《時(shí)間簡(jiǎn)史》——從大爆炸到黑洞

作者：史蒂芬·霍金

譯者：許明賢、吳忠超譯

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宇宙論是一門(mén)既古老又年輕的學(xué)科。作為宇宙里高等生物的人類(lèi)不會(huì)滿足于自身的生存和種族的綿延，還一代代不懈地探索著存在和生命的意義。但是，人類(lèi)理念的進(jìn)化是極其緩慢和艱苦的。從亞里士多德——托勒密的地心說(shuō)到哥白尼——伽利略的日心說(shuō)的演化就花了2000年的時(shí)間。令人吃驚的是，盡管人們知道世間的一切都在運(yùn)動(dòng)，只是到了本世紀(jì)20年代因哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移定律后，宇宙演化的觀念才進(jìn)入人類(lèi)的意識(shí)。人們甚至從來(lái)沒(méi)有想到過(guò)宇宙還會(huì)演化。牛頓的萬(wàn)有引力定律表明，宇宙的物質(zhì)在引力作用下不可能處于穩(wěn)定的狀態(tài)。即使在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中，情況也好不到哪兒去，為了得到一個(gè)穩(wěn)定的宇宙模型，他曾將宇宙常數(shù)引進(jìn)理論中。他們都希望在自己的理論中找到穩(wěn)定的宇宙模型。可見(jiàn)，宇宙演化的觀念并不是產(chǎn)生于這些天才的頭腦之中。

可以公平的說(shuō)，哈勃的觀測(cè)標(biāo)志著現(xiàn)代宇宙論的誕生。哈勃發(fā)現(xiàn)，從星系光譜的紅移可以推斷，越遠(yuǎn)的星系以越快的速度離開(kāi)我們而去，這表明整個(gè)宇宙處于膨脹的狀態(tài)。從時(shí)間上倒溯到過(guò)去，估計(jì)在100億到200億年前曾經(jīng)發(fā)生過(guò)一樁開(kāi)天辟地的大事件，即宇宙從一個(gè)極其緊致、極熱的狀態(tài)中大爆炸而產(chǎn)生。伽莫夫在1948年發(fā)表的一篇關(guān)于熱大爆炸模型的文章中作出了一個(gè)驚人的預(yù)言，早期大爆炸的輻射仍殘存在我們周?chē)贿^(guò)由于宇宙膨脹引起的紅移，其絕對(duì)溫度只余下幾度左右，在這種溫度下，輻射是處于微波的波段。但在1965年彭齊亞斯和威爾遜觀測(cè)到宇宙微波背景輻射之前，人們并不認(rèn)真對(duì)待此預(yù)言。

一般認(rèn)為，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是用于描述宇宙演化的正確的理論。在經(jīng)典廣義相對(duì)論的框架里，霍金和彭羅斯證明了，在很一般的條件下，空間——時(shí)間一定存在奇點(diǎn)，最著名的奇點(diǎn)即是黑洞里的奇點(diǎn)以及宇宙大爆炸處的奇點(diǎn)。在奇點(diǎn)處，所有定律以及可預(yù)見(jiàn)性都失效。奇點(diǎn)可以看成空間時(shí)間的邊緣或邊界。只有給定了奇點(diǎn)處的邊界條件，才能由愛(ài)因斯坦方程得到宇宙的演化。由于邊界條件只能由宇宙外的造物主所給定，所以宇宙的命運(yùn)就操縱在造物主的手中。這就是從牛頓時(shí)代起一直困擾人類(lèi)智慧的第一推動(dòng)問(wèn)題。

如果空間——時(shí)間沒(méi)有邊界，則就不必勞駕上帝進(jìn)行第一推動(dòng)了。這只有在量子引力論中才能做到。霍金認(rèn)為宇宙的量子態(tài)是處于一種基態(tài)，空間——時(shí)間可看成一有限無(wú)界的四維面，正如地球的表面一樣，只不過(guò)多了兩個(gè)維數(shù)而已。宇宙中的所有結(jié)構(gòu)都可歸結(jié)于量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理所允許的最小起伏。從一些簡(jiǎn)單的模型計(jì)算可得出和天文觀測(cè)相一致的推論，如星系、恒星等等的成團(tuán)結(jié)構(gòu)，大尺度的各向同性和均勻性，空間——時(shí)間的平性，即空間——時(shí)間基本上是平坦的，并因此才使得星系乃至生命的發(fā)展成為可能，還有時(shí)間的方向箭頭等等。霍金的量子宇宙論的意義在于它真正使宇宙論成為一門(mén)成熟的科學(xué)，它是一個(gè)自足的理論，即在原則上，單憑科學(xué)定律我們便可以將宇宙中的一切都預(yù)言出來(lái)。

