在爱因斯坦的广义相对论中，这种对待观测者的民主方式意味着，宇宙中不存在对时间的最优解释。没有人测量过绝对的时间现象，所测量的不过是宇宙中某些物理变化的速率，可能是蛋形定时器里沙子掉落的速度，钟面上指针移动的速度，或者水龙头的滴水速度。有无数变化的现象可用于定义时间的流逝。例如，在宇宙的尺度上，观测者可以利用宇宙微波背景辐射温度的下降来判定时间。没有哪种特别的衡量方法会比其他方法更为重要。
在考察一个完整的空间与时间的宇宙，即爱因斯坦理论中的所谓“时空”时，有一种具有启发性的方法，将“时空”看作一叠片状空间(10)，每个切片代表整个空间在某个特定时间上的显示。时间只是整叠时空中每个空间切片的识别标签（见图6-1），时空可以以各种不同的方式进行切割，也就是说，可以从不同的角度切割。每一种可能的切割方式都会给我们带来一种不同的定义时间的方法。不过，时空本身的组合不受所选时间切片的影响，因此，比起分别关注空间或者时间，时空的堆叠是一个更为基础的实体。
图6-1 时空模型
注：（a）在不同的时间点所截取的一段空间切片，并按t=1到t=8进行标注；
（b）此图是由所有的空间切片组成的一整块时空。这个时空块可以用许多不同于图（a）中选择的切片方式进行切割。
在爱因斯坦对时空的描述中，时空的形状取决于其中的物质和能量。这意味着时间可以用每个空间切片中的一些几何特性来定义，比如每个切片的曲率，因此也就可以根据切片中物质的密度和分布来定义，因为这两个因素决定了空间切片的曲率（见图6-2）。因此，我们开始探索将时间（包括它的起始及结束）与宇宙物质的某些性质联系起来的可能性。
图6-2 带有曲率的空间切片
注：这个圆锥状的时空由一系列半径不断增大的圆盘组成。每个圆盘都可以用其半径标记一个自己的“时间”，所以当我们从圆顶的点0向上移动到点3时，这个几何上的“时间”就会随之增加。
尽管引入了这些关于时间本质的细节，广义相对论还是没有详细说明宇宙最初的模样。空间切片集合总会存在第一个切片，这个切片决定了它之后切片的模样。
在量子理论中，时间的本质成了一个更大的谜。如果根据宇宙的其他性质来定义，那么量子的不确定性会影响我们对这些性质的了解，这将间接地影响到对时间的定义。用量子理论来描述宇宙会使我们对时间产生不同的结论，其中最不寻常的结论之一是，它允许宇宙从无到有。
简单的宇宙模型（忽略现实的量子本质）可以从某个确定的时刻开始，这个时间点用特定类型的时钟定义。决定宇宙未来行为的初始条件必须在初始的那一刻就做好规定。宇宙学家利用这些模型描述宇宙的现状，因为量子力学对当今宇宙的影响微乎其微。但如果我们想要在接近普朗克时间的时间段使用这些模型，就需要了解量子效应对时间的影响。
在量子宇宙学中，时间并非以显性的方式出现，而是由宇宙的物质及其结构组合而成。相关的方程式能够告诉我们，当我们从一个空间切片移动到另一个空间切片时，这些结构将发生何种变化。在这种情况下，“时间”就显得多余了。这种情况与摆钟很类似，指针在钟面上的位置仅仅记录了钟摆摆动的次数。因此，我们便没有必要再提及一个叫作“时间”的东西，除非真的需要。同样，在宇宙学的设定中，我们借由塑造每个切片的物质结构区分空间切片集合中的切片。但是这个关于物质分布的信息是通过量子理论从统计的概率上得来的，即当我们测量某个物体时，发现它可以是无限可能状态集合中的任意一个，量子力学只告诉我们它处在每种状态下的概率有多大。决定这些概率的信息包含在一个被称作“宇宙波函数”的数学实体中，我们称之为W。
宇宙学家相信他们有办法找到W的形式，但最终可能会证明这种寻找其实是一条死胡同，就算找到，也可能是以一种过分简化的方式。更乐观地说，我们至少希望这种方法能够帮助我们更好地接近宇宙的真相。宇宙学家尝试用美国物理学家约翰·惠勒（John A. Wheeler）和布莱斯·德威特（Bryce DeWitt）最先发现的一个惠勒-德威特方程来寻找W的形式。这种方程是在欧文·薛定谔著名的普通量子力学波函数方程基础上的一个改版，在其中加入了广义相对论的弯曲空间特征。
如果我们知道W的当前形式，惠勒-德威特方程就会告诉我们，可见宇宙具有某些大尺度特征的概率。对于特定的、不断膨胀的巨大物质以及辐射结构而言，这种可能性极其大，这就如同尽管量子力学存在极小的不确定性，但日常生活中的大物体仍具有确定的属性。
