從愛因斯坦廣義相對論本身就能預(yù)言：時空在大爆炸奇點處開始，并會在大擠壓奇點處（如果整個宇宙坍縮的話）或在黑洞中的一個奇點處（如果一個局部區(qū)域，譬如恒星坍縮的話）結(jié)束。任何落進(jìn)黑洞的東西都會在奇點處毀滅，在外面只能繼續(xù)感覺到它的質(zhì)量的引力效應(yīng)。另一方面，當(dāng)考慮量子效應(yīng)時，物體的質(zhì)量和能量似乎會最終回到宇宙的其余部分，黑洞和在它當(dāng)中的任何奇點會一道蒸發(fā)掉并最終消失。量子力學(xué)對大爆炸和大擠壓奇點也能有同等戲劇性的效應(yīng)嗎？在宇宙的極早或極晚期，當(dāng)引力場如此之強(qiáng)，量子效應(yīng)不能不考慮時，究竟會發(fā)生什么？宇宙究竟是否有一個開端或終結(jié)？如果有的話，它們是什么樣子的？
我在整個70年代主要研究黑洞，但在1981年參加在梵蒂岡由耶穌會組織的宇宙學(xué)會議時，我對于宇宙的起源和命運(yùn)問題的興趣被重新喚起。當(dāng)天主教會試圖對科學(xué)的問題發(fā)號施令，并宣布太陽圍繞著地球運(yùn)動時，對伽利略犯下了嚴(yán)重的錯誤。幾個世紀(jì)后的現(xiàn)在，它決定邀請一些專家做宇宙學(xué)問題的顧問。在會議的尾聲，教皇接見所有與會者。他告訴我們，在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的，但是我們不應(yīng)該去過問大爆炸本身，因為那是創(chuàng)生的時刻，因而只能是上帝的事務(wù)。我心中竊喜，看來他并不知道，我剛在會議上作過的演講的主題――時空有限而無界的可能性，這意味著它沒有開端、沒有創(chuàng)生的時刻。
我不想去分享伽利略的厄運(yùn)。我對伽利略之所以有一種強(qiáng)烈的認(rèn)同感，其部分原因是我剛好出生于他死后的300年！
為了解釋我和其他人關(guān)于量子力學(xué)如何影響宇宙的起源和命運(yùn)的思想，必須首先按照所謂的“熱大爆炸模型”
來理解被廣泛接受的宇宙歷史。這是假定從早到大爆炸時刻起宇宙就可用弗里德曼模型來描述。在此模型中，人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)宇宙膨脹時，其中的任何物體或輻射都變得更涼（當(dāng)宇宙的尺度大到2倍，它的溫度就降低到一半。）由于溫度即是粒子的平均能量――或速度的測度，宇宙的變涼對于其中的物質(zhì)就會有較大的效應(yīng)。在非常高的溫度下，粒子能夠運(yùn)動得如此之快，可以逃脫任何由核力或電磁力將它們吸引在一起的作用。但是可以預(yù)料到，隨著它們冷卻下來，粒子相互吸引并且開始結(jié)塊。更有甚者，連存在于宇宙中的粒子種類也依賴于溫度。在足夠高的溫度下，粒子的能量是如此之高，只要它們碰撞就會產(chǎn)生很多不同的粒子/反粒子對一一并且，雖然其中一些粒子打到反粒子上去時會湮滅，但是它們產(chǎn)生得比湮滅得更快。然而，在更低的溫度下，碰撞粒子具有較小的能量，粒子/反粒子對產(chǎn)生得不快――而湮滅則變得比產(chǎn)生更快。
就在大爆炸時，宇宙體積被認(rèn)為是零，所以是無限熱。但是，輻射的溫度隨著宇宙的膨脹而降低。大爆炸后的1秒鐘，溫度降低到約為100億度，這大約是太陽中心溫度的1000倍，亦即氫彈爆炸達(dá)到的溫度。此刻宇宙主要包含光子、電子和中微子（極輕的粒子，它只受弱力和引力的作用）和它們的反粒子，還有一些質(zhì)子和中子。隨著宇宙的繼續(xù)膨脹，溫度繼續(xù)降低，電子/反電子對在碰撞中的產(chǎn)生率就落到它們的湮滅率之下。這樣，大多數(shù)電子和反電子相互湮滅掉了，產(chǎn)生出更多的光子，只剩下很少的電子。然而，中微子和反中微子并沒有相互湮滅掉，因為這些粒子和它們自己以及其他粒子的作用非常微弱。
