时间简史 〔英〕史蒂芬·霍金 吴忠超许明贤译 从大爆炸到黑洞 Oxen(老老老牛)制作
封面 〔英〕史蒂芬•霍金 吴忠超 许明贤 译 从大爆炸到黑洞 Oxen（老老老牛）制作 时间简史
简介13 内容简介 《时间简史》一本人人都能读懂的时间简史，一 部深入浅出、简法明了的科学经典。插图色彩缤纷， 纳入最新研究。史蒂芬•霍金那本畅销世界的《时间简 史》已成为科学著述的里程碑。这不仅归因于作者迷 人的表达方式，还归因于他讨论的令人敬畏的主题： 空间和时间的本性，上帝在创生中的作用，宇宙的历 史和将来。但是，在它问世后的岁月里，有些读者一 直不断地向霍金教授诉说，该书某些最重要的概念理 解起来非常困难。《时间简史》内容是关于宇宙本性的 最前沿知识，但是从那以后无论在微观还是宏观宇宙 世界的观测技术方面都有了非凡的进展。 史蒂芬•霍金的《时间简史》，自1988年首版以来 的10年岁月里，已成为科学著作的里程碑，在全球销
简介 | 3 内容简介 《时间简史》一本人人都能读懂的时间简史，一 部深入浅出、简法明了的科学经典。插图色彩缤纷， 纳入最新研究。史蒂芬•霍金那本畅销世界的《时间简 史》已成为科学著述的里程碑。这不仅归因于作者迷 人的表达方式，还归因于他讨论的令人敬畏的主题： 空间和时间的本性，上帝在创生中的作用，宇宙的历 史和将来。但是，在它问世后的岁月里，有些读者一 直不断地向霍金教授诉说，该书某些最重要的概念理 解起来非常困难。《时间简史》内容是关于宇宙本性的 最前沿知识，但是从那以后无论在微观还是宏观宇宙 世界的观测技术方面都有了非凡的进展。 史蒂芬•霍金的《时间简史》，自 1988 年首版以来 的 10 年岁月里，已成为科学著作的里程碑，在全球销
〔英】史蒂芬霍金：时间简史 售已近1000万册。首版内容介绍了宇宙本性最前沿的 知识。微观和宏观世界观测技术领域方面10年来的进 展证明了霍金教授的许多理论预言。他为了把观测的 新知识介绍给读者，重写了前言，全面更新了原版的 内容，并新增了一章有关虫洞和时间旅行的激动人心 的课题。 本电子书系首版，或霍金自己说的“原版
4 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 售已近 第 1000 万册。首版内容介绍了宇宙本性最前沿的 知识。微观和宏观世界观测技术领域方面 10 年来的进 展证明了霍金教授的许多理论预言。他为了把观测的 新知识介绍给读者，重写了前言，全面更新了原版的 内容，并新增了一章有关虫洞和时间旅行的激动人心 的课题。 本电子书系首版，或霍金自己说的“原版
简介15 作者简介 史蒂芬·霍金 Stephen W. Hawing),出生于加利 略逝世的周年纪念 日，英国理论物理学 家，《时间简史》、《果 壳中的宇宙》的作者， 被尊崇为继爱因斯坦 以来最杰出的理论物 理学家。 译者：许明贤 吴忠超
简介 | 5 作者简介 史 蒂 芬 · 霍 金 （ Stephen W. Hawing），出生于伽利 略 逝 世 的 周 年 纪 念 日，英国理论物理学 家，《时间简史》、《果 壳中的宇宙》的作者， 被尊崇为继爱因斯坦 以来最杰出的理论物 理学家。 译 者 ： 许 明 贤 吴忠超
61 〔英)史蒂芬霍金：时间简史 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 一一托勒密的地心说到哥白尼一一伽利略的日心说的 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
6 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 第 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
第一章我们的字宙图 17 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1965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，空间一一 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
第一章 我们的宇宙图象 | 7 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 1965 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
8 〔英〕史蒂芬霍金：时间简史 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。 如果空间一一时间没有边界，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，空间一一时 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代。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，空间一一时间的平性，即空间一一时间基本 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
8 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 界。只有给定了奇点处的边界条件，才能由爱因斯坦 第 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
第一章我们的字宙图 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 射的发现具有板其基本的意义，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，空间一一时间在普郎克尺度(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
第一章 我们的宇宙图象 | 9 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 射的发现具有板其基本的意义，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
10 〔英〕史蒂芬霍金：时间简史 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
10 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 炸奇点的不可避免性，黑洞越变越大；但在量子物理 第 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
第一章我们的字宙图 111 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一一 剑桥西路5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 1988年8月，尼亚 加拉瀑布
第一章 我们的宇宙图象 | 11 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 5 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 1988 年 8 月，尼亚 加拉瀑布