made by dotneter@teamfly 时间简史 从大爆炸到黑洞 史蒂芬霍金著许明贤、吴忠超译 THE ILLUSTRATE D A BRIEF HISTORY OF TIME 听 STEPHEN HAWKING UPDATED EXPANdEd edition 图书相关信息: 《时间简史》10年增订版 史蒂芬·霍金著许明贤、吴忠超译 湖南科学技术出版社第一推动从书 2001年3月第2版第21次印刷IsBN7-5357-1065-4
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 时间简史 ——从大爆炸到黑洞 史蒂芬·霍金 著 许明贤、吴忠超 译 图书相关信息： z 《时间简史》10 年增订版 z 史蒂芬·霍金 著 许明贤、吴忠超 译 z 湖南科学技术出版社 第一推动从书 z 2001 年 3 月第 2 版 第 21 次印刷 ISBN 7-5357-1065-4
made by dotneter@teamfly 目录 译者序 第一章我们的宇宙图像 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? 第二章时间和空间 在以后的几十年中,对空间和时间的新的理解是对我们的宇宙观的变革。古老的关于基本上不变的、已经存 在并将继续存在无限久的宇宙的观念,已为运动的、膨胀的并且看来是从一个有限的过去开始并将在有限的将来 终结的宇宙的观念所取代 第三章膨胀的字宙 宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态,而实际上是在膨胀;不同星系之间的距离一直在增加着。宇 宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智慧革命之一。事后想起来,何以过去从来没有人想到这一点?! 第四章不确定性原理 人们会以为,每个电子只穿过其中的一条缝,这样它的行为正如同另一个狭缝不存在时一样一一屏幕会给出 一个均匀的分布。然而,实际上即使电子是一个一个地发出,条纹仍然出现,所以每个电子必须在同一时刻通过 两个小缝! 第五章基本粒子和自然的力 携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出,将力划分成四种 是种人为的方法;它仅仅是为了便于建立部分理论,而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理 论,该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。 第六章黑洞 事件视界,也就是空间一一时间中不可逃逸区域的边界,正如同围绕着黑洞的单向膜:物体,譬如不谨慎的 航天员,能通过事件视界落到黑洞里去,但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞 第七章黑洞不是这么黑的 我们知道,任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来,何以黑洞会发射粒子呢?量子理论给我们的回 答是,粒子不是从黑洞里面出来的,而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的”空″的空间来的! 第八章宇宙的起源和命运 为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想,必须首先按照热大爆炸模型″来理解 为大家所接受的宇宙历史
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 目录 译者序 第一章 我们的宇宙图像 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？…… 第二章 时间和空间 在以后的几十年中，对空间和时间的新的理解是对我们的宇宙观的变革。古老的关于基本上不变的、已经存 在并将继续存在无限久的宇宙的观念，已为运动的、膨胀的并且看来是从一个有限的过去开始并将在有限的将来 终结的宇宙的观念所取代。…… 第三章 膨胀的宇宙 宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态，而实际上是在膨胀；不同星系之间的距离一直在增加着。宇 宙膨胀的发现是 20 世纪最伟大的智慧革命之一。事后想起来，何以过去从来没有人想到这一点？！…… 第四章 不确定性原理 人们会以为，每个电子只穿过其中的一条缝，这样它的行为正如同另一个狭缝不存在时一样——屏幕会给出 一个均匀的分布。然而，实际上即使电子是一个一个地发出，条纹仍然出现，所以每个电子必须在同一时刻通过 两个小缝！ …… 第五章 基本粒子和自然的力 携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出，将力划分成四种 是种人为的方法；它仅仅是为了便于建立部分理论，而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理 论，该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。…… 第六章 黑洞 事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的 航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。…… 第七章 黑洞不是这么黑的 我们知道，任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来，何以黑洞会发射粒子呢？量子理论给我们的回 答是，粒子不是从黑洞里面出来的，而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的“空”的空间来的！…… 第八章 宇宙的起源和命运 为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想，必须首先按照“热大爆炸模型”来理解 为大家所接受的宇宙历史。……
