宇宙可以從一個(gè)非常光滑和有序的狀態(tài)開始。這就會(huì)導(dǎo)致正如我們所觀察到的、定義很好的熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時(shí)間箭頭。但是，它可以同樣合理地從一個(gè)非常波浪起伏的無序狀態(tài)開始。在那種情況下，宇宙已經(jīng)處于一種完全無序的狀態(tài)，所以無序度不會(huì)隨時(shí)間而增加。或者它保持常數(shù)，這時(shí)就沒有定義很好的熱力學(xué)時(shí)間箭頭；或者它會(huì)減小，這時(shí)熱力學(xué)時(shí)間箭頭就會(huì)和宇宙學(xué)時(shí)間箭頭相反向。任何這些可能性都不符合我們所觀察到的情況。然而，正如我們看到的，經(jīng)典廣義相對(duì)論預(yù)言了它自身的崩潰。當(dāng)時(shí)空曲率變大，量子引力效應(yīng)變得重要，并且經(jīng)典理論不再能很好地描述宇宙時(shí)，人們必須用量子引力論去理解宇宙是如何開始的。
正如我們?cè)谏弦徽驴吹降?，在量子引力論中，為了指定宇宙的態(tài)，人們?nèi)匀槐仨氄f清在過去的空間-時(shí)間的邊界的宇宙的可能歷史是如何行為的。只有如果這些歷史滿足無邊界條件，人們才可能避免這個(gè)不得不描述我們不知道和無法知道的東西的困難：它們?cè)诔叨壬嫌邢?，但是沒有邊界、邊緣或奇點(diǎn)。在這種情形下，時(shí)間的開端就會(huì)是規(guī)則的、光滑的空間-時(shí)間的點(diǎn)，并且宇宙在一個(gè)非常光滑和有序的狀態(tài)下開始它的膨脹。它不可能是完全均勻的，否則就違反了量子理論不確定性原理。必然存在密度和粒子速度的小起伏，然而無邊界條件意味著，這些起伏又是在與不確定性原理相一致的條件下盡可能的小。
宇宙剛開始時(shí)有一個(gè)指數(shù)或“暴漲”的時(shí)期，在這期間它的尺度增加了一個(gè)非常大的倍數(shù)。在膨脹時(shí)，密度起伏一開始一直很小，但是后來開始變大。在密度比平均值稍大的區(qū)域，額外質(zhì)量的引力吸引使膨脹速度放慢。最終，這樣的區(qū)域停止膨脹，并坍縮形成星系、恒星以及我們這樣的人類。宇宙開始時(shí)處于一個(gè)光滑有序的狀態(tài)，隨時(shí)間演化成波浪起伏的無序的狀態(tài)。這就解釋了熱力學(xué)時(shí)間箭頭的存在。
如果宇宙停止膨脹并開始收縮將會(huì)發(fā)生什么呢？熱力學(xué)箭頭會(huì)不會(huì)倒轉(zhuǎn)過來，而無序度開始隨時(shí)間減少呢？這為從膨脹相存活到收縮相的人們留下了五花八門的科學(xué)幻想的可能性。他們是否會(huì)看到杯子的碎片集合起來離開地板跳回到桌子上去？他們會(huì)不會(huì)記住明天的價(jià)格，并在股票市場(chǎng)上發(fā)財(cái)致富？由于宇宙至少要再等一百億年之后才開始收縮，憂慮那時(shí)會(huì)發(fā)生什么似乎有點(diǎn)學(xué)究氣。但是有一種更快的辦法去查明將來會(huì)發(fā)生什么，即跳到黑洞里面去。恒星坍縮形成黑洞的過程和整個(gè)宇宙的坍縮的后期相當(dāng)類似；這樣，如果在宇宙的收縮相無序度減小，可以預(yù)料它在黑洞里面也會(huì)減小。所以，一個(gè)落到黑洞里去的航天員能在投賭金之前，也許能依靠記住輪賭盤上球兒的走向而贏錢。（然而，不幸的是，玩不了多久，他就會(huì)變成意大利面條。他也不能使我們知道熱力學(xué)箭頭的顛倒，或者甚至將他的贏錢存入銀行，因?yàn)樗焕г诤诙吹氖录暯绾竺妗＃?
