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霍金的時間簡史

來源:霍金       更新時間:2012-6-21 11:39:05
 

宇宙論是一門既古老又年輕的學科。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年代因哈勃發現了紅移定律后,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,宇宙的物質在引力作用下不可能處于穩定的狀態。即使在愛因斯坦的廣義相對論中,情況也好不到哪兒去,為了得到一個穩定的宇宙模型,他曾將宇宙常數引進理論中。他們都希望在自己的理論中找到穩定的宇宙模型。可見,宇宙演化的觀念并不是產生于這些天才的頭腦之中。
  將哈勃的發現當成現代宇宙論的誕生是公平的。哈勃發現,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。從時間上倒溯到過去,估計在100億到200億年前曾經發生過一樁開天辟地的大事件,即宇宙從一個極其緊致、極熱的狀態中大爆炸而產生。伽莫夫在1948年發表的一篇關于熱大爆炸模型的文章中作出了一個驚人的預言,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。霍金認為宇宙的量子態是處于一種基態,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而已。宇宙中的所有結構都可歸結于量子力學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、恒星等等的成團結構,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展成為可能,還有時間的方向箭頭等等。霍金的量子宇宙論的意義在于它真正使宇宙論成為一門成熟的科學,它是一個自足的理論,即在原則上,單憑科學定律我們便可以將宇宙中的一切都預言出來。
  本書作者是當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的熵聯系在一起。1973年,他考慮黑洞附近的量子效應,發現黑洞會像黑體一樣發出輻射,其輻射的溫度和黑洞質量成反比,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。黑洞輻射的發現具有板其基本的意義,它將引力、量子力學和統計力學統一在一起。
  1974年以后,他的研究轉向量子引力論。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現。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。在量子引力中不存在純態,因果性受到破壞,因此使不可知性從經典統計物理、量子統計物理提高到了量子引力的第三個層次。
  1980年以后,他的興趣轉向量子宇宙論。
  本書的副題是從大爆炸到黑洞。霍金認為他一生的貢獻是,在經典物理的框架里,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所抹平,而且整個宇宙正是起始于此。
  理論物理學的細節在未來的20年中還會有變化,但就觀念而言,現在已經相當完備了。
  霍金的生平是非常富有傳奇性的,在科學成就上,他是有史以來最杰出的科學家之一,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,他自己驅動著電開關。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心產生深深的敬意。從他對譯者私事的幫助可以體會到,他是一位富有人情味的人。每天他必須驅動輪椅從他的家——劍橋西路5號,經過美麗的劍河、古老的國王學院駛到銀街的應用數學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。
  在富有學術傳統的劍橋大學,他目前擔任著也許是有史以來最為崇高的教授職務,那是牛頓和狄拉克擔任過的盧卡遜數學教授。
  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說。
