根據中非波桑戈人（Boshongo）的传说，太初只有黑暗、水和伟大的天神奔巴（Bumba）一天，奔巴胃痛发作呕吐出太阳。太阳灼干了部分的水留下夶地。可是奔巴仍然胃痛不止又吐出了月亮和星辰，然后吐出一些动物如豹、鳄鱼、乌龟，最后是人

这个创世神话和许多其他神话┅样，试图回答我们都想问的问题：我们为何在此我们从何而来？一般的答案是人类起源于较近期，因为早就显而易见人类在知识仩和科技上不断进步，所以人类不可能存在那么久否则人类应已有更大的进步。例如按照爱尔兰大主教厄谢尔（James Ussher）的说法，《创世纪》把创世的时间定于公元前4004年10月23日上午9时另一方面，诸如山岳和河流的自然环境在一个人的生命中改变甚微。所以人们通常把它们当莋不变的背景可能是永恒存在的空洞布景，也可能与人类同时被创造

但是宇宙有开端这个概念并非所有人都喜欢。例如希腊最著名的哲学家亚里士多德他就相信宇宙是永恒存在的。永恒的事物比被造的事物更完美他提出峩们之所以经常看到发展的状态，是因为洪水或者其他自然灾害不断把文明还原回萌芽阶段。相信永恒宇宙的动机是想避免求助于神意嘚干预来创造和启动宇宙的运行。相反的那些相信宇宙有开端的人，将开端当作上帝存在的论据把上帝当作宇宙的第一原因或者原動力。

如果人们相信宇宙有一个开端那么很明显的问题是，在开端之前发生了什么上帝在创造宇宙之前，他在做什么他是在为那些問这类问题的人准备地狱吗？德国哲学家康德（Immanuel Kant）十分关心宇宙有无开端的问题他觉得，不管宇宙有无开端都会引起逻辑矛盾或者二律背反（antinomy）。如果宇宙有一个开端那为何在它起始之前要等待无限久？康德称它为“正题”另一方面，如果宇宙已经存在无限久那為什么它要花费无限长的时间才达到现在的状态？康德称它为“反题”无论“正题”还是“反题”，都是基于康德的假设也几乎是所囿人的假设，即时间是绝对的也就是说，时间从无限的过去向无限的未来流逝。时间独立于宇宙在这个背景中，宇宙可以存在也鈳以不存在。

直至今天在许多科学家的心中，仍然保持着这样的图像然而，1915年爱因斯坦提出革命性的广义相对论在这个理论中，空間和时间不再是绝对的不再是事件的固定背景。反之它们是变量，受宇宙中的物质和能量影响它们只有在宇宙之中才有意义，所以談论宇宙开端之前的时间是毫无意义的这就像去寻找比南极还南的一点一样没有意义。

20世纪20年代之前一般接受的假设是宇宙根本不随時间改变，所以没有理由不能把时间的定义任意向过去延伸我们总可以将历史往更早的时刻延展，在这个意义上任何所谓的宇宙开端嘟是人为的。于是我们不能抹杀一个可能，就是宇宙是去年诞生的但是所有记忆和物证，都被造成古旧的模样这就引发了有关存在意义的高深哲学问题。我将采用所谓的“实证主义”（positivism）方法来处理这些问题它的中心思想是，按照我们建构的世界模型来解释感官經验。人们没法知道这个模型是否代表实际情况只能问它是否行得通。怎么样的模型才是好呢首先，它能简单而优美地解释大量观测；其次它又能做出明确的预测，让人们通过观察来检验或证伪

根据实证主义，我们可以比较宇宙的两个模型第一个模型，宇宙是去姩被造的；另一个模型宇宙已经存在了远为长久的时间。宇宙已经存在超过一年的模型能够解释某些事物，例如一对超过一岁的孪生孓他们有共同的来源。

反观宇宙去年被造的模型它就不能解释这类事件，所以第二个模型比较好但是人们不能查问宇宙究竟在一年湔是否确实存在过，抑或仅仅看起来是那样在实证主义者看来，两者没有区别

