第一章我們的宇宙圖象

第一章我們的宇宙圖象一位著名的科學(xué)家（據(jù)說是貝特郎·羅素）曾經(jīng)作過一次關(guān)于天文學(xué)方面的講演。他描述了地球如何繞著太陽運(yùn)動(dòng)，以及太陽又是如何繞著我們稱之為星系的巨大的恒星群的中心轉(zhuǎn)動(dòng)。演講結(jié)束之時(shí)，一位坐在房間后排的矮個(gè)老婦人站起來說道：“你說的這些都是廢話。這個(gè)世界實(shí)際上是馱在一只大烏龜?shù)谋成系囊粔K平板。”這位科學(xué)家很有教養(yǎng)地微笑著答道：“那么這只烏龜是站在什么上面的呢？”“你很聰明，年輕人，的確很聰明，”老婦人說，“不過，這是一只馱著一只一直馱下去的烏龜群??！”大部分人會(huì)覺得，把我們的宇宙喻為一個(gè)無限的烏龜塔相當(dāng)荒謬，可是為什么我們自以為知道得更多一些呢？我們對(duì)宇宙了解了多少？而我們又是怎樣才知道的呢？宇宙從何而來，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在這開端之前發(fā)生了什么？時(shí)間的本質(zhì)是什么？它會(huì)有一個(gè)終結(jié)嗎？在物理學(xué)上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)于回答這些長(zhǎng)期以來懸而未決問題中的某些問題有所啟發(fā)。也許有一天這些答案會(huì)像我們認(rèn)為地球繞著太陽運(yùn)動(dòng)那樣顯而易見——當(dāng)然也可能像烏龜塔那般荒唐可笑。不管怎樣，唯有讓時(shí)間來判斷了。早在公元前340年，希臘哲學(xué)家亞里士多德在他的《論天》一書中，就已經(jīng)能夠?qū)τ诘厍蚴且粋€(gè)圓球而不是一塊平板這一論點(diǎn)提出兩個(gè)很好的論據(jù)。第一，他認(rèn)為月食是由于地球運(yùn)行到太陽與月亮之間而造成的。地球在月亮上的影子總是圓的，這只有在地球本身為球形的前提下才成立。如果地球是一塊平坦的圓盤，除非月食總是發(fā)生在太陽正好位于這個(gè)圓盤中心之下的時(shí)候，否則地球的影子就會(huì)被拉長(zhǎng)而成為橢圓。第二，希臘人從旅行中知道，在越往南的地區(qū)看星空，北極星則顯得越靠近地平線。（因?yàn)楸睒O星位于北極的正上方，所以它出現(xiàn)在處于北極的觀察者的頭頂上，而對(duì)于赤道上的觀察者，北極星顯得剛好在地平線上。）根據(jù)北極星在埃及和在希臘呈現(xiàn)出來的位置的差別，亞里士多德甚至估計(jì)地球大圓長(zhǎng)度為4000000斯特迪亞?，F(xiàn)在不能準(zhǔn)確地知道，一個(gè)斯特迪亞的長(zhǎng)度究竟是多少，但也許是200碼左右，這樣就使得亞里士多德的估計(jì)為現(xiàn)在所接受數(shù)值的兩倍。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個(gè)論據(jù)，否則何以從地平線外駛來的船總是先露出船帆，然后才是船身？亞里士多德認(rèn)為地球是不動(dòng)的，太陽、月亮、行星和恒星都以圓周為軌道圍繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)。他相信這些，是由于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且圓周運(yùn)動(dòng)最為完美。在公元后兩世紀(jì)，這個(gè)思想被托勒密精制成一個(gè)完整的宇宙學(xué)模型。地球處于正中心，包圍著它的是八個(gè)天球，這八個(gè)天球分別負(fù)載著月亮、太陽、恒星和五個(gè)當(dāng)時(shí)已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星（圖1.1）。這些行星被認(rèn)為是沿著附在相應(yīng)天球上的更小的圓周運(yùn)動(dòng)，以說明它們?cè)谔炜罩斜挥^察到的相當(dāng)復(fù)雜的軌跡。