史蒂芬.威廉.霍金《時間簡史》
《時間簡史》 - 內容精要
一、時間起始點———宇宙大爆炸奇點
人們曾一直相信宇宙以靜止不變的狀態存在了無窮長的時間,並將以這種狀態無限地存在下去。但1929年埃德溫·哈勃的具有里程碑式的觀測使這種觀念壽終正寢,並將宇宙開端的探索帶進科學王國。哈勃發現無論在哪個方向觀測,遠處的星系都是遠離我們急速而去。也就是說,宇宙是不斷膨脹著,那麼它在最初就應該收縮為一點,這一時刻被稱為宇宙大爆炸時刻。
宇宙在這一點的密度無窮大,這一點即為數學上所稱的奇點。所有的科學定理在此奇點處均告失效。這意味著,所有在此時刻之前發生的事件都不能對此時刻之後的事件產生任何影響,之後發生的事件亦不可能通過科學定理由之前的事件推導而來。換言之,大爆炸時刻之前與之後的事件之間不存在任何意義上的因果關係。這樣,從時間的物理意義上來說,時間在宇宙大爆炸奇點處開始。
二、時間終結———黑洞
恆星由於引力作用會不斷收縮,向自身坍縮。當恆星的質量大於某個極限時,泡利不相容原理產生的排斥力不能平衡引力,於是恆星將繼續坍塌下去,形成一個我們稱之為「黑洞」的無限緻密的區域。黑洞表面的引力如此之強,以致在黑洞這個區域之內不可能有任何東西,包括光線從該區域內逃逸而到達遠處的觀察者。
這意味著,如果有一個無畏的航天員和恆星一起向內坍塌,並每一秒鐘向環繞該恆星的宇宙飛船發一信號。如果在11點整恆星剛好坍塌到臨界半徑而形成黑洞,那麼,宇宙飛船上的同伴們在收到恆星上的航天員在10點59秒發出的最後一個信號後將再收不到任何信號。時間在此終止。人們可以將詩人但丁針對地獄入口所說的話恰到好處地用於黑洞:「從這進去的人必須拋棄一切希望。」
三、上帝是如何啟動宇宙的?———宇宙的起源和命運
儘管人們對於宇宙大爆炸後的演化圖景有了一定的了解,但依然有些問題始終困擾著人們。比如,為何在空間和時間的所有地方和方向上表現一致?為何宇宙以這樣接近於介於坍塌和永遠膨脹模型的臨界膨脹速率開始並膨脹下去?儘管在大尺度上宇宙是如此一致和均勻,又如何存在局部的無規則性?或者我們可以問,在宇宙大爆炸的一瞬間是誰決定了宇宙以這種模式演化至今?霍金在此書中描述了人們在追溯宇宙起源的道路上艱辛的腳步。
一種是以人擇原理來解釋的叫作紊亂邊界條件的宇宙起源。就像著名的一大群猴子敲打打字機,大部分敲出來的必是廢話,但純粹的偶然也許會使它們敲出一行莎士比亞的短詩。類似地,在宇宙開端的多種無規則可能中,我們剛好生活在這樣一個光滑一致的區域里,才有可能使我們這樣複雜的人類存在。另一種解釋稱為「暴漲模型」,它認為宇宙在開始的一瞬間是以加速度膨脹,在遠小於1秒的時間裡宇宙的半徑增大了100萬億億億倍(10的30次方)。
這些理論在不同程序上雖可以解答人們的某些疑惑,但最終不能確定宇宙的根本的內在秩序。現在人們開始轉向尋求一種將量子力學和引力結合起來的完整而協調的理論,在這種理論指導下,人們找到另一種描述宇宙起源及命運的模式,即空間——時間只有有限的尺度,卻沒有奇點作為它的邊界或邊緣。空間——時間就像表面積有限而無邊界的地球,只不過多了兩維。宇宙的開端曾使人們想像一個造物主來啟動這個世界,但是,如果宇宙是完全自足的、沒有邊界或邊緣,就意味著它既沒有開端也沒有終結——它就是存在。那麼,還有上帝存身之處么?
