物理学家把现在的宇宙描述为从150亿年前后高温高密度中发生出来的。从此以后的宇宙演化显示，可能并不十分依存于其诞生之际的初始条件。这种情况的影响是利弊参半的。所以然之故，也是从今日之观察所及为出发点的。但也由于对初始条件之难以得出结论：宇宙膨胀是何从开始的？膨胀开始前的条件是怎样的？……这些疑问，目前都难以置答。
有的科学家惯于对宇宙诞生前后的情况应用同样的法则，那可以断言是不对的。另外，还有认为对大爆炸从哪样的先行过程中发生等等冥思苦想的议论也是徒劳的。……这一些姑且不去管它，只就大多数物理学家所理解的一切，对其实质不爱贪图方便，那么对我们的宇宙是怎样诞生的这一问题，大概还得继续思考下去。
大爆炸以来的宇宙在它的水平上继续演化；但如果认为大爆炸以前也有演化的想法，并不奇怪。对这以前的阶段，有多少科学家着手过吗？也有科学家作了否定的答复。但是我认为这种想法同十九世纪数学家和哲学家A · 康德关于“我们绝对不能探知星云内部的情况”的预言同样愚蠢。带着对这件事的思考与愿望，想对大爆炸以前宇宙的历史和大爆炸是如何引起的等问题概略地谈一下“皮毛”。
对宇宙的第一个探索是认为宇宙是有限的，对它的膨胀是以被设想为永远继续下去这一点为基础的，这个宇宙同火箭一样但以小得多的速度飞出地球这种“发射”有点相似，由于膨胀而一点点慢下去、不久就停止了。接下来便开始收缩，最早很缓慢，不久速度便增加。在遥远的未来，最初期作为宇宙存在的条件大致被再现了。宇宙演化至我们的“时代”，要开始迎接破灭时代的终局了。
根据广义相对论，宇宙物质的总密度如果充分地大，宇宙便是有限的。这种情况如果要在现实世界找出相对情况，那么宇宙也许是圆的。根据观测，实际密度由于宇宙的有限而必要的最小值至少为10%。有关这个问题的解决，那么对正存在于宇宙中的不放光的物质的量，有必要作更充分的了解。
如果这一方案已经充分描述了宇宙的未来，过去也许同样发生过这种情况亦未可知。我们的大爆炸是否就是比它早发生的收缩的终局呢？这种模型，宇宙永远存在下去，可能设想为像弹簧那样重复地或伸或缩，要经历无限次的膨胀与收缩。
是什么引起“胀”和“缩”的？*
这种宇宙相的一个问题是需要理解各个周期的一半，引起膨胀收缩的是什么？这种膨胀虽则可以结合时间的方向，但是宇宙到达停止膨胀转而开始收缩时，时间上也许会带来不同的性质。要理解这一点，可以理解为时间性质不是固定而是可变的。从膨胀转向收缩之际，对这种性质如何转变有分析的必要。
关于所谓宇宙的最后阶段（及膨胀的初期阶段）也还是有问题的。在这一阶段，如同黑洞的最终阶段一样，量子效应显得十分重要。由于如何妥善处理这一效应尚属未知，所以从收缩转向膨胀的变化如何发生？毕竟是怎样的变化引起的？我们都没有资格作出决定。带着这样的问题，为了理解宇宙多种多样的侧面，适当的引力量子论的必要性就逐步增大了。
宇宙正在走向极度无秩序？
也有物理学家认为宇宙演化果真是周期性的话，宇宙的无秩序是在每个周期中有所增大的。如果这一假设为真，经过无数次周期的往复循环，那么现在的宇宙正在走向极度无秩序的状态。盛满红色刷子与蓝色刷子的容器中，最初红色的在一边，绿色的在另一边，把容器颠倒，使所有刷子移置入别的容器，如此往复几次，由于每次移置使刷子有了少量混杂，而到了若干次以后、刷子的分布该是完全无秩序了吧。宇宙从一个周期向另一个周期移动一次，便可认为无秩序增加了一次。无限往复，便使宇宙观受到了影响。
但是当一个周期向下一周期转移之际，无秩序果真增加了还是怎样？又不清楚，对宇宙历史的振动模型如果不正确，把它原封不动地接受下来，无论如何为时尚早。