這樣，直到今天它們應(yīng)該仍然存在。如果我們能觀測到它們，就會為非常熱的早期宇宙階段的圖象提供一個很好的檢驗?？上КF(xiàn)在它們的能量太低了，使得我們不能直接觀察到。然而，如果中微子不是零質(zhì)量，而是像近年的一些實驗暗示的，自身具有小的質(zhì)量，我們則可能間接地探測到它們：正如前面提到的那樣，它們可以是“暗物質(zhì)”
的一種形式，具有足夠的引力吸引去遏止宇宙的膨脹，并使之重新坍縮。
在大爆炸后的大約100秒，溫度降到了10億度，也即最熱的恒星內(nèi)部的溫度。在此溫度下，質(zhì)子和中子不再有足夠的能量逃脫強(qiáng)核力的吸引，所以開始結(jié)合產(chǎn)生氘（重氫）的原子核。氘核包含一個質(zhì)子和一個中子。然后，氘核和更多的質(zhì)子、中子相結(jié)合形成氦核，它包含兩個質(zhì)子和兩個中子，還產(chǎn)生了少量的兩種更重的元素鋰和鈹。可以計算出，在熱大爆炸模型中大約1/4的質(zhì)子和中子變成了氦核，還有少量的重氫和其他元素。余下的中子會衰變成質(zhì)子，這正是通常氫原子的核。
1948年，科學(xué)家喬治?伽莫夫和他的學(xué)生拉夫?阿爾法在一篇著名的合作的論文中，第一次提出了宇宙的熱的早期階段的圖象。伽莫夫頗為幽默――他說服了核物理學(xué)家漢斯?貝特將他的名字加到這論文上面，使得列名作者為“阿爾法、貝特、伽莫夫”，正如最前面三個希臘字母：阿爾法、貝他、伽馬：這特別適合于一篇關(guān)于宇宙開初的論文！他們在此論文中作出了一個驚人的預(yù)言：宇宙的熱的早期階段的輻射（以光子的形式）今天還應(yīng)該在周圍存在，但是其溫度已被降低到只比絕對零度（-273℃）高幾度。這正是彭齊亞斯和威爾遜在1965年發(fā)現(xiàn)的輻射。在阿爾法、貝特和伽莫夫?qū)懘苏撐臅r，對于質(zhì)子和中子的核反應(yīng)了解得不多，所以對于早期宇宙不同元素比例所作的預(yù)言相當(dāng)不準(zhǔn)確；但是，在用更好的知識重新進(jìn)行這些計算之后，現(xiàn)在的結(jié)果已和我們的觀測符合得非常好。況且，在解釋宇宙為何應(yīng)該有這么多氦時，用任何其他方法都是非常困難的。所以，我們相當(dāng)確信，至少一直回溯到大爆炸后大約1秒鐘為止，這個圖象是正確無誤的。
大爆炸后的幾個鐘頭之內(nèi)，氦和其他元素的產(chǎn)生就停止了。之后的100萬年左右，宇宙僅僅是繼續(xù)膨脹，沒有發(fā)生什么事。最后，一旦溫度降低到幾千度，電子和核子不再有足夠能量去戰(zhàn)勝它們之間的電磁吸引力，就開始結(jié)合形成原子。宇宙作為整體，繼續(xù)膨脹變冷，但在一個比平均稍微密集些的區(qū)域，膨脹就會由于額外的引力吸引而緩慢下來。在一些區(qū)域膨脹最終會停止并開始坍縮。當(dāng)它們坍縮時，在這些區(qū)域外的物體的引力拉力使它們開始很慢地旋轉(zhuǎn)；當(dāng)坍縮的區(qū)域變得更小，它會自轉(zhuǎn)得更快――正如在冰上自轉(zhuǎn)的滑冰者，縮回手臂時會自轉(zhuǎn)得更快。最終，當(dāng)區(qū)域變得足夠小，它自轉(zhuǎn)得快到足以平衡引力的吸引，碟狀的旋轉(zhuǎn)星系就以這種方式誕生了。另外一些區(qū)域剛好沒有得到旋轉(zhuǎn)，就形成了叫做橢圓星系的橢球狀物體。這些區(qū)域之所以停止坍縮，是因為星系的個別部分穩(wěn)定地圍繞著它的中心公轉(zhuǎn)，但星系整體并沒有旋轉(zhuǎn)。
