《時間簡史》——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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宇宙論是一門既古老又年輕的學(xué)科。作為宇宙里高等生物的人類不會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，人類理念的進化是極其緩慢和艱苦的。從亞里士多德——托勒密的地心說到哥白尼——伽利略的日心說的演化就花了2000年的時間。令人吃驚的是，盡管人們知道世間的一切都在運動，只是到了本世紀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入人類的意識。人們甚至從來沒有想到過宇宙還會演化。牛頓的萬有引力定律表明，宇宙的物質(zhì)在引力作用下不可能處于穩(wěn)定的狀態(tài)。即使在愛因斯坦的廣義相對論中，情況也好不到哪兒去，為了得到一個穩(wěn)定的宇宙模型，他曾將宇宙常數(shù)引進理論中。他們都希望在自己的理論中找到穩(wěn)定的宇宙模型。可見，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，哈勃的觀測標志著現(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，越遠的星系以越快的速度離開我們而去，這表明整個宇宙處于膨脹的狀態(tài)。從時間上倒溯到過去，估計在100億到200億年前曾經(jīng)發(fā)生過一樁開天辟地的大事件，即宇宙從一個極其緊致、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驚人的預(yù)言，早期大爆炸的輻射仍殘存在我們周圍，不過由于宇宙膨脹引起的紅移，其絕對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到宇宙微波背景輻射之前，人們并不認真對待此預(yù)言。

一般認為，愛因斯坦的廣義相對論是用于描述宇宙演化的正確的理論。在經(jīng)典廣義相對論的框架里，霍金和彭羅斯證明了，在很一般的條件下，空間——時間一定存在奇點，最著名的奇點即是黑洞里的奇點以及宇宙大爆炸處的奇點。在奇點處，所有定律以及可預(yù)見性都失效。奇點可以看成空間時間的邊緣或邊界。只有給定了奇點處的邊界條件，才能由愛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，所以宇宙的命運就操縱在造物主的手中。這就是從牛頓時代起一直困擾人類智慧的第一推動問題。

如果空間——時間沒有邊界，則就不必勞駕上帝進行第一推動了。這只有在量子引力論中才能做到?；艚鹫J為宇宙的量子態(tài)是處于一種基態(tài)，空間——時間可看成一有限無界的四維面，正如地球的表面一樣，只不過多了兩個維數(shù)而已。宇宙中的所有結(jié)構(gòu)都可歸結(jié)于量子力學(xué)的測不準原理所允許的最小起伏。從一些簡單的模型計算可得出和天文觀測相一致的推論，如星系、恒星等等的成團結(jié)構(gòu)，大尺度的各向同性和均勻性，空間——時間的平性，即空間——時間基本上是平坦的，并因此才使得星系乃至生命的發(fā)展成為可能，還有時間的方向箭頭等等?；艚鸬牧孔佑钪嬲摰囊饬x在于它真正使宇宙論成為一門成熟的科學(xué)，它是一個自足的理論，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。

本書作者是當(dāng)代最重要的廣義相對論家和宇宙論家。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。他還證明了黑洞的面積定理，即隨著時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，這樣黑洞就會因為輻射而慢慢變小，而溫度卻越變越高，它以最后一刻的爆炸而告終。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。雖然人們還沒有得到一個成功的理論，但它的一些特征已被發(fā)現(xiàn)。例如，空間——時間在普郎克尺度（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)計物理、量子統(tǒng)計物理提高到了量子引力的第三個層次。

1980年以后，他的興趣轉(zhuǎn)向量子宇宙論。

本書的副題是從大爆炸到黑洞?；艚鹫J為他一生的貢獻是，在經(jīng)典物理的框架里，證明了黑洞和大爆炸奇點的不可避免性，黑洞越變越大；但在量子物理的框架里，他指出，黑洞因輻射而越變越小，大爆炸的奇點不但被量子效應(yīng)所抹平，而且整個宇宙正是起始于此。

理論物理學(xué)的細節(jié)在未來的20年中還會有變化，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，他是有史以來最杰出的科學(xué)家之一，他的貢獻是在他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。因為他的貢獻對于人類的觀念有深遠的影響，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年第一回見到他時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論小組的討論班時，門打開后，忽然腦后響起一種非常微弱的電器的聲音，回頭一看，只見一個骨瘦如柴的人斜躺在電動輪椅上，他自己驅(qū)動著電開關(guān)。譯者盡量保持禮貌而不顯出過分吃驚，但是他對首次見到他的人對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。在失聲之前，只能用非常微弱的變形的語言交談，這種語言只有在陪他工作、生活幾個月后才能通曉。他不能寫字，看書必須依賴于一種翻書頁的機器，讀文獻時必須讓人將每一頁攤平在一張大辦公桌上，然后他驅(qū)動輪椅如蠶吃桑葉般地逐頁閱讀。人們不得不對人類中居然有以這般堅強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)動輪椅從他的家——劍橋西路5號，經(jīng)過美麗的劍河、古老的國王學(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最為崇高的教授職務(wù)，那是牛頓和狄拉克擔(dān)任過的盧卡遜數(shù)學(xué)教授。

本書譯者之一曾受教于霍金達四年之久，并在他的指導(dǎo)下完成了博士論文。此書即是受霍金之托而譯成中文，以供占人類五分之一的人口了解他的學(xué)說。

——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)說是貝特郎·羅素）曾經(jīng)作過一次關(guān)于天文學(xué)方面的講演。他描述了地球如何繞著太陽運動，以及太陽又是如何繞著我們稱之為星系的巨大的恒星群的中心轉(zhuǎn)動。演講結(jié)束之時，一位坐在房間后排的矮個老婦人站起來說道：“你說的這些都是廢話。這個世界實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，“不過，這是一只馱著一只一直馱下去的烏龜群?。　?

大部分人會覺得，把我們的宇宙喻為一個無限的烏龜塔相當(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，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在這開端之前發(fā)生了什么？時間的本質(zhì)是什么？它會有一個終結(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)得以實現(xiàn)，從而對于回答這些長期以來懸而未決問題中的某些問題有所啟發(fā)。也許有一天這些答案會像我們認為地球繞著太陽運動那樣顯而易見——當(dāng)然也可能像烏龜塔那般荒唐可笑。不管怎樣，唯有讓時間來判斷了。

早在公元前340年，希臘哲學(xué)家亞里士多德在他的《論天》一書中，就已經(jīng)能夠?qū)τ诘厍蚴且粋€圓球而不是一塊平板這一論點提出兩個很好的論據(jù)。第一，他認為月食是由于地球運行到太陽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，除非月食總是發(fā)生在太陽正好位于這個圓盤中心之下的時候，否則地球的影子就會被拉長而成為橢圓。

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。（因為北極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)出來的位置的差別，亞里士多德甚至估計地球大圓長度為400斯特迪亞。現(xiàn)在不能準確地知道，一個斯特迪亞的長度究竟是多少，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論據(jù)，否則何以從地平線外駛來的船總是先露出船帆，然后才是船身？