不包含膨胀与收缩的系统，还需别的方案：一是形成空间内容的场的“相变”，是以紧接于大爆炸后产生了高密度的基本粒子这一可能性为基础的。认量子场的水平变化而产生能量密度的变化，可能有使不含基本粒子的空间可向充满基本粒子的空间转变的巨大力量。如此，大爆炸本身也许是原来没有基本粒子的宇宙引起相变的结果，这一概况正确的话，大爆炸前的条件比紧接于大爆炸后的条件单纯多了。
对称性的破坏
科学家对宇宙的起源颇有争论。直到最近对宇宙的遥远未来将有什么发生，考虑不多。理由之一是那样的思考可用实验数据验证的希望不大。这可以说终局论的科学处理，正待开始。向这一领域急剧进行，将被公认为理论科学的一部分。
对宇宙的未来影响深远而已明确的问题现有两个：一是宇宙的有限与无限问题，另一是质子终究是不稳定而向较轻粒子转换呢还是什么？作为对它们进行考察的方案有三：
第一个方案是有限的宇宙。在含有充分的物质，时空弯曲。而封闭的场合中，宇宙必然是有限的。只要可能，物质就充分存在还是什么？我们还不得而知，可见物质的量，现在了解的就是达到它所必要的量的至少1/10，要填满这一个差数，也许还存在充分量的看不见物质。
一部分看不见的物质大概是以仅起弱相互作用的中性粒子中微子的形式而存在着。由于中微子在宇宙中十分大量地存在，如果中微子具有很小的质量，由于宇宙的封闭，大概能提供仅仅足够的能量密度。或者也可以说还同时具有其他未知的基本粒子。由于宇宙是有限的而存在充分数量的物质的，就要知道从什么时候由膨胀转向收缩。由于存在于宇宙之间的实际量没有正确的了解，所以不能说出转换开始的正确时间。
有限宇宙的大小，根据现在部分所知，一般认为半径不超过公里的若干倍。实际相信此说的充分理由，无论在观察上或是宇宙论理论上都是不存在的，但是如果假定它是真的，宇宙同它度过的时间相比，由于不在那样长的时间内开始收缩，那么我们的宇宙尚属中年壮盛之期。
在这一方案中宇宙未来依存于基本粒子这个分支者不大。由于在久待之际引进收缩，直到物质成为更高密度为止。即今后几百亿年间，可以改变基本粒子的性质与分布那样的事是不太可能的。例如质子，即使认为是不稳定的，它的年龄至少比宇宙的年龄大1020倍，在目前讨论的方案中，对宇宙收缩成为异常以至于大大弯曲而衰变的质子是特别少见的。
但是一转向收缩，衰变到达最终阶段或是处于最终阶段之前，恒星、行星以及一切居住着的人或大量物质结构，将被收缩期间所提高的温度与密度破坏净尽。
质子衰变至少需要1031年
第二个方案是有限的大宇宙。即使是有限的大，但可能同目前正在观察的范围比较进来，相差的数量级还是十分大的。如果是这样，比起宇宙迄今所度过的时间是远远较长的，今后还将继续膨胀。最后则膨胀停止而收缩开始。那么就现在宇宙而论，还是很小很小的幼儿时代。这个宇宙的长期的未来，是以物质的运动为依归的。所以对物理学家来说，它比方案一更令人感兴趣。
在有限的大宇宙中，是改变物性的一个缓慢过程，在漫长的膨胀期间，有充分作用的余地。物理学家正发表了对这样的若干解释过程，它们总是经过比宇宙现在年龄长得多的时间起作用的。虽则这样说是可以的，但比起宇宙的整个年龄来就短了。这种过程之一，就是前述的质子衰变，它平均至少需要1031年。
霍金辐射
另一个可能性是比较小的物质片断，由于量子效应自发地在黑洞中衰变，它需要什么条件很难予以正确评估，或许比质子衰变还需更长时间。好像由于引力关系使星体与银河衰变一样，物质中也有到达最高速的黑洞中的。