made by dotneter@teamfly 第九章时间箭头 所以,我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头,是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。正像 个计算机,我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。这几乎使热力学定律变成为无聊的东西 第十章虫洞和时间旅行 这样看来,快速空间旅行和往时间过去旅行似乎都不可行了。然而,还可能有办法。人们也许可以把时空卷 曲起来,使得A和B之间有一近路。在A和B之间创造一个虫洞就是一个法子 第十一章物理学的统一 如果我们确实发现了宇宙的终极理论,这意味着什么?正如第一章所解释的,我们将永远不能肯定我们是否 确实找到了正确的理论,因为理论不能被证明。… 第十二章结论 然而,如果我们确实发现了一套完整的理论,它应该在一般的原理上及时让所有人(而不仅仅是少数科学家) 所理解。那时,我们所有人,包括哲学家、科学家以及普普通通的人,都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨 论。如果我们对此找到了答案,则将是人类理智的最终极的胜利一一因为那时我们知道了上帝的精神 阿尔伯特爱因斯坦 爱因斯坦和核弹政治的瓜葛是众所周知的:他签署了那封著名的致富兰克林·罗斯福总统的信,说服美国认 真考虑他的想法,并且他在战后从事阻止核战争的各项努力。 伽利略·伽利雷 伽利略可能比任何其他的人更有资格称为近代科学的奠基人。 伊萨克牛顿 伊萨克牛顿不是一个讨人喜欢的人物。他和其他院士的关系声名狼藉。… 小辞典 感谢
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 第九章 时间箭头 所以，我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头，是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。正像一 个计算机，我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。这几乎使热力学定律变成为无聊的东西。…… 第十章 虫洞和时间旅行 这样看来，快速空间旅行和往时间过去旅行似乎都不可行了。然而，还可能有办法。人们也许可以把时空卷 曲起来，使得 A 和 B 之间有一近路。在 A 和 B 之间创造一个虫洞就是一个法子。…… 第十一章 物理学的统一 如果我们确实发现了宇宙的终极理论，这意味着什么？正如第一章所解释的，我们将永远不能肯定我们是否 确实找到了正确的理论，因为理论不能被证明。…… 第十二章 结论 然而，如果我们确实发现了一套完整的理论，它应该在一般的原理上及时让所有人（而不仅仅是少数科学家） 所理解。那时，我们所有人，包括哲学家、科学家以及普普通通的人，都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨 论。如果我们对此找到了答案，则将是人类理智的最终极的胜利——因为那时我们知道了上帝的精神。 阿尔伯特·爱因斯坦 爱因斯坦和核弹政治的瓜葛是众所周知的：他签署了那封著名的致富兰克林·罗斯福总统的信，说服美国认 真考虑他的想法，并且他在战后从事阻止核战争的各项努力。…… 伽利略·伽利雷 伽利略可能比任何其他的人更有资格称为近代科学的奠基人。…… 伊萨克·牛顿 伊萨克·牛顿不是一个讨人喜欢的人物。他和其他院士的关系声名狼藉。…… 小辞典 感谢
made by dotneter@teamfly 译者序 许明贤、吴忠超 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。 可以公平的说,哈勃的观测标志着现代宇宙论的诞生。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 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 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 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,其辐射的温度和黑泂质量成反比,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
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 译者序 许明贤、吴忠超 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。 可以公平的说，哈勃的观测标志着现代宇宙论的诞生。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
made by dotneter@teamfly 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(103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 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。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
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 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。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
