图31
19๗24年，我们现代的宇宙图象才被奠定。那是因为美国天文学家埃得温·哈勃证明了，我们的星系不是唯一的星系。事实上，还存在许多其他的星系，在它们之ใ间是巨大的空虚的太空。为了证明这些，他必须ี确定这些星系的距离。这些星系是如此之遥远，不像邻近的恒星那样，它们确实显得是固定不动的。所以哈勃被迫用间接的手段去测量这些距离。众所周知，恒星的表观亮度决定于两个因素：多少光被辐射出来它的绝对星等以及它离我们多远。对于近处的恒星，我们可以测量其表观亮度和距离，这样我们可以算出它的绝对亮度。相反，如果我们知道其他星系中恒星的绝对亮度，我们可用测量它们的表观亮度的方แ法来算出它们的距离。哈勃注意到，当某些类型的恒星近到足够能被我们测量时，它们有相同的绝对光度；所以他提出，如果我们在其他星系找出这样的恒星，我们可以假定它们有同样的绝对光度——这样就可计算出那个星系的距离。如果我们能对同一星系中的许多恒星这样做，并且计算结果总是给出相同的距离，则ท我们对自己的估计就会有相当的信赖度。
为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想，必须先按照“热大爆炸模型”来理解为大家所接受的宇宙历史。它是假定从早到大爆炸时刻๑起宇宙就用弗利ำ德曼模型描述。在此模型中，人们现当宇宙膨胀时，其中的任何物体或辐射都变得更凉。当宇宙的尺度大到二倍，它的温度就降低到เ一半。由于温度即是粒子的平均能量——或度的测度，宇宙的变凉对于其中的物质就会有较大的效应。在非常高的温度下，粒子会运动得如此之快，以至于能逃脱任何由核力或电磁力将它们吸引一起的作用。但是可以预ไ料，当它们变冷下来时，互相吸引的粒子开始结块。更有甚者，连存在于宇宙中的粒子的种类也依赖于温度。在足够高的温度下，粒子的能量是如此之高，只要它们碰撞就会产生出来很多不同的粒子／反粒子对——并且，虽然其中一些粒子打到反粒子上去时会湮灭，但是它们产生得比湮灭得更快。然而，在更低的温度下，碰撞粒子具有较小的能量，粒子／反粒子对产生得不快，而湮灭则变得比产生更快。
就在大爆炸时，宇宙体积被认为是零，所以是无限热。但是，辐射的温度随着宇宙的膨胀而降低。大爆炸后的1秒钟，温度降低到约为ฦ100亿度，这大约是太阳中心温度的1千倍，亦即氢弹爆炸达到的温度。此刻宇宙主要包含光子、电子和中ณ微子极轻的粒子，它只受弱力和引力的作用和它们的反粒子，还有一些质子和中子。随着宇宙的继续膨胀，温度继续降低，电å子／反电子对在碰撞中的产生率就落到เ它们湮灭率之下。这样只剩ທ下很少的电子，而大部分电å子和反电子相互湮灭，产生出更多的光子。然而，中微子和反中微子并没有互相湮灭掉，因为这些粒子和它们自己้以及其他粒子的作用非常微弱，所以直到今天它们应该仍然存在。如果我们能ม观测到它们，就会为非常热的早期宇宙阶段的图象一个ฐ很好的证据。可惜现今它们的能量太低了，以至于我们不能ม直接地观察到。然而，如果中微子不是零质量，而是如苏联在1้981年进行的一次没被证实的实验所暗示的，自身具有小的质量，我们则可能ม间接地探测到它们。正如前面提到的那样，它们可以是“暗物质”的一种形式，具有足够的引力吸引去遏止宇宙的膨胀，并使之ใ重新坍缩。
在大爆炸后的大约100秒，温度降到了10亿度，也即最热的恒星内部的温度。在此温度下，质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引，所以开始结合产生氘重氢的原子核。氘核包含一个质子和一个ฐ中子。然后，氘核和更多的质子中子相结合形成氦核，它包含二个质子和二个中ณ子，还产生了少量的两ä种更重的元素锂和铍。可以计算出，在热大爆炸模型中ณ大约4分之1的质子和中子转变了氦核，还有少量的重氢和其他元素。所余下的中ณ子会衰变成质子，这正是通常氢原子的核。
194๒8年，科学家乔治·伽莫夫和他的学生拉夫·阿尔法在合写的一篇著名的论文中，第一次提出了宇宙的热的早ຉ期阶段的图像。伽莫夫颇有幽默——他说服了核物理学家汉斯·贝特将他的名字加到这论文上面，使得列名作者为“阿尔法、贝特、伽莫夫”，正如希腊字母的前三个：阿尔法、贝他、伽玛，这特别适合于一篇关于宇宙开初的论文！他们在此论文中作出了一个惊人的预言：宇宙的热的早期阶段的辐射以光子的形式今天还应在周围存在，但是其温度已被降低到只比绝对零度一273๑c高几度。这正是彭齐亚斯ั和威尔逊在19๗65年现的辐射。在阿尔法、贝特和伽莫夫写此论文时，对于质子和中子的核反应了解得不多。所以对于早期宇宙不同元素比例所作的预言相当不准确，但是，在用更好的知识重新进行这些计算之后，现在已๐和我们的观测符合得非常好。况且，在解释宇宙为ฦ何应该有这么เ多氦时，用任何其他方法都是非常困难的。所以，我们相当确信，至少一直回溯到大爆炸后大约一秒钟为止，这个图像是正确无误的。
大爆炸后的几个钟头之内，氦和其他元素的产生就停止了。之后的1้00万年左右，宇宙仅仅只是继续膨胀，没有生什么เ事。最后，一旦温度降低到เ几千度，电子和核子不再有足够能量去抵抗它们之间的电磁吸引力，它们就开始结合形成原子。宇宙作为整体，继续膨胀变冷，但在一个ฐ略比平均更密集的区域，膨胀就会由于额外的引力吸引而慢下来。在一些区域膨胀会最终停止并开始坍缩。当它们坍缩时，在这些区域外的物体的引力拉力使它们开始很慢地旋转；当坍缩的区域变得更小，它会自转得更快——正如在冰上自转的滑冰者，缩回手臂时会自转得更快；最终，当这些区域变得足够小，自转的度就足以平衡引力的吸引，碟状的旋๙转星系就以这种方式诞生了。另外一些区域刚好没有得到旋转，就形成了叫做椭圆星系的椭球状物体。这些区域之ใ所以停止坍缩是因为星系的个别ี部分稳定地绕着它的中心旋转，但星系整体并没有旋转。