隨著時間流逝，星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星云，它們在自身引力下坍縮。當(dāng)它們收縮時，其中的原子相互碰撞，氣體溫度升高，直到最后，熱得足以開始熱聚變反應(yīng)。這些反應(yīng)將更多的氫轉(zhuǎn)變成氦，釋放出的熱增加了壓力，因此使星云不再繼續(xù)收縮。它們會穩(wěn)定地在這種狀態(tài)下，作為像太陽一樣的恒星停留一段很長的時間，它們將氫燃燒成氦，并將得到的能量以熱和光的形式輻射出來。質(zhì)量更大的恒星需要變得更熱，以平衡它們更強(qiáng)的引力吸引，使得其核聚變反應(yīng)進(jìn)行得極快，以至于它們在1億年這么短的時間里將氫耗光。然后，它們會稍微收縮一點，而隨著它們進(jìn)一步變熱，就開始將氦轉(zhuǎn)變成像碳和氧這樣更重的元素。但是，這一過程沒有釋放出太多的能量，所以正如在黑洞那一章描述的，危機(jī)就會發(fā)生了。人們不完全清楚下一步還會發(fā)生什么，但是看來恒星的中心區(qū)域很可能坍縮成一個非常致密的狀態(tài)，譬如中子星或黑洞。恒星的外部區(qū)域有時會在稱為超新星的巨大爆發(fā)中吹出來，這種爆發(fā)使星系中的所有恒星在相形之下顯得黯淡無光。恒星接近生命終點時產(chǎn)生的一些重元素就被拋回到星系里的氣體中去，為下一代恒星提供一些原料。因為我們的太陽是第二代或第三代恒星，是大約50億年前由包含有更早超新星碎片的旋轉(zhuǎn)氣體云形成的，所以大約包含2%這樣的重元素。云里的大部分氣體形成了太陽或者噴到外面去，但是少量的重元素聚集在一起，形成了像地球這樣的，現(xiàn)在作為行星圍繞太陽公轉(zhuǎn)的物體。
地球原先是非常熱的，并且沒有大氣。在時間的長河中它冷卻下來，并從巖石中散發(fā)氣體得到了大氣。我們無法在這早先的大氣中存活。因為它不包含氧氣，反而包含很多對我們有毒的氣體，如硫化氫（即是使臭雞蛋難聞的氣體）。然而，存在其他能在這種條件下繁衍的原始的生命形式。人們認(rèn)為，它們可能是作為原子的偶然結(jié)合，形成叫做宏觀分子的大結(jié)構(gòu)的結(jié)果，而在海洋中發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)⒑Ｑ笾械钠渌泳奂深愃频慕Y(jié)構(gòu)。它們就這樣復(fù)制自己并繁殖。在有些情況下復(fù)制有些誤差。這些誤差通常使新的宏觀分子不能復(fù)制自己，并最終被消滅。
然而，一些誤差會產(chǎn)生出新的宏觀分子，它們會更有效地復(fù)制自己。因此它們具有優(yōu)勢，并趨向于取代原先的宏觀分子。進(jìn)化的過程就是用這種方式開始，并導(dǎo)致越來越復(fù)雜的自我復(fù)制組織的產(chǎn)生。第一種原始的生命形式消化了包括硫化氫在內(nèi)的不同物質(zhì)，而釋放出氧氣。這就逐漸地將大氣改變成今天這樣的成分，并且允許諸如魚、爬行動物、哺乳動物以及最后人類等生命的更高形式的發(fā)展。
宇宙從非常熱的狀態(tài)開始并隨膨脹而冷卻的景象，和我們今天所有的觀測證據(jù)相一致。盡管如此，它還留下許多未被回答的重要問題：
（1）為何早期宇宙如此之熱？
（2）為何宇宙在大尺度上如此均勻？為何它在空間的所有點上和所有方向上看起來相同？尤其是，當(dāng)我們朝不同方向看時，為何微波輻射背景的溫度幾乎完全相同？
