《時間簡史》第一章 我們的宇宙圖象

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）曾經作過一次關於天文學方面的講演。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恆星群的中心轉動。演講結束之時，一位坐在房間後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隻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：「那麼這隻烏龜是站在什麼上面的呢？」「你很聰明，年輕人，的確很聰明，」老婦人說，「不過，這是一隻馱著一隻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，可是為什麼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麼？時間的本質是什麼？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，從而對於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，就已經能夠對於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，他認為月食是由於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，這隻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於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。（因為北極星位於北極的正上方，所以它出現在處於北極的觀察者的頭頂上，而對於赤道上的觀察者，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4000000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，然後才是船身？ 亞里士多德認為地球是不動的，太陽、月亮、行星和恆星都以圓周為軌道圍繞著它轉動。他相信這些，是由於神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且圓周運動最為完美。在公元後兩世紀，這個思想被托勒密精製成一個完整的宇宙學模型。地球處於正中心，包圍著它的是八個天球，這八個天球分別負載著月亮、太陽、恆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複雜的軌跡。最外層的天球被鑲上固定的恆星，它們總是停在不變的相對位置，但是總體繞著天空旋轉。最後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。

圖1.1 從最裡面往最外面順序為月亮球、 水星球、金星球、太陽球、火 星球、木星球、土星球和固定恆星球。最中心為地球。

托勒密模型為預言天體在天空的位置提供了相當精密的系統。但為了正確地預言這些位置，托勒密必須假定月亮軌道有時離地球比其他時候要近一倍，這意味著月亮有時看起來要比其他時候大一倍。托勒密承認這個瑕疵，儘管如此，他的模型雖然不是普遍地、卻是廣泛地被接受。它被基督教接納為與《聖經》相一致的宇宙圖象。這是因為它具有巨大的優點，即在固定恆星天球之外為天堂和地獄留下了很多地方。 然而，1514年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一個更簡單的模型。（起初，可能由於害怕教會對異端的迫害，哥白尼只能將他的模型匿名地流傳。）