该试图去理解宇宙。我们在这个方面以有了显著的进展尤其是在前几年。当然我们还未得到完整的图象。但以为期不远。  空间的最明显之处是它无限地向外延伸。现代仪器证明了这一点譬如哈勃望远镜允许我们探测太空深处。我们所看到的是各种形状和尺度的数以亿计的星系。  每个星系包含难以记数的亿万个恒星尤其许多恒星还被行星所围绕。我们生活在围绕着一个恒星公转的行星之上而这个恒星位于螺旋形银河系的外臂上。螺旋臂上的尘埃遮住了我们在银河系平面上的宇宙视野但是我们在该平面的每一边的方向圆锥中的视线都非常清晰而且我们能够画出遥远星系的位置。我们发现星系大体均匀地分布于整个太空有一些局部的聚集和空间。星系密度在非常大的距离外显得有些下降但这也是因为它们如此遥远的暗淡以至于我们看不见。我们所能说的是宇宙在空间中永远延伸下去。  尽管宇宙似乎在空间的每一位置上都很相同它肯定是随时间而变化的。这一点是直到世纪的早期才被意识到。但此之前人们认为宇宙在本质上是时间不变的。它也许存在了无限长的时间但是这会导致荒谬的结论。如果恒星已经辐射了无限长的时间那么它们就会把宇宙加热到和它们相同的温度。因为每一道视线都会要么终结于恒星的表面要么终结于被加热至和恒星一样炽热的尘埃尘云团之上所以甚至在夜晚整个天空都会和太阳一样明亮。  我们所有人都进行过夜空是黑的观察这是非常重要的。它意味着宇宙不能以我们今天看到的状态存在了无限久的时间。过去一定发生过某些事情使得恒星在有限的过去时刻点亮这意味着从非常遥远恒星来的光线尚未到达我们这里。这就解释了夜空为何不在每一个方向发光。  如果恒星仅仅是永远地待在那里为何它们在几十亿年前忽然点亮呢?是什么钟通知它们发亮的瞬间呢?正如我们看到过的这个问题使那些哲学家例如伊曼努尔·康德陷入沉思。他们相信宇宙已经存在了无限久时间。但是对于大多数人而言它和宇宙在仅仅几千年以前和现在非常相同的初始状态下创生的观念一致。  然而世纪年代韦斯托·史里弗和埃德温·哈勃的观测开始偏离这种观念。年哈勃发祥了许多称为星云的黯淡的光斑实际上是其他星系正像我们太阳系的但在遥远距离之外的恒星的巨大集团。它们之所以显得这么微笑和黯淡其距离一定非常遥远甚至连光线都要花费几百万甚至几十亿年才能到达我们这里。这表明宇宙的其实不可能发生在区区几千年以前。  但是哈勃发现的第二桩事情甚至更加非凡。天文学家们已经通晓从分析来自其他星系的光线可以测量它们是趋近还是远离我们的运动。使他们大为惊奇的是他们发现几乎所有的星系都运动离去。此外它们距我们越远则离开运动得越快。正是哈勃认识到这个发现的戏剧性含义:在大尺度上每一个星系都从其余每个星系运动离去。宇宙正在膨胀。  宇宙膨胀的发现是世纪的伟大的智力革命之一。它完全出乎意外而且彻底改变了有关宇宙起源的讨论。如果星系正在相互运动离开则它们在过去必然更加接近。我们从现在的膨胀率可以估计它们在至亿年前必须非常接近。正如在上一章中描述的罗杰·彭罗斯和我能够证明爱因斯坦的广义相对论意味着宇宙和时间本身有过一个可怕的爆炸中的开端。这里提供了夜空威吓黑暗的解释:没有恒星可以发光的比亿至亿年也就是从大爆炸迄今的时间更久。  我们对如下观念熟视无睹即事件总是由更早的事件引起后者依序又是由比它还早的事件引起。存在一个向过去延展的因果性之链。但是假定这条链有一个开端。假定存在第一个事件那么它的肇因又是什么呢?许多科学家不愿意面对这个问题。他们企图逃避它或者像俄国人那样宣布宇宙没有开端或者坚持说宇宙的开端不属于科学王国的范畴而是属于形而上学或宗教。依我看来这不是任何真正的科学家该采取的立场。如果科学定律在宇宙的开端处失效它们不也可以在其他时间失败吗?如果定律只能有时成立则不能称之定律。我们也许是超过我们能力之外的任务但是我们至少应该进行尝试。  