最外層的天球被鑲上固定的恒星，它們總是停在不變的相對(duì)位置，但是總體繞著天空旋轉(zhuǎn)。最后一層天球之外為何物一直不清楚，但有一點(diǎn)是肯定的，它不是人類所能觀測(cè)到的宇宙的部分。圖1.1從最里面往最外面順序?yàn)樵铝燎颉⑺乔?、金星球、太陽球、火星球、木星球、土星球和固定恒星球。最中心為地球。托勒密模型為預(yù)言天體在天空的位置提供了相當(dāng)精密的系統(tǒng)。但為了正確地預(yù)言這些位置，托勒密必須假定月亮軌道有時(shí)離地球比其他時(shí)候要近一倍，這意味著月亮有時(shí)看起來要比其他時(shí)候大一倍。托勒密承認(rèn)這個(gè)瑕疵，盡管如此，他的模型雖然不是普遍地、卻是廣泛地被接受。它被基督教接納為與《圣經(jīng)》相一致的宇宙圖象。這是因?yàn)樗哂芯薮蟮膬?yōu)點(diǎn)，即在固定恒星天球之外為天堂和地獄留下了很多地方。然而，1514年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一個(gè)更簡(jiǎn)單的模型。（起初，可能由于害怕教會(huì)對(duì)異端的迫害，哥白尼只能將他的模型匿名地流傳。）他的觀念是，太陽是靜止地位于中心，而地球和其他行星繞著太陽作圓周運(yùn)動(dòng)。將近一個(gè)世紀(jì)以后，他的觀念才被認(rèn)真地接受。后來，兩位天文學(xué)家——德國(guó)的約翰斯·開普勒和意大利的伽利雷·伽利略開始公開支持哥白尼的理論，盡管它所預(yù)言的軌道還不能完全與觀測(cè)相符合。直到1609年，亞里士多德——托勒密的理論才宣告死亡。那一年，伽利略用剛發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡來觀測(cè)夜空。當(dāng)他觀測(cè)木星時(shí)，發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)小衛(wèi)星或月亮繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)。這表明不象亞里士多德和托勒密所設(shè)想的，并不是所有的東西都必須直接圍繞著地球轉(zhuǎn)。（當(dāng)然，仍然可能相信地球是靜止地處于宇宙的中心，而木星的衛(wèi)星沿著一種極其復(fù)雜的軌道繞地球運(yùn)動(dòng)，表觀上看來它們是繞著木星轉(zhuǎn)動(dòng)。然而哥白尼理論是簡(jiǎn)單得多了。）同時(shí)，開普勒修正了哥白尼理論，認(rèn)為行星不是沿圓周而是沿橢圓（橢圓是被拉長(zhǎng)的圓）運(yùn)動(dòng)，從而使預(yù)言最終和觀察相互一致了。就開普勒而言，橢圓軌道僅僅是想當(dāng)然的，并且是相當(dāng)討厭的假設(shè)，因?yàn)闄E圓明顯地不如圓那么完美。雖然他幾乎是偶然地發(fā)現(xiàn)橢圓軌道能很好地和觀測(cè)相符合，但卻不能把它和他的行星繞太陽運(yùn)動(dòng)是由于磁力引起的另一思想相互調(diào)和起來。對(duì)這一切提供解釋是晚得多的事，那是由于1687年伊薩克·牛頓爵士出版了他的《數(shù)學(xué)的自然哲學(xué)原理》，這部也許是有史以來物理科學(xué)上最重要的單獨(dú)的著作。在這本書中，牛頓不但提出物體如何在空間和時(shí)間中運(yùn)動(dòng)的理論，并且發(fā)展了為分析這些運(yùn)動(dòng)所需的復(fù)雜的數(shù)學(xué)。此外，牛頓提出了萬有引力定律，根據(jù)這定律，宇宙中的任一物體都被另外物體所吸引，物體質(zhì)量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。這也就是使物體落到地面上的力。（由于一個(gè)蘋果落到牛頓的頭上而使他得到靈感的故事，幾乎肯定是不足憑信的。所有牛頓自己說過的只是，當(dāng)他陷入沉思之時(shí)，一顆蘋果的落下使他得到了萬有引力的思想。）牛頓繼而指出，根據(jù)他的定律，引力使月亮沿著橢圓軌道繞著地球運(yùn)行，而地球和其他行星沿著橢圓軌道繞著太陽公轉(zhuǎn)。