如果最具可能性的值确实与宇宙学家所观察到的情况保持一致（例如，通过预测星系集群的某些模式或者宇宙微波背景辐射中的某些温度变化），那么许多宇宙学家将会满意地认为，我们的宇宙模型是所有模型中最“接近”真实宇宙的模型之一。然而，若想使用惠勒-德威特方程找到适用于我们当前所观测到的低温、低密度宇宙的W，就需要知道当宇宙达到最大密度和最高温度时，也就是在宇宙的“起始”阶段，W是什么。
在W的研究过程中，最有用的是跃迁函数（transition function），它告诉我们宇宙状态发生特定变化的可能性。我们用T表示跃迁函数，如果宇宙存在更早的时间点t1（t1由决定宇宙状态的其他参数确定，比如平均密度）以及该时间点下的状态x1，则T[x1，t1→x2，t2]的函数能让我们知晓，在时间点t2时宇宙所处的状态x2。
在非量子物理学中，自然定律规定，一个特定的未来状态将产生于某个特定的过去状态。在这个背景下，我们不讨论概率。但在量子物理学中，正如美国物理学家理查德·费曼（Richard Feynman）所说：“未来的状态大致取决于历史通过空间和时间的所有可能路径的平均值。”其中一条路径可能是由非量子自然定律决定的路径，我们称为“经典路径”。在某些情况下，量子物理学中有一个由经典路径决定的跃迁函数，而其他路径会相互抵消，就像相位错开的波峰和波谷相互抵消一样（见图6-3）。
图6-3 A和B之间的可能路径
注：牛顿运动定律采用的是“经典路径”。量子力学给出的是从A到B的路径概率，即从A到B的所有可能路径的平均值，我们将其中的一些可能路径标注在图中。
对于密度非常高的量子宇宙来说，是否所有可能的初始状态都能诞生出如今这样的宇宙。这是一个深奥的问题。当前的可见宇宙是一个量子不确定性很小的宇宙，因而人们在日常经验中能够清晰地感受到“时间”的流逝。我们身处的这个宇宙，这个允许生命存在的宇宙，其诞生要求可能会异常严格，这标志着我们身处的宇宙在所有可能出现的选项中是特别的。
在实践中，W在空间切片集合中的哪个切片里，由宇宙中所有物质和能量的结构以及这个切片的某些内在特征（比如它的曲率）决定，这些特征有助于我们有效地识别切片集合中的某块切片，对其进行有效且唯一的标记。然后根据惠勒-德威特方程得出，一个固有时间值的波函数与另一个固有时间值的波函数在形式上存在何种关系。
当可能性最大的路径接近经典路径时，波函数的这些特征可以直接作为对普通经典物理学的小补丁。但是，当可能性最大的路径与经典路径远离时，就更难用量子理论解释时间，也就是说，利用惠勒-德威特方程叠加起来的空间切片集合并不是一个完整的时空。尽管如此，仍然可以找到能告诉我们宇宙从一种状态转变到另一种状态的概率的跃迁函数。这样，波函数的起始状态问题现在变成了寻找宇宙起源的量子模拟问题。
跃迁函数告诉我们宇宙从一种物质的几何构型跃迁到另一种几何构型的概率。从一个构型到另一个构型的转化如图6-4所示。
图6-4 第一种时空路径
注：这种时空路径的边界由两个曲率分别为g1和g2的三维空间构成，其中的物质分别为m1和m2。阴影部分为边界区域，三维圆柱体的两端是二维平面。
我们可以设想宇宙始于一个点，而不是某个初始的空间切片。因此，时空整体看起来是锥形而非圆柱形。我们可以在图6-5中直观地看到这种假设。
图6-5 第二种时空路径
注：这种时空路径的边界由一个弯曲的三维空间g2和一个单一的初始点组成。
然而，这并不是什么真正的进步，因为非量子宇宙学模型中的任何奇点都将表现为经典路径的某种奇异特征，而我们只是在选择某种特殊的初始条件，它恰好描述了宇宙诞生于一个事先存在的点。这种选择其实毫无根据。
接下来我们设想一种比较激进的路径，但这种路径很可能只是空洞的猜想，不具有任何物理意义，它是由美学引导的某种信仰产物。请看图6-4和图6-5，注意我们对初始条件的规定与图中的g2点的空间状态相关联。也许g1和g2的构型边界可以通过某种方式进行组合，这样它们就可以形成一个平滑的空间，如图6-6所示，这样，令人讨厌的奇点便不复存在。
图6-6 第三种时空路径
注：这种时空路径的边界变得平滑圆润，这使它能够由单个三维空间组成，底部没有像图6-5中的路径那样的顶点。因此，它的跃迁概率可以解释为宇宙从无创生。
举个二维空间的例子，比如球的表面，它是平滑的，不存在像圆锥顶点那样的奇异点。因此，我们可以将四维时空的整个边界不想象成g1和g2，而是想成三维空间中的一个光滑曲面，它就像一个存在于四维空间中的球的表面。