彭罗斯和我证明的定理指出宇宙必须有一开端这些定理并没有对开端的性质给出很多信息。它们指出宇宙从一个大爆炸启始的。很显然人们面临的局面是宇宙起源的问题属于科学范畴之外。  科学家不应该对这个结论满意。正如在第一章和第二章中指出的广义相对论在大爆炸邻近失效的原因是它没有和不正确定性原理相合并。爱因斯坦基于上帝不玩弄骰子的论断反对量子理论中的这个随机元素。然而所有证据表明上帝完全是一名赌徒。人们可以将宇宙认为市一个庞大的赌场在每一个场合下骰子都在滚动或者轮子在旋转。因为在你每回投掷骰子或者转动轮子之际都有输钱的风险你也许会认为开赌场是一种非常冒险的营生。但在非常多次的赌博之后虽然不能预言任何特定赌博的结束却能预言得失的平均结果。赌场的经营者保证概率平均的结果对他们有利。这就是为什么赌场的经营者如此庸俗。你赢他们的仅有机会是把你所有的钱压下去掷几回骰子或者转几回赌轮。  宇宙的情景也是一样。当宇宙尺度很大正如它今天这样时骰子被投掷的次数极为巨大其平均结果就会得出某种可遇见的东西。这就是为何对于大系统经典定律有效的原因。但是当宇宙尺度非常微笑时正如它在临近大爆炸的时刻投掷骰子的次数很少而不确定性原理则非常重要。  因为宇宙不停地滚动骰子看看下一步还会发生什么它就不像人们以为的那样仅仅存在一个历史。相反地宇宙应该拥有所有可能的历史伯里兹囊括了奥林匹克运动的所有金牌虽然也许其概率很小。  宇宙具有很重历史懂得思想听起来像是科学幻想但是它现在被当作科学事实而广被接受。正是理查德·费因曼提出了这个思想他不仅是一位伟大的物理学家也是一位有趣的人物。  我们现在所从事的是把爱因斯坦的广义相对论和费因曼的多种历史的思想合并成一个完备的统一理论该理论将描述在宇宙中发生的一切事物。如果我们知道宇宙的历史是如何开始的话这个统一理论就使我们能够计算宇宙将如何发展。但是统一理论自身并不告诉我们宇宙如何开始或者说初始条件是什么。为此我们需要所谓的“边界条件”也就是告诉我们在宇宙的前沿或者在空间和时间的边缘上发生什么的规则。  如果宇宙的前言只不过是在空间和时间的正常点上我们便可以超越过它并宣布更远的领地为宇宙的一部分。另一方面如果宇宙的边界是处于一个不整齐的边缘在那儿空间和时间被挤皱而且密度无限大要去定义有意义的边界条件则非常困难。  然而我和一位合作者詹姆·哈特尔意识到还存在第三种可能性。宇宙在空间和时间中也许没有边界。初看起来这似乎与彭罗斯和我证明的定理直接接触。该定理看出宇宙必须有一个开端即时间的边界。然而正如在第二章中解释过的存在另一种时间称作虚时间那是和我们感觉到正在流逝的通常的实时间成直角的时间。宇宙在实时间中的历史确定其在虚时间中的历史反之亦然但是这两种历史可以非常不同。特别是宇宙在虚时间中可不必有开端或终结。虚时间正如同空间中的另一个方向那样行为。这样宇宙在虚时间中的历史可被认为是一张曲面像一个球面一个平面或者一个马鞍面只不过是思维而不是二维的。  如果宇宙的历史像一张马鞍面或一张平面那样伸展出去人们就遭遇到如何在无穷处选取边界条件的问题。但是如果宇宙在虚时间中的历史是一张闭合的曲面正如地球的表面那样人们便可以在根本上避免边界条件的选取。地球的表面没有边界或边缘。从来未有可靠的报道说人们从那儿失阻落下。  如果正如哈特尔和我设想的那样宇宙在虚时间中的历史的确是一张闭合的曲面它对于哲学和我们从何而来的图景边有基本的含义。宇宙就会是完全自足的它不需要外界的任何东西去卷紧其发条并启动之。想反地宇宙中的任何东西都由科学定律以及宇宙之中的骰子的滚动所确定。这听起来也许有些狂妄但是它正是我和许多其他科学家所相信的。  如果即便宇宙的边界条件是它没有边界它也不仅仅只有一个单独的历史。它将具有多重历史正如费因曼所建议的那样。