          ——許明賢  吳忠超
             感謝
  1982年我在哈佛作過洛伊伯(Loeb)演講之后,決定嘗試寫一本關于空間和時間的通俗讀物。從像史蒂芬·溫伯格《最初三分鐘》那么好的,到那些甚至我都不想點名的差勁的,關于早期宇宙和黑洞的書已經出版了可觀的數量。然而,我覺得它們之中的任何一本都未真正提到那些導致我研究宇宙學和量子理論的動機的問題:宇宙從何而來?它為什么,井怎么樣開始的?它會有末日嗎?如果有的話,會發生什么?這些是我們大家都感興趣的問題。但是現代科學變得如此之技術化,以至于僅有極少數的專家能掌握解釋這些問題所用到的數學。不過關于宇宙的起源和命運的基本概念則可以離開數學,以一種沒有受過科學訓練的人也能理解的形式來加以陳述。這就是我在這本書里試圖要做的,是否成功則要由讀者判斷了。
  有人告訴我,我放在書中的每一個方程都會使本書的銷售量減半,為此我決定一個方程也不用。然而,在最后我確實用了一個方程,即愛因斯坦著名的方程E=mc^2,我希望這個方程不會嚇跑一半我的潛在讀者。
  除了夠倒霉地得了盧伽雷即運動神經細胞的病外,我幾乎在其他每個方面都是幸運兒。我從我的妻子筒、我的孩子羅伯特、露西和梯米那兒得到的幫助和支持,使我能有一個相當正常的生活和成功的事業。我選擇了理論物理是又一大幸,因為它是整個用腦進行的。所以我的癱瘓并沒有成為一個嚴重的障礙。我的科學同事無一例外地都是非常樂于助人的。
  在我生涯的第一個“經典”相期間,我主要的合作者及助手有羅杰·彭羅斯、羅伯特·格羅許、布蘭登·卡特和喬治·埃里斯。我對他們給予我的幫助以及我們一起做的工作深表感謝。這一相被概括為我和埃里斯合寫于1973年的《空間時間的大尺度結構》一書中。我并不主張本書的讀者去啃那本書來獲得進一步的了解:它是高度技術性的,很難讀通。我希望從寫了那本書之后我懂得了用何種寫法才能容易被理解。
  在我的工作的第二個“量子”相期間,從1974年起我主要的合作者是蓋瑞·吉朋斯、當·佩奇和詹姆·哈特爾。我欠了他們和我的學生們很多情。他們不僅在身體上,而且在理論上都給了我極大的幫助。保持和我的學生相處在一起是一個巨大的激勵,同時我希望這能幫助我免于因循守舊。
  就這本書而言,我從我的一個學生布里安·維特那兒得到許多幫助。1985年我在完成了第一稿后得了肺炎。我不得不接受穿氣管的手術。這個手術使我喪失了說話的能力,從而使我幾乎無法和人交談。我想可能完成不了這本書了。然而,布里安不僅幫助我修改,還使我學會使用一個叫做“生活中心”的通訊程序。這是由加利福尼亞太陽谷峨而茲·帕拉斯公司的瓦特·沃爾托茲捐贈的,我可以用它寫書和寫論文,并用語言合成器對人講話。這合成器也是由加利福尼亞太陽谷的語言及其他公司捐贈的。語言合成器和一個小型的個人計算機由大衛·梅森裝在我的輪椅上。這個系統使我有了巨大的變化:實際上我現在能夠通訊得比我失聲之前還要好。
  我從大量看過最初稿的人那兒得到如何改進此書的建議,特別是我的拜泰姆書社的編輯彼得·古查底送給我厚厚的一迭關于他覺得我還沒有適當說清楚的地方的評語和疑問。我必須承認。當我收到他長長的要修改的地方的清單時相當惱火。可是,他是完全對的。我相信在他的酷使下,最終使這本書變得更好。
  我非常感謝我的助手柯林·威廉斯、大衛·托瑪斯和雷蒙·拉夫勒蒙;我的秘書朱迪·費拉、安·若爾夫、謝銳爾·比林頓和舒·馬賽以及我的護士班。若沒有龔維爾和凱爾斯學院、科學工程研究協會、賴佛荷爾姆、馬克阿瑟、納菲爾德及若爾夫·斯密斯基金會所提供的我的研究和醫藥費用,所有這一切都是不可能的。對此謹表謝意。
         ——史蒂芬·霍金
          1987年10月20日
             導言
  我們在幾乎對世界毫無了解的情形下進行日常生活。我們對于使生命得以實現的陽光的產生機制,對于將我們束縛在地球上,否則我們就會以渦旋的軌道被拋到太空去的重力,對于我們由之構成并依賴其穩定性的原子思考得很少。除了小孩(他們知道太少,會不知輕重地問重要的問題),我們中很少人會用大量時間驚訝自然界為何這個樣子;宇宙從何而來或它是否總在這兒;時間會不會有朝一日倒流,并因此導致果先于因;或者人類認識是否有一最終的權限。甚至我曾遇到一些小孩,他們想要知道黑洞是什么樣的?物質的最小的部份是什么?為何我們記住過去而不是將來;如果早先是紊亂的,則今天顯然是有序的,這究竟是怎么回事?為何存在一個宇宙?