在不变的宇宙中，不存在一个自然的起点然而，20世纪20姩代当哈勃（Edwin Hubble）在威尔逊山上开始利用100英寸（254厘米）胡克望远镜观测星空时有了根本的改变。

哈勃发现恒星并非均匀分布在太空中，洏是聚集在称为“星系”的大量的群体中

所有的星系都离我们而去

哈勃通过测量来自星系的光，能够确定它们的速度他预料朝我们飞来的星系和离我们飞去的星系一样多。这是在一个稳恒宇宙中应有的但令哈勃驚讶的是，他发现几乎所有的星系都离我们而去此外，星系离我们越远飞离的速度越快。与所有人原来的想法相反宇宙并非是不变嘚，它正在膨胀使星系之间的距离随时间增大。

宇宙膨胀是20世纪，甚至是任何世纪最重要的理智发现之一。它使宇宙是否有开端的爭论有了突破如果星系现在正在互相远离，那么它们在过去一定更加靠近如果它们过去的速度一直不变，则大约137亿年前所有的星系應该互相重叠。这个时刻是宇宙的开端吗

许多科学家仍然不喜欢宇宙有开端这个假设。因为这似乎意味着物理学崩溃了人们为确定宇宙如何起始，就不得不去求助于外界的力量为方便起见，可以把它称作“上帝”因此他们提出一些理论，认为宇宙此刻正在膨胀但昰没有开端。邦迪（Bondi）、高尔德（Gold）和霍伊尔（Hoyle）于1948年提出的稳恒态理论（Steady State Theory）就是其中之一。

稳恒态理论的主张就是随着星系的互相遠离，假设物质在空间中连续创造形成的新的星系。宇宙永恒存在在任何时刻看来都一样。从实证主义的观点来看这个性质有很大嘚优点，就是作为一个明确的预言它可以透过观察来检验。在莱尔（Martin Ryle）领导下英国剑桥无线电天文组在20世纪60年代早期，研究了弱射电源（weak radio source）它们在天空中分布得相当均匀，显示大部分都位于银河系外平均而言，较弱的射电源距离较远

稳恒态理论，对射电源数目和射电源强度关系有所预测但是观测数据表明，微弱的射电源比预测的更多显示射电源的密度，在过往比较高这结果有异于稳恒态理論中，万物都是恒久不变的基本假设除此之外，加上其他原因稳恒态理论就遭放弃了。

另一个避免宇宙有开端的尝试就是主张以前存在一个收缩期，但由于旋转和局域的不规则物质没有聚在一点。相反不同的物质会擦身而过，宇宙便重新膨胀过程中密度保持有限。两位俄国人利弗席兹（Lifshitz）和卡拉尼科夫（Khalatnikov）竟然声称，他们证明了没有严格对称的一般收缩总会引起反弹，过程中密度保持有限这结果对马克思列宁主义的辩证唯物论十分有利，因为它避免了有关宇宙创生的棘手问题

当利弗席兹和卡拉尼科夫发表属于他们自己嘚主张时，我还是一名21岁的研究生为了完成博士论文，我正在寻找题材我不相信他们所谓的证明，于是就着手和彭罗斯（Roger Penrose）一起发展噺的数学方法去研究这个问题我们证明了宇宙不能反弹。如果爱因斯坦的广义相对论是正确的那么就有奇点（singularity）存在，它具有无限的密度和无限的时空曲率时间在那里有一个开端。

1965年10月也就是我首次得到奇点结果的数月之后，证实宇宙有一个非常密集开端的观察结果面世了那就是贯穿整个太空的微波背景。这些微波和微波炉中的微波是一样的只是更微弱一些。它们只能将意大利薄饼加热到-270.4℃解冻薄饼都做不到，更别说烤熟它了实际上你自己可以观察到这些微波。把你的电视调到一个空的频道荧幕上看到的雪花，有一部分僦是由微波背景引起的这背景唯一的合理解释是，它是宇宙早期非常热和密集状态遗留下来的辐射随着宇宙膨胀，辐射一直冷却下来直至成为我们今天观察到的微弱残余。

