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<title>書路--黑洞、嬰兒宇宙及其他</title>
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黑洞、嬰兒宇宙及其他
八、愛因斯坦之夢[13]
二十世紀初葉的兩種新理論完全改變了我們有關空間和時間以及實在本身的思維方
式。在超過七十五年后的今天，我們仍在消化它們的含義，以及想把它們合并成能描述
宇宙中萬物的統一理論之中。這兩種理論便是廣義相對論和量子力學。廣義相對論是處
理空間和時間，以及它們在大尺度上如何被宇宙中的物質和能量彎曲或卷曲的問題。另
一方面，量子力學處理非常小尺度的問題。其中包括了所謂的不確定性原理。該原理說，
人們永遠不可能同時準確地測量一顆粒子的位置和速度，你對其中一個量能測量得越精
密，則只能對另一個量測量得越不精密。永遠存在一種不確定性或幾率的因素，這就以
一種根本的方式影響了物體在小尺度下的行為。愛因斯坦幾乎是單獨地創立了廣義相對
論，他在發展量子力學中起過重要的作用。他對后者的態度可以總結在“上帝不玩弄骰
子”這句短語之中。但是所有證據表明，上帝是一位老賭徒，他在每一種可能的場合擲
骰子。 [13]作者注；這是1991年7月在東京日本電話電報資訊交流系統公司的模式會議上的講演。
我將在這篇短文中闡述在這兩種理論背后的基本思想，并說明愛因斯坦為什么這么
不喜歡量子力學。我還將描述當人們試圖把這兩種理論合并時似乎要發生的顯著的事物。
這些表明時間本身在大約一百五十億年前有一個開端，而且它在將來的某點會到達終結。
然而，在另一種時間里，宇宙沒有邊界。它既不被創生，也不被消滅。它就是存在。
讓我從相對論開始。國家法律只在一個國家內有效，但是物理定律無論是在英國、
美國或者日本都是同樣的。它們在火星和仙女座星系上也是相同的。不僅如此，不管你
以任何速度運動定律都是一樣的。定律在子彈列車或者噴氣式飛機上正和對站立在某處
的某人是一樣的。當然，甚至在地球上處于靜止的某人在事實上正以大約為每秒18.6英
里（30公里）的速度繞太陽公轉。太陽又是以每秒幾百公里的速度繞著銀河系公轉，等
等。然而，所有這種運動都不影響科學定律，它們對于一切觀測者都是相同的。
這個和系統速度的無關性是伽利略首次發現的。他發展了諸如炮彈或行星等物體的
運動定律。然而，在人們想把這個觀測者速度無關性推廣到制約光運動的定律時就產生
了一個問題。人們在十八世紀發現光從光源到觀測者不是瞬息地傳播的，它以某種大約
為每秒186000英里（3 0公里）的速度旅行。但是，這個速度是相對于什么而言的呢？
似乎必須存在彌沒在整個空間的某種介質，光是通過這種介質來旅行的。這種介質被稱
作以太。其思想是，光波以每秒186000英里的速度穿越以太旅行，這表明一位相對于以
太靜止的觀測者會測量到大約每秒186000英里的光速，但是一位通過以太運動的觀測者
會測量到更高或更低的速度。尤其是人們相信，在地球繞太陽公轉穿越以太時光速應當
改變。然而，1887年麥克爾遜和莫雷進行的一次非常精細的實驗指出，光速總是一樣的。
不管觀測者以任何速度運動，他總是測量到每秒186000英里的光速。
這怎么可能是真的呢？以不同速度運動的觀測者怎么會都測量到同樣的速度呢？其
答案是，如果我們通常的空間和時間的觀念是對的，則他們不可能。然而，愛因斯坦在
1905年寫的一篇著名的論文中指出，如果觀測者拋棄普適時間的觀念，他們所有人就會
測量到相同的光速。相反地，他們各自都有自己單獨的時間，這些時間由各自攜帶的鐘
表來測量。如果他們相對運動得很慢，則由這些不同的鐘表測量的時間幾乎完全一致，
但是如果這些鐘表進行高速運動，則它們測量的時間就會有重大差別。在比較地面上的
和商業航線上的鐘表時就實際上發現了這種效應，航線上的鐘表比靜止的鐘表走得稍微
慢一些。然而，對于正常的旅行速度，鐘表速率的差別非常微小。你必須繞著地球飛四
億次，你的壽命才會被延長一秒鐘，但是你的壽命卻被所有那些航線的糟糕餐飲縮短得
更多。
人們具有自己單獨時間這一點，又何以使他們在以不同速度旅行時測量到同樣的光
速呢？光脈沖的速度是它在兩個事件之間的距離除以事件之間的時間間隔。（這里事件
的意義是在一個特定的時間在空間中單獨的一點發生的某種事物。）以不同速度運動的
人們在兩個事件之間的距離上看法不會相同。例如，如果我測量在高速公路上奔馳的轎
車，我會認為它僅僅移動了一公里，但對于在太陽上的某個人，由于當轎車在路上行走
時地球移動了，所以他覺得轎車移動了1800公里。因為以不同速度運動的人測量到事件
之間不同的距離，所以如果他們要在光速上相互一致，就必須也測量到不同的時間間隔。
愛因斯坦在1905所寫的論文中提出的原始的相對論是我們現在稱作狹義相對論的東
西。它描述物體在空間和時間中如何運動。它顯示出，時間不是和空間相分離的自身存
在的普適的量。正如上下、左右和前后一樣，將來和過去不如說僅僅是在稱作時空的某
