林嵐

宇宙創(chuàng)生于一百三十八億年前。大約二百萬年前人類祖先在東非就開始直立行走。如果以文字出現(xiàn)當(dāng)作文明誕生的標(biāo)志，那么最古老的文明也不過區(qū)區(qū)數(shù)千年之久。各種文明的蘇醒有早有晚，但它們都有各自的時(shí)間觀和空間觀，甚至宇宙觀。

歲月茫茫，微弱的文明曙光從黑暗的混沌中涌現(xiàn)。詩人蒲伯為紀(jì)念牛頓寫道：“自然與自然的定律，都隱藏在黑暗之中；上帝說：‘讓牛頓來吧！’于是一切變?yōu)楣饷鳌！奔幢阍谂ｎD之后，人們對(duì)時(shí)間、空間、宇宙、生命、智慧仍然極端迷惑。愛因斯坦是近代文明的頭號(hào)火炬手。是他首先意識(shí)到，時(shí)間和空間是可以相互轉(zhuǎn)換的，兩者被合并成為時(shí)空，而時(shí)空會(huì)被物質(zhì)彎曲。這個(gè)圖像描述了我們生活其中的美麗的宇宙。而這一切發(fā)現(xiàn)都發(fā)生在過去短暫的一百多年間，真是奇妙無比。

一八三一年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象； 一八六四年，麥克斯韋提出了以他命名的方程組，從而建立了完備的電磁場經(jīng)典理論。這個(gè)方程組預(yù)言，電磁場的擾動(dòng)即電磁波在真空中以光速來傳播。麥克斯韋由此斷定，光是電磁波的一種。早在牛頓時(shí)代，羅默就利用天文學(xué)測量到了有限的光速。

伽利略的古典相對(duì)論含義是：物理定律在任何慣性系中都是相同的。在牛頓的時(shí)空中，因?yàn)楣馑儆邢?，所以必須假定麥克斯韋理論只在一個(gè)特殊的慣性系中成立。為了把它和其他慣性系相區(qū)別，麥克斯韋認(rèn)為，真空充滿了某種媒介，而這特殊的慣性系相對(duì)于它靜止。人們用一個(gè)古老的術(shù)語以太來命名這種媒介。那時(shí)許多人認(rèn)為，地球在圍繞太陽公轉(zhuǎn)過程的大部分時(shí)間里必須穿越以太，而感受到所謂的以太風(fēng)。但是，一八八七年的邁克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)證明了，來無蹤去無影的以太是不存在的。

為了解決電磁論和古典相對(duì)論的沖突，洛倫茲等人提出了各種模型。但只有一九○五年愛因斯坦提出的狹義相對(duì)論才是最簡單、最美麗，也因此是被自然接受的模型。他把時(shí)間和空間統(tǒng)一成四維的時(shí)空。狹義相對(duì)論認(rèn)為物理定律，包括麥克斯韋理論，在任何慣性系中都采取相同的形式，即滿足狹義協(xié)變性。這個(gè)理論的一個(gè)重要推論是能量和質(zhì)量等同。

狹義相對(duì)論本身就是從電磁論出發(fā)的，它很快又改造了牛頓力學(xué)和流體力學(xué)。狄拉克和費(fèi)因曼等把它和量子論相結(jié)合發(fā)展出偉大的量子場論。它在二十世紀(jì)的大部分時(shí)間里是粒子物理的理論框架。然而，除了溫度倒數(shù)四矢量和熵流四矢量等局域概念之外，熱力學(xué)的狹義相對(duì)論化注定是徒勞無功的。