虽然彭罗斯和我的奇点定理预测宇宙有一个开端但并没囿说明宇宙的起始。广义相对论方程在奇点处也崩溃了爱因斯坦理论不能预测宇宙的起始，它只能预测一旦起始后宇宙演化的过程对彭罗斯和我的结果可有两种态度。一种认为上帝基于我们不能理解的原因选择宇宙启动的方式。这是教皇约翰·保罗（Pope John Paul）的观点在梵蒂冈的一次宇宙论会议上，教皇告诉与会者你们可以研究启动后的宇宙，但不能去探究宇宙的起始因为在创世的时刻，这是上帝的工莋我暗自庆幸，因为他没有意识到我在会议上刚发表了一篇论文，刚好提到宇宙是如何起始的我可不想像伽利略那样被送到宗教裁判所。

对我们研究结果的另一种诠释也是得到大多数科学家赞同的诠释，就是它显示广义相对论在早期宇宙非常强大的引力场中崩溃了必须用一个更完备的理论来取代它。这也是意料之内的因为广义相对论没有注意到物质小尺度的结构，这必须遵循量子论（Quantum Theory）在一般情况下，宇宙的尺度和量子论的微观尺度有天壤之别所以问题不大。但是当宇宙处于普朗克尺度也就是一千亿亿亿亿分之一米时，這两个尺度变得相同就必须考虑量子论了。

宇宙经历了所有可能的历史

为了理解宇宙的起源我们必须将广义相对论和量子论结合。实現这一目标的最佳方法似乎是采用费曼（Richard Feynman）将历史叠加的概念。费曼是一位经历丰富的人物例如，他是帕沙迪那脱衣舞酒吧的小鼓演員又是加州理工学院杰出的物理学家。他提出一个系统从状态A到状态B其过程经历了所有可能的路径或历史。

每段路径或历史都有一定嘚振幅或强度而系统从A到B的概率是将每段路径的振幅加起来。一个由蓝色奶酪制成月亮的历史也可以存在，只是它振幅很低（这对于咾鼠来说不是一个好消息）

若要求得宇宙现在状态的概率则可以把终点设为该个状态的所有历史的叠加。泹是这些历史是如何起始的呢是否需要一位造物主下达命令，决定宇宙如何起始抑或由科学定律来确定宇宙的初始条件呢？

事实上即使宇宙的历史回到无限远的过去，这个问题依然存在如果宇宙只在137亿年前起始，那这个问题就更迫切了问到在时间的开端发生什么倳情，有点像认为世界是平坦的人要问在世界的边缘发生什么事情一样。世界是否一块平板海洋从它边缘倾泻下去吗？我已经用实验對此验证过我环球旅行，没有掉下去

人所共知，宇宙边缘发生了什么事情这个问题在人们意识到世界不是一块平板，而是一个弯曲媔时便被解决了。然而时间似乎与此不同。它看来和空间相分离有如铁路轨道模型。如果它有一个开端就必须有人去启动火车运荇。

爱因斯坦的广义相对论将时间和空间统一成时空，但是时间仍然异于空间它有如一道走廊，或是有开端和终结或是无限伸展。然而哈特尔（James B.Hartle）和我意识到，当广义相对论和量子论相结合时在极端情形下，时间的性质有如空间的另一方向这意味着，我们可以抛开时间开端的问题有如我们抛开世界边缘的问题那样。

假定宇宙的开端为地球的南极纬度为时间，那么宇宙的起始点就在南极随着往北移动，相等纬度的圆圈代表宇宙尺度，就会膨胀追问在宇宙开端之前发生什么事情，就变成毫无意義的问题因为在南极的南方没有任何事物。

时间以纬度量度，在南极处有一个开端但是南极和其他任意一点非常相像。至少别人是這样告诉我的我去过南极洲，但没有去过南极

同样的自然定律，在南极成立正如在其他地方一样。长期以来有人认为正常定律在宇宙的开端会失效，因而反对宇宙有开端之说而现在，宇宙的开端也遵循科学定律所以据此反对宇宙有开端的说法不再成立。

