下篇 霍金到底知道什麼 第二章 時空的本性
時間之矢的方向
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我們在前麵曾經看到了，在很長的一段時期之內，人們對於時間性質的這個觀點是如何在發生變化的，而一直到了本世紀初（即20世紀初——編者注），人們還在相信絕對時間的這一說法。換句話來說，就是每一個事件都是可以由被我們稱之為“時間”的數以唯一的方式來標記的，所有沒有壞掉的鍾在測量兩個事件之間的時間間隔上的結果始終都會是一致的。但是，對於分別位於不同的運動之中的多位觀察者而言，光速總是保持著不變的這一個發現，直接導致了相對論的產生。而在相對論中，我們必須要拋棄存在著一個唯一的絕對時間這個觀念，相反地，每個觀察者都有由他攜帶的鍾來各自記錄他自己的時間測量：不同觀察者攜帶的鍾所測量的結果不一定要一致。這樣，對於曾在進行著測量的觀察者而言，時間變成了一個更個人的概念。
所謂的時間箭頭有一個很好的例子來說明，即無序度或熵隨著時間增加。時間箭頭將過去和將來區別開來，是其使時間有了方向。而現在我們至少擁有了3種不同的時間箭頭：第一種，熱力學時間箭頭，即是在這個時間方向上無序度或熵增加；第二種，心理學時間箭頭，這就是我們感覺到的時間流逝的方向，在這個方向上，我們可以記憶的是過去而不是未來；而最後一種就是宇宙學時間箭頭，宇宙在這個方向上膨脹，而不是在收縮。
同時為什麼還要必須存在著一個被定義得很好的時間箭頭？還將會論證是由熱力學箭頭確定心理學箭頭，並且這兩個箭頭一定會總是指向相同的方向。如果我們假定了宇宙的無邊界條件，那麼我們將看到一定會存在著被定義得很好的熱力學和宇宙學時間箭頭，但是對於宇宙的整個曆史來說，它們卻並不總是指向著同一方向。但是，在下麵將會論斷，隻有當二者的指向一致時，才有合適的條件能夠提出為什麼無序度在宇宙膨脹的時間方向上增加了的智慧生命的發展。
假設一個係統是從少數的有序狀態之一出發，並且隨著時間流逝，這個係統將按照科學定律逐步地在演化，同時它的狀態也將會發生改變。而到了後來，因為存在著許多的無序狀態，因此這個係統處於無序狀態的可能性要比處於有序狀態更大。所以，如果一個係統服從了一個高度有序的初始條件的話，那麼這個係統中的無序度就會隨著時間的增加而增大。
假設上帝決定了宇宙不管是從何狀態開始的，最後其都必須結束在一個高度有序的狀態，那麼就說明，在早期，宇宙很可能處於無序的狀態，而這就意味著宇宙的無序度將會隨時間而減小，那麼我們即會看到掉在地上破碎的杯子集合起來並跳回到桌子上。但是，所有觀察杯子的人都是生活在一個無序度隨時間減小的宇宙中，那麼這樣的人就會有一個倒溯的心理學時間箭頭。換句話來說，他們會記住將來的事件，而不是過去的事件，即當杯子被打碎時，他們會記住它在桌子上的情形；而當杯子在桌子上的時候，他們不會記住它在地麵上的情景。
從大體上來說，計算機的記憶器就是一個包含可以處在兩種狀態中的任一種的元件的設備，而算盤就是一個很簡單的例子，其最簡單的形式是由許多鐵條組成，而一根鐵條上都有一個念珠，而念珠隻可待在兩個位置中的一個。在計算機記憶器進行存儲數據之前，它的記憶器是處於無序態的，等同與每個念珠都隨機地處於兩個可能的狀態中（算盤珠雜亂無章地散布在算盤的鐵條上。）而在記憶器和要記憶的係統產生相互作用之後，根據係統的狀態，記憶器肯定處於這種或那種狀態（每個算盤珠將要麼位於鐵條的左邊，要麼處於右邊）。而這樣一來，計算器的記憶器就從無序態轉變成有序態。但是，為了能保證記憶器一直都處於正確的狀態，我們就需要使用一定的能量（例如，移動算盤珠或給計算機接通電源）。而這種能量最後以熱的形式耗散了，從而增加了宇宙的無序度的量。而我們可以證明，宇宙中，這個無序度增量總是比計算機中的記憶器本身有序度的增量大。這樣，在計算機冷卻風扇排出的熱量說明其已經將一個項目記錄在它的記憶器中的時候，整個宇宙中的無序度的總量仍然持續增加著。而計算機所記憶的過去的時間方向和無序度增加的方向是一致的。
