在整個20世紀70年代，我的主要工作一直是研究黑洞。然而，1981年當我參加在梵蒂岡舉行的一次宇宙學討論會時，我對涉及宇宙起源的一些問題的興趣再度被激起。當天主教會試圖為一個科學問題立法，宣稱太陽在繞地球轉動時，曾對伽利略犯下了一個極為惡劣的錯誤。40幾個世紀後的今天，教會認定了比較好的做法是應當邀請一批專家就宇宙學方面為它提供建議。

在會議結束時，與會者獲准謁見教皇。他告訴我們，研究大爆炸之後的宇宙演化並無不當，但不應該探究大爆炸本身，因為此乃創生時刻，故而應為上帝之傑作。

當時，令我欣慰的是教皇並不知曉我剛在會上所作報告的題目。我可不想重蹈伽利略命運之覆轍；我對伽利略寄以很大的同情，原因之一在於我恰好是在伽利略逝世300週年那一天出生的。

熱大爆炸模型

為了說明我的那篇論文所談及的內容，首先我將根據被稱為「熱大爆炸模型」的學說，來闡述人們所普遍接受的宇宙演化史。這一學說承認，自大爆炸以來，宇宙可由弗裡德曼模型表述。在這類模型中您會發現，隨著宇宙的膨脹，宇宙中物質和輻射的溫度在不斷下降。因為溫度就是對粒子平均能量的一種量度，這種冷卻過程便會對宇宙中的物質施以重大的影響。在溫度非常高的時候，粒子會以極高的速度朝著不同的方向運動，結果是粒子不可能因核力和電磁力的吸引作用而彼此集聚在一起。但是，隨著溫度的降低，可預料到的情況是粒子會互相吸引並開始聚集起來。

在大爆炸瞬間，宇宙的尺度為零，因而溫度必然為無窮大。但是，隨著宇宙的膨脹，輻射的溫度會不斷下降。在大爆炸之後的1秒鐘，溫度會降低到約100億度。這大約是太陽中心溫度的1000倍，不過氫彈爆炸時就會達到這麼高的溫度。在這一時刻，宇宙的主要成分應當是光子、電子、中微子41以及它們的反粒子，同時還會有一些質子和中子。

隨著宇宙繼續膨脹，溫度進一步下降，在碰撞過程中電子和電子對的產生率，會變得低於它們因湮滅而消失的速率。於是，大部分電子和反電子會彼此湮滅，產生出更多的光子，只剩下為數不多的電子。

大約在大爆炸後的100秒，溫度會下降到10億度，這也是最灼熱恆星內部的溫度。到達這一溫度時，質子和中子所具有的能量已不足以擺脫強核力的吸引作用。它們開始可以結合在一起，生成氘（即重氫）原子核，其中包含了一個質子和一箇中子。然後，氘核又會與別的質子和中子結合，生成含有兩個質子和兩個中子的氦核。此外還會生成少量的兩種較重的元素，即鋰和鈹。

可以計算出，在熱大爆炸模型中，大約有四分之一的質子和中子會轉化成氦核，同時還生成少量的重氫和其他一些元素。多餘的中子衰變為質子，也就是普通氫原子的核。這些理論預期值與觀測結果非常吻合。

熱大爆炸模型還預言，我們應該能觀測到從早期灼熱階段所遺留下來的輻射。不過，由於宇宙膨脹，這種輻射的溫度應當已降低到絕對溫標幾度。這就解釋了彭齊亞斯和威爾遜在1965年所發現的微波背景輻射。因此，我們完全確信已取得了正確的影像，至少可以追溯到大爆炸後的一秒鐘左右。在大爆炸後僅僅過了幾個小時，氦和其他元素的產生過程即告停止。而且，在這之後接下來的約100萬年時間內，宇宙只是表現為繼續膨脹，而沒有發生太多的其他事情。最終，一旦溫度跌至幾千度時，電子和原子核便不再具有足夠的能量來克服它們之間電磁力的吸引作用。這時，它們就會開始結合在一起，並生成原子。

從整體上看，宇宙仍然會繼續膨脹，同時溫度繼續降低。但是，在那些密度略高於平均密度的區域內，額外的引力吸引作用會使膨脹減慢下來。這一過程最終會使某些區域不再繼續膨脹，並再次出現坍縮。在坍縮過程中，由於區域之外物質的引力作用，這些區域就有可能開始呈現少量的自轉。隨著坍縮區範圍漸而變小，自轉速度會越來越快——這種情況就像在冰上做旋轉動作的滑冰者，一旦他們把雙臂收緊，轉動的速度就會加快。最後，當這類區域變得足夠小時，其轉動速度之快足以與引力作用取得平衡。有自轉的盤狀星系就是通過這種方式誕生的。

