西。愛因斯坦的論文指出，你可以觀察到單獨的量子。每一顆發射出的粒子都對應於一顆打到金屬上的光量子。這被廣泛地承認為是對量子理論的一個重要貢獻，他因此而獲得1922年的諾貝爾獎。（他應該因廣義相對論而得獎，可惜空間和時間是彎曲的思想仍然被認為過於猜測性和爭議性，所以他們用光電效應替代而頒獎給他，這不是說，它本身不值得這個獎。）

直到1925年，在威納海森堡指出光電效應使得精確測量一顆粒子的位置成為不可能後，它的含義才被充分意識到。為了看粒子的位置，你必須把光投射到上面。但是愛因斯坦指出，你不能使用非常少量的光，你至少要使用一個波包或量子。這個光的波包會擾動粒子並使它在某一方向以某一速度運動。你想把粒子的位置測量得越精確，你就要用越大能量的波包並且因此更厲害地擾動該粒子。不管你怎麽測量粒子，其位置上的不確定性乘上其速度上的不確定性總是大於某個最小量。

這個海森堡的不確定性原理顯示，人們不能精確地測量系統的態，所以就不能精確預言它將來的行為。人們所能做的一切是預言不同結果的概率。正是這種幾率或隨機因素使愛因斯坦大為困擾。他拒絕相信物理定律不應該對將來要發生的作出確定的、毫不含糊的預言。但是不管人們是否喜歡，所有證據表明，量子現象和不確定性原理是不可避免的，而且發生於物理學的所有分支之中。

愛因斯坦的廣義相對論是所謂的經典理論，也就是說，它不和不確定性原理相結合。所以人們必須尋求一種把廣義相對論和不確定性原理合並在一起的新理論。這種新理論和經典廣義相對論的差異在大多數情形下是非常微小的。正如早先提到的，這是因為量子效應預言的不確定性只是在非常小的尺度下，而廣義相對論處理時空的大尺度結構。然而，羅傑彭羅斯和我證明的奇性定理顯示，時空在非常小的尺度下會變成高度彎曲的。不確定性原理的效應那時就會變得非常重要，而且似乎導致某些令人註目的結果。

愛因斯坦的關於量子力學和不確定性原理問題的一部分是由下面的事實引起的，他習慣於系統具有確定歷史的通常概念。一顆粒子不是處於此處便是處於他處。它不可能一半處於此處另一半處於他處。類似的，諸如航天員登上月球的事件要麽發生了要麽沒有發生。它有點和你不能稍微死了或者稍微懷孕的事實相似。你要麽是要麽不是。但是，如果一個系統具有單獨確定的歷史，則不確定性原理就導致所有種類的二律背反，譬如講粒子同時在兩處或者航天員只有一半在月亮上。

美國物理學家裏查德費因曼提出了一種優雅的方法，從而避免了這些如此困擾愛因斯坦的二律背反。費因曼由於1948年的光的量子理論的研究而舉世聞名。1965年他和另一位美國人朱裏安施溫格以及日本物理學家朝永振一郎共獲諾貝爾獎。但是，他和愛因斯坦一脈相承，是物理學家之物理學家。他討厭繁文縟禮。因為他覺得美國國家科學院花費大部分時間來決定其他科學家中何人應當選為院士，所以他就辭去院士位置。費因曼死於1988年，他由於對理論物理的多方面貢獻而英名長存。他的貢獻之一即是以他命名的圖，這幾乎是粒子物理中任何計算的基礎。但是他的對歷史求和的概念甚至是一個更重要的貢獻。其思想是，一個系統在時空中不止有一個單獨的歷史，不像人們在經典非量子理論中通常假定的那樣。相反的，它具有所有可能的歷史。例如，考慮在某一時刻處於A點的一顆粒子。正常情形下，人們會假定該粒子從入點沿著一根直線離開。然而，按照對歷史求和，它能沿著從A出發的任何路徑運動。它有點像你在一張吸水紙上滴一滴墨水所要發生的那樣。墨水粒子會沿著所有可能的路徑在吸水紙上彌散開來。甚至在你為了阻斷兩點之間的直線而把紙切開一個縫隙時，墨水也會繞過切口的角落。

粒子的每一個路徑或者歷史都有一個依賴其形狀的數與之相關。粒子從A走到B的概率可由將和所有從A到B粒子的路徑相關的數疊加起來而得到。對於大多數路徑，和鄰近路徑相關的數幾乎被相互抵消。這樣，它們對粒子從A走到B的概率的貢獻很小。但是，直線路徑的數將和幾乎直線的路徑的數相加。這樣，對概率的主要貢獻來自於直線或幾乎直線的路徑。這就是為什麽粒子在通過氣泡室時的軌跡看起來幾乎是筆直的。但是如果你把某種像是帶有一個縫隙的一堵墻的東西放在粒子的路途中，粒子的路徑就會彌散到縫隙之外。在通過縫隙的直線之外找到粒子的概率可以很高。