本書(shū)作者是當(dāng)代最重要的廣義相對(duì)論家和宇宙論家。70年代他和彭羅斯一道證明了著名的奇性定理，為此他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎(jiǎng)。他還證明了黑洞的面積定理，即隨著時(shí)間的增加黑洞的面積不減。這很自然使人將黑洞的面積和熱力學(xué)的熵聯(lián)系在一起。1973年，他考慮黑洞附近的量子效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)像黑體一樣發(fā)出輻射，其輻射的溫度和黑洞質(zhì)量成反比，這樣黑洞就會(huì)因?yàn)檩椛涠冃。鴾囟葏s越變?cè)礁撸宰詈笠豢痰谋ǘ娼K。黑洞輻射的發(fā)現(xiàn)具有板其基本的意義，它將引力、量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)一在一起。

1974年以后，他的研究轉(zhuǎn)向量子引力論。雖然人們還沒(méi)有得到一個(gè)成功的理論，但它的一些特征已被發(fā)現(xiàn)。例如，空間——時(shí)間在普郎克尺度（10-33厘米）下不是平坦的，而是處于一種泡沫的狀態(tài)。在量子引力中不存在純態(tài)，因果性受到破壞，因此使不可知性從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理、量子統(tǒng)計(jì)物理提高到了量子引力的第三個(gè)層次。

1980年以后，他的興趣轉(zhuǎn)向量子宇宙論。

本書(shū)的副題是從大爆炸到黑洞。霍金認(rèn)為他一生的貢獻(xiàn)是，在經(jīng)典物理的框架里，證明了黑洞和大爆炸奇點(diǎn)的不可避免性，黑洞越變?cè)酱螅坏诹孔游锢淼目蚣芾铮赋觯诙匆蜉椛涠阶冊(cè)叫。蟊ǖ钠纥c(diǎn)不但被量子效應(yīng)所抹平，而且整個(gè)宇宙正是起始于此。

理論物理學(xué)的細(xì)節(jié)在未來(lái)的20年中還會(huì)有變化，但就觀念而言，現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)完備了。

霍金的生平是非常富有傳奇性的，在科學(xué)成就上，他是有史以來(lái)最杰出的科學(xué)家之一，他的貢獻(xiàn)是在他20年之久被盧伽雷病禁錮在輪椅上的情況下做出的，這真正是空前的。因?yàn)樗呢暙I(xiàn)對(duì)于人類(lèi)的觀念有深遠(yuǎn)的影響，所以媒介早已有許多關(guān)于他如何與全身癱瘓作搏斗的描述。盡管如此，譯者之一于1979年第一回見(jiàn)到他時(shí)的情景至今還歷歷在目。那是第一次參加劍橋霍金廣義相對(duì)論小組的討論班時(shí)，門(mén)打開(kāi)后，忽然腦后響起一種非常微弱的電器的聲音，回頭一看，只見(jiàn)一個(gè)骨瘦如柴的人斜躺在電動(dòng)輪椅上，他自己驅(qū)動(dòng)著電開(kāi)關(guān)。譯者盡量保持禮貌而不顯出過(guò)分吃驚，但是他對(duì)首次見(jiàn)到他的人對(duì)其殘廢程度的吃驚早已習(xí)慣。他要用很大努力才能舉起頭來(lái)。在失聲之前，只能用非常微弱的變形的語(yǔ)言交談，這種語(yǔ)言只有在陪他工作、生活幾個(gè)月后才能通曉。他不能寫(xiě)字，看書(shū)必須依賴于一種翻書(shū)頁(yè)的機(jī)器，讀文獻(xiàn)時(shí)必須讓人將每一頁(yè)攤平在一張大辦公桌上，然后他驅(qū)動(dòng)輪椅如蠶吃桑葉般地逐頁(yè)閱讀。人們不得不對(duì)人類(lèi)中居然有以這般堅(jiān)強(qiáng)意志追求終極真理的靈魂從內(nèi)心產(chǎn)生深深的敬意。每天他必須驅(qū)動(dòng)輪椅從他的家——?jiǎng)蛭髀?號(hào)，經(jīng)過(guò)美麗的劍河、古老的國(guó)王學(xué)院駛到銀街的應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理系的辦公室。該系為了他的輪椅行走便利特地修了一段斜坡。