随着时间流逝，星系中的氢和氦气体被分割成更小的星云，它们在自身引力下坍缩。当它们收缩时，其中的原子相碰撞，气体温度升高，直到最后，热得足以开始热骤变反应。这些反应将更多的氢转变成氦，释放出的热升高了压力，因此使星云不再继续收缩。正如同我们的太阳一样，它们将氢燃烧成氦，并将得到的能量以热和光的形式辐射出来。它们会稳定地在这种状态下停留一段很长的时间。质量更大的恒星需要变得更热，以去平衡它们更强的引力，使得其核聚变反应进行得极快，以至于它们在1亿年这么短的时间里将氢用光。然后，它们会稍微收缩一点。当它们进一步变热，就开始将氦转变成像碳和氧这样更重的元素。但是，这一过程没有释放出太多的能量，所以正如在黑洞那一章描述的，危机就会生了。人们不完全清楚下面还会生什么，但是看来恒星的中心区域会坍缩成一个非常紧致的状态，譬如中子星或黑洞。恒星的外部区域有时会在叫做新星的巨大爆中吹出来，这种爆会使星系中的所有恒星相形之下显得黯淡无光。一些恒星接近生命终点时产生的重元素就抛回到星系里的气体中ณ去，为下一代恒星一些原料。我们自己的太阳包含大约2％这样的重元素，因为ฦ它是第二代或第三代恒星，是由á50亿年前从包含有更早的新星的碎片的旋转气体云形成的。云里的大部分气体形成了太阳或者喷到外面去，但是少量的重元素า集聚在一起，形成了像地球这样的、现在绕太阳公转的物体。
地球原先是非常热的，并且没有大气。在时间的长河中它冷却下来，并从岩石中溢出的气体里得到了大气。这早先的大气不能ม使我们存活。因为它不包含氧气，但有很多对我们有毒的气体，如硫化氢即是使臭又鸟蛋难闻的气体。然而，存在其他在这条件下能ม繁衍的生命的原始形式。人们认为，它们可能是作为原子的偶然结合形成叫做宏观分子的大结构的结果而在海ร洋中展，这种结构能够将海ร洋中的其他原子聚集成类似的结构。它们就这样地复制ๆ了自己并繁殖。在有些情况下复制有误差。这些误差多数使得新的宏观分子不能复制自己，并最终被消灭。然而，有一些误差会产生出新า的宏观分子，在复制它们自己时会变得更好。所以它们具有优点，并趋向于取代原先的宏观分子。进化的过程就是用这种方式开始，它导致了越来越复杂的自复制的组织。第一种原始的生命形式消化了包括硫化氢在内的不同物质而放出氧气。这样就逐渐地将大气改变到今天这样的成份，允许诸如鱼、爬行动物、哺乳动物以及最后人类等生命的更高形式的展。
宇宙从非常热开始并随膨胀而冷却的景象，和我们今天所有的观测证据相一致。尽管如此，还有许多重要问题未被回答：
1้为何早期宇宙如此之热？
2为何在大尺度上宇宙是如此一致？为ฦ何在空间的所有地方和所有方向上它显得是一样的？尤其是，当我们朝不同方向看时，为何微波辐射背景的温度是如此之相同？这有点像问许多学生一个考试题。如果所有人都刚ธ好给出相同的回答，你就会十分肯定，他们互相之间通过话。在上述的模型中，从大爆炸开始光还没有来得及从一个很远的区域传到另一个区域，即使这两个区域在宇宙的早ຉ期靠得很近。按照ั相对论，如果连光都不能从一个区域走到另一个区域，则没有任何其他的信息能做到。所以，除非因为某种不能解释的原因，导致早期宇宙中ณ不同的区域刚好从同样的温度开始，否则，没有一种方法能使它们有互相一样的温度。
3为何宇宙以这样接近于区分坍缩和永远膨胀模型的临界膨胀率的率开始，以至于即使在100่亿年以后的现在，它仍然几乎以临界ศ的率膨胀？如果在大爆炸后的1้秒钟那一时刻๑其膨胀率甚至只要小十亿亿分之一，那么在它达到今天这么大的尺度之前宇宙就已๐坍缩。
4尽管在大尺度上宇宙是如此的一致和均匀，它却包含有局部的无规性，诸如恒星和星系。人们认为ฦ，这些是从早期宇宙中不同区域间的密度的很小的差ๆ别展而来。这些密度起伏的起源是什么？
广义相对论本身不能解释这些特征或回答这些问题，因为它预言，在大爆炸奇点宇宙是从无限密度开始的。在奇点处，广义相对论和所有其他物理定律都失效：人们不能预言从奇点会出来什么。正如以前解释的，这表明我们可以从这理论中除去大爆炸奇点和任何先于它的事件，因为ฦ它们对我们没有任何观测效应。空间一时间就会有边界ศ——大爆炸处的开端。
看来科学揭露了一组定律，在不确定性原理极限内，如果我们知道宇宙在任一时刻๑的状态，这些定律就会告诉我们，它如何随时间展。这些定律也许原先是由上帝颁แ布的，但是看来从那以后他就让宇宙按照这些定律去演化，而不再对它干涉。但是，它是如何选择宇宙的初始状态和结构的？在时间的开端处“边界条件”是什么？
一种可能的回答是，上帝选择宇宙的这种初始结构是因为某些我们无望理解的原因。这肯定是在一个全能ม造物主的力量之内。但是如果他使宇宙以这种不可理解的方式开始，何以他又选择让它按照我们可理解的定律去演化？整部科学史是对事件不是以任意方แ式生，而是反映了一定的内在秩序的逐步的意识。这秩序可以是、也可以不是由á神灵主宰的。只有假定这种秩序不但应用于定律，而且应用于在空间—时间边界ศ处所给定的宇宙初始条件才是自然的。可以有大量具有不同初始条件的宇宙模型，它们都服从定律。应该存在某种原则去抽取一个初始状态，也就是一个ฐ模型去代表我们的宇宙。
所谓的紊乱边界条件即是这样的一种可能ม性。这里含蓄地假定，或者宇宙是空间无限的，或者存在无限多宇宙。在紊乱边界条件下，在刚ธ刚大爆炸之后，寻求任何空间的区域在任意给定的结构的概率，在某种意义上，和它在任何其他的结构的概ฐ率是一样的：宇宙初始态的选择纯粹是随机的。这意味着，早期宇宙可能是非常紊ฐ乱ກ和无规则的。因为与光滑和有序的宇宙相比，存在着更多得多的紊乱和无序的宇宙。如果每一结构都是等几率的，多半宇宙是从紊乱无序态开始，就是因为这种态多得这么多。很难理解，从这样紊乱的初始条件，如何导致今天我们这个在大尺度上如此光滑和规则的宇宙。人们还预料，在这样的模型中，密度起伏导致了比由伽玛射线背景所限定的多得多的太初黑洞的形成。