哥白尼的模型擺脫了托勒密的天球，以及與其相關(guān)的宇宙存在著自然邊界的觀念?！肮潭ê阈恰背擞捎诘厍蚶@著自身的軸自轉(zhuǎn)引起的穿越天空的轉(zhuǎn)動(dòng)外，不改變它們的位置，很自然會(huì)使人設(shè)想到固定恒星是和我們的太陽類似的物體，只是比太陽離開我們遠(yuǎn)得多了。按照他的引力理論，牛頓意識(shí)到恒星應(yīng)該相互吸引，看來它們不能保持基本上不動(dòng)。那么它們會(huì)一起落到某處去嗎？在1691年寫給當(dāng)時(shí)另一位最重要的思想家里查德·本特里的一封信中，他論證道，如果只有有限顆恒星分布在一個(gè)有限的空間區(qū)域里，這確實(shí)是會(huì)發(fā)生的。但是另一方面，他推斷如果存在無限多顆恒星，多少均勻地分布于無限的空間，這種情形就不會(huì)發(fā)生，因?yàn)檫@時(shí)不存在任何一個(gè)它們落去的中心點(diǎn)。當(dāng)人們議論到無窮時(shí)，這種論證是你會(huì)遭遇到的一種陷阱。在一個(gè)無限的宇宙，每一點(diǎn)都可以認(rèn)為是中心，因?yàn)樵谒拿恳贿叾加袩o限顆恒星。正確的方法是很久以后才被意識(shí)到的，即是先考慮有限的情形，這時(shí)所有恒星都相互落到一起，然后在這個(gè)區(qū)域以外，大體均勻地加上更多的恒星，看情況會(huì)如何改變。按照牛頓定律，這額外的恒星平均地講對(duì)原先的那些根本沒有什么影響，所以這些恒星還是同樣快地落到一起。我們?cè)敢饧由隙嗌俸阈蔷涂梢约由隙嗌?，但是它們?nèi)匀豢偸翘s在一起。現(xiàn)在我們知道，由于引力總是吸引的，不可能存在一個(gè)無限的靜態(tài)的宇宙模型。在20世紀(jì)之前從未有人暗示過，宇宙是在膨脹或是在收縮，這有趣地反映了當(dāng)時(shí)的思維風(fēng)氣。一般認(rèn)為，宇宙或是以一種不變的狀態(tài)已存在了無限長(zhǎng)的時(shí)間，或以多多少少正如我們今天所看的樣子被創(chuàng)生于有限久的過去。其部分的原因可能是，人們傾向于相信永恒的真理，也由于雖然人會(huì)生老病死，但宇宙必須是不朽的、不變的這種觀念才能給人以安慰。甚至那些意識(shí)到牛頓的引力理論導(dǎo)致宇宙不可能靜止的人，也沒有想到提出宇宙可能是在膨脹。相反的，他們?cè)噲D修正理論，使引力在非常大距離時(shí)成為斥力。這不會(huì)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的預(yù)言有重大的影響，然而卻允許無限顆恒星的分布保持平衡——鄰近恒星之間的吸引力被遠(yuǎn)隔恒星之間的斥力所平衡。然而，現(xiàn)在我們知道，這樣的平衡是不穩(wěn)定的：如果某一區(qū)域內(nèi)的恒星稍微互相靠近一些，引力就增強(qiáng)，并超過斥力的作用，這樣這些恒星就會(huì)繼續(xù)落到一起。反之，如果某一區(qū)域內(nèi)的恒星稍微互相遠(yuǎn)離一些，斥力就起主導(dǎo)作用，并驅(qū)使它們離得更開。另一個(gè)反對(duì)無限靜止宇宙的異見通常是歸功于德國(guó)哲學(xué)家亨利希·奧勃斯，1823年他發(fā)表了這個(gè)理論。事實(shí)上，牛頓的同時(shí)代的一些人已經(jīng)提出過這個(gè)問題。甚至奧勃斯的文章也不是貌似有理地反駁這模型的第一篇。不管怎么說，這是第一篇被廣泛注意的文章。這無限靜止模型的困難，在于幾乎每一道視線必須終結(jié)于某一恒星的表面。這樣，人們可以預(yù)料，整個(gè)天空甚至在夜晚都會(huì)像太陽那么明亮。奧勃斯反駁說，遠(yuǎn)處恒星的光線由于被它所穿過的物質(zhì)吸收所減弱。然而如果真是如此，這相干的物質(zhì)將會(huì)最終被加熱到發(fā)出和恒星一樣強(qiáng)的光為止。唯一的能避免整個(gè)天空像太陽那么亮的結(jié)論的方法是，假定恒星并不是永遠(yuǎn)那么亮，而是在有限久的過去才開始發(fā)光。這種情況下，吸光物質(zhì)還沒加熱，或者遠(yuǎn)處恒星的光線尚未到達(dá)我們這兒。