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而,在與大量實驗相符合的相對論中,時間和空間難分難解地相互糾纏。人們不能只使空間彎曲,而讓時間安然無恙。這樣時間就被賦予了形態。廣義相對論使時空和時間彎曲,把它們從被動的事件發生的背景改變成為發生的動力參與者。在牛頓理論中,時間獨立於其他萬物而存在,人麼也許回詰問:上帝在創造宇宙之前做什麼》正如聖?奧古斯丁說的,人們不可以為此笑柄,就象有人這樣說過:“(也)正為那些尋根究底的人們準備地獄。”這是一個人們世代深思的嚴肅的問題。根據聖?奧古斯丁的說法,在上帝制造天地之前,(也)根本無所作為。事實上,這和現代觀念非常接近。
另一方面,在廣義相對論中時間和空間的存在不僅不能獨立於宇宙,而且不能相互獨立。在宇宙中的測量將它們定義,譬如鐘錶中的石英晶體的振動數或者尺子的長度。以這種方式在宇宙中定義的時間應該有一個最小或者最大值,換言之,即開端或者終結,這是完全可以理解的。詢問在開端之前或者終結之後發生什麼是沒有任何意義的,因為這種時間是不被定義的。
決定廣義相對論的數學模型是否預言宇宙以及時間本身應有一個開端或者終結,顯然是非常重要的。在包括愛因斯坦在內的理論物理學家中有一種普遍成見,認為時間在兩個方向都必須是無限的。否則的話就引起有關宇宙創生的令人不安的問題,這個問題似乎在科學王國之外。人們知道時間具有開端或者終結的愛因斯坦方程的解,但是所有這些解都是非常特殊的,具有大量的對稱性。人們以為,在自身引力之下坍縮的實際物體,壓力或者斜方向的速度會阻止所有物質一道落向同一點,使那一點的密度變成無窮大。類似的,如果人們在時間的反方向將宇宙膨脹倒溯過去,他會發現宇宙中的全部物質並非從具有無限密度的一點湧現。這樣無限密度的點被成為奇點,並且是時間的開端或者終結。
1963年,兩位蘇聯科學家葉弗根尼?利弗席茲和艾薩克?哈拉尼科夫宣稱他們證明了,所有奇點的愛因斯坦方程的解都對物質和速度做過特殊的安置。代表宇宙的解具有這種特殊安置的機會實際上為零。幾乎所有能代表宇宙的解都是避免無限密度的奇點:在宇宙膨脹時期之前必須預先存在一個收縮相。在收縮相中物質落到一起,但是相互之間不碰撞,在現在的碰撞相中重新分離。如果事實果真如此,則時間就會從無限過去向無限將來永遠流逝。
利弗席茲和哈拉尼科夫的論證並沒有人信服。相反的,羅傑?彭羅斯和我採用了不同的手段,不像他們那樣基於解的細節研究,而是基於時空的全域性結構。在廣義相對論中,在時空中不僅大質量物體而且能量使它彎曲。能量總是正的,所以它賦予時空的曲率,曲率使光線的軌道對方彎折。
現在考慮我們的過去的光錐。也就是從遙遠的星系來在此刻到達我們的光線透過時空的途徑。在一張時間向上放畫時空往四邊畫的圖上,它是一個光錐,其頂點正式我們的此時此時。隨著我們在光錐中從頂點向下走向過去,我們就看到越來越早的星系。因為迄今為止宇宙都在膨脹,而且所有的東西在以前更加靠近得多。當我們更一步忘會看,我們邊透過物質密度更高的區域。我們觀測到微波輻射的黯然背景,這種輻射是從宇宙在比現在密集得多也熱得多的極早的時刻,沿著我們的過去光錐傳播到我們的。我們把接受器調節到微波的不同頻率,就能測量到這個輻射的譜。這種微輻射不能溶化凍比薩餅,但是該譜和2。7度的物體輻射譜那麼一致這一事實告訴我們,這種輻射必須起源於對微波不透明的區域。
這樣,我們才能夠得出結論,當我們沿著過去的光錐回溯過去,它必須透過一定量的物質。那麼多的物質足以彎曲時空,使得我們過去光錐中的光線往相互方向彎折。
當我們往過去回溯,過去光錐的截面會達到最大尺度,然後開始再度縮小。我們的過去是梨子形狀的。
當人們沿著我們過去光錐回溯得更遠,物質的正的能量密度引起光線朝相互方向更強烈地彎折。光錐的截面在有限的時間內縮小為零尺度。這意味著在我們過去光錐之內的所有物質被捕獲在一個邊界收縮為零的區域之內。因此,彭羅斯和我能夠在廣義相對論的數學模型中證明,時間必須有成為大爆炸的開端就不足為奇了。類似的論證顯示,當恆星和星系在它們自身的引力下坍縮形成黑洞,時間會有一個終結。我們拋棄了康德的暗含的假設,即時間具有獨立於宇宙的意義的假設,因此逃避了他的純粹性的二率背反。我們真名時間具有開端的論文在1969年贏