早在一八八三年，馬赫就對(duì)牛頓的慣性系觀念提出異議。在伽利略—牛頓體系中，加速運(yùn)動(dòng)，例如圓周運(yùn)動(dòng)是絕對(duì)的。人們讓一個(gè)儲(chǔ)水的水桶旋轉(zhuǎn)，如果水體因其凝滯性而與桶壁共動(dòng)，那么水面就會(huì)采取旋轉(zhuǎn)拋物面的形狀，那是因?yàn)樗w相對(duì)于牛頓慣性系轉(zhuǎn)動(dòng)。而按照馬赫的觀念，并不存在所謂絕對(duì)的慣性系，隨著桶壁不斷加厚，質(zhì)量不斷加大，桶壁逐漸在宇宙物質(zhì)中占主導(dǎo)地位，而水體只感受到周圍宇宙的物質(zhì)，和桶壁共動(dòng)的水面就會(huì)逐漸趨近平面形狀。也就是說，如果將我們的整個(gè)宇宙看成一個(gè)馬赫桶，那么，只要物體和它共動(dòng)，就不會(huì)感覺到慣性力。馬赫的觀念打破了牛頓慣性系的神圣地位。他指出，空間甚至慣性是被宇宙中的物質(zhì)制約的，這一切無疑蘊(yùn)含著廣義相對(duì)論的寶貴的思想萌芽。

引力是人類認(rèn)識(shí)的最古老的相互作用。在時(shí)間和空間被統(tǒng)一之后，如何將引力和相對(duì)論相協(xié)調(diào)就擺到愛因斯坦面前。在牛頓理論中，質(zhì)點(diǎn)的引力強(qiáng)度遵循距離的反平方律，和靜電荷的電場類似。但引力和靜電力又非常不同。傳說中的伽利略比薩斜塔自由落體實(shí)驗(yàn)意味著，物體的慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量是等同的。這表明在局部范圍內(nèi)，引力和由于坐標(biāo)系因加速運(yùn)動(dòng)變換引起的慣性力是不可區(qū)分的。在一個(gè)加速的升降機(jī)中，乘者無法得知他受到的力是起因于地球的萬有引力，還是起因于升降機(jī)加速引起的慣性力，也就是由和升降機(jī)共動(dòng)的非慣性系度規(guī)描寫的慣性力。由此，愛因斯坦邁出了關(guān)鍵的一步，他宣布引力也應(yīng)由彎曲時(shí)空的度規(guī)來體現(xiàn)。

愛因斯坦進(jìn)一步認(rèn)為，物理定律在任何彎曲坐標(biāo)系中都采取相同的形式，也就是必須服從所謂的廣義協(xié)變性。服從這些原則的理論就是廣義相對(duì)論。他首先將質(zhì)點(diǎn)的萬有引力改用彎曲時(shí)空的度規(guī)來表達(dá)，然后推出靜態(tài)的連續(xù)物質(zhì)所滿足的場方程，再應(yīng)用廣義協(xié)變性在邏輯上導(dǎo)出愛因斯坦的引力場方程。一九一五年十一月二十五日，他向普魯士科學(xué)院提交了他耗費(fèi)八年時(shí)光發(fā)現(xiàn)的這個(gè)方程。廣義相對(duì)論的精義是，用惠勒的話說，時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng)，而物質(zhì)告訴時(shí)空如何彎曲。

只要接受光線在彎曲時(shí)空中沿測地線傳播的運(yùn)動(dòng)學(xué)觀點(diǎn)，甚至不管時(shí)空彎曲的原因是什么，就能夠推出光線在克服引力場時(shí)頻率的紅移。這個(gè)紅移量和從牛頓的光子為克服引力推出的動(dòng)能減少相一致。例如，天狼星的伴星白矮星表面來的光的譜線紅移比太陽表面來的大三十倍。一九六○年，人們利用穆斯堡爾效應(yīng)甚至在地球表面上精確測量到引力紅移，穆斯堡爾因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)他的效應(yīng)于一九六一年獲諾貝爾獎(jiǎng)。

因?yàn)橐龇匠淌欠蔷€性的二階四個(gè)自變量十個(gè)因變量的偏微分方程組，要得到任何一個(gè)非平凡解都是很困難的。愛因斯坦首先利用他的球?qū)ΨQ的質(zhì)點(diǎn)的時(shí)空度規(guī)的近似解，推導(dǎo)出行星繞日橢圓軌道近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。對(duì)于水星而言，他計(jì)算出每世紀(jì)進(jìn)動(dòng)四十三角秒。這正是一八五九年勒威耶觀測到的數(shù)值。在牛頓引力下，如果不考慮其他天體的影響，開普勒行星橢圓軌道的進(jìn)動(dòng)嚴(yán)格為零。從狹義相對(duì)論雖然也能得到這個(gè)進(jìn)動(dòng)，但其數(shù)值只有觀測值的六分之一。