這使我們面臨著是什么首次使恒星發(fā)光的問題。當(dāng)然，宇宙開端的問題在這之前很久就被討論過。根據(jù)一些早先的宇宙論和猶太人／基督教／穆斯林傳統(tǒng)，宇宙開端于有限的、并且不是非常遠(yuǎn)的過去的某一時(shí)刻。對(duì)這樣一個(gè)開端，有一種議論是感到必須有“第一原因”來解釋宇宙的存在。（在宇宙中，你總可以將一個(gè)事件解釋為由于另一個(gè)更早的事件所引起的，但是宇宙本身的存在只有當(dāng)存在某個(gè)開端時(shí)才能被解釋。）另一種論證是圣·奧古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出的。他指出，文明在進(jìn)步，我們將記住創(chuàng)造這些業(yè)績(jī)和發(fā)展技術(shù)的人們。這樣人，也許宇宙，不可能已經(jīng)存在了太長(zhǎng)的時(shí)間。圣·奧古斯丁根據(jù)《創(chuàng)世紀(jì)》一書，接受公元前5000年作為宇宙的被創(chuàng)生的時(shí)間。（有趣的是，這和上一次的冰河時(shí)間的結(jié)束，大約公元前10000年相距不遠(yuǎn)?？脊艑W(xué)家告訴我們，文明實(shí)際上是從那時(shí)開始的。）另一方面，亞里士多德和大多數(shù)其他希臘哲學(xué)家不喜歡創(chuàng)生的思想，因?yàn)樗鼛в刑嗟纳駥W(xué)干涉的味道。所以他們相信，人類及其周圍的世界已經(jīng)并且將繼續(xù)永遠(yuǎn)存在。古代的人們已經(jīng)考慮到上述的文明進(jìn)步的論點(diǎn)，用周期性洪水或其他災(zāi)難的重復(fù)出現(xiàn)，使人類回到文明的開初，來回答上面的話難。1781年，哲學(xué)家伊曼努爾·康德發(fā)表了里程碑般的（也是非常模糊的）著作——《純粹理性批判》，在這本書中，他深入地考察了關(guān)于宇宙在時(shí)間上是否有開端、空間上是否有極限的問題。他稱這些問題為純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因?yàn)樗械酱嬖谕瑯恿钊诵欧恼摀?jù)，來證明宇宙有開端的正命題，以及宇宙已經(jīng)存在無限久的反命題。他對(duì)正命題的論證是：如果宇宙沒有一個(gè)開端，則任何事件之前必有無限的時(shí)間。他認(rèn)為這是荒謬的。他對(duì)反命題的論證是：如果宇宙有一開端，在它之前必有無限的時(shí)間，為何宇宙必須在某一特定的時(shí)刻開始呢？事實(shí)上，他對(duì)正命題和反命題用了同樣的論證。它們都是基于他的隱含的假設(shè)，即不管宇宙是否存在了無限久，時(shí)間均可無限地倒溯回去。我們將會(huì)看到，在宇宙開端之前時(shí)間概念是沒有意義的。這一點(diǎn)是圣·奧古斯丁首先指出的。當(dāng)他被問及：上帝在創(chuàng)造宇宙之前做什么？奧古斯丁沒有這樣地回答：他正為問這類問題的人準(zhǔn)備地獄。而是說：時(shí)間是上帝所創(chuàng)造的宇宙的一個(gè)性質(zhì)，在宇宙開端之前不存在。當(dāng)大部分人相信一個(gè)本質(zhì)上靜止不變的宇宙時(shí)，關(guān)于它有無開端的問題，實(shí)在是一個(gè)形而上學(xué)或神學(xué)的問題。按照宇宙存在無限久的理論，或者按照宇宙在某一個(gè)有限時(shí)刻，以給人的印象似乎是已經(jīng)存在了無限久的樣子啟動(dòng)的理論，我們可以同樣很好地解釋所觀察到的事實(shí)。但在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個(gè)具有里程碑意義的觀測(cè)，即是不管你往那個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。換言之，宇宙正在膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以那時(shí)候宇宙的密度無限大。