他的觀念是，太陽是靜止地位於中心，而地球和其他行星繞著太陽作圓周運動。將近一個世紀以後，他的觀念才被認真地接受。後來，兩位天文學家——德國的約翰斯·開普勒和義大利的伽利雷·伽利略開始公開支持哥白尼的理論，儘管它所預言的軌道還不能完全與觀測相符合。直到1609年，亞里士多德——托勒密的理論才宣告死亡。那一年，伽利略用剛發明的望遠鏡來觀測夜空。當他觀測木星時，發現有幾個小衛星或月亮繞著它轉動。這表明不象亞里士多德和托勒密所設想的，並不是所有的東西都必須直接圍繞著地球轉。（當然，仍然可能相信地球是靜止地處於宇宙的中心，而木星的衛星沿著一種極其複雜的軌道繞地球運動，表觀上看來它們是繞著木星轉動。然而哥白尼理論是簡單得多了。）同時，開普勒修正了哥白尼理論，認為行星不是沿圓周而是沿橢圓（橢圓是被拉長的圓）運動，從而使預言最終和觀察相互一致了。 就開普勒而言，橢圓軌道僅僅是想當然的，並且是相當討厭的假設，因為橢圓明顯地不如圓那麼完美。雖然他幾乎是偶然地發現橢圓軌道能很好地和觀測相符合，但卻不能把它和他的行星繞太陽運動是由於磁力引起的另一思想相互調和起來。對這一切提供解釋是晚得多的事，那是由於1687年伊薩克·牛頓爵士出版了他的《數學的自然哲學原理》，這部也許是有史以來物理科學上最重要的單獨的著作。在這本書中，牛頓不但提出物體如何在空間和時間中運動的理論，並且發展了為分析這些運動所需的複雜的數學。此外，牛頓提出了萬有引力定律，根據這定律，宇宙中的任一物體都被另外物體所吸引，物體質量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。這也就是使物體落到地面上的力。（由於一個蘋果落到牛頓的頭上而使他得到靈感的故事，幾乎肯定是不足憑信的。所有牛頓自己說過的只是，當他陷入沉思之時，一顆蘋果的落下使他得到了萬有引力的思想。）牛頓繼而指出，根據他的定律，引力使月亮沿著橢圓軌道繞著地球運行，而地球和其他行星沿著橢圓軌道繞著太陽公轉。 哥白尼的模型擺脫了托勒密的天球，以及與其相關的宇宙存在著自然邊界的觀念。「固定恆星」除了由於地球繞著自身的軸自轉引起的穿越天空的轉動外，不改變它們的位置，很自然會使人設想到固定恆星是和我們的太陽類似的物體，只是比太陽離開我們遠得多了。 按照他的引力理論，牛頓意識到恆星應該相互吸引，看來它們不能保持基本上不動。那麼它們會一起落到某處去嗎？在1691年寫給當時另一位最重要的思想家裡查德·本特里的一封信中，他論證道，如果只有有限顆恆星分布在一個有限的空間區域里，這確實是會發生的。但是另一方面，他推斷如果存在無限多顆恆星，多少均勻地分布於無限的空間，這種情形就不會發生，因為這時不存在任何一個它們落去的中心點。 當人們議論到無窮時，這種論證是你會遭遇到的一種陷阱。在一個無限的宇宙，每一點都可以認為是中心，因為在它的每一邊都有無限顆恆星。正確的方法是很久以後才被意識到的，即是先考慮有限的情形，這時所有恆星都相互落到一起，然後在這個區域以外，大體均勻地加上更多的恆星，看情況會如何改變。按照牛頓定律，這額外的恆星平均地講對原先的那些根本沒有什麼影響，所以這些恆星還是同樣快地落到一起。我們願意加上多少恆星就可以加上多少，但是它們仍然總是坍縮在一起。現在我們知道，由於引力總是吸引的，不可能存在一個無限的靜態的宇宙模型。 在20世紀之前從未有人暗示過，宇宙是在膨脹或是在收縮，這有趣地反映了當時的思維風氣。一般認為，宇宙或是以一種不變的狀態已存在了無限長的時間，或以多多少少正如我們今天所看的樣子被創生於有限久的過去。其部分的原因可能是，人們傾向於相信永恆的真理，也由於雖然人會生老病死，但宇宙必須是不朽的、不變的這種觀念才能給人以安慰。 甚至那些意識到牛頓的引力理論導致宇宙不可能靜止的人，也沒有想到提出宇宙可能是在膨脹。相反的，他們試圖修正理論，使引力在非常大距離時成為斥力。這不會對行星運動的預言有重大的影響，然而卻允許無限顆恆星的分布保持平衡——鄰近恆星之間的吸引力被遠隔恆星之間的斥力所平衡。