1973年我開始研究不確定性原理對於處在黑洞附近彎曲時空的粒子的效應。引人註目的是，我發現黑洞不是完全黑的。不確定原理允許粒子和輻射以穩定的速率從黑洞漏出來。這個結果使我以及所有其他人都大吃一驚，一般人都不相信它。但是現在回想起來，這應該是顯而易見的。黑洞是空間的一個區域，如果人們以低於光速的速度旅行就不可能從這個區域逃逸。但是費因曼的對歷史求和說，粒子可以采取時空中的任何路徑。這樣，粒子就可能旅行得比光還快。粒子以比光速更快的速度作長距離運動的概率很低，但是它可以以超光速在剛好夠逃逸出黑洞的距離上運動，然後再以慢於光速的速度運動。不確定原理以這種方式允許粒子從過去被認為是終極牢獄的黑洞中逃逸出來。對於一顆太陽質量的黑洞，因為粒子必須超光速運動幾公裏，所以它逃逸的概率非常低。但是可能存在在早期宇宙形成的小得多的黑洞。這些太初黑洞的尺度可以比原子核還小，而它們可有十億噸的質量，也就是富士山那麽大的質量。它們能發射出像一座大型電廠那麽大的能量。如果我們能找到這樣小黑洞中的一個並能駕馭其能量該有多好！可惜的是，在宇宙四周似乎沒有很多這樣的黑洞。

黑洞輻射的預言是把愛因斯坦廣義相對論和量子原理合並的第一個非平凡的結果。它顯示引力坍縮並不像過去以為的那樣是死亡的結局。黑洞中粒子的歷史不必在一個奇點處終結。相反的，它們可以從黑洞中逃逸出來，並且在外面繼續它們的歷史。量子原理也許表明，人們還可以使歷史避免在時間中有一個開端，也就是在大爆炸處的創生的一點。

這是個更困難得多的問題。因為它牽涉到把量子原理不僅應用到在給定的時空背景中的粒子路徑，而且應用到時間和空間的結構本身。人們需要做的是一種不僅對粒子的而且也對空間和時間的整個結構的歷史求和的方法。我們還不知道如何恰當地進行這種求和，但是我們知道它應具有的某些特征。其中之一便是，如果人們處理在所謂的虛時間裏，而不是在通常的實時間裏的歷史，那麽求和就更容易些。虛時間是一個很難掌握的概念，它可能是我的書的讀者覺得最困難的東西。我還由於使用虛時間而受到哲學家們猛烈的批評。虛時間和實在的宇宙怎麽會相幹呢？我以為這些哲學家沒有從歷史吸取教訓。人們曾經一度認為地球是平坦的以及太陽繞著地球轉動，然而從哥白尼和伽利略時代開始，我們就得調整適應這種觀念，即地球是圓形的而且它繞太陽公轉。類似的，長期以來對於每位觀測者時間以相同速率流逝似乎是顯而易見的，但是從愛因斯坦時代開始，我們就得接受，對於不同的觀測者時間流逝的速率不同。此外，宇宙具有唯一的歷史似乎是顯然的，但是從發現量子力學起，我們就必須把宇宙考慮成具有任何可能的歷史。我要提出，虛時間的觀念也將是我們必須接受的某種東西。它和相信世界是圓的是同等程度的一個智慧的飛躍。在有教養的世界中平坦地球的信仰者已是鳳毛麟角。

你可以把通常的實的時間當成一根從左至右的水平線。左邊代表早先，右邊代表以後。但是你還可以考慮時間的另一個方向，也就是書頁的上方和下方。這就是時間的所謂的虛的方向，它和實時間夾直角。

引入虛時間的緣由是什麽呢？人們為什麽不只拘泥於我們理解的通常的實時間呢？正如早先所提到的，其原因是物質和能量要使時空向其自身彎曲。在實時間方向，這就不可避免地導致奇性，時空在這裏到達盡頭。物理學方程在奇點處無法定義，這樣人們就不能預言會發生什麽。但是虛時間方向和實時間成直角。這表明它的行為和在空間中運動的三個方向相類似。宇宙中物質引起的時空曲率就使三個空間方向和這個虛的時間方向繞到後面再相遇到一起。它們會形成一個閉合的表面，正如地球的表面那樣。這三個空間方向和虛時間會形成一個自身閉合的時空，沒有邊界或者邊緣。它沒有任何可以叫做開端或者終結的點，正和地球的表面沒有開端或者終結一樣。