隨著時間的推移，星系中的氣體會碎裂成一些較小的雲塊，它們會在自身引力的作用下發生坍縮。收縮過程中氣體的溫度會增高，一旦溫度變得足夠高時，核反應就開始了。這類反應又會使氫轉變為氦，期間所釋放出的熱量使壓力增大，於是雲塊不再進一步收縮。這種狀態的雲塊便是像我們的太陽那樣的恆星，它們可以維持很長的時間，期間氫燃燒轉變為氦，所產生的能量則以熱和光的形式向外輻射。

對質量更大的恆星來說，由於引力作用更強，需要有更高的溫度與之取得平衡。於是，核聚變反應會進行得非常之快，在大約只有1億年的時間內恆星的氫燃料便會消耗殆盡。這時，它們會表現為略有收縮，並隨著溫度的進一步升高開始把氦轉變為更重的元素，如碳和氧。然而，這一過程不會釋放出太多的能量，於是危機便出現了，那就是我在有關黑洞的那一講中所描述的場景。

人們還沒有完全弄清楚接下來將會發生些什麼情況，不過看來恆星的中心區有可能會坍縮成某種非常緻密的狀態，如中子星或者黑洞。恆星可能在一次劇烈的爆炸中把它的外層向外丟擲，這就是超新星42爆發，此時恆星的亮度會超過星系中所有其他的恆星。恆星在行將壽終正寢之際所產生的一些較重元素，會被拋回到星系內的氣體中，它們為生成下一代恆星提供了部分原材料。

我們自己的太陽含有2%左右此類較重的元素，因為它是一顆第二代（或第三代）恆星。太陽在大約50億年前由一塊自轉氣體雲形成，而氣體中含有更早時期超新星的碎屑。雲塊中的大部分氣體經演化而形成太陽，或者被向外吹走。然而，有少量較重的元素會聚集在一起，並形成繞太陽做軌道運動的天體——行星，地球即是其中之一。

尚未解決的問題

宇宙從最初的極端高溫狀態開始，並隨膨脹而冷卻的影像，與今天我們所取得的所有觀測證據都是一致的。儘管如此，仍有幾個重要的問題尚未得以解決。首先，為什麼早期宇宙會有如此高的溫度？其次，為什麼宇宙在大尺度上會如此均勻——為什麼在空間中的不同位置、以及從不同的方向上看宇宙都是一樣的？

第三，為什麼宇宙最初的膨脹速率會如此接近臨界值，從而恰好保證不會再度坍縮？如果大爆炸後一秒鐘時的膨脹速率哪怕只是小了10億億分之一，宇宙就會在達到它今天的大小之前再度坍縮。另一方面，要是一秒鐘時的膨脹速率增加同樣的數值，那麼宇宙就會極度膨脹，以至於現在它簡直就會變得空無一物了。

第四，儘管事實上宇宙在大尺度上表現為高度均勻和各向同性，但其中不乏存在區域性性的物質團塊，如恆星和星系。人們認為，這些天體是因早期宇宙中不同區域記憶體在少量密度差異而演化形成的。試問，這類密度漲落的起因是什麼？

僅僅依據廣義相對論不可能解釋這些特徵，或者說無法對這些問題給出解答。這是因為廣義相對論預言，宇宙最初時的密度為無窮大，也就是始於大爆炸奇點。在奇點處，廣義相對論和其他所有的物理學定律全都失效。我們不可能預言從奇點會發展出什麼樣的東西來。正如前面我已解釋過的那樣，這意味著理論上同樣可以不考慮大爆炸之前發生的任何事件，因為這類事件對我們來說是沒有任何觀測效應的。時空應當有一個邊界，亦即發端於大爆炸。宇宙為什麼應該從大爆炸瞬間開始，以一種確定的方式演化，並最終成為我們今天所觀測到的狀態呢？為什麼宇宙會如此均勻，而且恰到好處地以臨界速率膨脹，從而不致發生再一次坍縮呢？如果能夠證明，有著多種不同初始結構的宇宙，都會演化成我們今天所觀測到那種狀態，那麼人們便應當更為高興了。要是情況確實如此，那麼從某類隨機性初始條件發展而來的宇宙，應該包含了若干個我們今天所觀測到的那種區域。也許還會存在一些與之很不相同的區域，不過這類區域可能並不適合於星系和恆星的形成。星系和恆星是進化成智慧生命所必須具備的重要先決條件，至少就我們所知應該如此。因此，這些區域就不會包含能觀測到它們不同之處的任何生命。