在經典廣義相對論中，因為所有已知的科學定律都會在大爆炸這個奇點處崩潰，因此我們是不能夠預言宇宙是如何開始的。如果宇宙是從一個非常光滑和有序的狀態開始，而這就會產生跟我們觀察到的類似，其擁有著定義很好的熱力學和宇宙學的時間箭頭。但是，我們也可以同樣合理地認為宇宙是從一個非常混亂的、完全無序的狀態下開始。而在這種情況下，因為宇宙在開始即已經處於一種完全無序的狀態，所以其無序度並不會隨時間而增加。無序度要麼保持著常數，而這樣就會沒有定義得很好的熱力學時間箭頭；要麼會在減小，而這時的熱力學時間箭頭就會和宇宙學時間箭頭反向。而不管是這些可能性中的那一種，都不符合我們所觀察到的情況。但是，正像我們看到的那樣，經典廣義相對論預言了它自身的崩潰。當時空曲率變大時，量子引力效應將會變得重要，而那時，經典理論就不再能很好地用來描述宇宙，因此我們必須要用到量子引力論去理解宇宙是如何開始的。
如果宇宙停止了膨脹，並且開始收縮，那麼將會發生什麼呢？這為能夠從宇宙膨脹存活到宇宙收縮中的人們留下了五花八門的類科學幻想。他們是不是會看到杯子的碎片集合起來，離開地板，而且還會跳回到桌子上去呢？他們是不是會記住明天股票的價格，從而在股票的市場上發財致富？因為宇宙至少還要再等上100億年之後才開始收縮，在現在就開始憂慮那時候會發生什麼似乎有點兒學究氣。其實，有一種更快的辦法能夠讓我們去查明將來到底會發生什麼事情，那就是跳到黑洞裏麵去。恒星坍縮形成黑洞的過程和整個宇宙坍縮的後期十分類似，這樣，如果在宇宙的收縮相無序度減小，那麼相應地就可以預料其在黑洞裏麵也會減小。
這個觀念是十分吸引人的，因為它表明了在膨脹相和收縮相之間是存在一個漂亮的對稱的。但是，我們不能置其他有關於宇宙的觀念於不顧，而隻采用這個觀念。問題的關鍵在於：無邊界條件中是否隱含著這個對稱？或者其是否與這個條件不相協調？正如霍金說過的那樣：“我起先以為無邊界條件確實意味著無序度會在收縮相中減小。”而霍金之所以被誤導了，一部分原因是由於地球表麵的類比所引起的。如果我們將宇宙的開初對應於北極，那麼宇宙的終結就應該類似於它的開端，就像南極之與北極相似一樣。但是，南北二極隻能夠對應於虛時間中的宇宙的開端和終結。在此時間裏的開端和終結之間，這二者可是有著非常巨大的差異。霍金還曾被其所做過的一項簡單的宇宙模型的研究誤導，在此模型中，坍縮相似乎是膨脹相的時間反演。
當我們發現自己犯了像這樣的錯誤會怎麼辦？有些人從不承認他們是錯誤的，轉而繼續去找新的、往往互相不協調的論據來為自己辯解——像愛丁頓在反對黑洞理論時所做的一樣。而另外一些人則首先宣稱，自己從來沒有真正支持過那些錯誤的觀點，而如果他們曾經支持了的話，那也隻是為了顯示那是如何的不協調罷了。
在收縮相的條件下並不適合有些智慧生命的存在，而這個問題正是其才能夠提出：為什麼無序度所增加的時間方向和宇宙膨脹的時間方向相同？無邊界設想預言的宇宙在早期階段的暴脹意味著宇宙必須要以非常接近的以恰好能夠避免坍縮發生的所需要的臨界速率膨脹，而這樣宇宙才能夠在很長的時間之內不至於坍縮。而到那時候，宇宙中所有的恒星都會燒盡，而在其之中的質子和中子也很可能都會衰變成輕粒子和輻射。整個宇宙都將處於一種完全無序的狀態，而在那時就不會再有強力的熱力學時間箭頭，因為整個宇宙都已經處於這樣幾乎完全無序的狀態中，無序度再怎樣也不會增加很多。但是，對於智慧生命的行為來說，擁有一個強力的熱力學箭頭是必需的，因為為了能夠生存下去，生命必須要消耗能量的一種有序形式——食物，並將其轉化成能量的一種無序形式——熱量，因此，智慧生命並不能在宇宙的收縮相中存在。這就很好地解釋了為什麼我們觀察到熱力學和宇宙學的時間箭頭的指向一致的這個問題。那並不是因為宇宙的膨脹而導致了無序度的增加，而僅僅是由無邊界條件所引起無序度的增加，同時，也隻有在膨脹相中才會有適合智慧生命存在的條件。