球的表面有一个有趣的特征：大小有限但不存在边际。虽然球的表面积有限（它只需要有限的油漆涂料），但当你在上面移动时永远不会遇到边界或者顶点，例如锥形体的顶点。对于球面上的居住者而言，这个球的表面不存在边界。宇宙的初始状态可能也存在类似的情况。这就是一种激进的设想：球占据了一个三维空间，且拥有一个二维的表面。
据此，我们可以为量子宇宙设计一个存在于四维空间（不是四维时空，假定真实的宇宙就是如此）中的三维表面。1983年，霍金和美国物理学家詹姆斯·哈特尔（James Hartle）提出，我们平常关于时间的概念在量子宇宙理论背景下被超越，成为空间的另一个维度。
这并不神秘，物理学家经常用这种“将时间变为空间”的方式来解决普通量子力学中遇到的某些问题，尽管他们并不是真的将时间想象成了空间。在演算结束的时候，一切又可以简单地恢复到原来的情况（即存在一个时间维度和三个性质不同的空间维度），这就如同暂时使用另外一种语言讲话。
关于“将时间变为空间”这一概念，最具挑战性的一件事是，如何用语言很好地描述正在发生的事情。霍金于1988年出版的《时间简史》一书正是对这个挑战的首次尝试。科普工作意味着需要用简单、可视的图片或者类比的方法将复杂的数学简单化。科普作家经常将基本粒子之间的相互作用比作台球之间的碰撞，或者将原子描述成微型太阳系，等等。
事实上，19世纪末，一些法国数学家批评了物理学家，因为物理学家坚持用机械的图景来描述各式各样的物理现象，比如借助滚动的小球、轮子和弦等。而科普作家运用的方式是，将宇宙深奥的运作方式与存在于我们日常经验中的事物进行简单的类比。然而，“时间成为空间的另一个维度”这一观点似乎没有人们所熟悉的东西可类比。当人们看到这句话时，能够理解所有字的意思，但不懂所传达的意思。
对于《时间简史》的读者来说，缺乏现成的类比可能是这本书艰涩难懂的原因之一。我们希望关于宇宙最深层次构建的知识，比如与基本粒子的内部空间或者星系及黑洞的外层空间相关的知识会有简单的类比。但事实可能并非如此。不过，缺乏类比可能是一个好迹象，因为它表明我们正在触及一些绝对的真实，而不仅是重新利用我们熟悉的陈旧概念。
这种从量子理论的角度看待时间的方式，其根本特征在于，在大爆炸的终极量子引力环境中，将时间当作真正的空间。如果一个人从一开始就站在宇宙的起点，可能会看到量子效应相互干扰，就像波峰遇到波谷一样，渐渐地，宇宙会以越来越精确的方式沿着经典路径运行。时间的传统特性，即在性质上区别于空间的特性，在普朗克时间之后的初始时刻开始出现。相反，如果一个人从现在回溯到宇宙最开始的时刻，时间的鲜明特征就会逐渐消失，时间与空间变得难以区分。
宇宙的这种原始量子状态的无时间性是由哈特尔和霍金提出的，因为它非常省事，而且避免了初始状态出现奇点的情况。由于这些原因，它被称为“无边界条件”（no-boundary condition）。更准确地说，无边界条件规定，宇宙的波函数是由具有单一、有限、光滑边界的四维空间（类似前文讨论的球面）的平均跃迁决定的。
通过此构想得出的跃迁概率具有这样的特点，宇宙没有所谓的前初始状态。因此，无边界条件通常被描述为“无中生有”，因为它是一幅这样的图景，变量T提供了某种类型的宇宙从无到有的概率。由于“时间变为空间”的假设，所以并不存在宇宙诞生时刻或者起点。
我们对这类量子状态的起点的总体认知是，当回顾那个被称为时间“零点”的时刻时，时间的概念便会消失。这种类型的量子宇宙并不一定存在，它的形成就像具有奇点的非量子宇宙一样，但它并不始于大爆炸，因为大爆炸的各类物理数量是无限的，所以需要进一步确定其初始条件。无论是单一的大爆炸创世，还是量子创世，关于宇宙从何以及为何诞生，我们都无从得知。
哈特尔和霍金的观点十分激进。该观点由两个部分组成：一是“将时间变为空间”；二是无边界条件。这种观点是解释宇宙状态的一种方法，既包含了初始条件，又包含了普通物理学中的传统法则。即使你选择了第一个部分，也可以有很多选择代替无边界条件，最终指向宇宙从无到有的状态。
如图6-7所示，在无边界条件的情况下，或者在另一种可能的边界条件下，宇宙波函数W的波动与宇宙的密度（即“时钟”）有着截然不同的性质。美国物理学家亚历克斯·维兰金（Alex Vilenkin）就是这样认为的。W的高值对应高概率。因此，在无边界条件下，宇宙以高密度存在的可能性几乎为零，而维兰金的条件使这成为可能。一些无边界条件的批评者认为，无边界条件不太可能产生一个密度足够大、温度足够高且足以承受膨胀的极早期宇宙。