黑洞的最后命运尚不十分清楚，随着逐渐蒸发，其中所有物质的大部分沿着霍金*所设想的过程，辐射转换下去。从而孤立的质子是否衰变成为最轻的粒子，如果宇宙在充分长的时间内继续膨胀，现代宇宙所含物质之多大概都将最后变为光子或无质量的粒子。
再有一个可能，当宇宙含有大量中微子和反中微子，以及其他弱相互作用的小质量粒子时，是十分重要的。中微子和反中微子，电子与正电子同样相互湮灭而转化为光子。引起湮灭的速度虽小，但如果宇宙长时间继续存在的话，多数中微子对是要湮灭的。
根据某种理论，这种弱相互作用粒子的能的密度，是保持银河与银河系的引力之源。如果这一点为真，那么以上粒子一湮灭，现代宇宙以最显著特征而存在的银河，终将趋于不稳定，好容易对现代宇宙比较熟悉了的从原子到银河系，就不是永恒的了吗？如果宇宙充分长期地存在下去，到遥远的未来，它们将一概失去其本来面目。
这个方案并不惊人，即使失去了现代宇宙最重要的构成要素，将由怎样的新一套取而代之？回顾宇宙的进化，那么这样的事情就是从支配多种多样基本粒子的宇宙向光子支配或质子支配的宇宙转移之际周而复始的。
对称性破坏
第三个方案是无限的宇宙。
如果密度为每立方厘米10-29克的临界值的物质从充满地球规模的空间下回至十毫克的充满状态，宇宙便是无限的，并继续其永恒的膨胀。宇宙内的物体，无限地分离开来。例外的是引力等的力所联结的太阳系等星系。同第二方案一样，宇宙内容也发生变化，它的最后形态以我们所仍未知的基本粒子的性质和黑洞的最后状态为依归。整个来说，方案三的宇宙未来，除非不停止膨胀，那么同第二方案的情况相似。
无止境而继续开拓的空间成为由光子、电子、中微子及其反粒子更加被疏疏朗朗地包含在内的一个分散的宇宙。但是我们那种“七巧板”玩意儿，还缺少一片小片呢，也许有限的大宇宙也可以作为是观吧；在为数众多的宇宙模型里，把宇宙设想成为一个模样，即包含着望远镜所不及的未知领域，被认为宇宙的哪一部分都是相同的。
最近向这个假设投下的问号是，科学家相信现在的宇宙特征是发生于宇宙诞生初期的对称性破坏，故而这种破坏横亘整个时空，但无同样发生的必需，正像湖泊于入冬以后，某一部分是液相，其他部分则为固相，在空间的各个区域，即使各有它们的相也是可以的。
急膨胀宇宙
美国物理学家阿兰 · 戈斯（Alan H. Guth）最近提出的宇宙模型中正在严密考察诸如此类的事。这个模型称为急膨胀（inflation）宇宙。与它相比，可见宇宙一切的“彼岸”的大部时空与极端初期宇宙以小气泡作为来源相对应。这种气泡含有高水平的量子场，就是它引发了膨胀。
而且，由于急速的膨胀，我们宇宙的物质内容是密度极小而又稀薄的。急膨胀开始前存在的粒子，今天什么也没有残留。现在宇宙的物质是当急膨胀终了后发生相变而产生的。在急膨胀的宇宙中，原先膨胀气泡区域的对面的时空，大概同气泡内部的时空不一样。气泡对面的情况，还是什么也没有抓到线索。由于宇宙的初始迄未经历充分的时间，所以气泡对面发射出来的光还是未能到达。宇宙如果永远持续下去的话，不久还得探测别的星球，在时空中时刻注意其它星球的存在。那里，物质与能大概具有与我们大相径庭的性质。
[科学朝日[日]1986年5月号]
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* 作者系美国哥伦比亚大学物理学教授。
* 文内小标题统由译者所加。
* 斯蒂芬·霍金：英国剑桥大学教授，理论物理学家。他提出宇宙坍缩，黑洞爆炸和时间逆转等理论。