我們理解宇宙的進步，實際上就是在一個無序度增加的宇宙中建立了一個很小的、有序的角落。如果你能夠記住這本書中的每一個詞，那麼你的記憶裏就記錄了大約200萬單位的信息，你腦海中的有序度就增加了大約200萬單位。但是，當你在讀這本書時，你卻至少消耗了1000卡路裏（1熱化學卡=4．184焦）的有序能量，並將其以對流和出汗這些方式釋放到了周圍空氣中，轉換成了無序能量，而這樣就使宇宙當中的無序度增大了大約20億億億單位，或者是你頭腦中有序度增量，這是在你能記住這本書中的每一件事的這個前提下的大約1000億億倍。下麵各章再會增加一些我們腦海之內總的有序度，用以來解釋如何將這些描述過的部分理論統一地結合在一起，從而形成一個完備的統一理論，同時，這個理論還將適用於宇宙中的任何東西。
什麼是蟲洞？時間的旅行
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時間好像是一列筆直行駛的列車，我們隻能往一個方向前進。那麼這輛列車的鐵軌什麼時候有環圈以及分岔，從而使得原本應該是一直在前開動的列車能夠返回到原先通過的車站呢？我們又究竟能不能旅行到未來或著過去呢？
早在1949年，由庫爾特·哥德爾首先提出了廣義相對論中允許的新的時空這一觀點，這是物理學定律首次表明其的確允許我們在時間中旅行。哥德爾是一位傑出的數學家，由於證明了不完備性定理而名聲大噪。其定理是說，不可能證明一個學科中所有真的陳述，即使是隻試圖證明類似於像算術這麼明確且枯燥的學科中所有真的陳述。而這個定理似乎是我們理解和預言宇宙的能力的一個基本極限，但是至少是在現在為止，該定理還沒有成為我們追尋完備統一理論的障礙。
哥德爾是在和愛因斯坦在普林斯頓高級學術研究所度過他們晚年的時候通曉了廣義相對論的。他的時空擁有一個非常古怪的性質：宇宙都是在旋轉著的。也許有人會問：“那麼它是相對於何物在旋轉的？這個答案就像是在遠處的物體圍繞著小陀螺的指向而旋轉。而這也就出現了一個附加的效應，一位航天員很可能在他乘航天飛船出發之前就已回到地球，而這個性質的發現曾使愛因斯坦變得十分沮喪，原先的他曾經以為自己的廣義相對論中是不允許存在著時間旅行。但是，鑒於愛因斯坦這種對引力坍縮和不確定性原理的無端反對，或許反而更加是一個令我們鼓舞的跡象，因為至少我們可以證明，這個宇宙並不是旋轉的，因此哥德爾找到的解釋並不對應於我們這個宇宙。宇宙弦是弦狀的物體，其具有長度，可是截麵卻十分微小。而事實上，宇宙弦更像在巨大張力作用下的橡皮筋，且其張力大約為1億億億噸。如果把一根宇宙弦係到地球上的話，那麼我們的地球就會在1/30秒的時間裏從每小時零英裏加速到每小時60英裏。宇宙弦在剛接觸起來的時候有些像是科學幻想物，可是我們有理由相信，在早期宇宙中，由在第五章討論過的那種對稱破缺機製可以形成宇宙弦，因為宇宙弦具有巨大的張力，並且可以從任何形態起始，所以其一旦伸展開來，就會馬上加速到非常高的速度。
哥德爾的解釋和宇宙弦表明時空在一開始就這麼的扭曲，於是使得我們總能夠旅行到過去。也許是上帝創造了一個這樣卷曲著的宇宙，可是目前我們沒有任何理由相信他會這樣做。微波背景和輕元素豐度的觀測都表明了，在早期的宇宙中並沒有存在著允許時間旅行的曲率。如果無邊界設想正確的話，從其理論的基礎上，我們也能推導出相同結論。而這樣的話，問題就變成了：如果在宇宙初始的時候就沒有時間旅行必需的曲率，那麼在之後，我們是否能夠隨後將時空的局部區域卷曲到一種程度，直至其能夠允許時間旅行？