起初，我相信在宇宙坍縮時(shí)無序度會(huì)減小。這是因?yàn)?，我認(rèn)為宇宙再變小時(shí)，它必須回到光滑和有序的狀態(tài)。這表明，收縮相僅僅是膨脹相的時(shí)間反演。處在收縮相的人們將以倒退的方式生活：他們?cè)诔錾凹匆阉廊?，并且隨著宇宙收縮變得更年輕。
這個(gè)觀念是吸引人的，因?yàn)樗砻髟谂蛎浵嗪褪湛s相之間存在一個(gè)漂亮的對(duì)稱。然而，人們不能置其他有關(guān)宇宙的觀念于不顧，而只采用這個(gè)觀念。問題在于：它是否由無邊界條件所隱含或它是否與這個(gè)條件不相協(xié)調(diào)？正如我說過的，我起先以為無邊界條件確實(shí)意味著無序度會(huì)在收縮相中減小。我之所以被誤導(dǎo)，部分是由于與地球表面的類比引起的。如果人們將宇宙的開初對(duì)應(yīng)于北極，那么宇宙的終結(jié)就應(yīng)該類似于它的開端，正如南極之與北極相似。然而，北南二極對(duì)應(yīng)于虛時(shí)間中的宇宙的開端和終結(jié)。在實(shí)時(shí)間里的開端和終結(jié)之間可有非常大的差異。我還被我作過的一項(xiàng)簡(jiǎn)單的宇宙模型的研究所誤導(dǎo)，在此模型中坍縮相似乎是膨脹相的時(shí)間反演。然而，我的一位同事，賓夕凡尼亞州立大學(xué)的當(dāng)·佩奇指出，無邊界條件沒有要求收縮相必須是膨脹相的時(shí)間反演。我的一個(gè)學(xué)生雷蒙·拉夫勒蒙進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)稍復(fù)雜的模型中，宇宙的坍縮和膨脹非常不同。我意識(shí)到自己犯了一個(gè)錯(cuò)誤：無邊界條件意味著事實(shí)上在收縮相時(shí)無序度繼續(xù)增加。當(dāng)宇宙開始收縮時(shí)或在黑洞中熱力學(xué)和心理學(xué)時(shí)間箭頭不會(huì)反向。
當(dāng)你發(fā)現(xiàn)自己犯了這樣的錯(cuò)誤后該如何辦？有些人從不承認(rèn)他們是錯(cuò)誤的，而繼續(xù)去找新的往往互相不協(xié)調(diào)的論據(jù)為自己辯解——正如愛丁頓在反對(duì)黑洞理論時(shí)之所為。另外一些人首先宣稱，從來沒有真正支持過不正確的觀點(diǎn)，如果他們支持了，也只是為了顯示它是不協(xié)調(diào)的。在我看來，如果你在出版物中承認(rèn)自己錯(cuò)了，那會(huì)好得多并少造成混亂。愛因斯坦即是一個(gè)好的榜樣，他在企圖建立一個(gè)靜態(tài)的宇宙模型時(shí)引入了宇宙常數(shù)，他稱此為一生中最大的錯(cuò)誤。
回頭再說時(shí)間箭頭，余下的問題是；為何我們觀察到熱力學(xué)和宇宙學(xué)箭頭指向同一方向？或換言之，為何無序度增加的時(shí)間方向正是宇宙膨脹的時(shí)間方向？如果人們相信，按照無邊界假設(shè)似乎所隱含的那樣，宇宙先膨脹然后重新收縮，那么為何我們應(yīng)在膨脹相中而不是在收縮相中，這就成為一個(gè)問題。
人們可以在弱人擇原理的基礎(chǔ)上回答這個(gè)問題。收縮相的條件不適合于智慧人類的存在，而正是他們能夠提出為何無序度增加的時(shí)間方向和宇宙膨脹的時(shí)間方向相同的問題。無邊界假設(shè)預(yù)言的宇宙在早期階段的暴漲意味著，宇宙必須以非常接近為避免坍縮所需要的臨界速率膨脹，這樣它在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)才不至坍縮。到那時(shí)候所有的恒星都會(huì)燒盡，而在其中的質(zhì)子和中子可能會(huì)衰變成輕粒子和輻射。宇宙將處于幾乎完全無序的狀態(tài)，這時(shí)就不會(huì)有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間箭頭。