一九一五年，他利用同一個(gè)引力場，計(jì)算光線在太陽表面掠過時(shí)會(huì)被偏折1.75角秒。這種效應(yīng)只有在日全食時(shí)才能被觀測到。一九一九年五月二十九日，愛丁頓率領(lǐng)的觀測小組在西非觀測到這個(gè)偏折。這個(gè)事件引起全球科學(xué)界歡呼，廣義相對(duì)論超越了牛頓的萬有引力理論。由光線偏折發(fā)展出的引力透鏡理論是現(xiàn)代宇宙學(xué)的重要工具。一九七九年，人們發(fā)現(xiàn)類星體Q0957+561在天穹具有兩個(gè)相隔六角分的像，這是首次發(fā)現(xiàn)的引力透鏡現(xiàn)象。最近哈勃太空望遠(yuǎn)鏡甚至觀測到超新星發(fā)出的光經(jīng)過星系團(tuán)時(shí)竟然出現(xiàn)四個(gè)光點(diǎn)。牛頓的光子路徑在牛頓的引力場中也會(huì)被偏折，但其效應(yīng)只有這里推出的一半。

一九一六年，史瓦茲席爾德在他死后發(fā)表了引力場的第一個(gè)非平凡的準(zhǔn)確解，球?qū)ΨQ質(zhì)點(diǎn)的真空時(shí)空度規(guī)。愛因斯坦早先計(jì)算水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)和引力光線偏折時(shí)使用的正是同一個(gè)度規(guī)的近似解。史瓦茲席爾德時(shí)空存在一個(gè)稱為視界的物質(zhì)只進(jìn)不出的球面單向膜，它把時(shí)空的奇點(diǎn)包裹起來，使得外界看不見膜的內(nèi)部。這就是惠勒后來命名的黑洞。一九七三年，克爾得到真空中的旋轉(zhuǎn)的黑洞解。他們兩人由于找到這兩個(gè)解而名垂千古。

一九六四年，沙皮羅提出，向金星和水星發(fā)射并返回的雷達(dá)信號(hào)在太陽引力場中會(huì)受到時(shí)間滯后，其中金星雷達(dá)回波的滯后大約為兩百微秒。一九六六年，這個(gè)效應(yīng)被首次證實(shí)，以后又多次提高了測量精度。

一九一六年，愛因斯坦將他的場方程應(yīng)用于宇宙的研究，他的模型在空間上是有限無界的三維球，在時(shí)間上是靜態(tài)的無限的。他在此為了對(duì)抗宇宙物質(zhì)的吸引導(dǎo)致的宇宙收縮，而引進(jìn)了宇宙常數(shù)。這個(gè)模型和以往的所有文明猜測的宇宙模型，在空間上完全不同，在時(shí)間上則相同—即沒有演化。

一九二二年，弗里德曼首次得到引力場方程的演化的宇宙解。一九二九年，哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移定律，而人們由此推出膨脹宇宙的模型，之后宇宙學(xué)的主流研究都基于弗里德曼的空間均勻各向同性的模型上。在他所有的模型中，宇宙都是從物質(zhì)密度和溫度極高的所謂大爆炸奇點(diǎn)演化而來。

愛因斯坦場方程不僅制約著時(shí)空也制約著物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)。牛頓的運(yùn)動(dòng)三定律被隱含其中，尤其是慣性定律被重新闡釋為質(zhì)點(diǎn)沿時(shí)空測地線運(yùn)行。

一九一六年，愛因斯坦從他的場方程證明時(shí)空曲率擾動(dòng)即引力波的存在。引力波也以光速傳播，并有兩個(gè)極化態(tài)。人們不能簡單地利用引力波像電磁波那樣進(jìn)行通訊，這是由于愛因斯坦場方程是非線性的，所以兩束引力波總是相互干涉。一九七一年，汗和彭羅斯甚至找到平面引力波碰撞形成奇性的精確解。