made by dotneter@teamfly 第一章我们的宇宙图像 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 ?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 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一一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,北极星则显得越靠近地平线。(因为北极星位于北极 的正上方,所以它出现在处于北极的观察者的头顶上,而对于赤道上的观察者,北极星显得刚好在地平线上。) 根据北极星在埃及和在希腊呈现出来的位置的差别,亚里士多德甚至估计地球大圆长度为400斯特迪亚。现在 不能准确地知道,一个斯特迪亚的长度究竟是多少,但也许是200(1码=0.9144米)码左右,这样就使得亚 里士多德的估计为现在所接受数值的两倍。希腊人甚至为地球是球形提供了第三个论据,否则何以从地平线外驶 来的船总是先露出船帆,然后才是船身? 亚里士多德认为地球是不动的,太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围绕着它转动。他相信这些,是由 于神秘的原因,他感到地球是宇宙的中心,而且圆周运动最为完美。在公元后两世纪,这个思想被托勒密精制成 个完整的宇宙学模型。地球处于正中心,包围着它的是八个天球,这八个天球分别负载着月亮、太阳、恒星和 五个当时已知的行星:水星、金星、火星、木星和土星(图1.1)。这些行星被认为是沿着附在相应天球上的更 小的圆周运动,以说明它们在天空中被观察到的相当复杂的轨迹。最外层的天球被镶上固定的恒星,它们总是停 在不变的相对位置,但是总体绕着天空旋转。最后一层天球之外为何物一直不清楚,但有一点是肯定的,它不是 人类所能观测到的宇宙的部分。 托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了相当精密的系统。但为了正确地预言这些位置,托勒密必须假 定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍,这意味着月亮有时看起来要比其他时候大一倍。托勒密承认这个瑕 疵,尽管如此,他的模型虽然不是普遍地、却是广泛地被接受。它被基督教接纳为与《圣经》相一致的宇宙图象 这是因为它具有巨大的优点,即在固定恒星天球之外为天堂和地狱留下了很多地方
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 第一章 我们的宇宙图像 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，北极星则显得越靠近地平线。（因为北极星位于北极 的正上方，所以它出现在处于北极的观察者的头顶上，而对于赤道上的观察者，北极星显得刚好在地平线上。） 根据北极星在埃及和在希腊呈现出来的位置的差别，亚里士多德甚至估计地球大圆长度为 400 斯特迪亚。现在 不能准确地知道，一个斯特迪亚的长度究竟是多少，但也许是 200（1 码=0.9144 米）码左右，这样就使得亚 里士多德的估计为现在所接受数值的两倍。希腊人甚至为地球是球形提供了第三个论据，否则何以从地平线外驶 来的船总是先露出船帆，然后才是船身？ 亚里士多德认为地球是不动的，太阳、月亮、行星和恒星都以圆周为轨道围绕着它转动。他相信这些，是由 于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且圆周运动最为完美。在公元后两世纪，这个思想被托勒密精制成 一个完整的宇宙学模型。地球处于正中心，包围着它的是八个天球，这八个天球分别负载着月亮、太阳、恒星和 五个当时已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星（图 1.1）。这些行星被认为是沿着附在相应天球上的更 小的圆周运动，以说明它们在天空中被观察到的相当复杂的轨迹。最外层的天球被镶上固定的恒星，它们总是停 在不变的相对位置，但是总体绕着天空旋转。最后一层天球之外为何物一直不清楚，但有一点是肯定的，它不是 人类所能观测到的宇宙的部分。 托勒密模型为预言天体在天空的位置提供了相当精密的系统。但为了正确地预言这些位置，托勒密必须假 定月亮轨道有时离地球比其他时候要近一倍，这意味着月亮有时看起来要比其他时候大一倍。托勒密承认这个瑕 疵，尽管如此，他的模型虽然不是普遍地、却是广泛地被接受。它被基督教接纳为与《圣经》相一致的宇宙图象。 这是因为它具有巨大的优点，即在固定恒星天球之外为天堂和地狱留下了很多地方
made by dotneter@teamfly 土 火金太水地木 星星阳星球星 固定恒 图1.1从最里面往最外面顺序为月亮球、水星球、金星球、太阳球、火星球 木星球、土星球和固定恒星球。最中心为地球 然而,1514年一位名叫尼古拉哥白尼的教士提出了一个更简单的模型。(起初,可能由于害怕教会对异 端的迫害,哥白尼只能将他的模型匿名地流传。)他的观念是,太阳是静止地位于中心,而地球和其他行星绕着 太阳作圆周运动。将近一个世纪以后,他的观念才被认真地接受。后来,两位天文学家一一德国的约翰斯·开普 勒和意大利的伽利雷·伽利略开始公开支持哥白尼的理论,尽管它所预言的轨道还不能完全与观测相符合。直到 1609年,亚里士多德一一托勒密的理论才宣告死亡。那一年,伽利略用刚发明的望远镜来观测夜空。当他观测 木星时,发现有几个小卫星或月亮绕着它转动。这表明不象亚里士多德和托勒密所设想的,并不是所有的东西都 必须直接围绕着地球转。(当然,仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中心,而木星的卫星沿着一种极其复杂 的轨道绕地球运动,表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理论是简单得多了。)同时,开普勒修正了 哥白尼理论,认为行星不是沿圆周而是沿椭圆(椭圆是被拉长的圆)运动,从而使预言最终和观察相互一致了。 就开普勒而言,椭圆轨道仅仅是想当然的,并且是相当讨厌的假设,因为椭圆明显地不如圆那么完美。虽然他几 乎是偶然地发现椭圆轨道能很好地和观测相符合,但却不能把它和他的行星绕太阳运动是由于磁力引起的另一思 想相互调和起来。