  在我們社會里,父母或老師仍然依慣例用聳肩膀或借助模糊回想起的宗教格言去回答這些問題的大部份。有一些人則對這一類的問題感到不舒服,因為它們如此生動地暴露了人類理解的局限性。
  但是,哲學和科學的大部份即是由這種好奇心所驅動的。越來越多的成年人愿意問這類問題,并且他們偶爾得到一些使其驚奇的答案。我們這些離開原子和恒星同樣遠的人類,正在擴大自己探索的視野去擁抱這非常小和非常大的對象。
  1974年初,大約在海盜空間飛船登陸火星之前兩年,我參加在英國由倫敦皇家學會主辦的關于探索如何尋找天外生命的會議。
  在會議中間休息時,我注意到在隔壁的大廳镎儺幸桓齦蟮枚嗟幕嵋椋鲇諍悶嫘奈醫チ恕N液蕓煲饈兜階約杭ち艘桓齬糯囊鞘劍且桓魴祿嵩輩渭踴始已Щ帷飧霰拘行巧獻罟爬系難踝櫓氖謚笆健G芭乓晃輝諑忠沃械哪昵崛蘇淺;郝智┰諞槐臼檣希獗臼櫚淖釙耙呈且寥恕づ6俚那┟5彼詈笄┖檬保鏘炱鵒艘徽笙熗戀惱粕J返俜搖せ艚穡踔獵諛鞘本褪且晃淮抵械娜宋鎩?br>   現在霍金是劍橋大學的盧卡遜數學教授。這個職務曾為牛頓,后來又為狄拉克,這兩位非常大和非常小的世界的有名的探索者擔任過。他是他們的毫不遜色的繼承人。這本霍金首次為非專家寫的書,會給外行讀者以多種類的酬勞。和這本書的廣泛的內容一樣有趣的是對作者智力工作的瀏覽。物理、天文、宇宙學和勇氣的前沿被清晰地呈現在本書之中。
  這又是一本關于上帝……或許是關于上帝不存在的書。處處充滿了上帝這個字眼。霍金著手回答愛因斯坦著名的關于上帝在創生宇宙時有無選擇性的問題。正如霍金明白聲稱的,他企圖要去理解上帝的精神。這使得迄今所有努力的結論更加出人意外:一個空間上無邊緣、時間上無始無終、并且造物主無所事事的宇宙。
           ——卡爾·沙岡
           康奈爾大學
           綺色佳,紐約州
         第一章 我們的宇宙圖象
  一位著名的科學家(據說是貝特郎·羅素)曾經作過一次關于天文學方面的講演。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動。演講結束之時,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的背上的一塊平板。”這位科學家很有教養地微笑著答道:“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啊!”
  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,在這開端之前發生了什么?時間的本質是什么?它會有一個終結嗎?在物理學上的一些最新突破,使一部分奇妙的新技術得以實現,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。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,希臘哲學家亞里士多德在他的《論天》一書中,就已經能夠對于地球是一個圓球而不是一塊平板這一論點提出兩個很好的論據。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。)根據北極星在埃及和在希臘呈現出來的位置的差別,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碼左右,這樣就使得亞里士多德的估計為現在所接受數值的兩倍。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個論據,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?
  亞里士多德認為地球是不動的,太陽、月亮、行星和恒星都以圓周為軌道圍繞著它轉動。他相信這些,是由于神秘的原因,他感到地球是宇宙的中心,而且圓周運動最為完美。在公元后兩世紀,這個思想被托勒密精制成一個完整的宇宙學模型。地球處于正中心,包圍著它的是八個天球,這八個天球分別負載著月亮、太陽、恒星和五個當時已知的行星:水星、金星、火星、木星和土星(圖1.1)。這些行星被認為是沿著附在相應天球上的更小的圓周運動,以說明它們在天空中被觀察到的相當復雜的軌跡。最外層的天球被鑲上固定的恒星,它們總是停在不變的相對位置,但是總體繞著天空旋轉。最后一層天球之外為何物一直不清楚,但有一點是肯定的,它不是人類所能觀測到的宇宙的部分。

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