一九六九年，韋伯聲稱從兩根相互垂直地懸掛在真空中的鋁棒組成的檢測器上觀測到引力波?，F(xiàn)在已經(jīng)無人相信他的結(jié)果。因?yàn)槎兰o(jì)七十年代后，人們利用激光干涉引力波天文臺(tái) （LIGO） 等復(fù)雜裝置尋找引力波，盡管其測量靈敏度比韋伯的高一千萬倍，卻仍然沒有可靠地觀測到它。人們?cè)缫杨A(yù)言，一對(duì)相互公轉(zhuǎn)的雙星系統(tǒng)可以輻射引力波。泰勒和荷爾西在一九七五年前長期跟蹤PSA1913+1916雙脈沖星系統(tǒng)。由于引力波輻射帶走能量，由此使軌道周期縮短。他們由于觀測到周期的變化而間接證明了引力波的存在。他們因此獲得一九九三年諾貝爾獎(jiǎng)。

在六十年代之前，廣義相對(duì)論的發(fā)展非常遲緩。愛因斯坦方程是非線性的帶橢圓性約束的雙曲性的偏微分方程組，非常復(fù)雜，因此經(jīng)典廣義相對(duì)論的研究長年在黑暗中摸索。只有當(dāng)約當(dāng)、邦迪、惠勒、西阿瑪?shù)葘W(xué)派，尤其是彭羅斯和霍金出現(xiàn)，這種局面才完全改觀。彭羅斯、霍金和蓋洛許等發(fā)展了時(shí)空的因果結(jié)構(gòu)理論。尤其是彭羅斯和霍金發(fā)現(xiàn)了一系列奇性定理，表明在非常一般的條件下，廣義相對(duì)論必定導(dǎo)致時(shí)空的奇性。最典型的奇點(diǎn)就是宇宙開初的大爆炸奇點(diǎn)和黑洞中的奇點(diǎn)。這表明經(jīng)典的廣義相對(duì)論是不完備的，它必須和二十世紀(jì)另一項(xiàng)偉大的理論—量子論結(jié)合成量子引力論，才能用來描述宇宙 。

二十世紀(jì)和廣義相對(duì)論同步發(fā)展的還有相對(duì)論天體物理。諸如白矮星、中子星和黑洞等坍縮星進(jìn)入研究者的視野。當(dāng)恒星內(nèi)部的氫和其他燃料被耗盡后，會(huì)發(fā)生超新星爆發(fā)，如果其殘余的中心部分低于太陽質(zhì)量的1.4倍就能形成白矮星，高于這個(gè)質(zhì)量就會(huì)形成中子星。一九六七年，貝爾發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)脈沖星，它很快就被認(rèn)證為中子星，她的導(dǎo)師休伊什為此于一九七四年獲得諾貝爾獎(jiǎng)。如果殘余的質(zhì)量超過太陽質(zhì)量的3.2倍就會(huì)形成黑洞。

七十年代，霍金等人對(duì)黑洞進(jìn)行深入的理論研究，發(fā)現(xiàn)了黑洞的無毛定理：穩(wěn)定的黑洞只用簡單的幾個(gè)物理參量就能被完全地描述—質(zhì)量、角動(dòng)量和電荷。因此黑洞是宇宙中最美麗的天體。霍金證明了黑洞面積不減定理：在一個(gè)黑洞演化或多個(gè)黑洞合并的過程中，其視界總面積總是增加。所以有人猜想，視界面積也許是黑洞熵的量度。

一九七三年，霍金試圖研究黑洞對(duì)量子場散射的問題，他無意中發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)自發(fā)地輻射粒子，其粒子的能譜采取黑體輻射的形式。在史瓦茲席爾德黑洞情形下，輻射的溫度和黑洞的質(zhì)量成反比。一般黑洞的熵恰好由視界面積來度量。黑洞輻射的結(jié)局是，黑洞在一次巨大爆炸中結(jié)束其生命。黑洞輻射揭示了引力場的熱性。

受黑洞輻射的啟發(fā)，安茹在理論上發(fā)現(xiàn)，在真空的平坦時(shí)空中進(jìn)行加速運(yùn)動(dòng)的粒子，會(huì)感受到具有和加速度成正比的溫度的熱庫。因此，不僅在黑洞時(shí)空，哪怕在平坦時(shí)空，真空都是相對(duì)的。