然而，現在我們知道，這樣的平衡是不穩定的：如果某一區域內的恆星稍微互相靠近一些，引力就增強，並超過斥力的作用，這樣這些恆星就會繼續落到一起。反之，如果某一區域內的恆星稍微互相遠離一些，斥力就起主導作用，並驅使它們離得更開。 另一個反對無限靜止宇宙的異見通常是歸功於德國哲學家亨利希·奧勃斯，1823年他發表了這個理論。事實上，牛頓的同時代的一些人已經提出過這個問題。甚至奧勃斯的文章也不是貌似有理地反駁這模型的第一篇。不管怎麼說，這是第一篇被廣泛注意的文章。這無限靜止模型的困難，在於幾乎每一道視線必須終結於某一恆星的表面。這樣，人們可以預料，整個天空甚至在夜晚都會像太陽那麼明亮。奧勃斯反駁說，遠處恆星的光線由於被它所穿過的物質吸收所減弱。然而如果真是如此，這相干的物質將會最終被加熱到發出和恆星一樣強的光為止。唯一的能避免整個天空像太陽那麼亮的結論的方法是，假定恆星並不是永遠那麼亮，而是在有限久的過去才開始發光。這種情況下，吸光物質還沒加熱，或者遠處恆星的光線尚未到達我們這兒。這使我們面臨著是什麼首次使恆星發光的問題。 當然，宇宙開端的問題在這之前很久就被討論過。根據一些早先的宇宙論和猶太人／基督教／穆斯林傳統，宇宙開端於有限的、並且不是非常遠的過去的某一時刻。對這樣一個開端，有一種議論是感到必須有「第一原因」來解釋宇宙的存在。（在宇宙中，你總可以將一個事件解釋為由於另一個更早的事件所引起的，但是宇宙本身的存在只有當存在某個開端時才能被解釋。）另一種論證是聖·奧古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出的。他指出，文明在進步，我們將記住創造這些業績和發展技術的人們。這樣人，也許宇宙，不可能已經存在了太長的時間。聖·奧古斯丁根據《創世紀》一書，接受公元前5000年作為宇宙的被創生的時間。（有趣的是， 這和上一次的冰河時間的結束，大約公元前10000年相距不遠。考古學家告訴我們，文明實際上是從那時開始的。） 另一方面，亞里士多德和大多數其他希臘哲學家不喜歡創生的思想，因為它帶有太多的神學干涉的味道。所以他們相信，人類及其周圍的世界已經並且將繼續永遠存在。古代的人們已經考慮到上述的文明進步的論點，用周期性洪水或其他災難的重複出現，使人類回到文明的開初，來回答上面的話難。 1781年，哲學家伊曼努爾·康德發表了里程碑般的（也是非常模糊的）著作——《純粹理性批判》，在這本書中，他深入地考察了關於宇宙在時間上是否有開端、空間上是否有極限的問題。他稱這些問題為純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因為他感到存在同樣令人信服的論據，來證明宇宙有開端的正命題，以及宇宙已經存在無限久的反命題。他對正命題的論證是：如果宇宙沒有一個開端，則任何事件之前必有無限的時間。他認為這是荒謬的。他對反命題的論證是：如果宇宙有一開端，在它之前必有無限的時間，為何宇宙必須在某一特定的時刻開始呢？事實上，他對正命題和反命題用了同樣的論證。它們都是基於他的隱含的假設，即不管宇宙是否存在了無限久，時間均可無限地倒溯回去。我們將會看到，在宇宙開端之前時間概念是沒有意義的。這一點是聖·奧古斯丁首先指出的。當他被問及：上帝在創造宇宙之前做什麼？奧古斯丁沒有這樣地回答：他正為問這類問題的人準備地獄。而是說：時間是上帝所創造的宇宙的一個性質，在宇宙開端之前不存在。 當大部分人相信一個本質上靜止不變的宇宙時，關於它有無開端的問題，實在是一個形而上學或神學的問題。按照宇宙存在無限久的理論，或者按照宇宙在某一個有限時刻，以給人的印象似乎是已經存在了無限久的樣子啟動的理論，我們可以同樣很好地解釋所觀察到的事實。但在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個具有里程碑意義的觀測，即是不管你往那個方向看，遠處的星系正急速地遠離我們而去。