種東西中的方向。你只能朝時間將來的方向前進，但是你能沿著和它夾一個小角度的方
向前進。這就是為什么時間能以不同的速率流逝。
狹義相對論把時間和空間合并到一起，但是空間和時間仍然是事件在其中發生的一
個固定的背景。你能夠選擇通過時空運動的不同途徑，但是對于修正時空背景卻無能為
力。然而，當愛因斯坦于1915年提出了廣義相對論后這一切都改變了。他引進了一種革
命性的觀念，即引力不僅僅是在一個固定的時空背景里作用的力。相反的，引力是由在
時空中物質和能量引起的時空畸變。譬如炮彈和行星等物體要沿著直線穿越時空，但是
由于時空是彎曲的卷曲的，而不是平坦的，所以它們的路徑就顯得被彎折了。地球要沿
著直線穿越時空，但是由太陽質量產生的時空曲率使它必須沿著一個圓圈繞太陽公轉。
類似地，光要沿著直線旅行，但是太陽附近的時空曲率使得從遙遠恒星來的光線在通過
太陽附近時被彎折。在通常情況下，人們不能在天空中看到幾乎和太陽同一方向的恒星。
然而在日食時，太陽的大部分光線被月亮遮擋了，人們就能觀測到從那些恒星來的光線。
愛因斯坦是在第一次世界大戰期間孕育了他的廣義相對論，那時的條件不適合于作科學
觀測。但是戰爭一結束，一支英國的探險隊觀測了1919年的日食，并且證實了廣義相對
論的預言：時空不是平坦的，它被在其中的物質和能量所彎曲。
這是愛因斯坦的偉大勝利。他的發現完全變革了我們思考空間和時間的方式。它們
不再是一件在其中發生的被動的背景。我們再也不能把空間和時間設想成永遠前進，而
不受在宇宙中發生事件影響的東西。相反的，它們現在成為動力學的量，它們和在其中
發生的事件相互影響。
質量和能量的一個重要性質是它們總是正的。這就是引力總是把物體相互吸引到一
起的原因。例如，地球的引力把我們吸引向它，即便我們處于世界的相反的兩邊。這就
是為什么在澳大利亞的人不會從世界上掉落出去的原因。類似地，太陽引力把行星維持
在圍繞它公轉的軌道上并且阻止地球飛向黑暗的星際空間。按照廣義相對論，質量總是
正的這個事實意味著，時空正如地球的表面那樣向自身彎折。如果質量為負的，時空就
會像一個馬鞍面那樣以另外的方式彎折。這個時空的正曲率反映了引力是吸引的事實。
愛因斯坦把它看作重大的問題。那時人們廣泛地相信宇宙是靜止的，然而如果空間特別
是時間向它們自身彎折回去的話，宇宙怎么能以多多少少和現在同樣的狀態永遠繼續下
去？
愛因斯坦原始的廣義相對論方程預言，宇宙不是膨脹便是收縮。因此愛因斯坦在方
程中加上額外的一項，這些方程把宇宙中的質量和能量與時空曲率相關聯。這個所謂的
宇宙項具有引力的排斥效應。這樣就可以用宇宙項的排斥去和物質的吸引相平衡。換言
之，由宇宙項產生的負時空曲率能抵消由宇宙中質量和能量產生的正時空曲率。人們以
這種方式可以得到一個以同樣狀態永遠繼續的宇宙模型。如果愛因斯坦堅持他原先沒有
宇宙項的方程，他就會做出宇宙不是在膨脹便是在收縮的預言。直到1929年埃德溫·哈
勃發現遠處的星系離開我們而去之前，沒人想到宇宙是變化的。宇宙正在膨脹。后來愛
因斯坦把宇宙項稱作“我一生中最大的錯誤”。
但是不管有沒有宇宙項，物質使時空向它自身彎折的事實仍然是一個問題，盡管它
沒有被廣泛認識到事情會是這樣子的。這里指的是物質可能把它所在的區域彎曲得如此
厲害，以至于事實上把自己從宇宙的其余部分分割開來。這個區域會變成所謂的黑洞。
物體可以落到黑洞中去，但是沒有東西可以逃逸出來。要想逃逸出來就得比光旅行得更
快，而這是相對論所不允許的，這樣，黑洞中的物質就被俘獲住，并且坍縮成某種具有
非常高密度的未知狀態。
愛因斯坦為這種坍縮的含義而深深困擾，并且他拒絕相信這會發生。但是羅伯特·
奧本海默在1939年指出，一顆具有多于太陽質量兩倍的晚年恒星在耗盡其所有的燃料時
會不可避免地坍縮。然后奧本海默受戰爭干擾，卷入到原子彈計劃中，而失去對引力坍
縮的興趣。其他科學家更關心那種能在地球上研究的物理。關于宇宙遠處的預言似乎不
能由觀測來檢驗，所以他們不信任。然而在二十世紀六十年代，天文觀測無論在范圍上
還是在質量上都有了巨大的改善，使人們對引力坍縮和早期宇宙產生新的興趣。直到羅
杰·彭羅斯和我證明了若干定理之后，愛因斯坦廣義相對論在這種情形下所預言的才清
楚地呈現出來。這些定理指出，時空向它自身彎曲的事實表明，必須存在奇性，也就是
時空具有一個開端或者終結的地方。它在大約一百五十億年前的大爆炸處有一個開端，
而且對于坍縮恒星以及任何落入坍縮恒星留下的黑洞中的東西它將到達一個終點。
愛因斯坦廣義相對論預言奇性的事實引起物理學的一場危機。把時空曲率和質量能
量分布相關聯的廣義相對論方程在奇性處沒有意義。這表明廣義相對論不能預言從奇性
會冒出什么東西來。尤其是，廣義相對論不能預言宇宙在大爆炸處應如何啟始。這樣，
廣義相對論不是一個完整的理論。為了確定宇宙應如何啟始以及物體在自身引力下坍縮
時會發生什么，需要一個附加的要素。
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