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第1章 在我生涯的第一个经典相期间

《时间简史》

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译者序

宇宙论是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙里高等生物的人类不会满足于自身的生存和种族的绵延,还一代代不懈地探索着存在和生命的意义。但是,人类理念的进化是极其缓慢和艰苦的。从亚里士多德——托勒密的地心说到哥白尼——伽利略的日心说的演化就花了2000年的时间。令人吃惊的是,尽管人们知道世间的一切都在运动,只是到了本世纪20年代因哈勃发现了红移定律后,宇宙演化的观念才进入人类的意识。人们甚至从来没有想到过宇宙还会演化。牛顿的万有引力定律表明,宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态。即使在爱因斯坦的广义相对论中,情况也好不到哪儿去,为了得到一个稳定的宇宙模型,他曾将宇宙常数引进理论中。他们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型。可见,宇宙演化的观念并不是产生于这些天才的头脑之中。

将哈勃的发现当成现代宇宙论的诞生是公平的。哈勃发现,从星系光谱的红移可以推断,越远的星系以越快的速度离开我们而去,这表明整个宇宙处于膨胀的状态。从时间上倒溯到过去,估计在100亿到200亿年前曾经发生过一桩开天辟地的大事件,即宇宙从一个极其紧致、极热的状态中大爆炸而产生。伽莫夫在1948年发表的一篇关于热大爆炸模型的文章中作出了一个惊人的预言,早期大爆炸的辐射仍残存在我们周围,不过由于宇宙膨胀引起的红移,其绝对温度只余下几度左右,在这种温度下,辐射是处于微波的波段。但在196年彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前,人们并不认真对待此预言。

一般认为,爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在经典广义相对论的框架里,霍金和彭罗斯证明了,在很一般的条件下,空间——时间一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点。在奇点处,所有定律以及可预见性都失效。奇点可以看成空间时间的边缘或边界。只有给定了奇点处的边界条件,才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给定,所以宇宙的命运就操纵在造物主的手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题。

如果空间——时间没有边界,则就不必劳驾上帝进行第一推动了。这只有在量子引力论中才能做到。霍金认为宇宙的量子态是处于一种基态,空间——时间可看成一有限无界的四维面,正如地球的表面一样,只不过多了两个维数而已。宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。从一些简单的模型计算可得出和天文观测相一致的推论,如星系、恒星等等的成团结构,大尺度的各向同性和均匀性,空间——时间的平性,即空间——时间基本上是平坦的,并因此才使得星系乃至生命的发展成为可能,还有时间的方向箭头等等。霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学,它是一个自足的理论,即在原则上,单凭科学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来。

本书作者是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。70年代他和彭罗斯一道证明了著名的奇性定理,为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减。这很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起。1973年,他考虑黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像黑体一样发出辐射,其辐射的温度和黑洞质量成反比,这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小,而温度却越变越高,它以最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义,它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。

1974年以后,他的研究转向量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论,但它的一些特征已被发现。例如,空间——时间在普郎克尺度(10^-33厘米)下不是平坦的,而是处于一种泡沫的状态。在量子引力中不存在纯态,因果性受到破坏,因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。

1980年以后,他的兴趣转向量子宇宙论。

本书的副题是从大爆炸到黑洞。霍金认为他一生的贡献是,在经典物理的框架里,证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性,黑洞越变越大;但在量子物理的框架里,他指出,黑洞因辐射而越变越小,大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平,而且整个宇宙正是起始于此。

理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化,但就观念而言,现在已经相当完备了。

霍金的生平是非常富有传奇性的,在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之一,他的贡献是在他20年之久被卢伽雷病禁锢在轮椅上的情况下做出的,这真正是空前的。因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响,所以媒介早已有许多关于他如何与全身瘫痪作搏斗的描述。尽管如此,译者之一于1979年第一回见到他时的情景至今还历历在目。那是第一次参加剑桥霍金广义相对论小组的讨论班时,门打开后,忽然脑后响起一种非常微弱的电器的声音,回头一看,只见一个骨瘦如柴的人斜躺在电动轮椅上,他自己驱动着电开关。译者尽量保持礼貌而不显出过分吃惊,但是他对首次见到他的人对其残废程度的吃惊早已习惯。他要用很大努力才能举起头来。在失声之前,只能用非常微弱的变形的语言交谈,这种语言只有在陪他工作、生活几个月后才能通晓。他不能写字,看书必须依赖于一种翻书页的机器,读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公桌上,然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般地逐页阅读。人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬意。从他对译者私事的帮助可以体会到,他是一位富有人情味的人。每天他必须驱动轮椅从他的家——剑桥西路号,经过美丽的剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学和理论物理系的办公室。该系为了他的轮椅行走便利特地修了一段斜坡。