這個(gè)發(fā)現(xiàn)最終將宇宙開端的問題帶進(jìn)了科學(xué)的王國(guó)。哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙的尺度無窮小，而且無限緊密。在這種條件下，所有科學(xué)定律并因此所有預(yù)見將來的能力都失效了。如果在此時(shí)刻之前有過些事件，它們將不可能影響現(xiàn)在所發(fā)生的一切。所以我們可以不理它們，因?yàn)樗鼈儾]有可觀測(cè)的后果。由于更早的時(shí)間根本沒有定義，所以在這個(gè)意義上人們可以說，時(shí)間在大爆炸時(shí)有一開端。必須強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)時(shí)間的開端是和早先考慮的非常不同。在一個(gè)不變的宇宙中，時(shí)間的端點(diǎn)必須由宇宙之外的存在物所賦予；宇宙的開端并沒有物理的必要性。人們可以想像上帝在過去的任何時(shí)刻創(chuàng)造宇宙。另一方面，如果宇宙在膨脹，何以宇宙有一個(gè)開端似乎就有了物理的原因。人們?nèi)匀豢梢韵胂?，上帝是在大爆炸的瞬間創(chuàng)造宇宙，或者甚至在更晚的時(shí)刻，以便它看起來就像發(fā)生過大爆炸似的方式創(chuàng)造，但是設(shè)想在大爆炸之前創(chuàng)造宇宙是沒有意義的。大爆炸模型并沒有排斥造物主，只不過對(duì)他何時(shí)從事這工作加上時(shí)間限制而已！為了談?wù)撚钪娴男再|(zhì)和討論諸如它是否存在開端或終結(jié)的問題，你必須清楚什么是科學(xué)理論。我將采用頭腦簡(jiǎn)單的觀點(diǎn)，即理論只不過是宇宙或它的受限制的一部分的模型，一些聯(lián)結(jié)這模型和我們所觀察的量的規(guī)則。它只存在于我們的頭腦中，（不管在任何意義上）不再具有任何其他的實(shí)在性。如果它滿足以下兩個(gè)要求，就算是好的理論：它必須在只包含一些任意元素的一個(gè)模型的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確地描述大批的觀測(cè)，并對(duì)未來觀測(cè)的結(jié)果作出確定的預(yù)言。例如，亞里士多德關(guān)于任何東西是由四元素，土、空氣、火和水組成的理論是足夠簡(jiǎn)單的了，但它沒有做出任何確定的預(yù)言。另一方面，牛頓的引力理論是基于甚至更為簡(jiǎn)單的模型，在此模型中兩物體之間的相互吸引力和它們稱之為質(zhì)量的量成正比，并和它們之間的距離的平方成反比。然而，它以很高的精確性預(yù)言了太陽、月亮和行星的運(yùn)動(dòng)。在它只是假設(shè)的意義上來講，任何物理理論總是臨時(shí)性的：你永遠(yuǎn)不可能將它證明。不管多少回實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和某一理論相一致，你永遠(yuǎn)不可能斷定下一次結(jié)果不會(huì)和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一個(gè)和理論預(yù)言不一致的觀測(cè)事實(shí)，即可證偽之。正如科學(xué)哲學(xué)家卡爾·波帕所強(qiáng)調(diào)的，一個(gè)好的理論的特征是，它能給出許多原則上可以被觀測(cè)所否定或證偽的預(yù)言。每回觀察到與這預(yù)言相符的新的實(shí)驗(yàn)，則這理論就幸存，并且增加了我們對(duì)它的可信度；然而若有一個(gè)新的觀測(cè)與之不符，則我們只得拋棄或修正這理論。至少被認(rèn)為這遲早總會(huì)發(fā)生的，問題在于人們有無才干去實(shí)現(xiàn)這樣的觀測(cè)。實(shí)際上經(jīng)常發(fā)生的是，所設(shè)計(jì)的新理論確實(shí)是原先理論的推廣。例如，對(duì)水星的非常精確的觀測(cè)揭露了它的運(yùn)動(dòng)和牛頓理論預(yù)言之間的很小差異。愛因斯坦的廣義相對(duì)論所預(yù)言的運(yùn)動(dòng)和牛頓理論略有不同。