对应于每一种可能的闭曲面在虚时间中多存在一个历史而在虚时间中的每一个历史都确定其在实时间中的历史。这样我们对于宇宙就有了过量的可能性。是什么东西从所有可能的宇宙中挑选出我们在其中生存的特殊的宇宙呢?我们会注意到的一点是许多可能的宇宙历史不会经过形成星系和恒星的过程序列而这个序列对于我们自身的发展是至关重要的。而智慧生命在没有星系和恒星的条件下演化似乎是不太可能的。这样我们作为能够诘问“宇宙为何是这样子?”的问题的生命的存在本身便是加在我们生活其中的历史的一个限制。它意味着我们的历史是具有星系和恒星的少数历史中的一个。这就是所谓的人择原理的一个例子。人择原理讲宇宙必须多多少少像我们看到的那样否则的话便不会有任何人在此观察它。许多科学家不喜欢人择原理因为它似乎相当模糊而且似乎没有多少预言能力。但是可以赋予人择原理以精确的表述而且看来它在处理宇宙起源之时是关键的。在第二章中描述的M理论允许巨大数量的可能的宇宙历史。这些历史中的大多数不适合智慧生命的发展:它们要么是空虚的要么太短命要么太过弯曲或者在其他某方面出差错。而根据查里德·费因曼的多重历史观念这些不可居住的历史可有相当高的概率。  事实上可以存在多少不包含智慧生命的历史根本没有什么关系。我们只对智慧生命在其中发展的历史的子集感到兴趣。这种智慧生命可以一点都不像人类。小绿色外星人也可以。事实上他们也许更优秀。人类的智慧行为的记录并不非常光彩。  作为人择原理威力的一个例子考虑空间中的方向数目。我们生存在三维空间中这是一个常识。那也就是说我们可以用三个数代表空间中的一点的位置例如纬度精度和海拔高度。但是为何空间是三维的呢?为什么不像科学幻想中的那样为二维的或者四维的或者甚至是其他的维呢?在M理论中空间有九维或者十维但是人们认为其中六七个或七个方向被卷曲成非常小只留下三个大的几乎平坦的方向。  为何我们不生活在八维被卷曲得很小只留下二维可让我们察觉到的历史中呢?一只二维动物要消化食物非常困难。如果它有一个穿过自身的肠子它就把动物分离成两部分而这可怜的生灵就一分为二了。这样两个个年吨秒年的方向对于任何像智慧生命这样复杂的东西是不够的。另一方面如果存在四个或者更多个的几乎平坦的方向那么两个物体之间的万有引力在它们相互靠近时就增加的越快。这就意味着行星们没有围绕其太阳公转的稳定轨道。它们要么会落到太阳中去要么逃逸到黑暗和寒冷的太空去。  类似的原子中的电子的轨道也不稳定因此我们所知的物体边不存在。这样尽管多重历史的思想允许任何数目的几乎平坦的方向只有具有三个平坦方向的历史才包括智慧生命。也只有具有三个在这种历史中才会提出这样的诘问:“为何空间具有三维?”  宇宙在虚时间中的最简单的历史是一个圆球面正如地球的表面那样只是多了两个维。它确定了宇宙在我们所经历的实时间中的历史在这个历史中宇宙在空间的每一个点上都相同而在时间中膨胀。它在这些方面和我们生活其间的宇宙很相象。但是其膨胀率非常快速而且踏它不断地越来越快。这种加速膨胀成为暴胀因为它就像价格以一直上升的速率增长的方式。  一般而言价格的暴胀被认为是糟糕的事但是在宇宙的情形下暴胀是非常有用的。其巨大的膨胀将早期宇宙也存在的坑坑洼洼全部抹平。随着宇宙膨胀它从引力场借得能量去创造更多的物质。正的物质能量刚好和负的引力能量相互平衡这样使总能量为零。当宇宙的尺度加倍物质和引力能都加倍这样零的两倍仍为零。如果银行业这么简单该多好!  如果宇宙在虚时间中的历史是完美的圆球面那么在实时间中的相应的历史就会是继续以暴胀方式永远膨胀的宇宙。当宇宙在暴胀时物质不会落到一起形成星系和恒星而且生命更不用说像我们这样的智慧生命能够发展。这样尽管多重历史思想允许在嘘时间中完美圆球面的宇

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