在研究宇宙學問題時，必須考慮到選擇原理，即我們生活在宇宙中一個適合智慧生命的區域中。這個顯而易見的基本因素有時候被稱為人擇原理43。相反，試想宇宙的初始狀態只有在經過極為仔細的選擇後，才能保證會演化出我們在自己周圍所看到的那些事物。如是，那麼宇宙就不大可能包含任何會出現生命的區域。

在前面我已介紹過的熱大爆炸模型中，早期宇宙階段並沒有足夠的時間能使熱量從一個區域傳遞到另一個區域。這意味著在誕生之初，宇宙中的不同區域必定有著嚴格相同的溫度，只有這樣才能說明下列事實：我們所看到的微波背景在不同方向上有著相同的溫度。還有，宇宙膨脹的初始速率必然經過非常精確的選定，從而保證在今天之前宇宙不會再次坍縮。這就意味著，如果熱大爆炸模型自時間起點以來都是正確的話，那麼宇宙的初始狀態確實作了非常仔細的選擇。要想解釋宇宙為什麼恰好應該以這種方式誕生是很困難的，除非藉助上帝之手——上帝的本意就是要創造出我們這樣的生命。

暴脹模型

為了避免熱大爆炸模型在極早期階段的上述困難，麻省理工學院的艾倫·古思提出了一種新的模型。在他的模型中，許多不同的初始結構都可以演化成如目前宇宙的那種狀態。他認為，對早期宇宙來說，可能在一段時間內作極高速的指數式膨脹。這種膨脹稱為「暴脹」——類似於每個國家中在一定程度上都會出現的物價暴漲。物價暴漲的世界紀錄也許當推第一次世界大戰後的德國，當時一隻麵包的價格從原來的不到一馬克，在幾個月時間內漲到數百萬馬克。不過，在宇宙尺度上可能出現過的暴脹甚至比這還要大得多，僅僅在一秒鐘的極小一部分時間內，宇宙就膨脹了100萬億億億倍。當然，那時尚未有現在這樣的政府。

古思認為，宇宙從大爆炸誕生之際溫度極高。可以預料，在這樣高的溫度下，強核力、弱核力和電磁力全都會統一成單一的一種力。宇宙的溫度會隨膨脹而降低，同時粒子的能量應隨之減小。最後，應當出現所謂相變44，而力與力之間的對稱性便會發生破缺。強力會變得與弱力和電磁力有所不同。一個常見的相變例子就是把水冷卻使其結冰。液態水是對稱的，在不同的位置或者不同的方向上都沒有差異。但是，一旦冰晶體形成後，這些晶體會有著確定的位置，而且會沿著某一方向排列成行。這麼一來就破壞了水的對稱性。

就水而言，如果處理得當，可以使它處於「過冷」狀態。這就是說，可以把水的溫度降到冰點（0攝氏度）以下，但不會結冰。古思的觀點是，宇宙的特性可能會以類似的方式發生變化：溫度有可能跌至臨界值之下，而力與力之間的對稱性卻並沒有出現破缺。要是發生了這種情況，那麼宇宙便會處於某種非穩定態，此時的能量會比發生對稱性破缺時來得大。這種特定的超額能量可以表現為具有某種反引力效應。它所起的作用，應當恰如某種宇宙學常數。

愛因斯坦在嘗試構建穩態宇宙模型時，在廣義相對論中引入了宇宙學常數。然而，在這種情況下宇宙應當已處於膨脹之中。因此，宇宙學常數的斥力效應會使宇宙以不斷增長的速率膨脹。即使在物質粒子多於平均值的那些區域內，有效宇宙學常數的斥力還是會超過物質的吸引力。所以，這些區域也會以某種加速暴脹的方式膨脹。

隨著宇宙的膨脹，物質粒子間的距離便越來越遠。結果應當是留下一個不斷膨脹中的宇宙，且其中幾乎不含任何粒子45。宇宙仍然會處於過冷態，而力與力之間的對稱性並沒有發生破缺。宇宙中的任何不規則性正是因為膨脹而被抹平了，這種情況就像氣球表面的褶皺，一旦把氣球吹脹，這些褶皺就會被抹平掉。因此，宇宙目前的平滑、均勻狀態，便可以從多種不同的非均勻初始狀態演化而來。膨脹的速率也會不斷逼近剛好能使宇宙避免再度坍縮所需要的臨界值。