換言之，宇宙正在膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時刻，它們剛好在同一地方，所以那時候宇宙的密度無限大。這個發現最終將宇宙開端的問題帶進了科學的王國。 哈勃的發現暗示存在一個叫做大爆炸的時刻，當時宇宙的尺度無窮小，而且無限緊密。在這種條件下，所有科學定律並因此所有預見將來的能力都失效了。如果在此時刻之前有過些事件，它們將不可能影響現在所發生的一切。所以我們可以不理它們，因為它們並沒有可觀測的後果。由於更早的時間根本沒有定義，所以在這個意義上人們可以說，時間在大爆炸時有一開端。必須強調的是，這個時間的開端是和早先考慮的非常不同。在一個不變的宇宙中，時間的端點必須由宇宙之外的存在物所賦予；宇宙的開端並沒有物理的必要性。人們可以想像上帝在過去的任何時刻創造宇宙。另一方面，如果宇宙在膨脹，何以宇宙有一個開端似乎就有了物理的原因。人們仍然可以想像，上帝是在大爆炸的瞬間創造宇宙，或者甚至在更晚的時刻，以便它看起來就像發生過大爆炸似的方式創造，但是設想在大爆炸之前創造宇宙是沒有意義的。大爆炸模型並沒有排斥造物主，只不過對他何時從事這工作加上時間限制而已！ 為了談論宇宙的性質和討論諸如它是否存在開端或終結的問題，你必須清楚什麼是科學理論。我將採用頭腦簡單的觀點，即理論只不過是宇宙或它的受限制的一部分的模型，一些聯結這模型和我們所觀察的量的規則。它只存在於我們的頭腦中，（不管在任何意義上）不再具有任何其他的實在性。如果它滿足以下兩個要求，就算是好的理論：它必須在只包含一些任意元素的一個模型的基礎上，準確地描述大批的觀測，並對未來觀測的結果作出確定的預言。例如，亞里士多德關於任何東西是由四元素，土、空氣、火和水組成的理論是足夠簡單的了，但它沒有做出任何確定的預言。另一方面，牛頓的引力理論是基於甚至更為簡單的模型，在此模型中兩物體之間的相互吸引力和它們稱之為質量的量成正比，並和它們之間的距離的平方成反比。然而，它以很高的精確性預言了太陽、月亮和行星的運動。 在它只是假設的意義上來講，任何物理理論總是臨時性的：你永遠不可能將它證明。不管多少回實驗的結果和某一理論相一致，你永遠不可能斷定下一次結果不會和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一個和理論預言不一致的觀測事實，即可證偽之。正如科學哲學家卡爾·波帕所強調的，一個好的理論的特徵是，它能給出許多原則上可以被觀測所否定或證偽的預言。每回觀察到與這預言相符的新的實驗，則這理論就倖存，並且增加了我們對它的可信度；然而若有一個新的觀測與之不符，則我們只得拋棄或修正這理論。至少被認為這遲早總會發生的，問題在於人們有無才幹去實現這樣的觀測。 實際上經常發生的是，所設計的新理論確實是原先理論的推廣。例如，對水星的非常精確的觀測揭露了它的運動和牛頓理論預言之間的很小差異。愛因斯坦的廣義相對論所預言的運動和牛頓理論略有不同。愛因斯坦的預言和觀測相符，而牛頓的預言與觀測不相符，這一事實是這個新理論的一個關鍵證據。然而我們在大部分實際情況下仍用牛頓理論，因為在我們通常處理的情形下，兩者差別非常小。（牛頓理論的另一個巨大的優點在於，它比愛因斯坦理論容易處理得多！） 科學的終極目的在於提供一個簡單的理論去描述整個宇宙。然而，大部分科學家遵循的方法是將這問題分成兩部分。首先，是一些告訴我們宇宙如何隨時間變化的定律；（如果我們知道在任一時刻宇宙是什麼樣子的，則這些定律即能告訴我們以後的任一時刻宇宙是什麼樣子的。）第二，關於宇宙初始狀態的問題。有些人認為科學只應過問第一部分，他們認為初始狀態的問題應是形而上學或宗教的範疇。他們會說，全能的上帝可以隨心所欲地啟動這個宇宙。也許是這樣。但是，倘若那樣，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是，看起來他選擇宇宙以一種非常規則的、按照一定規律的方式演化。