這有點像問許多學(xué)生一個考試題。如果所有人都給出完全相同的回答，你就會相當(dāng)肯定，他們相互之間交流過。在上述的模型中，從大爆炸開始光還沒有來得及從一個遙遠(yuǎn)的區(qū)域到達(dá)另一個區(qū)域，即使這兩個區(qū)域在宇宙的早期靠得很近。按照相對論，如果連光都不能從一個區(qū)域到達(dá)另一個區(qū)域，則沒有任何其他的信息能做到。所以，除非因為某種不能解釋的原因，導(dǎo)致早期宇宙中不同的區(qū)域剛好從同樣的溫度開始，否則沒有一種方法能使它們達(dá)到相互一樣的溫度。
（3）為何宇宙以這么接近于區(qū)分坍縮和永遠(yuǎn)膨脹模型的臨界膨脹率開始，這樣即使在100億年以后的現(xiàn)在，它仍然幾乎以臨界的速率膨脹？如果在大爆炸后的1秒鐘那一時刻其膨脹率哪怕小十億億分之一，那么在它達(dá)到今天這么大的尺度之前宇宙早已坍縮。
（4）盡管宇宙在大尺度上是如此的一致和均勻，它卻包含有局部的無規(guī)性，諸如恒星和星系。人們認(rèn)為，這些是從早期宇宙中不同區(qū)域之間密度的細(xì)小差別發(fā)展而來的。這些密度起伏的起源是什么？
廣義相對論本身不能解釋這些特征或回答這些問題，因為它預(yù)言，宇宙是從在大爆炸奇點處的無限密度起始的。廣義相對論和所有其他物理定律在奇點處都失效了：
人們不能預(yù)言從奇點會出來什么。正如以前解釋的，這表明我們可以從這理論中割除去大爆炸奇點和任何先于它的事件，因為它們對我們沒有任何觀測效應(yīng)。時空會有一個邊界――大爆炸處的開端。
科學(xué)似乎揭示了一族定律，在不確定性原理設(shè)下的極限內(nèi)，如果我們知道宇宙在任一時刻的狀態(tài)，這些定律就會告訴我們，它如何隨時間發(fā)展。這些定律也許原先是由上帝頒布的，但是看來從那以后他就讓宇宙自身按照這些定律去演化，而現(xiàn)在不對它干涉。但是，他是怎么選擇宇宙的初始狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的呢？什么是在時間起始處的“邊界條件”？
一種可能的回答是，上帝選擇宇宙的這種初始結(jié)構(gòu)是因為某些我們無望理解的原因。這肯定是在一個全能造物主的力量之內(nèi)。但是如果他使宇宙以這種不能理解的方式開始，他為何又選擇讓它按照我們可理解的定律去演化？
整部科學(xué)史正是對事件不是以任意方式發(fā)生，而是反映了一定內(nèi)在秩序的逐步的意識。這秩序可以是，也可以不是由神靈啟示的。只有假定這種秩序不但應(yīng)用于定律，而且應(yīng)用于時空邊界處的條件時才是自然的，這種條件指明宇宙的初始態(tài)。可以有大量具有不同初始條件的宇宙模型，它們都服從定律。應(yīng)該存在某種原則去抽取一個初始狀態(tài)，也就是一個模型，去代表我們的宇宙。
所謂的混沌邊界條件即是這樣一種可能性。這些條件含蓄地假定，要么宇宙是空間無限的，要么存在無限多宇宙。在混沌邊界條件下，在剛剛大爆炸之后，尋求任何空間區(qū)域在任意給定的結(jié)構(gòu)的概率，在某種意義上，和它在任何其他結(jié)構(gòu)的概率是一樣的：宇宙初始態(tài)的選擇純粹是隨機(jī)的。這意味著，早期宇宙可能是非?；煦绾蜔o序的。
因為與光滑和有序的宇宙相比，存在著多得多的混沌和無序的宇宙。（如果每一結(jié)構(gòu)都是等幾率的，因為混沌無序態(tài)多得這么多，宇宙多半會從這種態(tài)起始）。很難理解，從這樣混沌的初始條件，如何導(dǎo)致今天我們這個在大尺度上如此光滑和規(guī)則的宇宙。人們還預(yù)料，在這樣的模型中，密度起伏導(dǎo)致比伽馬射線背景觀測設(shè)定的上限多得多的太初黑洞的形成。