对这一切提供解释是晚得多的事,那是由于1687年伊萨克·牛顿爵士出版了他的《数学的自 然哲学原理》,这部也许是有史以来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中,牛顿不但提出物体如何在空 间和时间中运动的理论,并且发展了为分析这些运动所需的复杂的数学。此外,牛顿提出了万有引力定律,根据 这定律,宇宙中的任一物体都被另外物体所吸引,物体质量越大,相互距离越近,则相互之间的吸引力越大。这 也就是使物体落到地面上的力。(由于一个苹果落到牛顿的头上而使他得到灵感的故事,几乎肯定是不足凭信的。 所有牛顿自己说过的只是,当他陷入沉思之时,一颗苹果的落下使他得到了万有引力的思想。)牛顿继而指出 根据他的定律,引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行,而地球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 图 1.1 从最里面往最外面顺序为月亮球、水星球、金星球、太阳球、火星球、 木星球、土星球和固定恒星球。最中心为地球。 然而，1514 年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一个更简单的模型。（起初，可能由于害怕教会对异 端的迫害，哥白尼只能将他的模型匿名地流传。）他的观念是，太阳是静止地位于中心，而地球和其他行星绕着 太阳作圆周运动。将近一个世纪以后，他的观念才被认真地接受。后来，两位天文学家——德国的约翰斯·开普 勒和意大利的伽利雷·伽利略开始公开支持哥白尼的理论，尽管它所预言的轨道还不能完全与观测相符合。直到 1609 年，亚里士多德——托勒密的理论才宣告死亡。那一年，伽利略用刚发明的望远镜来观测夜空。当他观测 木星时，发现有几个小卫星或月亮绕着它转动。这表明不象亚里士多德和托勒密所设想的，并不是所有的东西都 必须直接围绕着地球转。（当然，仍然可能相信地球是静止地处于宇宙的中心，而木星的卫星沿着一种极其复杂 的轨道绕地球运动，表观上看来它们是绕着木星转动。然而哥白尼理论是简单得多了。） 同时，开普勒修正了 哥白尼理论，认为行星不是沿圆周而是沿椭圆（椭圆是被拉长的圆）运动，从而使预言最终和观察相互一致了。 就开普勒而言，椭圆轨道仅仅是想当然的，并且是相当讨厌的假设，因为椭圆明显地不如圆那么完美。虽然他几 乎是偶然地发现椭圆轨道能很好地和观测相符合，但却不能把它和他的行星绕太阳运动是由于磁力引起的另一思 想相互调和起来。对这一切提供解释是晚得多的事，那是由于 1687 年伊萨克·牛顿爵士出版了他的《数学的自 然哲学原理》，这部也许是有史以来物理科学上最重要的单独的著作。在这本书中，牛顿不但提出物体如何在空 间和时间中运动的理论，并且发展了为分析这些运动所需的复杂的数学。此外，牛顿提出了万有引力定律，根据 这定律，宇宙中的任一物体都被另外物体所吸引，物体质量越大，相互距离越近，则相互之间的吸引力越大。这 也就是使物体落到地面上的力。（由于一个苹果落到牛顿的头上而使他得到灵感的故事，几乎肯定是不足凭信的。 所有牛顿自己说过的只是，当他陷入沉思之时，一颗苹果的落下使他得到了万有引力的思想。）牛顿继而指出， 根据他的定律，引力使月亮沿着椭圆轨道绕着地球运行，而地球和其他行星沿着椭圆轨道绕着太阳公转
made by dotneter@teamfly 哥白尼的模型摆脱了托勒密的天球,以及与其相关的宇宙存在着自然边界的观念。"固定恒星"除了由于地球 绕着自身的轴自转引起的穿越天空的转动外,不改变它们的位置,很自然会使人设想到固定恒星是和我们的太阳 类似的物体,只是比太阳离开我们远得多了。 按照他的引力理论,牛顿意识到恒星应该相互吸引,看来它们不能保持基本不动。那么它们会一起落到某处 去吗?在1691年写给当时另一位最重要的思想家里査德·本特里的一封信中,他论证道,如果只有有限颗恒星 分布在一个有限的空间区域里,这确实是会发生的。但是另一方面,他推断如果存在无限多颗恒星,多少均匀地 分布于无限的空间,这种情形就不会发生,因为这时不存在任何一个它们落去的中心点。当人们议论到无穷时, 这种论证是你会遭遇到的一种陷阱。在一个无限的宇宙,每一点都可以认为是中心,因为在它的每一边都有无限 颗恒星。正确的方法是很久以后才被意识到的,即是先考虑有限的情形,这时所有恒星都相互落到一起,然后在 这个区域以外,大体均匀地加上更多的恒星,看情况会如何改变。按照牛顿定律,这额外的恒星平均地讲对原先 的那些根本没有什么影响,所以这些恒星还是同样快地落到一起。我们愿意加上多少恒星就可以加上多少,但是 它们仍然总是坍缩在一起。现在我们知道,由于引力总是吸引的,不可能存在一个无限的静态的宇宙模型 在20世纪之前从未有人暗示过,宇宙是在膨胀或是在收缩,这有趣地反映了当时的思维风气。一般认为 宇宙或是以一种不变的状态已存在了无限长的时间,或以多多少少正如我们今天所看的样子被创生于有限久的过 去。其部分的原因可能是,人们倾向于相信永恒的真理,也由于虽然人会生老病死,但宇宙必须是不朽的、不变 的这种观念才能给人以安慰 甚至那些意识到牛顿的引力理论导致宇宙不可能静止的人,也没有想到提出宇宙可能是在膨胀。相反的,他 们试图修正理论,使引力在非常大距离时成为斥力。这不会对行星运动的预言有重大的影响,然而却允许无限颗 恒星的分布保持平衡一一邻近恒星之间的吸引力被远隔恒星之间的斥力所平衡。然而,现在我们知道,这样的平 衡是不稳定的:如果某一区域内的恒星稍微互相靠近一些,引力就增强,并超过斥力的作用,这样这些恒星就会 继续落到一起。反之,如果某一区域内的恒星稍微互相远离一些,斥力就起主导作用,并驱使它们离得更开 另一个反对无限静止宇宙的异见通常是归功于德国哲学家亨利希·奥勃斯,1823年他发表了这个理论。事 实上,牛顿的同时代的一些人已经提出过这个问题。甚至奥勃斯的文章也不是貌似有理地反驳这模型的第一篇 不管怎么说,这是第一篇被广泛注意的文章。这无限静止模型的困难,在于几乎每一道视线必须终结于某一恒星 的表面。这样,人们可以预料,整个天空甚至在夜晚都会像太阳那么明亮。奥勃斯反驳说,远处恒星的光线由于 被它所穿过的物质吸收所减弱。