图6-7 宇宙波函数随宇宙物质密度变化可能产生的变化
注：波函数的高值对应发生的高概率。该图展示了哈特尔和霍金（H）以及维兰金（V）对波函数的设想。其他可能的状态介于这两条曲线之间（即“？”所在的区域）。但当密度极高时，这个理论就变得非常不靠谱（如图中的点所示）。
对宇宙波函数的研究尚处于起步阶段，在得到完善之前，还会在许多方面发生变化。无边界条件还有待改进，因为它还没有明确说明星系形成所需的微小不均匀性，它还必须补充与宇宙中的物质及其分布有关的其他信息。也许无边界条件的假设是对的，也可能正误参半，也可能是个彻头彻尾的错误观点，甚至悲观主义者可以认为它的对错我们永远无从得知，因为宇宙的形成方式可能抹去了量子起源的所有痕迹，抑或这些痕迹太过微小我们无从观测，无法用事实来检验。如果暴胀的确发生过，我们也很可能无从得知。
我们需要从中吸取的重要经验是，我们对于宇宙演化的传统思考方式，即从受变化规律影响的起始条件开始思考，可能并不正确。这种思考方式可能是我们所经历的自然领域的人工产物，在这样的日常中，量子引力的效应微乎其微。选择用无边界条件以及其他有说服力的理论来解释宇宙的状态，部分原因是它们方便我们进行思考和计算，而并非量子宇宙内部的逻辑要求。
在讨论整个宇宙的初始状态时，我们必须重新评估初始条件独立于自然法则的观点。一方面，如果宇宙是唯一的（因为它是逻辑上一致的唯一可能性），则意味着宇宙的初始条件也是唯一的，因此该条件也就成为自然法则本身。另一方面，如果我们相信还有许多可能存在的宇宙（实际上，这种可能性确实存在），那么宇宙的初始条件就无须特殊的要求，它们都能在某个地方实现。
“初始条件的解释属于神学，而变化规律才是物理学家的思考领域”这一传统观点正在被现实动摇，至少在目前这种情况下，宇宙学家正在研究宇宙在初始条件下是否存在一些可行的“规律”，无边界条件的观点只是其中的一种可能。这个观点虽然有些激进，但也许它和真实的初始条件相比还不够激进。令学界担忧的是，现代量子宇宙理论中的许多概念，比如“从无到有的创世”“随宇宙诞生而来的时间”，也许只是沿袭已久的人类直觉和连中世纪的神学家也甘之如饴的种种思想的精炼翻版。
不过，这些传统理念引出了许多以数学形式展现的现代宇宙学概念。哈特尔和霍金提出的“将时间变为空间”的观点是宇宙学中真正激进的思想之一，我们无法从过去几代的哲学或者神学思想遗产中找到该观点的蛛丝马迹。于是人们开始怀疑，是否只有摒弃这些习惯性的概念，宇宙起源的真实图景才能够浮出历史水面。
尽管一些现代宇宙学家已经满怀信心地回答了有关宇宙起源的问题（诸如《从无到有：宇宙的诞生》之类题目的研究论文的发表），但人们还是应当保持谨慎。因为，所有这些理论需要在一开始假定，宇宙中存在着比我们日常生活中的“无”多得多的东西，这样才能发表一些令人感兴趣的内容。在宇宙诞生的初始阶段，自然规律（此处指的是惠勒-德维特方程）、能量、质量、几何的规律必然存在，它们的存在支撑起无处不在的数学和逻辑世界。
在能够对宇宙的构建以及持续发展做出完整的解释之前，我们需要一个相当完善的理性基层。当被问及上帝在宇宙中的角色时，大多数现代神学家强调的正是这种潜在的理性，他们不认为神仅仅是点开宇宙膨胀开关的金手指。
科学家试图解释，宇宙的存在是“绝对的空无”这一前状态产生的结果。这种想法与我们根深蒂固的观念，比如“世界上没有免费的午餐”等此类观念大相径庭。非科学家理所当然地认为凭空造物是不可能的。如果有人提出要用科学的方法来解释宇宙的诞生，最直接的反对意见便是，宇宙的确是从虚无中诞生的，而且它必须创造出一个拥有能量、角动量和电荷的宇宙。但这违反了我们熟知的自然法则，自然法则规定了这些量的守恒。因此，宇宙从无到有的创世不可能是这些法则的结果。
这个论点令人非常信服，直到有人开始探究宇宙的能量、角动量和电荷到底是否存在时，才发生了动摇。如果宇宙本身具有角动量，那么在最大尺度上，膨胀就兼有旋转。最遥远的星系在远离我们的同时，也会旋转。尽管这种横向的运动速度太慢以至我们难以观测，但任何宇宙的旋转都有其他易于察觉的特征。比如，地球自转带来的影响是地球的两极略微扁平。所以，如果宇宙也在旋转，类似的现象也会发生，即沿着旋转轴方向的地方会比其他方向膨胀得更为缓慢。