在富有学术传统的剑桥大学,他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职务,那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。

本书译者之一曾受教于霍金达四年之久,并在他的指导下完成了博士论文。此书即是受霍金之托而译成中文,以供占人类五分之一的人口了解他的学说。

——许明贤吴忠超

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时间简史感谢

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1982年我在哈佛作过洛伊伯(loeb)演讲之后,决定尝试写一本关于空间和时间的通俗读物。从像史蒂芬?温伯格《最初三分钟》那么好的,到那些甚至我都不想点名的差劲的,关于早期宇宙和黑洞的书已经出版了可观的数量。然而,我觉得它们之中的任何一本都未真正提到那些导致我研究宇宙学和量子理论的动机的问题:宇宙从何而来?

它为什么,井怎么样开始的?它会有末日吗?如果有的话,会发生什么?这些是我们大家都感兴趣的问题。但是现代科学变得如此之技术化,以至于仅有极少数的专家能掌握解释这些问题所用到的数学。不过关于宇宙的起源和命运的基本概念则可以离开数学,以一种没有受过科学训练的人也能理解的形式来加以陈述。这就是我在这本书里试图要做的,是否成功则要由读者判断了。

有人告诉我,我放在书中的每一个方程都会使本书的销售量减半,为此我决定一个方程也不用。然而,在最后我确实用了一个方程,即爱因斯坦著名的方程e=mc^2,我希望这个方程不会吓跑一半我的潜在读者。

除了够倒霉地得了卢伽雷即运动神经细胞的病外,我几乎在其他每个方面都是幸运儿。我从我的妻子筒、我的孩子罗伯特、露西和梯米那儿得到的帮助和支持,使我能有一个相当正常的生活和成功的事业。我选择了理论物理是又一大幸,因为它是整个用脑进行的。所以我的瘫痪并没有成为一个严重的障碍。我的科学同事无一例外地都是非常乐于助人的。

在我生涯的第一个“经典”相期间,我主要的合作者及助手有罗杰?彭罗斯、罗伯特?格罗许、布兰登?卡特和乔治?埃里斯。我对他们给予我的帮助以及我们一起做的工作深表感谢。这一相被概括为我和埃里斯合写于1973年的《空间时间的大尺度结构》一书中。我并不主张本书的读者去啃那本书来获得进一步的了解:它是高度技术性的,很难读通。我希望从写了那本书之后我懂得了用何种写法才能容易被理解。

在我的工作的第二个“量子”相期间,从1974年起我主要的合作者是盖瑞?吉朋斯、当?佩奇和詹姆?哈特尔。我欠了他们和我的学生们很多情。他们不仅在身体上,而且在理论上都给了我极大的帮助。保持和我的学生相处在一起是一个巨大的激励,同时我希望这能帮助我免于因循守旧。

就这本书而言,我从我的一个学生布里安?维特那儿得到许多帮助。1985年我在完成了第一稿后得了肺炎。我不得不接受穿气管的手术。这个手术使我丧失了说话的能力,从而使我几乎无法和人交谈。我想可能完成不了这本书了。然而,布里安不仅帮助我修改,还使我学会使用一个叫做“生活中心”的通讯程序。这是由加利福尼亚太阳谷峨而兹?帕拉斯公司的瓦特?沃尔托兹捐赠的,我可以用它写书和写论文,并用语言合成器对人讲话。这合成器也是由加利福尼亚太阳谷的语言及其他公司捐赠的。语言合成器和一个小型的个人计算机由大卫?梅森装在我的轮椅上。这个系统使我有了巨大的变化:实际上我现在能够通讯得比我失声之前还要好。

我从大量看过最初稿的人那儿得到如何改进此书的建议,特别是我的拜泰姆书社的编辑彼得?古查底送给我厚厚的一迭关于他觉得我还没有适当说清楚的地方的评语和疑问。我必须承认。当我收到他长长的要修改的地方的清单时相当恼火。可是,他是完全对的。我相信在他的酷使下,最终使这本书变得更好。

我非常感谢我的助手柯林?威廉斯、大卫?托玛斯和雷蒙?拉夫勒蒙;我的秘书朱迪?费拉、安?若尔夫、谢锐尔?比林顿和舒?马赛以及我的护士班。若没有龚维尔和凯尔斯学院、科学工程研究协会、赖佛荷尔姆、马克阿瑟、纳菲尔德及若尔夫?斯密斯基金会所提供的我的研究和医药费用,所有这一切都是不可能的。对此谨表谢意。

——史蒂芬?霍金1987年10月20日

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我们在几乎对世界毫无了解的情形下进行日常生活。我们对于使生命得以实现的阳光的产生机制,对于将我们束缚在地球上,否则我们就会以涡旋的轨道被抛到太空去的重力,对于我们由之构成并依赖其稳定性的原子思考得很少。除了小孩(他们知道太少,会不知轻重地问重要的问题),我们中很少人会用大量时间惊讶自然界为何这个样子;宇宙从何而来或它是否总在这儿;时间会不会有朝一日倒流,并因此导致果先于因;或者人类认识是否有一最终的权限。甚至我曾遇到一些小孩,他们想要知道黑洞是什么样的?物质的最小的部份是什么?为何我们记住过去而不是将来;如果早先是紊乱的,则今天显然是有序的,这究竟是怎么回事?为何存在一个宇宙?