如果宇宙确实是空间无限的，或者如果存在无限多宇宙，则就会存在某些从光滑和一致的形态开始演化的大的区域。这有一点像著名的一大群猴子敲打打字机的故事——它们大部分所写的都是废话。但是纯粹由于偶然，它们可能ม碰巧打出莎士比亚的一短诗。类似地，在宇宙的情形，是否我们可能刚好生活在一个光滑和一致的区域里呢？初ม看起来，这是非常不可能的，因为这样光滑的区域比紊乱的无序的区域少得多得多。然而，假定只有在光滑的区域里星系、恒星才能形成，才能ม有合适的条件，让像我们这样复杂的、有能力质疑为什么宇宙是如此光滑的问题、能自然复制ๆ的组织得以存在。这就是被称为人择原理的一个应用的例子。人择原理可以释义作：“我们看到的宇宙之所以这个ฐ样子，乃是因为我们的存在。”
人择原理有弱的和强的意义แ下的两种版本。弱人择原理是讲，在一个ฐ大的或具有无限空间和／或时间的宇宙里，只有在空间一时间有限的一定区域里，才存在智慧生命展的必要条件。在这些区域中，如果智慧生物观察到เ他们在宇宙的位置满足那些为他们生存所需的条件，他们不应感到惊讶。这有点像生活在富裕街坊的富人看不到เ任何贫穷。
应用弱人择原理的一个ฐ例子是“解释”为何大爆炸生于大约10่0亿年之前——智慧生物需要那么长时间演化。正如前面所解释的，一个早代的恒星先必须形成。这些恒星将一些原先的氢和氦转化成像碳和氧这样的元素，由á这些元素构成我们。然后恒星作为新星而爆，其裂片形成其他恒星和行星，其中ณ就包括我们的太阳系，太阳系年龄大约是50亿年。地球存在的头10亿或20่亿年，对于任何复杂东西的展都嫌太热。余下的3๑0亿年左右才用于生物进化的漫长过程，这个过程导致从最简单的组织到能够测量回溯到大爆炸那一瞬间的生物的形成。
很少人会对弱人择原理的有效性提出异议。然而，有的人走得更远并提出强人择原理。按照这个ฐ理论，存在许多不同的宇宙或者一个单独宇宙的许多不同的区域，每一个都有自己初始的结构，或许还有自己的一套科学定律。在这些大部分宇宙中，不具备复杂组织展的条件；只有很少像我们的宇宙，在那里智慧生命得以展并质疑：“为何宇宙是我们看到的这种样子？”这回答很简单：如果它不是这个样子，我们就不会在这儿！
我们现在知道，科学定律包含许多基本的数，如电子电荷的大小以及质子和电å子的质量比。至少现在，我们不能从理论上预言这些数值——我们必须由观察找到它们。也许有一天，我们会现一个将它们所有都预言出来的一个完整的统一理论，但是还可能它们之中ณ的一些或全部，在不同的宇宙或在一个ฐ宇宙之中是变化的。令人吃惊的事实是，这些数值看来是被非常细致地调整到使得生命的展成为可能。例如，如果电子的电荷只要稍微有点不同，则要么เ恒星不能够燃烧氢和氦，要么它们没有爆炸过。当然，也许存在其他形式的、甚至还没被科学幻想作家想过的智慧生命。它并不需要像太阳这样恒星的光，或在恒星中ณ制造出并在它爆炸时被抛到空间去的更重的化学元素า。尽管如此，看来很清楚，允许任何智慧生命形式的展的数值范围是比较小的。对于大部份数值的集合，宇宙也会产生，虽然它们可以是非常美的，但不包含任何一个能为ฦ如此美丽而惊讶的人。人们既可以认为这是在创น生和科学定律选择中的神意的证据，也可以认为是对强人择原理的支持。
人们可以提出一系列理由，来反对强人择原理对宇宙的所观察到的状态的解释。先，在何种意义上可以说，所有这些不同的宇宙存在？如果它们确实互相隔开，在其他宇宙生的东西，怎么可以在我们自己的宇宙中没有可观测的后果？所以，我们应该用经济学原理，将它们从理论中割除去。另一方面，它们若仅仅是一个单独宇宙的不同区域，则在每个区域里的科学定律必须是一样的，因为否则人们不能从一个区域连续地运动到另一区域。在这种情况下，不同区域之间的仅有的不同只是它们的初ม始结构。这样，强人择原理即归结为弱人择原理。
对强人择原理的第二个异议是，它和整个ฐ科学史的潮流背道而驰。我们是从托勒密和他的党人的地心宇宙论展而来，通过哥白尼和伽利略๓日心宇宙论，直到现代的图象，其中地球是一个中等大小的行星，它绕着一个寻常的螺旋星系外圈的普通恒星作公转，而这星系本身只是在可观察到的宇宙中万亿个ฐ星系中的一个。然而强人择原理却宣布，这整个庞大的构造仅仅是为我们的缘故而存在，这是非常难以令人置信的。我们太阳系肯定是我们存在的前提，人们可以将之推广于我们的星系，使之ใ允许早代的恒星产生重元素า。但是，丝毫看不出存在任何其他星系的必要，在大尺度上也不需要宇宙在每一方แ向上必须如此一致和类似。
如果人们能够表明，相当多的宇宙的不同初始结构会演化产生像我们今天看到เ的宇宙，至少在弱的形式上，人们会对人择原理感到更满意。如果这样，则一个从某些随机的初ม始条件展而来的宇宙，应当包含许多光滑的、一致的并适合智慧生命演化的区域。另一方面，如果宇宙的初始条件必须极端仔细地选择，才能导致在我们周围所看到的一切，宇宙就不太可能包含任何会出现生命的区域。在上述的热大爆炸模型中，没有足够的方แ向使热从一个区域流到另一区域。这意味着宇宙的初始态在每一处必须刚好有同样的温度，才能说明我们在每一方向上看到เ的微波背景辐射都有同样温度，其初始的膨胀率也要非常精确地选择，才能使得现在的膨胀率仍然是如此接近于需要用以避免坍缩的临界率。这表明，如果直到เ时间的开端热大爆炸模型都是正确的，则必须ี非常仔细地选择宇宙的初始态。所以，除非作为上帝有意创造像我们这样生命的行为，否则要解释为何宇宙只用这种方式起始是非常困难的。
为了试图寻找一个ฐ能从许多不同的初始结构演化到象现在这样的宇宙的宇宙模型，麻省理工学院的科学家阿伦·固斯提出，早期宇宙可能存在过一个非常快膨胀的时期。这种膨胀叫做“暴涨”，意指宇宙在一段时间里，不像现在这样以减少的、而是以增加的率膨胀。按照ั固斯理论，在远远小于1秒的时间里，宇宙的半径增大了100่万亿亿亿1้后面跟30个0倍。
固斯提出，宇宙是以一个非常热而且相当紊ฐ乱的状态从大爆炸开始的。这些高温表明宇宙中ณ的粒子运动得非常快并具有高能ม量。正如早先我们讨论的，人们预料在这么เ高的温度下，强和弱核力及电磁力都被统一成一个单独的力。当宇宙膨胀时它会变冷，粒子能量下降。最后出现了所谓的相变，并且力之ใ间的对称性被破坏了：强力变得和弱力以及电磁力不同。相变的一个普通的例子是，当水降温时会冻结成冰。液态水是对称的，它在任何一点和任何方向上都是相同的。然而，当冰晶体形成时，它们有确定的位置，并在某一方向上整齐排列，这就破坏了水的对称。