以黑洞輻射的發(fā)現(xiàn)為契機(jī)，霍金等發(fā)展了引力熱力學(xué)。不僅是黑洞的視界，還有宇宙的視界，甚至加速運(yùn)動(dòng)粒子的視界，其面積都是觀察者無法看到的時(shí)空部分的熵的量度。視界上的每一單位普朗克面積可以容納其包容時(shí)空的一比特的信息或熵。經(jīng)過多人多年的努力，由此發(fā)展出引力全息原理。一九九九年，威爾切克等把霍金輻射看成粒子的隧穿，由于在隧穿過程中同時(shí)改變時(shí)空及隧穿勢壘，由此使輻射能譜的表式更精確美麗。

霍金黑洞輻射理論是引力物理在愛因斯坦之后的最重要成果。

四十年代，伽莫夫等人在弗里德曼宇宙大爆炸后時(shí)空背景中研究核子合成的過程。他的模型后來被霍伊爾稱為大爆炸模型。大爆炸模型有三個(gè)重要的推論和預(yù)言：已被觀察到的哈勃紅移，后來被證實(shí)的氦元素的豐度以及宇宙微波輻射背景，即宇宙中充滿了黑體輻射。一九五○年，人們估計(jì)由于宇宙膨脹，該輻射溫度目前應(yīng)該大約為5K。一九六四年，彭齊亞斯和威爾孫首次觀測到它，并估計(jì)其溫度為3K。這是宇宙大爆炸的輻射，在經(jīng)歷三十九萬年的不透明時(shí)期，又經(jīng)歷之后漫長的透明時(shí)期，被極度紅移后留下的余暉。他們?yōu)榇说玫揭痪牌甙四甑闹Z貝爾獎(jiǎng)。從此大爆炸宇宙模型為科學(xué)界主流所接受。

前面提到，霍金的奇性定理表明，宇宙的過去不可避免地起始于大爆炸奇點(diǎn)。反過來也可以說，宇宙從鄰近奇點(diǎn)出發(fā)的演化是極不穩(wěn)定的，稍微改變一些初始條件就導(dǎo)致非常不同的現(xiàn)狀。人們不能理解，比如說，為何宇宙迄今還在膨脹，為何宇宙現(xiàn)在大尺度上這么平坦。還有，由于宇宙年齡有限，為何在過去不可能有過接觸的宇宙的不同區(qū)域會(huì)顯得那么一致。

我們的宇宙環(huán)境乃至宇宙的許多規(guī)律和普適常數(shù)，似乎造化在冥冥之中已為我們仔細(xì)選好了。另一種可能性是，也許只有在這樣的環(huán)境中和規(guī)律下才能存在智力生命去研究思考宇宙學(xué)問題。前者是神創(chuàng)宇宙論，與科學(xué)精神相抵觸，而后者被稱為人擇原理，宇宙學(xué)家依各自的口味在不同的程度上采納后者。

為了解決大爆炸模型的這些問題，八十年代初期，斯塔拉賓斯基、固斯和林德先后提出了所謂的暴脹模型的各種版本。其要義是，嚴(yán)格地講，伽莫夫大爆炸場景并非從奇點(diǎn)開始，在它之前宇宙經(jīng)歷過一個(gè)指數(shù)式的急速膨脹的階段，這個(gè)膨脹或是由引力場的量子漲落，或是由于一種稱為暴脹子的標(biāo)量場引起的，它們?cè)谶@個(gè)階段的作用猶如一個(gè)等效的宇宙常數(shù)。

在暴脹模型中，由于宇宙的急速膨脹，暴脹之前的量子場漲落很快就被展開拉平，并被掃到宇宙視界之外，而我們當(dāng)今觀察到的星系團(tuán)、星系等結(jié)構(gòu)都起源于暴脹階段的漲落。一九七七年吉本斯和霍金就指出過，指數(shù)膨脹宇宙中的量子場漲落具有和宇宙膨脹率成比例的等效溫度。這些出于量子基態(tài)的漲落隨著暴脹也會(huì)擴(kuò)展到宇宙視界之外并凝固住，但在大爆炸階段由于視界增大又回到視界之內(nèi)，原先的基態(tài)卻成為激發(fā)態(tài)。這些起伏共有兩種模式，標(biāo)量模式和張量模式，前者對(duì)應(yīng)于宇宙物質(zhì)密度變化，后者對(duì)應(yīng)于太初引力波。密度漲落經(jīng)過漫長的演化形成了我們今天宇宙中的所有結(jié)構(gòu)。

