我们发现自已是处于使人为难的世界中。我们要为自己在四周所看的一切赋予
意义并问道：什么是宇宙的性质？我们在它之中的位置如何，以及宇宙和我们从何
而来？为何它是这个样子的？我们采用某种“世界图”’来试图回答这些问题，如
同无限的乌龟塔——一个支持平坦的地球是这样的一种图象一样，超弦理论也是一
种图象。虽然后者比前者更数学化、更精确，但两者都是宇宙的理论。两个理论都
缺乏观察的证据：没人看到一个背负地球的大龟，但也没有人看到超弦。然而，龟
理论作为一个好的科学理论是不够格的，因为它预言了人会从世界的边缘掉下去。
除非发现它能为据说在百慕达三角消失的人提供解释。这个预言和经验不一致！

    最早先在理论上描述和解释宇宙的企图牵涉到这样的思想，事件或自然现象是
由具备人类感情的灵魂所控制，它们的行为和人类非常相像，并且是不可预言的。
这些灵魂栖息在自然对象之中，诸如河流和山岳，包括诸如太阳和月亮这样的天体
之中。它们必须被祈祷并供奉，以保证土壤的肥沃和四季的变化。然而，一些规律
性逐渐地被注意到：太阳总

 正如在第一章中所解释的，一下子建立一个包括宇宙中每一件东西的完整的统
一理论是非常困难的。取而代之，我们在寻求描述发生在有限范围的部分理论方面
取得了进步。我们忽略了其他效应，或者将它们用一定的数字来近似。（例如，当
我们用化学来计算原子间的相互作用时，可以不管原子核内部的结构。）然而，最
终人们希望找到一个完整的、协调的、将所有这些部分理论当作它的近似的统一理
论。在这理论中不需要选取特定的任意数值去符合事实。寻找这样的一个理论被称
之为“物理学的统一”。爱因斯坦用他晚年的大部分时间去寻求一个统一理论，但
是没有成功，因为尽管已有了引力和电磁力的部份理论，但关于核力还知道得非常
少，所以时间还没成熟。并且，尽管他本人对量子力学的发展起过重要作用，但他
拒绝相信它的真实性。看来，不确定性原理还是我们在其中生活的宇宙的一个基本
特征。所以，一个成功的统一理论必须将这个原理合并进去。

    正如我将描述的，由于我们对宇宙知道得这么多，现在找到这样的一个理论的
前景似乎是好得多了。但是我们必须小心，不要

 我们在前几章中看到了，长期以来人们关于时间性质的观点是如何变化的。直
到本世纪初，人们还相信绝对时间。也就是说，每一事件可由一个称为“时间”的
数以唯一的方式来标记，所有好的钟在测量两个事件之间的时间间隔上都是一致的。
然而，对于任何正在运动的观察者光速总是一样的这一发现，导致了相对论；而在
相对论中，人们必须抛弃存在一个唯一的绝对时间的观念。代之以每个观察者携带
的钟所记录的他自己的时间测量——不同观察者携带的钟不必要读数一样。这样，
对于进行测量的观察者而言，时间变成一个更主观的概念。

    当人们试图统一引力和量子力学时，必须引入“虚”时间的概念。虚时间是不
能和空间方向区分的。如果一个人能往北走，他就能转过头并朝南走；同样的，如
果一个人能在虚时间里向前走，他应该能够转过来并往后走。这表明在虚时间里，
往前和往后之间不可能有重要的差别。另一方面，当人们考察“实”时间时，正如
众所周知的，在前进和后退方向存在有非常巨大的差别。这过去和将来之间的差别
从何而来？为何我们记住过去而不是将来？