处理水的时候，只要你足够小心，就能使之“过冷”，也就是可以将温度降低到冰点0่c以下而不结冰。固斯认为ฦ，宇宙的行为也很相似：宇宙温度可以低到เ临界值以下，而没有使不同的力之间的对称受到เ破坏。如果生这种情形，宇宙就处于一个不稳定状态，其能量比对称破缺时更大。这特殊的额外能量呈现出反引力的效应：其作用如同一个宇宙常数。宇宙常数是当爱因斯坦在试图建立一个稳定的宇宙模型时，引进广义相对论之中去的。由á于宇宙已经像大爆炸模型那样膨胀，所以这宇宙常数的排斥效应使得宇宙以不断ษ增加的度膨胀，即使在一些物质粒子比平均数多的区域，这一有效宇宙常数的排斥ม作用过了物质的引力吸引作用。这样，这些区域也以加暴涨的形式而膨胀。当它们膨胀时，物质粒子越分越开，留下了一个几乎不包含任何粒子，并仍然处于过冷状态的膨胀的宇宙。宇宙中的任何不规则性都被这膨胀抹平，正如当你吹胀气球时，它上面的皱纹就被抹平了。所以，宇宙现在光滑一致的状态，可以是从许多不同的非一致的初始状态演化而来。
在这样一个其膨胀由á宇宙常数加、而不由物质的引力吸引使之减慢的宇宙中ณ，早期宇宙中的光线就有足够的时间从一个地方传到另一个地方。这就解答了早先提出的，为何在早期宇宙中ณ的不同区域具有同样性质的问题。不但如此，宇宙的膨胀率也自动变得非常接近于由宇宙的能量密度决定的临ภ界值。这样，不必去假设宇宙初始膨胀率曾被非常仔细地选择过，就能解释为何现在的膨胀率仍然是如此地接近于临界值。
暴涨的思想还能解释为何宇宙存在这么多物质。在我们能观察到เ的宇宙里大体有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿1้后面跟80่个0่个粒子。它们从何而来？答案是，在量子理论中，粒子可以从粒子／反粒子对的形式由能量中创生出来。但这只不过引起了能量从何而来的问题。答案是，宇宙的总能量刚好是零。宇宙的物质是由正能量构成的；然而，所有物质都由引力互相吸引。两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量，因为你必须消เ耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开。这样，在一定意义上，引力场具有负能量。在空间上大体一致的宇宙的情形中，人们可以证明，这个负的引力能刚ธ好抵消เ了物质所代表的正能ม量，所以宇宙的总能量为零。
零的两倍仍为零。这样宇宙可以同时将其正的物质能和负的引力能加倍，而不破坏其能量的守恒。在宇宙的正常膨胀时，这并没有生。这时当宇宙变大时，物质能量密度下降。然而，这种情形确实生于暴涨时期。因为ฦ宇宙膨胀时，过冷态的能量密度保持不变：当宇宙体积加倍时，正物质能和负引力能都加倍，总能量保持为零。在暴涨相，宇宙的尺度增大了一个非常大的倍数。这样，可用以制造粒子的总能ม量变得非常大。正如固斯所说的：“都说没有免费午餐这件事，但是宇宙是最彻底的免费午餐。”
今天宇宙不是以暴涨的方式膨胀。这样，必须有一种机制ๆ，它可以消去这一非常大的有效宇宙常数，从而使膨胀率从加的状态，改变为正如同今天这样由á引力减慢下的样子。人们可以预料，在宇宙暴涨时不同力之间的对称最终会被破坏，正如过冷的水最终会凝固一样。这样，未破缺的对称态的额外能量就会释放，并将宇宙重新加热到刚好低于使不同力对称的临界温度。以后，宇宙就以标准的大爆炸模式继续膨胀并变冷。但是，现在找到เ了何以宇宙刚好以临界率膨胀，并在不同的区域具有相同温度的解释。
在固斯ั的原先设想中ณ，有点像在非常冷的水中出现冰晶体，相变是突然生的。其想法是，正如同沸腾的水围绕着蒸汽泡，新的对称破缺相的“泡泡”在原有的对称相中形成。泡泡膨胀并互相碰撞，直到整个宇宙变成新相。麻烦在于，正如同我和其他几个ฐ人所指出的，宇宙膨胀得如此之快，甚至即使泡泡以光涨大，它们也要互相分离，并因此不能合并在一起。结果宇宙变成一种非常不一致的状态，有些区域仍具有不同力之间的对称。这样的模型跟我们所观察到的宇宙并不吻合。
1981年1้0月，我去莫斯科参加量子引力的会议。会后，我在斯ั特堡天文研究所做了一个有关暴涨模型和它的问题的讲演。听众席中有一年轻的苏联人——莫斯科列别提夫研究所的安德雷·林德——他讲，如果泡泡是如此之大，以至于我们宇宙的区域被整个地包含在一个单独的泡泡之中，则可以避免泡泡不能ม合并在一起的困难。为了使这个行得通，从对称相向对称破缺相的改变必须在泡泡中进行得非常慢，而按照大统一理论这是相当可能的。林德的缓慢对称破缺思想是非常好的，但过后我意识到เ，他的泡泡在那一时刻必须ี比宇宙的尺度还要大！我指出，那时对称不仅仅在泡泡里，而且在所有的地方同时被破坏。这会导致一个正如我们所观察到的一致的宇宙。我被这个思想弄得非常激动，并和我的一个学生因·莫斯讨论。然而，当我后来收到一个科学杂志社寄来的林德的论文，征求是否可以表时，作为他的朋友，我感到相当难为情。我回答说，这里有一个关于泡泡比宇宙还大的瑕疵，但是里面关于缓慢对称破缺的基本思想是非常好的。我建议将此论文照原样表。因为ฦ林德要花几个月时间去改正它，并且他寄到西方แ的任何东西都要通过苏联的审查，这种对于科学论文的审查既无技巧可言又很缓慢。我和因·莫斯便越俎代庖，为同一杂志写了一篇短文。我们在该文中指出这泡泡的问题，并提出如何将其解决。