一九八九年馬瑟和斯穆特領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)發(fā)射了宇宙微波背景探索者（COBE）衛(wèi)星，一九九二年他們探測出比地球?qū)嶒?yàn)室能制造的都更完美的這個(gè)黑體輻射譜， 其溫度為2.73K，而 溫度各向異性的相對(duì)漲落為十萬分之一。后者對(duì)應(yīng)于標(biāo)量模式，也就是宇宙結(jié)構(gòu)的起源。二○○六年他們?yōu)榇双@得諾貝爾獎(jiǎng)。二○○一年發(fā)射的威爾金森微波各向異性探測器（WMAP）和二○○九年發(fā)射的普朗克探測器得到更精確的結(jié)果。

由于張量模式微弱得多，并且只影響微波背景的極化，所以要檢測到它就困難得多。二○一四年BICEP2團(tuán)隊(duì)宣布在南極觀測到微波背景輻射中由太初引力波引起的極化，估計(jì)張量起伏的幅度是標(biāo)量的20%，因而直接證實(shí)了引力波的存在。不過人們懷疑這種極化的原因也許是微波輻射在后來傳播到銀河系時(shí)受到星際塵埃的作用。果然由于這個(gè)原因，最近的觀測和分析表明上述的宣布不足于證明太初引力波的存在。

暴脹模型在給出宇宙結(jié)構(gòu)的源上取得了巨大的成功。但它有兩個(gè)弱點(diǎn)，一是暴脹子的機(jī)制沒有物理基礎(chǔ)，另外是相當(dāng)普遍的而非任意的初始條件導(dǎo)致今天的宇宙，這只是一個(gè)半自足的宇宙模型。

一九九八年，施密特、里斯和珀?duì)栺R特分別領(lǐng)導(dǎo)的兩個(gè)小組利用Ia型超新星找到了宇宙加速膨脹的證據(jù)。物理學(xué)界認(rèn)為當(dāng)今驅(qū)動(dòng)宇宙演化的東西中5%是通常的物質(zhì)，27%是暗物質(zhì)，而68%是暗能量。多數(shù)人認(rèn)為，暗能量就是愛因斯坦引進(jìn)又拋棄過的宇宙常數(shù)，只不過當(dāng)年的宇宙常數(shù)的貢獻(xiàn)只是其他物質(zhì)的一半。正是宇宙常數(shù)導(dǎo)致了宇宙的加速膨脹。由這個(gè)模型可以推出宇宙現(xiàn)在的年齡是一百三十八億年。但是，人們對(duì)暗能量的物理機(jī)制一無所知。他們?nèi)挥诙鹨灰荒戢@得諾貝爾獎(jiǎng)。

通常認(rèn)為，引力是四種基本相互作用之一，其他三種—弱作用、電磁作用和強(qiáng)作用都已被成功地量子化了。關(guān)于引力是否要被量子化有兩種觀點(diǎn)。一種認(rèn)為引力不是基本相互作用。二○一○年，瓦林德從霍金黑洞視界熵和引力全息原理出發(fā)，提出引力不是基本的力，而是一種唯象的熵力。所以量子化是不必要的。

早在六十年代初，德威特就試圖對(duì)引力場進(jìn)行正則量子化。他將類空的三維曲面當(dāng)成波函數(shù)的自變量，而波函數(shù)滿足惠勒—德威特方程。這個(gè)方程是愛因斯坦方程中的一個(gè)約束方程的量子版本，奇妙的是，惠勒-德威特的解隱含著時(shí)空的演化。

七十年代末，霍金和吉本斯對(duì)引力場進(jìn)行路徑積分量子化。這種方法將時(shí)空的拓?fù)浒葸M(jìn)去。在計(jì)算路徑積分時(shí)采用對(duì)歐氏時(shí)空求和的辦法，這樣就把引力熱力學(xué)自動(dòng)地包容進(jìn)去，它是研究黑洞、暴脹時(shí)空和加速粒子觀察到的平坦時(shí)空熱性的有力而優(yōu)雅的手段。