 爱因斯坦广义相对论本身预言了：空间—时间在大爆炸奇点处开始，并会在大
挤压奇点处（如果整个宇宙坍缩的话）或在黑洞中的一个奇点处（如果一个局部区
域，譬如恒星要坍缩的话）结束。任何抛进黑洞的东西都会在奇点处被毁灭，只有
它的质量的引力效应能继续在外面被感觉得到。另一方面，当计入量子效应时，物
体的质量和能量会最终回到宇宙的其余部分，黑洞和在它当中的任何奇点一道被蒸
发掉并最终消失。量子力学对大爆炸和大挤压奇点也能有同样戏剧性的效应吗？在
宇宙的极早或极晚期，当引力场是如此之强，以至于量子效应不能不考虑时，究竟
会发生什么？宇宙究竟是否有一个开端或终结？如果有的话，它们是什么样子的？

    整个70年代我主要在研究黑洞，但在1981年参加在梵蒂冈由耶稣会组织的宇宙
学会议时，我对于宇宙的起源和命运问题的兴趣重新被唤起。天主教会试图对科学
的问题立法，并宣布太阳是绕着地球运动时，对伽利略犯下了大错误。几个世纪后
的现在，它决定邀请一些专家就宇宙学问题提出建议。在会议的尾声，所有参加者
应邀出席教皇的一次演讲

 在1970年以前，我关于广义相对论的研究，主要集中于是否存在一个大爆炸奇
点。然而，同年11月我的女儿露西出生后不久的一个晚上，当我上床时，我开始思
考黑洞的问题。我的残废使得这个过程相当慢，所以我有许多时间。那时候还不存
在关于空间——时间的那一点是在黑洞之内还是在黑洞之外的准确定义。我已经和
罗杰·彭罗斯讨论过将黑洞定义为不能逃逸到远处的事件集合的想法，这也就是现
在被广泛接受的定义。它意味着，黑洞边界——即事件视界——是由刚好不能从黑
洞逃逸而永远只在边缘上徘徊的光线在空间——时间里的路径所形成的（图7.1）。
这有点像从警察那儿逃开，但是仅仅只能比警察快一步，而不能彻底地逃脱的情景！




                                 图7.1

    我忽然意识到，这些光线的路径永远不可能互

 黑洞这一术语是不久以前才出现的。它是1969年美国科学家约翰·惠勒为形象
描述至少可回溯到200年前的这个思想时所杜撰的名字。那时候，共有两种光理论：
一种是牛顿赞成的光的微粒说；另一种是光的波动说。我们现在知道，实际上这两
者都是正确的。由于量子力学的波粒二象性，光既可认为是波，也可认为是粒子。
在光的波动说中，不清楚光对引力如何响应。但是如果光是由粒子组成的，人们可
以预料，它们正如同炮弹、火箭和行星那样受引力的影响。起先人们以为，光粒子
无限快地运动，所以引力不可能使之慢下来，但是罗麦关于光速度有限的发现表明
引力对之可有重要效应。

    1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上，在《伦敦皇家学会哲
学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此
强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光，还没到达
远处即会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会

 亚里士多德相信宇宙中的所有物质是由四种基本元素即土、空气、火和水组成
的。有两种力作用在这些元素上：引力，这是指土和水往下沉的趋势；浮力，这是
指空气和火往上升的倾向。将宇宙的内容分割成物质和力的这种做法一直沿袭至今。

    亚里士多德认为物质是连续的，也就是说，人们可以将物质无限制地分割成越
来越小的小块，即人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。然而有几
个希腊人，例如德漠克里特，则坚持物质的固有的颗粒性，而且认为每一件东西都
是由不同种类的大量的原子所组成（在希腊文中原子的意义是“不可分的”）。争
论一直持续了几个世纪，任何一方都没有任何实际的证据。直至1803年英国的化学
家兼物理学家约翰·道尔顿指出，化合物总是以一定的比例结合而成的。这一事实
可以用来解释所谓分子的单元是由原子组成的。然而，直到本世纪初这两种学派的
争论才以原子论的胜利而告终。爱因斯坦提供了一个重要的物理学证据。1905年，
在他关于狭义相对论的著名论文发表前的几周，他在所发表的另一篇文章里指出，
所谓的布朗运动——悬