我从莫斯ั科返回的第二天，即去费城接受富兰克林研究所的奖章。我的秘书朱迪·费拉以其不差的魅力说服了英国航空公司向她和我免费协和式飞机的宣传旅行座席。然而，在去机场的路上被大雨耽搁，我没赶上航班。尽管如此，我最终还是到了费城并得到奖章。之后，应邀作了关于暴涨宇宙的讲演。正如在莫斯科那样，我用大部分时间讲授关于暴涨模型的问题。但在结尾时，我提到林德关于缓慢对称破缺的思想，以及我的修正意见。听众中ณ有一位年轻的宾夕凡尼亚大学的助理教授保罗·斯特恩哈特，讲演后他和我讨论暴涨的问题。次年2月份，他寄给我一篇由他和一个学生安德鲁斯·阿尔伯勒希特合写的论文。在该文中，他们提出了某种非常类似林德缓慢对称破缺的思想。后来他告诉我，他不记得我描述过林德的思想，并且只是在他们几乎完成论文之时，才看到林德的文章。在西方，现在他们和林德分享以缓慢对称破缺的思想为基础，并现所谓新暴涨模型的荣誉。旧ງ的暴涨模型是指固斯关于形成泡泡后快对称破缺的原始设想。
新暴涨模型是一个好的尝试，它能解释宇宙为ฦ何是这种样子。然而我和其他几个人指出，至少在它原先的形式，它预言的微波背景辐射的温度起伏比所观察到เ的情形要大得多。后来的工作还对极早期宇宙中是否存在这类所需要的相变提出怀疑。我个人的意见是，现在新า暴涨模型作为一个科学理论是气数已尽。虽然有很多人似乎没有听进它的死讯，还继续写文章，好像那ว理论还有生命力。林德在1้983年提出了一个更好的所谓紊乱暴涨模型。这里没有相变和过冷，而代之以存在一个自旋๙为0的场，由于它的量子涨落，在早期宇宙的某些区域有大的场量。在那些区域中，场的能量起到เ宇宙常数的作用，它具有排斥ม的引力效应，因此使得这些区域以暴涨的形式膨胀。当它们膨胀时，它们中的场的能量慢慢地减小，直到暴涨改变到犹如热大爆炸模型中的膨胀时为止。这些区域之一就成为我们看到的宇宙。这个模型具有早先暴涨模型的所有优点，但它不是取决于使人生疑的相变，并且还能给出微波背景辐射的温度起伏，其幅度与观测相符合。
暴涨模型的研究指出：宇宙现在的状态可以从相当大量的不同初始结构引起的。这是重要的，因为它表明不必非常细心地选取我们居住的那部份宇宙区域的初始状态。所以，如果愿意的话，我们可以利用弱人择原理解释宇宙为何是这个样子。然而，绝不是任何一种初始结构都会产生像我们所观察到的宇宙。这一点很容易说明，考虑现在宇宙处于一个ฐ非常不同的态，例如一个非常成团的、非常无规则ท的态，人们可以利用科学定律，在时间上将其演化回去，以确定宇宙在更早时刻的结构。按照ั经典广义相对论的奇点定理，仍然存在一个ฐ大爆炸奇点。如果你在时间前进方向上按照科学定律演化这样的宇宙，你就会得到เ你一开始给定的那个成团的无规则ท的态。这样，必定存在不会产生我们今天所观察到的宇宙的初始结构。所以，就连暴涨模型也没有告诉我们，为ฦ何初始结构不是那ว种产生和我们观测到的非常不同的宇宙的某种态。我们是否应该转去应用人择原理以求解释呢？难道所有这一切仅仅是因为好运气？看来，这只是无望的遁词，是对我们理解宇宙内在秩序的所有希望的否定。
为了预ไ言宇宙应该是如何开始的，人们需要在时间开端处有效的定律。罗杰·彭罗斯和我证明的奇点定理指出，如果广义แ相对论的经典理论是正确的，则ท时间的开端是具有无限密度和无限空间——时间曲率的一点，在这一点上所有已๐知的科学定律都失效。人们可以设想存在在奇点处成立的新定律，但是在如此不守规矩的点处，甚至连表述这样的定律都是非常困难的，而且从观察中我们没有得到关于这些定律应是什么样子的任何提示。然而，奇点定理真正表明的是，该处引力场变得如此之强，以至于量子引力效应变得重要：经典理论不再能很好地描述宇宙。所以，人们必须用量子引力论去讨论宇宙的极早期阶段。我们将会看到，在量子力学中，通常的科学定律有可能在任何地方都有效，包括时间开端这一点在内：不必针对奇点提出新的定律，因为在量子理论中不须ี有任何奇点。
我们仍然没有一套完整而协调的理论，它将量子力学和引力结合在一起。然而，我们相当清楚这样一套统一理论所应该具有的某些特征。其中一个就是它必须ี和费因曼提出的按照对历史求和的量子力学表述相一致。在这种方法里，一个粒子不像在经典理论中那样，不仅只有一个历史。相反的，它被认为是通过空间——时间里的每一可能的路径，每一条途径有一对相关的数，一个代表波的幅度，另一个代表它的相位。粒子通过一指定点的概率是将通过此点的所有可能途径的波迭加而求得。然而，当人们实际去进行这些求和时，就遇到了严重的技术问题。回避这个问题的唯一独特的方แ法是：你必须不是对生在你我经验的“实”的时间内的，而是对生在所谓“虚”的时间内的粒子的途径的波进行求和。虚时间可能ม听起来像科学幻想，但事实上，它是定义得很好的数学概念。如果你取任何平常的或“实的”数和它自己相乘๖，结果是一个正数。例如2๐乘2๐是4，但－2乘－2也是这么多。然而，有一种特别的数叫虚数，当它们自乘๖时得到负数。在这儿的虚数单位叫做i，它自乘时得－1，2i自乘得－4，等等。人们必须利用虚时间，以避免在进行费因曼对历史求和的技术上的困难。也就是为了计算的目的人们必须用虚数而不是用实数来测量时间。这对空间—时间有一有趣的效应：时间和空间的区别完全消失。事件具有虚值时间坐标的空间—时间被称为欧几里德型的，它是采用建立了二维面几何的希腊人欧几里德的名字命名的。我们现在称之为欧几里德空间—时间的东西除了是四维而不是二维以外，其余的和它非常相似。在欧几里德空间—时间中ณ，时间方向和空间方向没有不同之处。另一方แ面，在通常用实的时间坐标来标记事件的实的空间—时间里，人们很容易区别这两ä种方向——在光锥中的任何点是时间方向，之外为空间方向。就日常的量子力学而言，在任何情况下，我们利ำ用虚的时间和欧几里德空间—时间可以认为仅仅是一个ฐ计算实空间—时间的答案的数学手段或技巧ู。
我们相信，作为任何终极理论的一部分而不可或缺的第二个ฐ特征是爱因斯ั坦的思想，即引力场是由弯曲的空间—时间来代表：粒子在弯曲空间中试图沿着最接近于直线的某种途径走，但因为空间—时间不是平坦的。它们的途径看起来似乎被引力场折弯了。当我们用费因曼的路径求和方法去处理爱因斯坦的引力观点时，和粒子的历史相类似的东西则是代表整个ฐ宇宙历史的完整的弯曲的空间—时间。为了避免实际进行历史求和的技术困难，这些弯曲的空间—时间必须采用欧几里德型的。也就是，时间是虚的并和空间的方向不可区分。为了计算找到具有一定性质，例如在每一点和每一方向上看起来都一样的实的空间—时间的概率，人们将和所有具有这性质的历史相关联的波迭加起来即可。