1983年詹姆哈特爾和我提出，對於宇宙不能取在實時間中的歷史的求和，相反的，它應當取在虛時間內的歷史的求和，而且這些歷史，正如地球的表面那樣，自身必須是閉合的。因為這些歷史不具有任何奇性或者任何開端或終結，在它們中發生的什麽可完全由物理定律所確定。這表明在虛時間中發生的東西可被計算出來。而如果你知道宇宙在虛時間裏的歷史，你就能計算出它在實時間裏如何行為。以這種方法，你可望得到一個完整的統一理論，它能預言宇宙中的一切。愛因斯坦把他的晚年獻身於尋求這樣的一種理論。因為他不相信量子力學，所以他沒有尋找到。他不準備承認宇宙可以有許多不同的歷史，正如在對歷史求和中的那樣。對於宇宙我們仍然不知道如何正確地對歷史求和，但是我們能夠相當肯定，它將牽涉到虛時間以及時空向自身閉合的思想。我認為，對於下一代的人而言，這些思想將會像世界是圓形的那麽自然。虛時間已經成為科學幻想的老生常談。但是它不僅是科學幻想或者數學技巧。它是某種使我們生活於其中的宇宙成形的某種東西。

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外傳四 歷史變奏

我不知道明天會怎麽樣？

我不知道自己明天是否存在？

我不知道記憶是否還可以依賴？

我不知道……

醒來後我不願睡去，睡下了我不願醒來！

………

中華大帝國歷12026年流傳在基地裏的一首詩。

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今天失蹤人口為45678人。

其中領導人25人，科學家3689人，其他都是普通民眾，集中在Karol星球。

此星球為移民星球，估計其萬年前的祖先有人意外死亡！

另外，發現新的群體，疑似萬年前失蹤的瑪雅人！

正在試圖聯絡！

基地觀察記錄員一號。

***

今天有三個星球失蹤，懷疑是在四千年前的星球大戰中被毀。

未知星系的敵人正在準備入侵帝國！

各地暴亂不斷，無數平民死於戰火之中。

帝國處於危機狀態！

基地觀察記錄員二號。

***

今天帝國已經不存在了！

原帝國版圖內有數十的不同勢力的人占據，互相進攻！

真是個戰亂的星系！

基地觀察記錄員三號

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中華大帝國歷12045年，一號基地。（絕密）

二十年前的今天，“逆天”計劃正式啟動……

我們開始了艱苦的工作，共同應對每天突發的狀況，歷史變得越來越糟糕，我們窮於應付！

十年前，我們敬愛的皇後穿越而去……

情況已經失去控制！

當我們無法解決問題的時候，瑪雅人提供了一個方案！

我們只能對我們的歷史做一次手術！

連接過去與現在的紐帶，我們稱為“歷史的臍帶”！

只有剪斷它，才能擺脫歷史的影響。

問題是從哪裏剪斷？而後果又是什麽？

瑪雅人的技術可以讓我們從連接最松散的地方下手，結果就是我們將丟失過去的歷史！

當實驗完成，那時我們就會失落在宇宙的深處！

不過我們不需要再為每天改變的歷史而擔憂了！

那部分失落的歷史就由我們補齊，我們稱它為“銀河帝國”。

而作為帝國中樞的大帝星，改作“川陀”。

我們都知道這種沒有政教信仰為一體的帝國是不可能持久地，所以我們要做好帝國崩潰的準備！

謝謝各位！

——謝頓

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川陀——……經過一萬兩千年的太平盛世，帝國達到黃金時代的最高峰，做為帝國千秋萬代的統治中樞，座落於銀河中央，人口最密集，工業最先進的區域，無可避免地成為人類歷來僅見，最為稠密富饒的凝聚核。

其都市化經穩定發展而終於極致——整個川陀，所有七千五百萬方公裏的陸地乃是同一座城市，人口在巔峰時期超過四百億。如此龐大的人口幾乎全數投註於帝國行政事務。而仍無法滿足其覆雜需求，（令人憶及帝國衰亡的重要因素之一便是，在末代數位帝王的維持銀河帝國的有效統治業已成為海市蜃樓。）成千上萬的船隊日以繼夜地由二十個星球……

對外界的依賴不僅是糧食，事實上包含所有生活必需品，使川陀面對封鎖的防禦能力日趨薄弱。帝國時代的最後千年，令人麻木的不斷叛亂使每一任皇帝都深感其憂。以致到後來所謂帝國政策，只不過是如何維系川陀的命脈……

銀河百科全書

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