然而如果真是如此,这相干的物质将会最终被加热到发出和恒星一样强的光为止 唯一的能避免整个天空像太阳那么亮的结论的方法是,假定恒星并不是永远那么亮,而是在有限久的过去才开始 发光。这种情况下,吸光物质还没加热,或者远处恒星的光线尚未到达我们这儿。这使我们面临着是什么首次使 恒星发光的问题 当然,宇宙开端的问题在这之前很久就被讨论过。根据一些早先的宇宙论和犹太人/基督教/穆斯林传统 宇宙开端于有限的、并且不是非常远的过去的某一时刻。对这样一个开端,有一种议论是感到必须有第一原因 来解释宇宙的存在。(在宇宙中,你总可以将一个事件解释为由于另一个更早的事件所引起的,但是宇宙本身的 存在只有当存在某个开端时才能被解释。)另一种论证是圣·奥古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出的。他 指出,文明在进步,我们将记住创造这些业绩和发展技术的人们。这样人,也许宇宙,不可能已经存在了太长的 时间。圣奥古斯丁根据《创世纪》一书,接受公元前5000年作为宇宙的被创生的时间。(有趣的是,这和上 次的冰河时间的结束,大约公元前100000年相距不远。考古学家告诉我们,文明实际上是从那时开始的。)
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 哥白尼的模型摆脱了托勒密的天球，以及与其相关的宇宙存在着自然边界的观念。“固定恒星”除了由于地球 绕着自身的轴自转引起的穿越天空的转动外，不改变它们的位置，很自然会使人设想到固定恒星是和我们的太阳 类似的物体，只是比太阳离开我们远得多了。 按照他的引力理论，牛顿意识到恒星应该相互吸引，看来它们不能保持基本不动。那么它们会一起落到某处 去吗？在 1691 年写给当时另一位最重要的思想家里查德·本特里的一封信中，他论证道，如果只有有限颗恒星 分布在一个有限的空间区域里，这确实是会发生的。但是另一方面，他推断如果存在无限多颗恒星，多少均匀地 分布于无限的空间，这种情形就不会发生，因为这时不存在任何一个它们落去的中心点。 当人们议论到无穷时， 这种论证是你会遭遇到的一种陷阱。在一个无限的宇宙，每一点都可以认为是中心，因为在它的每一边都有无限 颗恒星。正确的方法是很久以后才被意识到的，即是先考虑有限的情形，这时所有恒星都相互落到一起，然后在 这个区域以外，大体均匀地加上更多的恒星，看情况会如何改变。按照牛顿定律，这额外的恒星平均地讲对原先 的那些根本没有什么影响，所以这些恒星还是同样快地落到一起。我们愿意加上多少恒星就可以加上多少，但是 它们仍然总是坍缩在一起。现在我们知道，由于引力总是吸引的，不可能存在一个无限的静态的宇宙模型。 在 20 世纪之前从未有人暗示过，宇宙是在膨胀或是在收缩，这有趣地反映了当时的思维风气。一般认为， 宇宙或是以一种不变的状态已存在了无限长的时间，或以多多少少正如我们今天所看的样子被创生于有限久的过 去。其部分的原因可能是，人们倾向于相信永恒的真理，也由于虽然人会生老病死，但宇宙必须是不朽的、不变 的这种观念才能给人以安慰。 甚至那些意识到牛顿的引力理论导致宇宙不可能静止的人，也没有想到提出宇宙可能是在膨胀。相反的，他 们试图修正理论，使引力在非常大距离时成为斥力。这不会对行星运动的预言有重大的影响，然而却允许无限颗 恒星的分布保持平衡——邻近恒星之间的吸引力被远隔恒星之间的斥力所平衡。然而，现在我们知道，这样的平 衡是不稳定的：如果某一区域内的恒星稍微互相靠近一些，引力就增强，并超过斥力的作用，这样这些恒星就会 继续落到一起。反之，如果某一区域内的恒星稍微互相远离一些，斥力就起主导作用，并驱使它们离得更开。 另一个反对无限静止宇宙的异见通常是归功于德国哲学家亨利希·奥勃斯，1823 年他发表了这个理论。事 实上，牛顿的同时代的一些人已经提出过这个问题。甚至奥勃斯的文章也不是貌似有理地反驳这模型的第一篇。 不管怎么说，这是第一篇被广泛注意的文章。这无限静止模型的困难，在于几乎每一道视线必须终结于某一恒星 的表面。这样，人们可以预料，整个天空甚至在夜晚都会像太阳那么明亮。奥勃斯反驳说，远处恒星的光线由于 被它所穿过的物质吸收所减弱。然而如果真是如此，这相干的物质将会最终被加热到发出和恒星一样强的光为止。 唯一的能避免整个天空像太阳那么亮的结论的方法是，假定恒星并不是永远那么亮，而是在有限久的过去才开始 发光。这种情况下，吸光物质还没加热，或者远处恒星的光线尚未到达我们这儿。这使我们面临着是什么首次使 恒星发光的问题。 当然，宇宙开端的问题在这之前很久就被讨论过。根据一些早先的宇宙论和犹太人／基督教／穆斯林传统， 宇宙开端于有限的、并且不是非常远的过去的某一时刻。对这样一个开端，有一种议论是感到必须有“第一原因” 来解释宇宙的存在。（在宇宙中，你总可以将一个事件解释为由于另一个更早的事件所引起的，但是宇宙本身的 存在只有当存在某个开端时才能被解释。）另一种论证是圣·奥古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出的。他 指出，文明在进步，我们将记住创造这些业绩和发展技术的人们。这样人，也许宇宙，不可能已经存在了太长的 时间。圣·奥古斯丁根据《创世纪》一书，接受公元前 5000 年作为宇宙的被创生的时间。（有趣的是，这和上 一次的冰河时间的结束，大约公元前 100000 年相距不远。考古学家告诉我们，文明实际上是从那时开始的。）
made by dotneter@teamfly 另一方面,亚里士多德和大多数其他希腊哲学家不喜欢创生的思想,因为它带有太多的神学干涉的味道。所以他 们相信,人类及其周围的世界已经并且将继续永远存在。古代的人们已经考虑到上述的文明进步的论点,用周期 性洪水或其他灾难的重复出现,使人类回到文明的开初,来回答上面的话难。 1781年,哲学家伊曼努尔·康德发表了里程碑般的(也是非常模糊的)著作一一《纯粹理性批判》,在这 本书中,他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、空间上是否有极限的问题。他称这些问题为纯粹理性的 律背反(也就是矛盾)。因为他感到存在同样令人信服的论据,来证明宇宙有开端的正命题,以及宇宙已经存 在无限久的反命题。他对正命题的论证是:如果宇宙没有一个开端,则任何事件之前必有无限的时间。他认为这 是荒谬的。