由于宇宙已經(jīng)處于幾乎完全無序的狀態(tài)，無序度不會(huì)增加很多。然而，對(duì)于智慧生命的行為來說，一個(gè)強(qiáng)的熱力學(xué)箭頭是必需的。為了生存下去，人類必須消耗能量的一種有序形式——食物，并將其轉(zhuǎn)化成能量的一種無序形式——熱量，所以智慧生命不能在宇宙的收縮相中存在。這就解釋了，為何我們觀察到熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時(shí)間箭頭指向一致。并不是宇宙的膨脹導(dǎo)致無序度的增加，而是無邊界條件引起無序度的增加，并且只有在膨脹相中才有適合智慧生命的條件。
總之，科學(xué)定律并不能區(qū)分前進(jìn)和后退的時(shí)間方向。然而，至少存在有三個(gè)時(shí)間箭頭將過去和將來區(qū)分開來。它們是熱力學(xué)箭頭，這就是無序度增加的時(shí)間方向；心理學(xué)箭頭，即是在這個(gè)時(shí)間方向上，我們能記住過去而不是將來；還有宇宙學(xué)箭頭，也即宇宙膨脹而不是收縮的方向。我指出了心理學(xué)箭頭本質(zhì)上應(yīng)和熱力學(xué)箭頭相同。宇宙的無邊界假設(shè)預(yù)言了定義得很好的熱力學(xué)時(shí)間箭頭，因?yàn)橛钪姹仨殢墓饣⒂行虻臓顟B(tài)開始。并且我們看到，熱力學(xué)箭頭和宇宙學(xué)箭頭的一致，乃是由于智慧生命只能在膨脹相中存在。收縮相是不適合于它的存在的，因?yàn)槟莾簺]有強(qiáng)的熱力學(xué)時(shí)間箭頭。
人類理解宇宙的進(jìn)步，是在一個(gè)無序度增加的宇宙中建立了一個(gè)很小的有序的角落。如果你記住了這本書中的每一個(gè)詞，你的記憶就記錄了大約200萬單位的信息——你頭腦中的有序度就增加了大約200萬單位。然而，當(dāng)你讀這本書時(shí)，你至少將以食物為形式的1千卡路里的有序能量，轉(zhuǎn)換成為以對(duì)流和汗釋放到你周圍空氣中的熱量的形式的無序能量。這就將宇宙的無序度增大了大約20億億億單位，或大約是你頭腦中有序度增量——那是如果你記住這本書的每一件事的話——的1000億億倍。我試圖在下一章更增加一些我們頭腦的有序度，解釋人們?nèi)绾螌⑽颐枋鲞^的部分理論結(jié)合一起，形成一個(gè)完整的統(tǒng)一理論，這個(gè)理論將適用于宇宙中的任何東西。
第十章蟲洞和時(shí)間旅行
我們?cè)谏弦徽掠懻摿?，為什么我們看到時(shí)間向前進(jìn)；為什么無序度增加并且我們記住過去而不是將來。時(shí)間好像是一條筆直的鐵軌，人們只能往一個(gè)方向前進(jìn)。
如果該鐵軌有環(huán)圈以及分叉，使得一直往前開動(dòng)的火車卻返回原先通過的車站，這是怎么回事呢？換言之，人們可能旅行到未來或過去嗎？，
h·g·韋爾斯在《時(shí)間機(jī)器》中探討了這些可能性，正好像其他無數(shù)的科學(xué)幻想作家那樣。科學(xué)幻想的許多觀念，如潛水艇以及飛往月亮等等都被科學(xué)實(shí)現(xiàn)了。那么，時(shí)間旅行的前景如何呢？
1949年庫(kù)爾特·哥德爾發(fā)現(xiàn)了廣義相對(duì)論允許的新的時(shí)空。這首次表明物理學(xué)定律的確允許人們?cè)跁r(shí)間里旅行。哥德爾是一名數(shù)學(xué)家，他因證明了不完備性定理而名震天下。該定理是說，不可能證明所有真的陳述，哪怕你把自己限制去證明在像算術(shù)這么一目了然而且枯燥的學(xué)科中所有真的陳述。這個(gè)定理也許是我們理解和預(yù)言宇宙能力的基本極限，然而迄今它還未成為我們尋求完整統(tǒng)一理論的障礙。
哥德爾在和愛因斯坦于普林斯頓高級(jí)學(xué)術(shù)研究所度過他們晚年時(shí)通曉了廣義相對(duì)論。他的時(shí)空具有一個(gè)古怪的性質(zhì)：整個(gè)宇宙都在旋轉(zhuǎn)。