愛因斯坦的預(yù)言和觀測(cè)相符，而牛頓的預(yù)言與觀測(cè)不相符，這一事實(shí)是這個(gè)新理論的一個(gè)關(guān)鍵證據(jù)。然而我們?cè)诖蟛糠謱?shí)際情況下仍用牛頓理論，因?yàn)樵谖覀兺ǔＬ幚淼那樾蜗?，兩者差別非常小。（牛頓理論的另一個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn)在于，它比愛因斯坦理論容易處理得多?。┛茖W(xué)的終極目的在于提供一個(gè)簡(jiǎn)單的理論去描述整個(gè)宇宙。然而，大部分科學(xué)家遵循的方法是將這問題分成兩部分。首先，是一些告訴我們宇宙如何隨時(shí)間變化的定律；（如果我們知道在任一時(shí)刻宇宙是什么樣子的，則這些定律即能告訴我們以后的任一時(shí)刻宇宙是什么樣子的。）第二，關(guān)于宇宙初始狀態(tài)的問題。有些人認(rèn)為科學(xué)只應(yīng)過問第一部分，他們認(rèn)為初始狀態(tài)的問題應(yīng)是形而上學(xué)或宗教的范疇。他們會(huì)說，全能的上帝可以隨心所欲地啟動(dòng)這個(gè)宇宙。也許是這樣。但是，倘若那樣，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化?？墒牵雌饋硭x擇宇宙以一種非常規(guī)則的、按照一定規(guī)律的方式演化。所以，看來可以同樣合理地假定，也存在著制約初始狀態(tài)的定律。畢全功于一役地設(shè)計(jì)一種能描述整個(gè)宇宙的理論，看來是非常困難的。反之，我們是將這問題分成許多小塊，并發(fā)明許多部分理論。每一部分理論描述和預(yù)言一定有限范圍的觀測(cè)，同時(shí)忽略其他量的效應(yīng)或用簡(jiǎn)單的一組數(shù)來代表之?？赡苓@方法是全錯(cuò)的。如果宇宙中的每一件東西都以非?；镜姆绞揭蕾囉谄渌娜魏我患|西，很可能不能用隔離法研究問題的部分去逼近其完備的答案。盡管如此，這肯定是我們?cè)谶^去取得進(jìn)展所用的方法。牛頓引力理論又是一個(gè)經(jīng)典的例子，它告訴我們兩個(gè)物體之間的引力只決定于與每個(gè)物體相關(guān)的一個(gè)數(shù)——它的質(zhì)量；而與物體由何物組成無關(guān)。這樣，人們不需要太陽和行星結(jié)構(gòu)和成份的理論就可以計(jì)算它們的軌道。今天科學(xué)家按照兩個(gè)基本的部分理論——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)來描述宇宙。它們是本世紀(jì)上半葉的偉大的智慧成就。廣義相對(duì)論是描述引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，也就是從只有幾英哩直到大至1億億億（1后面跟24個(gè)0）英哩，即可觀測(cè)到的宇宙范圍的尺度的結(jié)構(gòu)。另一方面，量子力學(xué)處理極小尺度的現(xiàn)象，例如萬億分之一英寸。然而，可惜的是，這兩個(gè)理論不是互相協(xié)調(diào)的——它們不可能都對(duì)。當(dāng)代物理學(xué)的一個(gè)主要的努力，以及這本書的主題，即是尋求一個(gè)能將其合并在一起的理論——量子引力論。我們還沒有這樣的理論，要獲得這個(gè)理論，我們可能還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，然而我們已經(jīng)知道了這個(gè)理論所應(yīng)具備的許多性質(zhì)。在以下幾章，人們將會(huì)看到，我們已經(jīng)知道了相當(dāng)多的量子引力論所應(yīng)有的預(yù)言?，F(xiàn)在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由確定的定律所制約的，你最終必須將這些部分理論合并成一套能描述宇宙中任何東西的完整統(tǒng)一理論。然而，在尋求這樣的完整統(tǒng)一理論中有一個(gè)基本的自相矛盾。在前面概括的關(guān)于