他对反命题的论证是:如果宇宙有一开端,在它之前必有无限的时间,为何宇宙必须在某一特定的时 刻开始呢?事实上,他对正命题和反命题用了同样的论证。它们都是基于他的隐含的假设,即不管宇宙是否存在 了无限久,时间均可无限地倒溯回去。我们将会看到,在宇宙开端之前时间概念是没有意义的。这一点是圣奥 古斯丁首先指出的。当他被问及:上帝在创造宇宙之前做什么?奥古斯丁没有这样地回答:他正为问这类问题的 人准备地狱。而是说:时间是上帝所创造的宇宙的一个性质,在宇宙开端之前不存在。 当大部分人相信一个本质上静止不变的宇宙时,关于它有无开端的问题,实在是一个形而上学或神学的问题 按照宇宙存在无限久的理论,或者按照宇宙在某一个有限时刻,以给人的印象似乎是己经存在了无限久的样子启 的理论,我们可以同样很好地解释所观察到的事实。但在1929年,埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义 的观测,即是不管你往那个方向看,远处的星系正急速地远离我们而去。换言之,宇宙正在膨胀。这意味着,在 早先星体相互之间更加靠近。事实上,似乎在大约100亿至200亿年之前的某一时刻,它们刚好在同一地方 所以那时候宇宙的密度无限大。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。 哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙的尺度无穷小,而且无限紧密。在这种条件下,所有 科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻之前有过些事件,它们将不可能影响现在所发生的 一切。所以我们可以不理它们,因为它们并没有可观测的后果。由于更早的时间根本没有定义,所以在这个意义 上人们可以说,时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是,这个时间的开端是和早先考虑的非常不同。在一个不 的宇宙中,时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予;宇宙的开端并没有物理的必要性。人们可以想像上帝 在过去的任何时刻创造宇宙。另一方面,如果宇宙在膨胀,何以宇宙有一个开端似乎就有了物理的原因。人们仍 然可以想像,上帝是在大爆炸的瞬间创造宇宙,或者甚至在更晚的时刻,以便它看起来就像发生过大爆炸似的方 式创造,但是设想在大爆炸之前创造宇宙是没有意义的。大爆炸模型并没有排斥造物主,只不过对他何时从事这 工作加上时间限制而已! 为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在开端或终结的问题,你必须清楚什么是科学理论。我将采用头脑 简单的观点,即理论只不过是宇宙或它的受限制的一部分的模型,一些联结这模型和我们所观察的量的规则。它 只存在于我们的头脑中,(不管在任何意义上)不再具有任何其他的实在性。如果它满足以下两个要求,就算是 好的理论:它必须在只包含一些任意元素的一个模型的基础上,准确地描述大批的观测,并对未来观测的结果作 出确定的预言。例如,亚里士多德关于任何东西是由四元素,土、空气、火和水组成的理论是足够简单的了,但 它没有做出任何确定的预言。另一方面,牛顿的引力理论是基于甚至更为简单的模型,在此模型中两物体之间的 相互吸引力和它们称之为质量的量成正比,并和它们之间的距离的平方成反比。然而,它以很高的精确性预言了 太阳、月亮和行星的运动。 在它只是假设的意义上来讲,任何物理理论总是临时性的:你永远不可能将它证明。不管多少回实验的结果 和某一理论相一致,你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方面,哪怕你只要找到一个和理论预言不
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 另一方面，亚里士多德和大多数其他希腊哲学家不喜欢创生的思想，因为它带有太多的神学干涉的味道。所以他 们相信，人类及其周围的世界已经并且将继续永远存在。古代的人们已经考虑到上述的文明进步的论点，用周期 性洪水或其他灾难的重复出现，使人类回到文明的开初，来回答上面的话难。 1781 年，哲学家伊曼努尔·康德发表了里程碑般的（也是非常模糊的）著作——《纯粹理性批判》，在这 本书中，他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、空间上是否有极限的问题。他称这些问题为纯粹理性的 二律背反（也就是矛盾）。因为他感到存在同样令人信服的论据，来证明宇宙有开端的正命题，以及宇宙已经存 在无限久的反命题。他对正命题的论证是：如果宇宙没有一个开端，则任何事件之前必有无限的时间。他认为这 是荒谬的。他对反命题的论证是：如果宇宙有一开端，在它之前必有无限的时间，为何宇宙必须在某一特定的时 刻开始呢？事实上，他对正命题和反命题用了同样的论证。它们都是基于他的隐含的假设，即不管宇宙是否存在 了无限久，时间均可无限地倒溯回去。我们将会看到，在宇宙开端之前时间概念是没有意义的。这一点是圣·奥 古斯丁首先指出的。当他被问及：上帝在创造宇宙之前做什么？奥古斯丁没有这样地回答：他正为问这类问题的 人准备地狱。而是说：时间是上帝所创造的宇宙的一个性质，在宇宙开端之前不存在。 当大部分人相信一个本质上静止不变的宇宙时，关于它有无开端的问题，实在是一个形而上学或神学的问题。 按照宇宙存在无限久的理论，或者按照宇宙在某一个有限时刻，以给人的印象似乎是已经存在了无限久的样子启 动的理论，我们可以同样很好地解释所观察到的事实。但在 1929 年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义 的观测，即是不管你往那个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀。这意味着，在 早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约 100 亿至 200 亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一地方， 所以那时候宇宙的密度无限大。