因此，如果宇宙微波背景辐射来自旋转轴的方向，那么它的温度最高，而与旋转轴呈直角的方向则温度最低。事实上，辐射温度在各个方向上都保持一致，该数据可精确到十万分之一。这意味着如果宇宙确实在旋转，那么它的旋转速度是它膨胀的速度的一万亿分之一。这个比例太过微小，足以表明宇宙的净旋转和角动量并不存在。
同样，也没有证据表明宇宙中存在任何整体性的净电荷。如果宇宙中的任何结构因其中质子和电子的数量不平衡而具有电荷，这将对宇宙的膨胀产生巨大影响，因为电磁力比引力强大得多。事实上，爱因斯坦引力理论的一个重要反推结论便是：宇宙是封闭的，即一个未来会坍缩成奇点的宇宙，其总电荷数必须为零。也就是说，宇宙所有包含的物质的电荷数总和必须为零。
宇宙的能量又如何解释呢？说到凭空造物的不可能性，这是一个我们最为熟悉且直观的例子。但值得注意的是，如果宇宙是封闭的，那么它的总能量也一定为零。原因可以追溯到爱因斯坦的方程式：E=mc2。根据此公式，质量和能量可以相互转换，所以我们应该考虑的是质量和能量之间的守恒，而非仅单独考虑能量或者质量守恒。重要的一点是，能量，即以质量以外形式存在的能量，有正负的变化。如果我们把一个封闭宇宙中的所有物质的质量加起来，它们将对总能量有很大的正值贡献。
但是这些质量也在相互施加引力。这个引力与负能，或者我们所说的“势能”相等。如果我们手里拿着一个球，它便具有这样的势能：当球往地上掉落时，便产生了一种以势能为代价的正向运动能量。引力定律证明，宇宙中质量之间的负引力势能在数量上正好与这些质量的能量之和相当，因此，总能量永远为零。
这种情况其实非同寻常。冥冥之中，那些看起来与宇宙从无到有的诞生方式相违背的三大守恒量在宇宙中的值很可能都等于零。这其中包含的意义尚不明确。不过，自然的守恒定律并不会成为宇宙横空出世的阻碍，也不会阻碍它消失于虚无之中。自然法则也能够用于描述宇宙诞生的过程。
为了结束“宇宙诞生于虚无”这个充满分歧的讨论，我们应当回顾一下我们讨论过的另一个观点，即宇宙始于时空的一个奇点。量子宇宙学的无边界条件回避了这种灾难性的起点，因此这种理论在宇宙学中甚是流行。然而，我们应该对这样的情况保持警惕：量子宇宙学的许多研究工作，动机都是设法避免出现初始密度无穷大的奇点，所以研究者更愿意关注并认同符合该需求的理论，甚至不顾宇宙真的存在奇点这种可能性。
值得我们注意的是，从严格意义上来说，宇宙大爆炸模型（即始于一个奇点）也是始于绝对的虚无，其中的原因我们无从知晓，也没人反对和限制。奇点以前，没有时间，没有空间，也不存在物质。量子宇宙理论的研究者希望，通过某种不可避免的量子状态来描述一个极有可能的宇宙，我们便能了解为什么当前的可见宇宙拥有这么多不同寻常的属性。可惜的是，这些属性可能都产生于宇宙诞生不久后的暴胀阶段，而暴胀可能归因于各种各样的初始量子状态。
7 步入迷宫
这可是一个大胆的猜测，华生，可以说是非常大胆了！
——《白额闪电》（Silver Blaze）
我们周围存在的物质，从卷心菜到国王，都有自己的密度和硬度，因为宇宙结构的某些方面是恒定不变的。这些不变的方面被称作“自然常数”，诸如引力的强度、基本物质粒子的质量、电荷和磁力的强度以及真空中的光速等，它们都有着自己的固定值，如果有些固定值不能用自然常数来表示，我们就称其为“基本常数”。大多数数值都能够用非常精确的方式进行测量。
宇宙物质的常数值是区别我们所处的宇宙与想象中遵循相同物理定律的宇宙的标志。然而，这些常数尽管出现在我们所有的自然法则当中，却是宇宙结构中隐藏最深的奥秘。为什么它们有着特定值呢？物理学家一直希望有一天能提出一套完整的物理理论，预测或者解释基本常数的值。许多伟大的科学家都做过此类尝试，但都铩羽而归。
最近，通过量子来描述宇宙及其初始状态的尝试出人意料地提供了一种可能解释自然常数的值的方法。詹姆斯·哈特尔和斯蒂芬·霍金提出的寻找宇宙波函数的总体思路是，假设宇宙在其量子属性占据统治地位的极端密度下像一个四维的球体。但是，一些宇宙学家随之发问：如果球体的表面并不均匀光滑，将会发生什么呢？假设用一些管子连接球体表面的两端（见图7-1），这些管状连接被称为“虫洞”，它们是连通不同时空区域的桥梁，如果没有虫洞的存在，这两个时空区域将无法连通。
图7-1 一个有虫洞连接自身的宇宙
提出这种精巧理论的目的主要有两个。第一，物理学家想要修补我们对当前宇宙的认识，从而发掘新的事物以解释自然界的未解之谜。第二个目的更加具体。存在于普朗克时间（10-43秒）前后的时空状态是量子不确定性主导的湍流泡沫（turbulent foam），虫洞的直径相当于光在这段时间（10-43秒）走过的距离（大约10-33厘米），这类大小的虫洞的存在，很可能是空间无序互联状态的结果。
