宇宙免费午餐_宇宙时间奥秘
我们回忆一下，由于存在无法避免的、棘手的奇点问题，用西亚玛的话来说，广义相对论“本身包含了自我毁灭的种子”。虽然如我们刚刚提到过的，至今还没有一个可以令人满意的量子引力理论，但是在过
去的十年左右的时间里，现代宇宙学家们已经开始思索，量子论如何可以使爱因斯坦相对论中令人不快之处得以改善。
量子论和相对论的特殊熔合所产生的量子引力理论，导致了一些关于宇宙和时间本身创生的极有趣的想法。例如，沸腾的真空就启发出一个宇宙如何诞生的模型。如果引力是量子化的，则必然有引力场的随机涨落，这就给出了一个“无中生有”的“机制”。美国麻省理工学院的盖斯（Alan Guth）是当代宇宙学家中一位主要人物，他说道：“我常听人讲，没有免费午餐一类的好事让你遇到。但是现在看来，宇宙本身就是一份免费午餐。”这个想法根据的是真空沸腾的概念，即由于海森伯不确定性原理，真空的能量发生无规则的涨落，如此就产生出宇宙——这是美国物理学家特雷恩（Edward Tryon）于 1973 年首次提出的，但是在开头五年里他的想法并没有引起响应。
从 1978 年开始，比利时布鲁塞尔自由大学的一个宇宙学小组，提出了一系列引人入胜的建议。按照他们的“圣经”，宇宙在原初时刻是“虚无”的真空，时空也是平直的。这和令人不快的大爆炸奇点完全不同，在大爆炸奇点，宇宙中的一切在初始时刻是被压缩到一个点的。从爱因斯坦著名的质量和能量之间的关系，能量中的量子涨落将会产生出等量的粒子质量。这样一来，经过粒子间的相互吸引，就会使初始平直的时空变成弯曲的，如我们在第三章中已经看到的那样。这一过程并不破坏能量守恒，因为粒子质量吸收的正能量，被引力吸引的负能量所补偿了。这个小组的宇宙学家们认为，虚无的真空状态相对于物质创生来说是不稳定的：像是一个连锁过程，一旦开始，就会导致宇宙中所有的物质和能量自发地创生。
另一些宇宙学家随之也提出了其它的模型，但每一个都只是对上述模型作某种修正或改进。威廉金（Alex Vilenkin）以及稍后的霍金和哈特勒（Jim Hartle），试图给出空间和时间从绝对一无所有中创生——这种状态，甚至于不是沸腾着物质的量子力学产生和湮灭的“虚无”真空。霍金和哈特勒想把时间开始的奇点即大爆炸敷衍过去，他们对整个宇宙给出了一个波函数，然后计算从确确实实的一无所有中产生出某种东西的几率。
霍金的方法中，部分地采用了费曼的“经历求和法”和所谓的“虚时间”。按照霍金的说法，虚时间“听上去像是科学幻想，但实际上是一个有确切定义的数学概念”。虚数自乘得到的结果是负数。而对于大多数人熟悉的实数来说， 2 和-2 的平方一定都是 4。虚时间像爱因斯坦相对论中的普通时间一样，是没有方向的，采用虚时间以后，空间和时间的数学形式之间就完全没有区别了。在闭合的宇宙的情况下（换句话说，也就是有大坍缩点的宇宙），这种混在一起的时空可以存在于非常早期的阶段，它在尺度上是有限的，然而没有边界或令人不安的奇点。
时间在宇宙的极早期会没有定义，而宇宙本身看上去很像地球的表面，但是要多出两个维度。这种自我封闭的宇宙被认为是不需要初始条件的，因而爱因斯坦理论的奇点困难也就得以克服。
虚时间其实只不过是一种数学技巧，它并没有告诉我们关于实在世界的任何新东西。然而，霍金的看法是，“如果你也像我一样采取实证主义的立场，那么任何有关现实实在的问题都没有意义。我们所能问的只是，在描述我们观测到的东西的数学模式中，虚时间是否有用。答案是肯定的。的确，我们甚至可以采取极端的立场，认为虚时间其实是基本的概念，而数学模型必需用它来表述。普通的时间反而是一种派生的概念，我们发明了它，是把它作为数学模型的一部分，用以描述我们对宇宙的主观印象。”
对于这些讨论“无中生有”的纯理论模型，保留一定的怀疑态度还是有益的。对于它们，有许多技术上的反对理由，也有许多原则性问题。作为后者的一个例子，如果“无”确实意味着“一无所有”，则看来我们并无任何权利，把我们的科学定律运用到创生行为之前。这样我们就会仍然疑惑不解，是什么把宇宙带到现实存在中来。
但是，关于时间之箭又是如何呢？对于这个基本问题，所有这些模型都保持沉默。因为量子力学（除去令人棘手的测量问题）和相对论，两者都是时间上严格可逆的。在第三章中已经提到过一个非常令人兴奋的可能性，这就是彭罗斯的建议，即迄今为止还不了解的“真正的”的量子引力，应当是时间不对称的。也就是说，它应当明显地含有时间箭头。我们将在第五章谈宇宙学和热力学的关系时，再讨论彭罗斯的理由。这样的一个根本性建议，可能会最终导致物理学的一场新革命，而我们现有的视野还不足以使我们对此作好准备。
在这一章中，我们概括地评述了量子论令人困惑的课题。我们的结论是，它充其量也只是一个不完备的理论。主要的困难是围绕着测量行为，因为在测量过程中，包括所有可能结果的波函数坍缩到单一的现实结果——例如著名的薛定谔思维实验中那只猫的死亡。由于测量过程内在的不可逆性，它不可能在现有的可逆性的理论框架中得到体现。
下一章我们要讨论热力学，它是一种包含时间之箭的不可逆过程的科学理论；以及统计力学，它试图在微观量子世界和宏观热力学世界之间架起一座桥梁。这样，我们也许会对现有的量子描述中的缺陷有更多的见解。
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