在广义相对论的经典理论中，有许多不同的可能弯曲的空间—时间，每一个对应于宇宙的不同的初始态。如果我们知道宇宙的初ม始态，我们就会知道它的整个ฐ历史。类似地，在量子引力论中ณ，存在许多不同的可能的宇宙量子态。如果我们知道在历史求和中的欧几里德弯曲空间—时间在早先时刻的行为ฦ，我们就会知道宇宙的量子态。
在以实的空间—时间为基础的经典引力论中ณ，宇宙可能的行为只有两种方式：或者它已存在了无限长时间，或者它在有限的过去的某一时刻的奇点上有一个ฐ开端。而在量子引力论中，还存在第三种可能ม性。因为人们是用欧几里德空间—时间，在这儿时间方แ向和空间方แ向是同等的，所以空间—时间只有有限的尺度，却没有奇点作为它的边界或边缘是可能的。空间—时间就像是地球的表面，只不过多了两维。地球的表面积是有限的，但它没有边界ศ或边缘：如果你朝着落日的方向驾船，你不会掉到边缘外面或陷入奇点中去。因为ฦ我曾经环球旅行过，所以知道！
如果欧几里德空间—时间延伸到无限的虚时间，或者在一个虚时间奇点处开始，我们就有了和在经典理论中指定宇宙初态的同样问题，即上帝可以知道宇宙如何开始，但是我们提不出任何特别原因，认为它应以这种而不是那种方式开始。另一方แ面，量子引力论开辟了另一种新า的可能性，在这儿空间—时间没有边界，所以没有必要指定边界上的行为。这儿就没有使科学定律失效的奇点，也就是不存在在该处必须祈求上帝或某些新的定律给空间一时间设定边界条件的空间—时间边缘。人们可以说：“宇宙的边界条件是它没有边界。”宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被创生，也不被消灭。它就是存在。
我正是在早先提到เ的那次梵帝冈会议上第一次提出，时间和空间可能会共同形成一个在尺度上有限而没有任何边界或边缘的面。然而我的论文数学气息太浓，所以文章中包含的上帝在创造宇宙的作用的含义在当时没有被普遍看出来对我也正是如此。在梵蒂冈会议期间，我不知道如何用“无边界”思想去预言宇宙。然而，第二年夏天我在加州大学的圣他巴巴拉分校渡过。我的一位朋友兼合作者詹姆·哈特尔在那里，他和我共同得出了如果空间—时间没有边界时宇宙应满足的条件。回到剑桥后，我和我的两个研究生朱丽安·拉却尔和约纳逊·哈里威尔继续从事这项工作。
我要着重说明，时间一空间是有限而无界的思想仅仅只是一个ฐ设想，它不能从其他原理导出。正如任何其他的科学理论，它原先可以是出于美学或形而上学的原因而被提出，但是对它的真正检验在于它所给出的预言是否与观测相一致。然而，在量子引力的情况下，由于以下两ä个原因这很难确定。先，正如将在下一章所要解释的，虽然我们对能将广义相对论和量子力学结合在一起的理论所应具有的特征，已经知道得相当多，但我们还不能ม准确地认定这样一个理论。其次，任何详尽描述整个宇宙的模型在数学上都过于复杂，以至于我们不能通过计算做出准确的预言。所以，人们不得不做简化的假设和近似——并且甚至这样，要从中ณ引出预言仍是令人生畏ั的问题。
在对历史求和中的每一个历史不只描述空间—时间，而且描述在其中ณ的任何东西——包括像能观察宇宙历史的人类那样复杂的生物。这可对人择原理另一个ฐ支持，因为如果任何历史都是可能的，就可以用人择原理去解释为何我们现宇宙是现今这样子。尽管我们对自己้并不生存于其中的其他历史究竟有什么意义还不清楚。然而，如果利用对历史求和可以显示，我们的宇宙不只是一个可能的，而且是最有可能的历史，则这个ฐ量子引力论的观点就会令人满意得多。为此，我们必须ี对所有可能ม的没有边界的欧几里德空间—时间进行历史求和。
人们从无边界假定得知，宇宙沿着大多数历史的机会是可以忽略不计的，但是有一族特别的历史比其他的历史有更多机会。这些历史可以描绘得像是地球的表面。在那儿与北极的距离代表虚的时间，并且离北极等距离的圆周长代表宇宙的空间尺度。宇宙是从作为ฦ单独一点的北极开始的。当你一直往南走去，离开北极等距离的纬度圈变大，这是和宇宙随虚时间的膨胀相对应图81。宇宙在赤道处达到最大的尺度，并且随着虚时间的继续增加而收缩，最后在南极收缩成一点。尽管宇宙在北南二极的尺度为零，这些点不是奇点，并不比地球上的北南二极更奇异。科学定律在这儿有效，正如同它仍在地球上的北南二极有效一样。
图81
然而，在实的时间里宇宙的历史显得非常不一样。大约在100或200亿年以前，它有一个最小的尺度，这相当于在虚时间里的最大的半径。在后来的实时间里，宇宙就像由林德设想的紊乱ກ暴涨模型那样地膨胀但是现在人们不必假定宇宙是从某一类正确的状态产生出来。宇宙会膨胀到一个非常大的尺度，并最终重新坍缩成为ฦ在实时间里看起来像是奇点的一个东西。这样，在某种意义上说，即使我们躲开黑洞，仍然是注定要毁灭的。只有当我们按照虚时间来描绘宇宙时才不会有奇点。
如果宇宙确实处在这样的一个量子态里，在虚时间里宇宙就没有奇点。所以，我近期的工作似乎完全使我早ຉ期研究奇点的工作成果付之ใ东流。但是正如上面所指出的，奇点定理的真正重要性在于，它们指出引力场必然会强到不能无视量子引力效应的程度。这接着导致也许在虚时间里宇宙的尺度有限但没有边界或奇点的观念。然而，当人们回到我们生活于其中的实时间，那儿仍会出现奇点。陷进黑洞那位可怜的航天员的结局仍然是极可悲的；只有当他在虚时间里生活，才不会遭遇到奇点。
上述这些也许暗示所谓的虚时间是真正的实时间，而我们叫做实时间的东西恰恰是子虚乌有的空想的产物。在实时间中，宇宙的开端和终结都是奇点。这奇点构成了科学定律在那儿不成立的空间—时间边界。但是，在虚时间里不存在奇点或边界。所以，很可能我们称之为ฦ虚时间的才真正是更基本的观念，而我们称作实时间的反而是我们臆造的，它有助于我们描述宇宙的模样。但是，按照我在第一章所描述的方法，科学理论仅仅是我们用以描述自己所观察的数学模型，它只存在于我们的头脑แ中。所以去问诸如这样的问题是毫无意义的：“实”的或“虚”的时间，哪一个ฐ是实在的？这仅仅是哪一个描述更为有用的问题。