随着我们对宇宙整体性质认识的加深，宇宙的复杂性又增加到令人难以置信的程度。宇宙可能由大量（甚至是无数）的扩展区域组成，这些区域通过虫洞彼此相连，如图7-2所示，图中有许多相互连接的“婴儿宇宙”（baby universe）。
图7-2 虫洞网络
注：虫洞从母体宇宙中分裂出来，在A处形成两个婴儿宇宙。虫洞在B和C处与其他虫洞相连接，从而连接到母体宇宙。
为了更好地理解在这种情况下到底会发生什么，我们先只考虑最简单的虫洞连接类型，即虫洞只连接一个婴儿宇宙。这种简化方式被称为“稀薄虫洞近似”（dilute wormhole approximation），因为这种方法同描述普通气体行为时采用的简化假设“稀薄气体近似”相似。稀薄气体近似的前提是，气体分子在两次碰撞之间的运动时间比碰撞过程中的时间长得多。当条件发生改变时，比如，当气体凝结成液体时，这种行为就更具有互动性。而稀薄虫洞近似是对婴儿宇宙之间的相互作用所做的简化，这种简化假设，虫洞只连接大面积的平滑区域，并且虫洞不会分裂成两个通道或者与其他虫洞连接（见图7-3）。
图7-3 许多由虫洞连接的婴儿宇宙
注：这些婴儿宇宙本身也有与自身相连的虫洞。这些虫洞不会与其他虫洞相连，也不会分裂成两个或者两个以上的虫洞，这种状况被称为“稀薄虫洞近似”。
这种假设看起来一切都好，如果它只是为了概括而简化，便不具备深挖的意义。不过，从之后的结果来看，虫洞的想法为我们提供的思路远不限于此。现在，存在于宇宙任何大区域中的自然常数的值都可以由与该区域相连的虫洞网络的波动来决定。但由于虫洞的连接包含量子不确定性的所有属性，因此这些常数的值并非由虫洞直接确定，在统计学上只是受虫洞的影响。
最容易研究的常数便是著名的“宇宙常数”。爱因斯坦为了建立静态宇宙模型将这个常数引入广义相对论方程式中，但后来又将其抛弃。宇宙常数定义了一种长期存在的斥力，这种斥力与同质量之间的引力的方向相反。尽管我们可以像宇宙学家通常会做的那样，忽略在引力定律中增加这个常数的可能性，但我们没有任何已知的理由能够说明，为什么这个常数不应当出现在爱因斯坦的方程式中。这个结局并不理想。即使它无法阻止宇宙的膨胀，但它仍然可以改变当今宇宙膨胀的速率。
对宇宙膨胀速率的天文观察显示，宇宙常数如果真的存在，其数值也极小。若想用纯数字表示，它必须小于10-20。这个数字实在是太过微小以至于宇宙学家开始推测可能存在某种未知的自然规律，决定宇宙常数的数值为零。然而，在所有关于早期宇宙中存在的基本粒子以及能量场行为的研究中，情况却完全相反。这些研究不仅预测了宇宙常数的存在，还得出该数值比当前观测到的数值要大得多，甚至可能是当前数值的10120倍。
1988年，美国理论物理学家西德尼·科尔曼（Sidney Coleman）取得了一项惊人的发现。如果宇宙在诞生之初就存在一个同引力相对应的宇宙常数，那么它对虫洞的影响是创造出一个反向的压力，这种压力将抵消其自身带来的反引力效应，从而达到固有的量子确定性的水平。利用包括虫洞波动在内的信息，科尔曼预测到，当一个婴儿宇宙开始变大（如同当前的可见宇宙）时，那么包含于其中的宇宙常数最可能的值是0（见图7-4）。
图7-4 宇宙常数因虫洞波动而具有特定值的概率
注：宇宙常数值在0附近达到可能性的峰值。
到目前为止，虽然这个预测还没有成功地预测到自然界中的任何一个非零的自然常数（例如电子或者电荷的质量），但思考这种预测的本质对我们具有很大的启发性。
假设我们能够计算出一个自然常数在现今宇宙中的概率分布，比如，电磁力的强度，其结果可能与图7-5中所示的任意一种情况相类似。
图7-5 自然常数的预测观测值
注：根据虫洞理论预测的自然常数观测值：
（1）任何值的可能性均相等；
（2）存在一个明显具有更大可能性的值；
（3）可能性分布在许多数值上，没有很明显的可能性峰值。
在第一种情况下，常数的所有值都有相同的可能性，虫洞理论并没有对此做出预测，所以没有可以与观测值进行对照检验的预测值。在第二种情况下，常数很可能在图的最高处存在一个值。大多数宇宙学家将这样的波峰解释为我们应该观测的情况，因为它为我们确定了最大可能的数值。
如果牛顿引力常数期望值的概率分布在观测值附近达到峰值，我们会认为这是虫洞理论的一个惊人成果，也就可以使用自然常数的观测来探测普朗克时间之前的量子引力理论。然而事实证明，从理论上做出这样的预测太困难了。