假設一枚火箭能以低於光的速度從事件A（譬如2012年奧林匹克競賽的100米決賽）到達事件B（譬如半人馬座α議會第100004屆會議的開幕式）的話，那麼根據所有觀察者的時間，他們都會同意事件A是發生於事件B之先的。但是，如果飛船必須要以超過光的速度旅行才能把將事件A的消息送到事件B的話，那麼，在以不同速度運動著的觀察者關於事件A和事件B這兩個事件究竟何為前、何為後就會眾說紛紜了。按照一位相對於地球靜止的觀察者的時間來看，議會開幕或許就是在競賽之後。這樣，這位觀察者就會認為，如果他忽略光速限製的話，那麼飛船就能及時地從A趕到B。但是，在半人馬座α上以接近光速在離開地球方向飛行的觀察者就不會這樣認為了，他們就會覺得是事件B先於事件A，即百米決賽發生。相對論告訴我們，對於在以不同速度運動著的觀察者來說，物理定律的作用是完全相同的。
而想要打破光速的壁壘就會存在一些問題。相對論告訴了我們，飛船的速度越接近光速，用以對它進行加速的火箭功率就必須要越來越大。對這個我們現在已經有了實驗的證據，隻不過不是航天飛船的經驗，而是在諸如費米實驗室或者歐洲核子研究中心的粒子加速器中的那些基本粒子的經驗。我們現在已經可以把粒子加速到光速的99．99％，但是不管我們注入多少功率，也不可能將其加速到超過光速的壁壘。而航天飛船的情形也是類似的：不管其火箭的功率有多大，也都不可能將其加速到光速以上。
而這樣看來的話，快速空間旅行和逆時旅行這兩者似乎都是不再可行了。但是，還可能存在著別的辦法。我們也許可以將時空卷曲起來，使得在A和B之間產生一條近路。在這兩者之間創造出一個蟲洞就是一個很好的法子。我們從名字上就能夠知道，蟲洞其實就是一個時空細管，而它的作用則是能把兩個相隔遙遠的幾乎平坦的區域連接起來。
1935年，愛因斯坦和納珍·羅森寫了一篇論文，在該論文中，他們指出廣義相對論允許“橋”的存在，他們當時所稱的“橋”就是現在稱為蟲洞的東西。愛因斯坦和羅森還指出，“橋”並不能維持得足夠久，使得航天飛船有足夠的時間來得及穿越：它是會縮緊的，而飛船則會撞到一個奇點上去。由於通常的物質所具有的都是正能量密度，它賦予時空以正曲率，就如同一個球麵。因此，為了使時空能夠卷曲成被允許逆時旅行的樣子，我們需要一種負能量密度的物質。
解決時間旅行的另一個可能的方法被稱為選擇曆史假說，其思想是，當時間旅行者回到過去的時候，他們就會進入一個和記載中的曆史不同的另外曆史中去。這樣，他們可以自由地行動，而不會受到原先的曆史相一致的約束。史蒂芬·斯匹柏十分喜愛影片《回歸未來》中的創意：瑪提·馬克弗萊能夠回到過去，同時還將他父親和母親戀愛的曆史改得更加令人滿意。
乍一聽起來，選擇曆史假說和理查德·費恩曼將量子理論表達成曆史求和的方法相類似，都是在說宇宙並不僅僅有一個單獨曆史，而是具有所有可能的曆史，且每一個曆史都擁有自己的概率。然而，在費恩曼的設想和選擇曆史之間存在一個重要的差別：在費恩曼求和中，每一個曆史都是由完整的時空和其中的每一件東西組成的。時空可以被卷曲成能夠乘火箭旅行到過去的狀態，但是火箭也要留在同一時空，即同一曆史中，因而曆史必須是協調的。這樣，費恩曼的曆史求和設想支持的是協調曆史假說，而並非是支持選擇曆史假說。
費恩曼曆史求和確實允許在微觀的尺度下旅行到過去。在後麵，我們會知道，科學定律在CPT聯合作用下不變，這就是說明，在反時鍾方向自旋並從A運動到B的一個反粒子同時也可以被認為是在時鍾方向自旋並從B運動回A的通常粒子。相類似地，一個在時間中向前運動的通常粒子也可以等價於在時間中往後運動的反粒子。正如我們討論過的，“空虛的”空間裏充滿了虛的粒子和反粒子對，它們一道出現、分離，最後再回到一塊並且相互湮滅。