在富有學(xué)術(shù)傳統(tǒng)的劍橋大學(xué)，他目前擔(dān)任著也許是有史以來(lái)最為崇高的教授職務(wù)，那是牛頓和狄拉克擔(dān)任過(guò)的盧卡遜數(shù)學(xué)教授。

本書(shū)譯者之一曾受教于霍金達(dá)四年之久，并在他的指導(dǎo)下完成了博士論文。此書(shū)即是受霍金之托而譯成中文，以供占人類(lèi)五分之一的人口了解他的學(xué)說(shuō)。

——許明賢吳忠超

第一章我們的宇宙圖像

一位著名的科學(xué)家（據(jù)說(shuō)是貝特郎·羅素）曾經(jīng)作過(guò)一次關(guān)于天文學(xué)方面的講演。他描述了地球如何繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，以及太陽(yáng)又是如何繞著我們稱(chēng)之為星系的巨大的恒星群的中心轉(zhuǎn)動(dòng)。演講結(jié)束之時(shí)，一位坐在房間后排的矮個(gè)老婦人站起來(lái)說(shuō)道：“你說(shuō)的這些都是廢話。這個(gè)世界實(shí)際上是馱在一只大烏龜?shù)谋成系囊粔K平板。”這位科學(xué)家很有教養(yǎng)地微笑著答道：“那么這只烏龜是站在什么上面的呢？”“你很聰明，年輕人，的確很聰明，”老婦人說(shuō)，“不過(guò)，這是一只馱著一只一直馱下去的烏龜群啊！”

大部分人會(huì)覺(jué)得，把我們的宇宙喻為一個(gè)無(wú)限的烏龜塔相當(dāng)荒謬，可是為什么我們自以為知道得更多一些呢？我們對(duì)宇宙了解了多少？而我們又是怎樣才知道的呢？宇宙從何而來(lái)，又將向何處去？宇宙有開(kāi)端嗎？如果有的話，在這開(kāi)端之前發(fā)生了什么？時(shí)間的本質(zhì)是什么？它會(huì)有一個(gè)終結(jié)嗎？在物理學(xué)上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)于回答這些長(zhǎng)期以來(lái)懸而未決問(wèn)題中的某些問(wèn)題有所啟發(fā)。也許有一天這些答案會(huì)像我們認(rèn)為地球繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)那樣顯而易見(jiàn)——當(dāng)然也可能像烏龜塔那般荒唐可笑。不管怎樣，唯有讓時(shí)間來(lái)判斷了。

早在公元前340年，希臘哲學(xué)家亞里士多德在他的《論天》一書(shū)中，就已經(jīng)能夠?qū)τ诘厍蚴且粋€(gè)圓球而不是一塊平板這一論點(diǎn)提出兩個(gè)很好的論據(jù)。第一，他認(rèn)為月食是由于地球運(yùn)行到太陽(yáng)與月亮之間而造成的。地球在月亮上的影子總是圓的，這只有在地球本身為球形的前提下才成立。如果地球是一塊平坦的圓盤(pán)，除非月食總是發(fā)生在太陽(yáng)正好位于這個(gè)圓盤(pán)中心之下的時(shí)候，否則地球的影子就會(huì)被拉長(zhǎng)而成為橢圓。

第二，希臘人從旅行中知道，在越往南的地區(qū)看星空，北極星則顯得越靠近地平線。（因?yàn)楸睒O星位于北極的正上方，所以它出現(xiàn)在處于北極的觀察者的頭頂上，而對(duì)于赤道上的觀察者，北極星顯得剛好在地平線上。）根據(jù)北極星在埃及和在希臘呈現(xiàn)出來(lái)的位置的差別，亞里士多德甚至估計(jì)地球大圓長(zhǎng)度為400斯特迪亞。現(xiàn)在不能準(zhǔn)確地知道，一個(gè)斯特迪亞的長(zhǎng)度究竟是多少，但也許是200（1碼=米）碼左右，這樣就使得亞里士多德的估計(jì)為現(xiàn)在所接受數(shù)值的兩倍。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個(gè)論據(jù)，否則何以從地平線外駛來(lái)的船總是先露出船帆，然后才是船身？