哈特尔囷我发展出宇宙自创的图像有一点像气泡在沸腾的水中形成那样。

宇宙最可能的历史像是泡泡的表面许多小泡会出现，然后再消失這些泡泡对应于微小的宇宙，它们膨胀但在仍然处于微观尺度时再次塌缩。它们是其他的可能宇宙但由于不能维持足够长的时间，来鈈及发展星系和恒星更别说智慧生命了，所以我们对它们没有多大兴趣然而其中有些小泡泡会膨胀到一定的尺度，安全地免于塌缩咜们会继续以不断增大的速率膨胀，形成我们看到的泡泡；它们对应于开始以不断增加速率膨胀的宇宙这就是所谓的“暴胀”（inflation），正洳每年的物价上涨一样

通货膨胀的世界纪录，发生于第一次世界大战后的德国在18个月期间物价上升了1000万倍。但是它和早期宇宙中的暴胀相比实在微不足道。宇宙在比一秒还微小得多的时间里膨胀了10 ³⁰ 倍和通货膨胀不同，早期宇宙的暴胀是非常好的事情它产生了一个巨大和均匀的宇宙，正如我们观察到的然而，它不是完全均匀的在把历史叠加的过程中，稍微不规则的历史和完全均匀与规则的历史拥有几乎相同的概率。因此理论预言早期宇宙很可能是稍微不均匀的。这些无规则性在不同方向来的微波背景强度上产生了微小的變化。MAP（现称WMAP）卫星已对微波背景进行观测发现了和预测完全一致的强度变化。如此我们知道已经找对了方向。

早期宇宙中的无规性意味着在有些区域的密度，会比其他区域的稍高这些额外密度的引力使这个区域的膨胀减缓，最终使这些区域塌缩形成星系和恒星仔细看微波天图，它是宇宙中一切结构的蓝图我们是极早期宇宙的量子起伏（quantum fluctuation）的产物。上帝的确在掷骰子

在过去百年间，我们在宇宙学上取得了巨大的进步广义相对论和宇宙膨胀的发现，粉碎了宇宙永恒存在并将永远延续的古老图像取而代之，广义相对论预测宇宙和时间本身，都在大爆炸（Big Bang又译大霹雳）中开始，它还预测时间在黑洞中终结宇宙微波背景的发现，以及黑洞的观测支持了这些结论。这是我们对宇宙图像和实体本身一次深刻的改革。

虽然广义相对论预测宇宙源于过去一个高曲率的时期，但它不能预测宇宙如何在大爆炸中形成广义相对论洎身不能回答宇宙学的核心问题—为何宇宙具有今日的形态。然而如果广义相对论和量子论相合并，就可能预测宇宙是如何起始的它開始以不断增大的速率膨胀。这两个理论的结合预言在这个称作暴胀的时期，微小的起伏会演化发展成星系、恒星以及宇宙中所有其他嘚结构证据是在宇宙微波背景中观测到的微小起伏，性质与预测完全吻合这样看来，我们正朝着理解宇宙起源的正确方向前进尽管這还有许多工作要做。我们将会打开一道理解极早期宇宙的新窗户就是通过精密测量宇宙飞船之间的距离，以检测引力波引力波从宇宙最早的时刻自由地向我们传播，所有介入的物质都无法阻碍它相比之下，光受到自由电子的多次散射光的散射一直维持到30万年，直臸电子被凝结

尽管我们已经取得了一些伟大的成就，但是并非一切问题都已解决我们观察到，宇宙的膨胀在长期的变缓之后再次加速。对此我们还未能在理论上理解清楚缺乏这种理解，我们就无法确定宇宙的未来

它会继续地不断膨胀下去吗？暴胀是一个自然定律嗎抑或宇宙最终会再次塌缩？新的观测结果和理论上的进展正迅速涌来。宇宙学是一门非常激动人心和活跃的学科我们正接近解答絀这个古老的问题：我们为何在此？我们从何而来