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。 哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧密。在这种条件下，所有 科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻之前有过些事件，它们将不可能影响现在所发生的 一切。所以我们可以不理它们，因为它们并没有可观测的后果。由于更早的时间根本没有定义，所以在这个意义 上人们可以说，时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是，这个时间的开端是和早先考虑的非常不同。在一个不 变的宇宙中，时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予；宇宙的开端并没有物理的必要性。人们可以想像上帝 在过去的任何时刻创造宇宙。另一方面，如果宇宙在膨胀，何以宇宙有一个开端似乎就有了物理的原因。人们仍 然可以想像，上帝是在大爆炸的瞬间创造宇宙，或者甚至在更晚的时刻，以便它看起来就像发生过大爆炸似的方 式创造，但是设想在大爆炸之前创造宇宙是没有意义的。大爆炸模型并没有排斥造物主，只不过对他何时从事这 工作加上时间限制而已！ 为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在开端或终结的问题，你必须清楚什么是科学理论。我将采用头脑 简单的观点，即理论只不过是宇宙或它的受限制的一部分的模型，一些联结这模型和我们所观察的量的规则。它 只存在于我们的头脑中，（不管在任何意义上）不再具有任何其他的实在性。如果它满足以下两个要求，就算是 好的理论：它必须在只包含一些任意元素的一个模型的基础上，准确地描述大批的观测，并对未来观测的结果作 出确定的预言。例如，亚里士多德关于任何东西是由四元素，土、空气、火和水组成的理论是足够简单的了，但 它没有做出任何确定的预言。另一方面，牛顿的引力理论是基于甚至更为简单的模型，在此模型中两物体之间的 相互吸引力和它们称之为质量的量成正比，并和它们之间的距离的平方成反比。然而，它以很高的精确性预言了 太阳、月亮和行星的运动。 在它只是假设的意义上来讲，任何物理理论总是临时性的：你永远不可能将它证明。不管多少回实验的结果 和某一理论相一致，你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一个和理论预言不
made by dotneter@teamfly 致的观测事实,即可证伪之。正如科学哲学家卡尔波普所强调的,一个好的理论的特征是,它能给出许多原 则上可以被观测所否定或证伪的预言。每回观察到与这预言相符的新的实验,则这理论就幸存,并且增加了我们 对它的可信度;然而若有一个新的观测与之不符,则我们只得抛弃或修正这理论。至少被认为这迟早总会发生的 问题在于人们有无才干去实现这样的观测 实际上经常发生的是,所设计的新理论确实是原先理论的推广。例如,对水星的非常精确的观测揭露了它的 运动和牛顿理论预言之间的很小差异。爱因斯坦的广义相对论所预言的运动和牛顿理论略有不同。爱因斯坦的预 言和观测相符,而牛顿的预言与观测不相符,这一事实是这个新理论的一个关键证据。然而我们在大部分实际情 况下仍用牛顿理论,因为在我们通常处理的情形下,两者差别非常小。(牛顿理论的另一个巨大的优点在于,它 比爱因斯坦理论容易处理得多!) 科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。然而,大部分科学家遵循的方法是将这问题分成 两部分。首先,是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律;(如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的,则 这些定律即能告诉我们以后的任一时刻宇宙是什么样子的。)第二,关于宇宙初始状态的问题。有些人认为科学 只应过问第一部分,他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。他们会说,全能的上帝可以随心所欲 地启动这个宇宙。也许是这样。但是,倘若那样,他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是,看起来他选择 宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演化。所以,看来可以同样合理地假定,也存在着制约初始状态的 定律。毕全功于一役地设计一种能描述整个宇宙的理论,看来是非常困难的。反之,我们是将这问题分成许多 小块,并发明许多部分理论。每一部分理论描述和预言一定有限范围的观测,同时忽略其他量的效应或用简单的 一组数来代表之。可能这方法是全错的。如果宇宙中的每一件东西都以非常基本的方式依赖于其他的任何一件东 西,很可能不能用隔离法研究问题的部分去逼近其完备的答案。尽管如此,这肯定是我们在过去取得进展所用的 方法。牛顿引力理论又是一个经典的例子,它告诉我们两个物体之间的引力只决定于与每个物体相关的一个数 它的质量:而与物体由何物组成无关。这样,人们不需要太阳和行星结构和成份的理论就可以计算它们的轨 今天科学家按照两个基本的部分理论一一广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的 智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构,也就是从只有几英哩直到大至1亿亿亿(1后面跟24 个0)英里,即可观测到的宇宙范围的尺度的结构。另一方面,量子力学处理极小尺度的现象,例如万亿分之一 英寸(1英寸=2.54厘米)。然而,可惜的是,这两个理论不是互相协调的—一它们不可能都对。当代物理学 的一个主要的努力,以及这本书的主题,即是寻求一个能将其合并在一起的理论一一量子引力论。我们还没有这 样的理论,要获得这个理论,我们可能还有相当长的路要走,然而我们已经知道了这个理论所应具备的许多性质 在以下几章,人们将会看到,我们已经知道了相当多的量子引力论所应有的预言。 