所以，看來可以同樣合理地假定，也存在著制約初始狀態的定律。 畢全功於一役地設計一種能描述整個宇宙的理論，看來是非常困難的。反之，我們是將這問題分成許多小塊，並發明許多部分理論。每一部分理論描述和預言一定有限範圍的觀測，同時忽略其他量的效應或用簡單的一組數來代表之。可能這方法是全錯的。如果宇宙中的每一件東西都以非常基本的方式依賴於其他的任何一件東西，很可能不能用隔離法研究問題的部分去逼近其完備的答案。儘管如此，這肯定是我們在過去取得進展所用的方法。牛頓引力理論又是一個經典的例子，它告訴我們兩個物體之間的引力只決定於與每個物體相關的一個數——它的質量；而與物體由何物組成無關。這樣，人們不需要太陽和行星結構和成份的理論就可以計算它們的軌道。 今天科學家按照兩個基本的部分理論——廣義相對論和量子力學來描述宇宙。它們是本世紀上半葉的偉大的智慧成就。廣義相對論是描述引力和宇宙的大尺度結構， 也就是從只有幾英哩直到大至1億億億（1後面跟24個0）英哩，即可觀測到的宇宙範圍的尺度的結構。另一方面，量子力學處理極小尺度的現象，例如萬億分之一英寸。然而，可惜的是，這兩個理論不是互相協調的——它們不可能都對。當代物理學的一個主要的努力，以及這本書的主題，即是尋求一個能將其合併在一起的理論——量子引力論。我們還沒有這樣的理論，要獲得這個理論，我們可能還有相當長的路要走，然而我們已經知道了這個理論所應具備的許多性質。在以下幾章，人們將會看到，我們已經知道了相當多的量子引力論所應有的預言。 現在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由確定的定律所制約的，你最終必須將這些部分理論合併成一套能描述宇宙中任何東西的完整統一理論。然而，在尋求這樣的完整統一理論中有一個基本的自相矛盾。在前面概括的關於科學理論的思想中，假定我們是有理性的生物，既可以隨意自由地觀測宇宙，又可以從觀察中得出邏輯推論。在這樣的方案里可以合理地假設，我們可以越來越接近找到制約我們宇宙的定律。然而，如果真有一套完整的統一理論，則它也將決定我們的行動。這樣，理論本身將決定了我們對之探索的結果！那麼為什麼它必須確定我們從證據得到正確的結論？它不也同樣可以確定我們引出錯誤的結論嗎？或者根本沒有結論？ 對於這個問題，我所能給出的回答是基於達爾文的自然選擇原理。這思想是說，在任何自繁殖的群體中，存在有不同個體在遺傳物質和發育上的變異。這些差異表明，某些個體比其他個體對周圍的世界更能引出正確的結論，並去適應它。這些個體更可能存活、繁殖，因此它們的行為和思維的模式將越來越起主導作用。這一點在過去肯定是真的，即我們稱之為智慧和科學發現的東西給我們帶來了存活的好處。這種情況是否仍會如此不是很清楚：我們的科學發現也可以將我們的一切都毀滅。即使不是這樣，一個完整的統一理論對於我們存活的機會不會有很大影響。然而，假定宇宙已經以規則的方式演化至今，我們可以預期，自然選擇賦予我們的推理能力在探索完整統一理論時仍然有效，並因此不會導致我們得到錯誤的結論。 因為除了最極端的情況外，我們已有了對所有一切都足夠給出精確的預言的部分理論，看來很難以現實的理由為探索宇宙的終極理論辯護。（值得指出，雖然可用類似的論點來攻擊相對論和量子力學，但這些理論已給我們帶來了核能和微電子學的革命！）所以，一套完整的統一理論的發現可能對我們種族的存活無助，甚至也不會影響我們的生活方式。然而自從文明開始，人們即不甘心於將事件看作互不相關而不可理解的。他們渴求理解世界的根本秩序。今天我們仍然渴望知道，我們為何在此？我們從何而來？人類求知的最深切的意願足以為我們所從事的不斷的探索提供正當的理由。而我們的目標恰恰正是對於我們生存其中的宇宙作完整的描述。
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