人们还可以利用对历史求和以及无边界假设去现宇宙的哪些性质可能生。例如，人们可以计算，当宇宙具有现在密度的某一时刻，在所有方向上以几乎同等率膨胀的概率。在迄今已被考察的简化的模型中，现这个ฐ概率是高的；也就是，无边界假设导致一个预言，即宇宙现在在每一方向的膨胀率几乎相同是极其可能的。这与微波背景辐射的观测相一致，它指出在任何方向上具有几乎完全同样的强度。如果宇宙在某些方向比其他方แ向膨胀得更快，在那些方向辐射的强度就会被一个附加的红移所减小。
人们正在研究无边界条件的进一步预言。一个ฐ特别有趣的问题是，早期宇宙中ณ物质密度对其平均值小幅度的偏离，这些偏离先引起星系，然后是恒星，最后是我们自身的形成。测不准原理意味着，早ຉ期宇宙不可能是完全均匀的，因为粒子的位置和度必定有一些不确定性或起伏。利ำ用无边界条件，我们现，宇宙事实上必须是从仅仅由测不准原理允许的最小的可能ม的非均匀性开始的。然后，正如在暴涨模型中预言的一样，宇宙经历了一个快膨胀时期。在这个期间，开初的非均匀性被放大到足以解释在我们周围观察到的结构的起源。在一个ฐ各处物质密度稍有变化的膨胀宇宙中，引力使得较紧密区域的膨胀减慢，并使之ใ开始收缩。这就导致星系、恒星和最终甚至像我们自己这样微不足道的生物的形成。因而，我们在宇宙中看到的所有复杂的结构，可由宇宙无边界条件和量子力学中的测不准原理给予解释。
空间和时间可以形成一个没有边界的闭曲面的思想，对于上帝在宇宙事务中的作用还有一个深远的含义。随着科学理论在描述事件的成功，大部分人进而相信上帝允许宇宙按照一套定律来演化，而不介入其间促使宇宙触犯这些定律。然而，定律并没有告诉我们，宇宙的太初应像什么样子——它依然要靠上帝卷紧条，并选择如何去启动它。只要宇宙有一个开端，我们就可以设想存在一个造物主。但是，如果宇宙确实是完全自足的、没有边界或边缘，它就既没有开端也没有终结——它就是存在。那么，还会有造物主存身之处吗？第九章时间箭头
我们在前几章中看到เ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ฦ“时间”的数以唯一的方แ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总是一样的这一现，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ฐ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ฐ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ฐ念。虚时间是不能和空间方แ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ม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ใ间的差别从何而来？为何我们记住过去而不是将来？
科学定律并不区别ี过去和将来。更精确地讲，正如前面所解释的，科学定律在称作c、p和t的联合作用或对称下不变。c是指将反粒子来替代粒子；p的意思是取镜象，这样左和右就互相交换了；t是指颠倒所有粒子的运动方向，也就是使运动倒退回去。在所有正常情形下，制约物体行为ฦ的科学定律在cp联合对称下不变。换言之，对于其他行星上的居民，若他们是我们的镜像并且由á反物质而不是物质构成，则生活会刚好是同样的。
如果科学定律在cp联合对称以及cpt联合对称下都不变，它们也必须ี在单独的t对称下不变。然而，在日常生活的实时间中，前进和后退的方向之间还是有一个大的差异。想像一杯水从桌子上滑落到เ地板上被打碎。如果你将其录像，你可以容易地辨别出它是向前进还是向后退。如果将其倒回来，你会看到碎片忽然集中到一起离开地板，并跳回到桌子上形成一个ฐ完整的杯子。你可断定录像是在倒放，因为这种行为在日常生活中从未见过。如果这样的事生，陶瓷业将无生意可做。
为何我们从未看到碎杯子集合起来，离开地面并跳回到桌子上，通常的解释是这违背了热力学第二定律所表述的在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加。换言之，它是穆菲定律的一种形式：事情总是趋向于越变越糟：桌面上一个ฐ完整的杯子是一个高度有序的状态，而地板上破碎的杯子是一个ฐ无序的状态。人们很容易从早先桌子上的杯子变成后来地面上的碎杯子，而不是相反。
无序度或熵随着时间增加是一个ฐ所谓的时间箭头的例子。时间箭头将过去和将来区别开来，使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头：第一个，是热力学时间箭头，即是在这个ฐ时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方แ向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。
我将在这一章论断，宇宙的无边界条件和弱人择原理一起能解释为何所有的三个箭头指向同一方แ向。此外，为ฦ何必须存在一个定义得很好的时间箭头。我将论证心理学箭头是由á热力学箭头所决定，并且这两种箭头必须总是指向相同的方向。如果人们假定宇宙的无边界条件，我们将看到必然会有定义得很好的热力学和宇宙学时间箭头。但对于宇宙的整个历史来说，它们并不总是指向同一方向。然而，我将指出，只有当它们指向一致时，对于能够问为何无序度在宇宙膨胀的时间方向上增加的智力生命的展，才有合适的条件。