在我们社会里,父母或老师仍然依惯例用耸肩膀或借助模糊回想起的宗教格言去回答这些问题的大部份。有一些人则对这一类的问题感到不舒服,因为它们如此生动地暴露了人类理解的局限性。

但是,哲学和科学的大部份即是由这种好奇心所驱动的。越来越多的成年人愿意问这类问题,并且他们偶尔得到一些使其惊奇的答案。我们这些离开原子和恒星同样远的人类,正在扩大自己探索的视野去拥抱这非常小和非常大的对象。

1974年初,大约在海盗空间飞船登陆火星之前两年,我参加在英国由伦敦皇家学会主办的关于探索如何寻找天外生命的会议。

在会议中间休息时,我注意到在隔壁的大厅里正举行一个更大得多的会议,出于好奇心我进去了。我很快意识到自己见证了一个古代的仪式,是一个新会员参加皇家学会——这个本行星上最古老的学术组织的授职式。前排一位在轮椅中的年轻人正非常缓慢地将他的名字签在一本书上,而这本书的最前页是伊萨克·牛顿的签名。当他最后签好时,大厅里响起了一阵响亮的掌声。史蒂芬·霍金,甚至在那时就是一位传说中的人物。

现在霍金是剑桥大学的卢卡逊数学教授。这个职务曾为牛顿,后来又为狄拉克,这两位非常大和非常小的世界的有名的探索者担任过。他是他们的毫不逊色的继承人。这本霍金首次为非专家写的书,会给外行读者以多种类的酬劳。和这本书的广泛的内容一样有趣的是对作者智力工作的浏览。物理、天文、宇宙学和勇气的前沿被清晰地呈现在本书之中。

这又是一本关于上帝……或许是关于上帝不存在的书。处处充满了上帝这个字眼。

霍金着手回答爱因斯坦著名的关于上帝在创生宇宙时有无选择性的问题。正如霍金明白声称的,他企图要去理解上帝的精神。这使得迄今所有努力的结论更加出人意外:一个空间上无边缘、时间上无始无终、并且造物主无所事事的宇宙。

——卡尔·沙冈康奈尔大学绮色佳,纽约州

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第一章我们的宇宙图象

一位著名的科学家(据说是贝特郎?罗素)曾经作过一次关于天文学方面的讲演。

他描述了地球如何绕着太阳运动,以及太阳又是如何绕着我们称之为星系的巨大的恒星群的中心转动。演讲结束之时,一位坐在房间后排的矮个老妇人站起来说道:“你说的这些都是废话。这个世界实际上是驮在一只大乌龟的背上的一块平板。”这位科学家很有教养地微笑着答道:“那么这只乌龟是站在什么上面的呢?”“你很聪明,年轻人,的确很聪明,”老妇人说,“不过,这是一只驮着一只一直驮下去的乌龟群啊!”

大部分人会觉得,把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬,可是为什么我们自以为知道得更多一些呢?我们对宇宙了解了多少?而我们又是怎样才知道的呢?宇宙从何而来,又将向何处去?宇宙有开端吗?如果有的话,在这开端之前发生了什么?时间的本质是什么?它会有一个终结吗?在物理学上的一些最新突破,使一部分奇妙的新技术得以实现,从而对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有所启发。也许有一天这些答案会像我们认为地球绕着太阳运动那样显而易见——当然也可能像乌龟塔那般荒唐可笑。不管怎样,唯有让时间来判断了。

早在公元前340年,希腊哲学家亚里士多德在他的《论天》一书中,就已经能够对于地球是一个圆球而不是一块平板这一论点提出两个很好的论据。第一,他认为月食是由于地球运行到太阳与月亮之间而造成的。地球在月亮上的影子总是圆的,这只有在地球本身为球形的前提下才成立。如果地球是一块平坦的圆盘,除非月食总是发生在太阳正好位于这个圆盘中心之下的时候,否则地球的影子就会被拉长而成为椭圆。第二,希腊人从旅行中知道,在越往南的地区看星空,北