许多物理学家认为，宇宙中必然存在一种能够统一描述所有自然规律的理论，它能将我们所知的引力、电力、磁力、放射物质以及核物理中的各种不同力统一起来。这种对自然规律的系统性描述被称为万物理论（theory of everything），物理学家对它寄予的希望之一是，存在一套自然常数且它们具有一组逻辑一致的值。如果我们真的找到了万物理论，它应该能够告诉我们基本常数的值，这将是对这一理论的终极检验。
然而，即使万物理论确定了每个婴儿宇宙和母体宇宙中自然常数的初始值，它们之间的虫洞连接也会产生不可预测的波动，从而改变这些常数的值。因此，自然常数的观测值也会偏离从一开始就被赋予的理论值，也就是说，当前观测到的自然常数值不会与万物理论确定的值相符。
接下来我们看一下图7-5中的第三种情况。在这种情况下，数值的概率均匀地分布在一个较大的可能范围内，其中有一个最具可能性的值，但也只是最具可能性而已。这给我们带来各种各样的尴尬问题：为什么要把对宇宙的观测结果与宇宙的最可能模型的预测进行比较呢？从量子理论的角度考虑，我们是否应该期望当前的可见宇宙是最具可能性的宇宙之一呢？然而，我们有充分的理由认为，可见宇宙并不在最可能存在的宇宙行列之中。
我们已经介绍了膨胀宇宙的概念，也展示了这样的一个宇宙：它的年龄与智慧生命的进化密切相关，年龄足够大的宇宙是产生恒星的必要条件，因为只有这样，漫长的岁月才能产生比氦元素重的元素，才会有后续的生物化学复合体的进化。同样，我们也可以考虑，为什么像我们这样的智慧生命（甚至与我们不同类的智慧生命）的存在意味着自然常数的值必须与所观测到的数值差距不大。
如果引力的强度稍有不同，或者电磁力的强度稍有扰动，那么稳定的恒星就不复存在，因为原子核、原子和分子等这些维持生命精妙平衡的特性就会被破坏。生物学家认为，生命的自发进化需要碳的存在，而碳异乎寻常的灵活性使其成为DNA和RNA的基础。宇宙中碳的存在不仅取决于宇宙的年龄和大小，而且还取决于决定着原子核自然能级的那些自然常数值之间惊人的巧合，它们决定了原子核的能级。
当恒星中的核聚变反应将两个氦原子核结合在一起产生铍时，距离碳的生成仅有一步之遥，那就是添加另一个氦原子核。但这个反应太慢了，无法生成宇宙中后续事件所需的碳。但我们又确实存在于此，在这一事实的推动下，弗雷德·霍伊尔在1952年做出了一项惊人的预测——碳原子核的能级可能比氦原子核和铍原子核的总和还要大。这便是第一个惊人的巧合。
这种情况会产生一种特别快的氦铍反应，因为这两个原子核的结合造成了所谓的“共振态”——这正是人们所期盼的能产生自然能级能量的情况。结果证明，霍伊尔是对的。核物理学家惊奇地发现，碳原子核的能级与霍伊尔之前的预测完全一致，而这一能级在此前无人知晓。加州理工学院的物理学家威廉·福勒（William Fowler）在天体物理学领域做出了巨大贡献，因此获得诺贝尔奖，他曾说过，正是霍伊尔的预测让他相信自己可以在这个领域继续研究。如果有人仅仅通过对恒星的思考就能告诉他，在哪里可以找到这样一个核能级，那么在天体物理学这门学科中一定存在着某种隐藏的东西在支配一切。
如果自然常数稍有不同，氦、铍和碳的共振就不复存在，我们也将不复存在，因为宇宙中的碳含量几乎为零。
第二个巧合是，一旦碳被制造出来，它就可以通过碳和氦原子核之间的核反应全部转化为氧。但是这个反应没有共振，也就是以一种更加精准的方式，因此碳得以保存下来。
这些例子告诉我们，宇宙中的复杂结构的存在是由自然常数值的明显巧合组合而成。如果这些常数的值稍有改变，像人类一样有意识的智慧生命的进化便全无可能。我们不能从这种幸运的情况中得出任何伟大的哲学或者神学结论，也不能说宇宙“设计”的目的就是诞生有生命的观察者，同样，我们也不能说宇宙“设计”的目的就是让生命存在、让生命必须存在于宇宙的某个地方，或者让生命延续。
这些猜想都有可能是对的，也有可能是错的，以我们目前的能力根本无从判断。我们需要认识到的是，若想让宇宙诞生出像我们这样的智慧生命，甚至诞生出组成智慧生命的原子或者原子核，所有自然常数（至少是其中大多数常数）的数值需要与所观测到的非常接近。