先，我要讨论热力学时间箭头。总存在着比有序状态更多得多的无序状态的这一事实，是使热力学第二定律存在的原因。譬如，考虑一盒拼板玩具，存在一个并且只有一个使这些小纸片拼成一幅完整图画的排列。另一方แ面，存在巨大数量的排列，这时小纸片是无序的，不能拼成一幅画。
假设一个系统从这少数的有序状态之中ณ的一个出。随着时间流逝，这个系统将按照科学定律演化，而且它的状态将改变。到后来，因为ฦ存在着更多的无序状态，它处于无序状态的可能性比处于有序状态的可能性更大。这样，如果一个系统服从一个ฐ高度有序的初始条件，无序度会随着时间的增加而增大。
假定拼板玩具盒的纸片从能排成一幅图画的有序组合开始，如果你摇动这盒子，这些纸片将会采用其他组合，这可能是一个不能ม形成一幅合适图画的无序的组合，就是因为存在如此之ใ多得多的无序的组合。有一些纸片团仍可能ม形成部份图画，但是你越摇动盒子，这些团就越可能被分开，这些纸片将处于完全混乱的状态，在这种状态下它们不能形成任何种类的图画。这样，如果纸片从一个高度有序的状态的初始条件出，纸片的无序度将可能随时间而增加。
然而，假定上帝决定不管宇宙从何状态开始，它都必须结束于一个高度有序的状态，则在早期这宇宙有可能处于无序的状态。这意味着无序度将随时间而减小。你将会看到破碎的杯子集合起来并跳回到桌子上。然而，任何观察杯子的人都生活在无序度随时间减小的宇宙中，我将论断这样的人会有一个倒溯的心理学时间箭头。这就是说，他们会记住将来的事件，而不是过去的事件。当杯子被打碎时，他们会记住它在桌子上的情形；但是当它是在桌子上时，他们不会记住它在地面上的情景。
由于我们不知道大脑工作的细节，所以讨论人类的记忆是相当困难的。然而，我们确实知道计算机的记忆器是如何工作的。所以，我将讨论计算机的心理学时间箭头。我认为，假定计算机和人类有相同的箭头是合理的。如果不是这样，人们可能因为拥有一台记住明年价格的计算机而使股票交易所垮台。
大体来说，计算机的记忆器是一个包含可存在于两种状态中的任一种状态的元件的设备，算盘是一个简单的例子。其最简单的形式是由许多铁条组成；每一根铁条上有一念珠，此念珠可呆在两个位置之ใ中ณ的一个。在计算机记忆器进行存储之前，其记忆器处于无序态，念珠等几率地处于两个可能的状态中。算盘珠杂乱无章地散布在算盘的铁条上。在记忆器和所要记忆的系统相互作用后，根据系统的状态，它肯定处于这种或那ว种状态每个算盘珠将位于铁条的左边或右边。这样，记忆器就从无序态转变成有序态。然而，为了保证记忆器处于正确的状态，需要使用一定的能量例如，移动算盘珠或给计算机接通电å源。这能量以热的形式耗散了，从而增加了宇宙的无序度的量。人们可以证明，这个无序度增量总比记忆器本身有序度的增量大。这样，由计算机冷却风扇排出的热量表明计算机将一个项目记录在它的记忆器中时，宇宙的无序度的总量仍然增加。计算机记忆过去的时间方向和无序度增加的方向是一致的。
所以，我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头，是在我们头脑中由á热力学时间箭头所决定的。正像一个计算机，我们必须ี在熵增加的顺序上将事物记住。这几乎使热力学定律变成为无聊的东西。无序度随时间的增加乃ี是因为我们是在无序度增加的方向上测量时间。拿这一点来打赌，准保你会赢。
但是究竟为ฦ何必须存在热力学时间箭头？或换句话说，在我们称之ใ为过去时间的一端，为何宇宙处于高度有序的状态？为ฦ何它不在所有时间里处于完全无序的状态？毕竟这似乎ๆ更为可能。并且为何无序度增加的时间方向和宇宙膨胀的方แ向相同？
在经典广义相对论中，因为所有已知的科学定律在大爆炸奇点处失效，人们不能预言宇宙是如何开始的。宇宙可以从一个非常光滑和有序的状态开始。这就会导致正如我们所观察到的、定义很好的热力学和宇宙学的时间箭头。但是，它可以同样合理地从一个ฐ非常波浪起伏的无序状态开始。在那种情况下，宇宙已经处于一种完全无序的状态，所以无序度不会随时间而增加。或者它保持常数，这时就没有定义很好的热力学时间箭头；或者它会减小，这时热力学时间箭头就会和宇宙学时间箭头相反向。任何这些可能性都不符合我们所观察到的情况。然而，正如我们看到的，经典广义แ相对论预ไ言了它自身的崩溃。当空间——时间曲率变大，量子引力效应变得重要，并且经典理论不再能很好地描述宇宙时，人们必须用量子引力论去理解宇宙是如何开始的。
正如我们在上一章看到เ的，在量子引力论中，为了指定宇宙的态，人们仍然必须说清在过去的空间—时间的边界的宇宙的可能历史是如何行为的。只有如果这些历史满足无边界条件，人们才可能避免这个不得不描述我们不知道和无法知道的东西的困难：它们在尺度上有限，但是没有边界ศ、边缘或奇点。在这种情形下，时间的开端就会是规则ท的、光滑的空间—时间的点，并且宇宙在一个非常光滑和有序的状态下开始它的膨胀。它不可能ม是完全均匀的，否则就违反了量子理论不确定性原理。必然存在密度和粒子度的小起伏，然而无边界条件意味着，这些起伏又是在与不确定性原理相一致的条件下尽可能的小。
宇宙刚开始时有一个指数或“暴涨”的时期，在这期间它的尺度增加了一个非常大的倍数。在膨胀时，密度起伏一开始一直很小，但是后来开始变大。在密度比平均值稍大的区域，额外质量的引力吸引使膨胀度放慢。最终，这样的区域停止膨胀，并坍缩形成星系、恒星以及我们这样的人类。宇宙开始时处于一个光滑有序的状态，随时间演化成波浪起伏的无序的状态。这就解释了热力学时间箭头的存在。
如果宇宙停止膨胀并开始收缩将会生什么呢？热力学箭头会不会倒转过来，而无序度开始随时间减少呢？这为从膨胀相存活到收缩相的人们留下了五花八门的科学幻想的可能性。他们是否会看到杯子的碎片集合起来离开地板跳回到桌子上去？他们会不会记住明天的价格，并在股票市场上财致富？由á于宇宙至少要再等一百亿年之后才开始收缩，忧虑那时会生什么似乎ๆ有点学究气。但是有一种更快的办法去查明将来会生什么，即跳到黑洞里面去。恒星坍缩形成黑洞的过程和整