在解釋黑洞是怎樣發射粒子並輻射的時候通常都這樣認為：虛的粒子/反粒子中的一個成員（如反粒子）會落到黑洞中去，而另一個粒子，因為失去了原本將會和它湮滅的夥伴則留了下來。而這個被拋棄的粒子也同樣的可以落入黑洞，但是它還可以從黑洞的鄰近中掙脫出去。而如果是第二種的話，那麼對於一位遠處的觀察者來說，這個粒子就是作為從黑洞中發射出的粒子而出現的。
對於解釋量子理論在宏觀尺度上是否允許時間旅行這一概念，這是能夠被人們多利用的。初看起來，量子理論應該是能夠允許的。費恩曼曆史求和這個設想是指的對所有的曆史一起進行的，因此，其也應包括了那些被卷曲成允許旅行到過去的時空。而這樣，新的問題又來了，為什麼我們現在並沒有受到來自曆史的騷擾？例如，在未來有人回到過去，並提前將原子彈秘密提供給納粹？
如果被霍金稱作時序防衛的這一個猜測成立的話，那麼這些問題其實都是可以避免的。這個猜測是講，物理學定律在一起共謀並防止宏觀物體將信息傳遞到過去，這就好像宇宙監督的猜測一樣，還未被證明，但是在目前是有理由相信其是成立的。
能夠相信時序防衛有效的一個原因是：當時空被卷曲得可以旅行到過去時，在時空中閉合的圈環上運動的虛粒子能夠變成在時間前進的方向上以等於或者低於光速的速度運動的實粒子，同時，由於這些粒子還可以任意多次地圍繞著圈環運動，它們都通過路途中的每一點許多次，因此，它們的能量就會被再三地計算，從而就會使能量的密度變得非常大。這也許會被賦予到時空正的曲率中去，因而不允許我們旅行到過去。在目前，這些粒子究竟是會引起正的還是負的曲率，或者由某種虛粒子產生的曲率是否可以被別的粒子產生的曲率而抵消，仍然不是清楚。因此，時間旅行的可能性仍然懸而未決。
黑洞
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黑洞這一專業的術語是在不久之前才得以出現的。1969年，美國科學家約翰·惠勒為了形象地描述某個至少可追溯到200年之前的觀念時，杜撰出了這個名詞。在當時，一共存在著兩種關於光的理論：一種是光的微粒說，另一種則是光的波動說。當然，我們現在知道，這兩者其實都是正確的。由於光具有波粒二象性，因此既可將其認定是波，也可將其認定是粒子。而在光的波動說中，人們就不能清楚地知道光對引力如何做出響應。但如果光是由粒子組成的話，我們就可以預料，其正像炮彈、火箭和行星一樣受到引力的影響。在開始，人們以為，光粒子無限快地運動著，所以引力並不能夠使其緩慢下來，但是羅默關於光以有限速度行進的發現則意味著引力對光能夠產生重要的效應。
1783年，劍橋的學監約翰·米歇爾在這個假定的基礎上，於《倫敦皇家學會哲學學報》上發表了一篇文章，他指出，一個質量足夠大並足夠致密的恒星會有如此強大的引力場，甚至連光線都不能逃逸，任何從恒星表麵發出的光，在還沒到達遠處前就會被恒星的引力吸引回來。米歇爾暗示，可能存在大量這樣的恒星，雖然由於從它們那裏發出的光不會到達我們這裏，我們不能看到它們，但是我們仍然可以感到它們引力的吸引，這正是我們現在稱為黑洞的物體，它是名副其實的，在空間中的黑的空洞。幾年之後，法國科學家拉普拉斯侯爵顯然獨自地提出了和米歇爾類似的觀念。非常有趣的是，拉普拉斯隻將此觀點納入他的《世界係統》一書的第一版和第二版中，而在以後的版本中將其刪去。也許他認為這是一個愚蠢的觀念。（此外，光的微粒說在19世紀變得不時髦了，似乎一切都可以以波動理論來解釋，而按照波動理論，不清楚光究竟是否受到引力的影響。）