考虑到这一点，我们需要再来看看图7-5的第三种情况。将常数的可能范围缩小到允许后续生物发生复杂进化的程度，并重新思考。允许智慧生命存在的常数范围应该非常小，很有可能会远离理论所预测的最具可能性的值（见图7-6）。目前我们很难将理论数值和观测数值进行比较。我们对常数最可能出现的值并不感兴趣，而感兴趣的只是能够让智慧生命完成进化的那个最具可能性的值。说得夸张一些，如果引力强度最可能的值致使宇宙仅存在十亿分之一秒，那么显然，我们就不可能生活在这种最具可能性的宇宙之中。
图7-6 常数的概率预测
注：这是在当前可见宇宙中找到具有特定值的自然常数的概率预测。其中还指出了允许智慧生命进化的数值范围。对于自然界中的大多数基本自然常数而言，这个范围看起来很狭窄，也可能远离最具可能性的常数值，就像我们在图中展示的这样。
我们已经学到了非常重要的一课。当我们提出一个关于宇宙的理论时，它能够对这个从量子状态起源的宇宙结构进行统计学上的预测。然后，为了验证这些预测与实际的观测是否一致，我们必须知道智慧生命进化所必需的所有常数的值以及进化方式。实际上，这个允许生命进化的数值范围非常狭窄，可能性极低。
然而，我们确实存在于这样一个几乎不可能的宇宙之中，因为我们不在其他宇宙里。我们穿越虫洞迷宫，回到时间的起点，这段曲折的旅程让我们认清了一个极其简单的事实，那就是，我们的存在就是寻找宇宙起源及其各种非凡属性的重要论据。
摆脱这些结论的唯一方法便是假设生命的诞生是一种普遍现象，无论自然常数的值是多少，它都会以各种方法出现。但这种假设很难与我们所拥有的知识以及生活经验相符，特别是有意识的生命的进化，它不同于复杂分子的演变，即使在常数值存在的情况下，也是一件相当不稳定的事情。生物学家更加强调，许多进化途径最后都走进了死胡同。我们并不否认在茫茫宇宙中有许多其他生命以不同形式存在的可能性，但我们坚信，如果它们的进化是自发的，那么一定也是基于原子，并且以碳基生命的形式存在。
其他形式的生命肯定也存在。比如，我们正在试图创造基于硅的简单生命形式。目前，“人工生命”（对应于“人工智能”）研究是个快速增长且吸引人眼球的科学领域，它汇集了物理学家、化学家、数学家、生物学家和计算机科学家来研究新型复杂系统的特性。这些系统中存在与生命相关的一些或者所有特性。这些研究大多利用高速计算机图形学，以模拟复杂系统与其环境的交互、增长以及复制等行为。它们是否真的具有生命还有待观察。最终，这些研究一定能对有意识的生命的结构是如何出现的带来重要启示。
8 全新维度
我跟你们说过多少次，当排除了所有不可能的因素后，剩下的无论看起来可能性有多低，都一定是真相。
——《四个签名》（The Sign of Four）
自20世纪80年代中期以来，对万物理论的探索一直被超弦理论（superstrings）主导。早期，对粒子物理终极定律的探索主要集中在数学描述上，在该理论框架下，最小的实体是没有大小的点。与此不同，超弦理论以能量线或者能量环作为最基本的组成部分。“超”指的是这些弦所具有的特殊对称性，这种对称性让它们能够在描述物质的基本粒子与自然界中不同形式的辐射时达成统一。
根据超弦理论，最基本的粒子像小小的环，这种想法听起来似乎有些奇怪。这些小环更接近于橡皮筋，它们具有一种张力，而且这种张力受环境温度的影响。在低温下，这种张力很强，导致小环产生收缩，类似于一个点。因此，在如今相对温和的宇宙环境下，弦具有高度精确的类点行为，与类点基本粒子一般，符合低能量物理学的各类预测。
然而，当物理学家将点状基本粒子的理论推广到温度或者能量极高的条件下时，没有得出任何有意义的结果。除此之外，这个理论完全无法将引力与其他三种力（电磁力、强相互作用力和弱相互作用力）协调起来。相比之下，超弦理论在高温下有着完美的表现，而且引力能够与其他自然力结合起来。这样，无意义的回答将不复存在，基本粒子物理学的所有可观测性质在原则上都可以从这个理论中计算出来（尽管还没有人具备足够的聪明才智完成这项伟大的使命）。
虽然超弦理论听起来很理想，但也有一个缺陷。若想弦具备这些备受追捧的特性，前提是它们所处的宇宙必须具备比我们所熟悉的三维宇宙更高的维度。为此而构造的首批模型需要有9个或者25个空间维度，然后探索发生在普朗克时间附近的自然过程，这要确保宇宙在开始时就有9个均匀膨胀的空间维度，其中的六维陷入某种困境，所以仍然保持当时宇宙的大小，即10-33厘米，而另外的三维持续扩张，直到扩张到六维的1060倍大（见图8-1）。目前，根据这一理论，其他几个维度仍然在普朗克尺度上，所以它们所能产生的影响我们无法分辨，不仅在日常经验中无法分辨，而且在迄今为止高能物理实验中所创造的事件中也是如此。