為了研究宇宙創(chuàng)生問題，哈特爾和霍金提出無邊界設(shè)想：“宇宙的邊界條件是它沒有邊界?！庇纱嗽谠瓌t上徹底解決了宇宙學(xué)的第一推動(dòng)問題。由此可以研究宇宙星系、星系團(tuán)等結(jié)構(gòu)的起源，研究太初引力波產(chǎn)生的機(jī)理，研究太初黑洞的創(chuàng)生，研究時(shí)空的拓?fù)浜途S數(shù)，以及時(shí)間箭頭的起源。在正宇宙常數(shù)背景中，黑洞創(chuàng)生的相對(duì)概率是宇宙總熵的自然指數(shù)；而在負(fù)宇宙常數(shù)背景中，黑洞創(chuàng)生概率是負(fù)總熵的自然指數(shù)。

一九七六年，人們提出廣義相對(duì)論的超對(duì)稱版本—超引力理論。該理論試圖將引力量子化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)愛因斯坦統(tǒng)一理論，現(xiàn)在稱為萬物理論的夢想。當(dāng)時(shí)最有希望的理論是十一維超引力。一九八○年，人們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在所有超對(duì)稱變換下不變的解，十一維的時(shí)空可以看成我們直接觀測的外時(shí)空和我們不能直接覺察到的內(nèi)空間的積，內(nèi)空間和外時(shí)空的維數(shù)在四或七中各選一個(gè)。二○○一年，利用無邊界設(shè)想，外時(shí)空只能是四維被嚴(yán)格證明。

在惠勒—德威特方程中空間的三維度規(guī)是波函數(shù)的基本變量，由于愛因斯坦方程本身是高度非線性的，除了在所謂的微超空間模型外，這個(gè)正則量子化方法遇到了極大困難。一九八六年，阿什特卡提出了新的基本變量。一九八八年，在這個(gè)基礎(chǔ)上，羅威爾和斯莫林利用圈表象求解愛因斯坦方程的量子新版本。在這條路徑上，人們嚴(yán)格按照狄拉克的正則量子化程序發(fā)展出圈量子引力。在這個(gè)框架中，時(shí)空的所有結(jié)構(gòu)都是顆粒狀的，以普朗克長度為尺度?？臻g和時(shí)空分別被描繪成自旋網(wǎng)絡(luò)和自旋泡沫。如果說在這之前，人們以為時(shí)空是量子場的背景，那么此后時(shí)空舞臺(tái)就被消融了，宇宙之舞只有演員，沒有舞臺(tái)支持。圈量子引力的一個(gè)重要成果是祛除了宇宙大爆炸奇點(diǎn)，宇宙可以從“奇點(diǎn)之前”演化到“奇點(diǎn)之后”。圈量子引力是純粹廣義相對(duì)論和量子論的必然邏輯推論。

人們也可以在引力量子化和尋找萬物理論的道路上引進(jìn)新的元素。超弦理論就是最雄心勃勃的嘗試，施瓦茲、格林等是主要?jiǎng)?chuàng)建者。在弦論中實(shí)在的基本構(gòu)件是普朗克尺度的弦，它的振蕩模式代表基本粒子。一共存在五種超弦理論，超弦理論需要十維時(shí)空。許多人認(rèn)為，內(nèi)時(shí)空是卡拉比—丘流形。在五種超弦理論之間存在許多美麗的對(duì)偶性。威騰在一九九五年倡導(dǎo)了第二場弦論革命，五種超弦理論和十一維超引力被認(rèn)為是所謂的具有十一維時(shí)空的M-理論的不同近似。許多人認(rèn)為，還未找到完全表達(dá)的M-理論也許是終極的萬物理論。

從希臘文明開始，人們就驚異于世界的秩序?？茖W(xué)理論預(yù)言和觀測實(shí)驗(yàn)的相互一致，使愛因斯坦驚嘆：“宇宙最不可理解之事是它是可理解的。”正是這種信念鼓勵(lì)著世世代代智者畢生追求世界的真理。宇宙的神秘之處是它必然孕育生命，而精神是生命之花。宇宙的本體存在為理性，生命的終極追求是美麗，二者一體。 宇宙之舞壯麗無比，它發(fā)出的理性之光，透過阿基米德、哥白尼、伽利略、開普勒、牛頓和愛因斯坦的智慧，照亮了人類的文明。