现在,如果你相信宇宙不是任意的,而是由确定的定律所制约的,你最终必须将这些部分理论合并成一套能 描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而,在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的自相矛盾。在前面概括 的关于科学理论的思想中,假定我们是有理性的生物,既可以随意自由地观测宇宙,又可以从观察中得出逻辑推 论。在这样的方案里可以合理地假设,我们可以越来越接近找到制约我们宇宙的定律。然而,如果真有一套完整 的统一理论,则它也将决定我们的行动。这样,理论本身将决定了我们对之探索的结果!那么为什么它必须确定 我们从证据得到正确的结论?它不也同样可以确定我们引出错误的结论吗?或者根本没有结论 对于这个问题,我所能给出的回答是基于达尔文的自然选择原理。这思想是说,在任何自繁殖的群体中,存 在有不同个体在遗传物质和发育上的变异。这些差异表明,某些个体比其他个体对周围的世界更能引出正确的结
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 一致的观测事实，即可证伪之。正如科学哲学家卡尔·波普所强调的，一个好的理论的特征是，它能给出许多原 则上可以被观测所否定或证伪的预言。每回观察到与这预言相符的新的实验，则这理论就幸存，并且增加了我们 对它的可信度；然而若有一个新的观测与之不符，则我们只得抛弃或修正这理论。至少被认为这迟早总会发生的， 问题在于人们有无才干去实现这样的观测。 实际上经常发生的是，所设计的新理论确实是原先理论的推广。例如，对水星的非常精确的观测揭露了它的 运动和牛顿理论预言之间的很小差异。爱因斯坦的广义相对论所预言的运动和牛顿理论略有不同。爱因斯坦的预 言和观测相符，而牛顿的预言与观测不相符，这一事实是这个新理论的一个关键证据。然而我们在大部分实际情 况下仍用牛顿理论，因为在我们通常处理的情形下，两者差别非常小。（牛顿理论的另一个巨大的优点在于，它 比爱因斯坦理论容易处理得多！） 科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。然而，大部分科学家遵循的方法是将这问题分成 两部分。首先，是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律；（如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的，则 这些定律即能告诉我们以后的任一时刻宇宙是什么样子的。）第二，关于宇宙初始状态的问题。有些人认为科学 只应过问第一部分，他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。他们会说，全能的上帝可以随心所欲 地启动这个宇宙。也许是这样。但是，倘若那样，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是，看起来他选择 宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演化。所以，看来可以同样合理地假定，也存在着制约初始状态的 定律。 毕全功于一役地设计一种能描述整个宇宙的理论，看来是非常困难的。反之，我们是将这问题分成许多 小块，并发明许多部分理论。每一部分理论描述和预言一定有限范围的观测，同时忽略其他量的效应或用简单的 一组数来代表之。可能这方法是全错的。如果宇宙中的每一件东西都以非常基本的方式依赖于其他的任何一件东 西，很可能不能用隔离法研究问题的部分去逼近其完备的答案。尽管如此，这肯定是我们在过去取得进展所用的 方法。牛顿引力理论又是一个经典的例子，它告诉我们两个物体之间的引力只决定于与每个物体相关的一个数 ——它的质量；而与物体由何物组成无关。这样，人们不需要太阳和行星结构和成份的理论就可以计算它们的轨 道。 今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的 智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构，也就是从只有几英哩直到大至 1 亿亿亿（1 后面跟 24 个 0）英里，即可观测到的宇宙范围的尺度的结构。另一方面，量子力学处理极小尺度的现象，例如万亿分之一 英寸（1 英寸=2.54 厘米）。然而，可惜的是，这两个理论不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学 的一个主要的努力，以及这本书的主题，即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没有这 样的理论，要获得这个理论，我们可能还有相当长的路要走，然而我们已经知道了这个理论所应具备的许多性质。 在以下几章，人们将会看到，我们已经知道了相当多的量子引力论所应有的预言。 现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由确定的定律所制约的，你最终必须将这些部分理论合并成一套能 描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而，在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的自相矛盾。在前面概括 的关于科学理论的思想中，假定我们是有理性的生物，既可以随意自由地观测宇宙，又可以从观察中得出逻辑推 论。在这样的方案里可以合理地假设，我们可以越来越接近找到制约我们宇宙的定律。然而，如果真有一套完整 的统一理论，则它也将决定我们的行动。这样，理论本身将决定了我们对之探索的结果！那么为什么它必须确定 我们从证据得到正确的结论？它不也同样可以确定我们引出错误的结论吗？或者根本没有结论？ 对于这个问题，我所能给出的回答是基于达尔文的自然选择原理。这思想是说，在任何自繁殖的群体中，存 在有不同个体在遗传物质和发育上的变异。这些差异表明，某些个体比其他个体对周围的世界更能引出正确的结