 科学理论，特别是牛顿引力论的成功，使得法国科学家拉普拉斯侯爵在19世纪
初论断，宇宙是完全被决定的。他认为存在一组科学定律，只要我们完全知道宇宙
在某一时刻的状态，我们便能依此预言宇宙中将会发生的任一事件。例如，假定我
们知道某一个时刻的太阳和行星的位置和速度，则可用牛顿定律计算出在任何其他
时刻的太阳系的状态。这种情形下的宿命论是显而易见的，但拉普拉斯进一步假定
存在着某些定律，它们类似地制约其他每一件东西，包括人类的行为。

    很多人强烈地抵制这种科学宿命论的教义，他们感到这侵犯了上帝干涉世界的
自由。但直到本世纪初，这种观念仍被认为是科学的标准假定。这种信念必须被抛
弃的一个最初的征兆，是由英国科学家瑞利勋爵和詹姆斯·金斯爵士所做的计算，
他们指出一个热的物体——例如恒星——必须以无限大的速率辐射出能量。按照当
时我们所相信的定律，一个热体必须在所有的频段同等地发出电磁波（诸如无线电
波、 可见光或X射线）。例如，一个热体在1万亿赫兹到2万亿赫兹频率之间发出和
在2万亿赫兹到3万亿赫兹频率之间同

 如果在一个清澈的、无月亮的夜晚仰望星空，能看到的最亮的星体最可能是金
星、火星、木星和土星这几颗行星，还有巨大数目的类似太阳、但离开我们远得多
的恒星。事实上，当地球绕着太阳公转时，某些固定的恒星相互之间的位置确实起
了非常微小的变化——它们不是真正固定不动的2这是因为它们距离我们相对靠近
一些。当地球绕着太阳公转时，相对于更远处的恒星的背景，我们从不同的位置观
测它们。这是幸运的，因为它使我们能直接测量这些恒星离开我们的距离，它们离
我们越近，就显得移动得越多。最近的恒星叫做普罗希马半人马座，它离我们大约
4光年那么远（从它发出的光大约花4年才能到达地球），也就是大约23万亿英哩的
距离。大部分其他可用肉眼看到的恒星离开我们的距离均在几百光年之内。与之相
比， 我们太阳仅仅在8光分那么远！可见的恒星散布在整个夜空，但是特别集中在
一条称为银河的带上。远在公元1750年，就有些天文学家建议，如果大部分可见的
恒星处在一个单独的碟状的结构中，则银河的外观可以得到解释。碟状结构的一个
例子，便是今天我们叫做螺旋星系的东西。只有在

 我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛顿。在他们之前，人们相信亚
里士多德，他说物体的自然状态是静止的，并且只在受到力或冲击作用时才运动。
这样，重的物体比轻的物体下落得更快，因为它受到更大的力将其拉向地球。

    亚里士多德的传统观点还以为，人们用纯粹思维可以找出制约宇宙的定律：不
必要用观测去检验它。所以，伽利略是第一个想看看不同重量的物体是否确实以不
同速度下落的人。据说，伽利略从比萨斜塔上将重物落下，从而证明了亚里士多德
的信念是错的。这故事几乎不可能是真的，但是伽利略的确做了一些等同的事——
将不同重量的球从光滑的斜面上滚下。这情况类似于重物的垂直下落，只是因为速
度小而更容易观察而已。伽利略的测量指出，不管物体的重量是多少，其速度增加
的速率是一样的。 例如，在一个沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你释放
一个球，则1秒钟后球的速度为每秒1米，2秒钟后为每秒2米等等，而不管这个球有
多重。当然，一个铅锤比一片羽毛下落得更快，那是因为空气对羽毛的阻力引起的。
如果一个人释放两个不遭受任