四、物理學的統—終極理論
人類在尋求建立一個適用於宇宙中每一事件的、完整的、協調的統一理論,在這理論中不需要選取特定的常數去符合事實。尋找這樣的一個理論被稱之為「物理學的統一」,是當代物理學的首要目標。愛因斯坦用晚年的大部分時間進行這項工作,但沒有成功。人們將力分為四種,即引力、電磁力、弱核力和強核力,並已通過所謂的「大統一理論」(GUT)將後三種力統一起來,而將引力也包括進來的工作正在進行之中。
這一工作的難度在於廣義相對論是一個「經典」理論,它沒有包含量子理論的不確定性原理,而其他的部分理論又非常基本地依賴於量子力學。所以必須是將廣義相對論和量子力學結合起來。雖然還存在著一些未解決的問題,但從目前人們研究的「弦理論」中已看出成功的希望。
《時間簡史》 - 專家點評
是先有雞,還是先有蛋?宇宙有開端嗎?如果宇宙有開端的話,在此之前還發生過什麼事情?宇宙從何處來,又向何處去?時間的本質是什麼?它會有終結嗎?過去與將來之間的差別從何而來?為什麼我們記住的是過去而不是將來?這是我們很多人都曾經思考過的問題,同時又深深地被困惑,無法解答。對自己存身於其中的宇宙的神秘感卻永遠潛存在我們每一個人的心中。
這也就是為什麼當斯蒂芬·霍金的《時間簡史》出版後,會在全世界造成如此巨大影響的原因———這本書至今累計發行量已達2500萬冊,被譯成近40種語言,也就是說,世界上每500個人中就有一個人讀過這部關於時間與空間的科學著作。他的名字憑藉《時間簡史》這本書為世人所熟知。
其實,早在70年代,霍金就曾使人為之側目。他提出了黑洞放射,提出了奇點理論,並且用最通俗易懂的方法向朋友解釋黑洞。朋友們問他:「如果黑洞是黑的,你怎麼會看到它呢?」他回答說:「你去過舞廳嗎?在那裡你是否看到過那些穿著黑色晚禮服的男士與那些穿著白裙子姑娘們在一起翩翩起舞的情景?當燈光變暗時,你只能看到姑娘們,假設姑娘就是普通的星星,而男青年就是黑洞。你看不見黑洞,就像你看不見男青年一樣。但是姑娘們旋轉的舞姿使你確信那裡一定有什麼東西使她們在旋轉。」從黑洞的故事中,就可顯現日後《時間簡史》的科普性。
事實上,霍金一直試圖將愛因斯坦的相對論同量子理論綜合起來,這也是愛因斯坦和其他科學家一直未能獲得成功的領域。霍金提出的方程式有助於揭示,為什麼宇宙在150億年的時間裡由一點擴展成無限,以及為什麼它又以一種被稱為「宇宙險境」的方式對其本身進行收縮。
《時間簡史》是一部講述宇宙奧秘的科普讀物,試圖解答人類最古老的命題:時間是有始有終的嗎?宇宙是無限的嗎?霍金認為宇宙的不斷膨脹表明,宇宙在存在之前有一個誕生的起點,宇宙誕生的那一刻叫作「宇宙大爆炸」。「時間——空間在大爆炸奇點處開始,並會在大擠壓奇點處或黑洞的一個奇點處結束。任何拋進黑洞的東西都會在奇點處被毀滅。」
在霍金展示給人們的新的宇宙圖景中,他在經典物理學的框架內,證明了黑洞和大爆炸奇點的不可避免性;而在量子物理學的框架內,他研究的黑洞輻射理論證明,大爆炸的奇點不但被量子效應所抹平,而且宇宙正是起始於此。因此,霍金當之無愧地被讚譽為本世紀最重要的廣義相對論學者和宇宙學家。
在《時間簡史》中霍金所有理論公式都棄置不用,因為別人告誡他,放在書中的每一個方程都會使本書的銷售量減半。霍金成功了,此書自經問世,已售出1000萬冊。霍金曾戲稱,寫此書的目的是為了給女兒掙學費,結果是,他女兒得到了豐足的學費,而讀者獲得了豐富的知識。
人們對於霍金的景仰,還來自於霍金對科學的執著精神和對生活的勇氣。霍金20歲時被診斷出患有肌萎縮性側索硬化,該病將導致癱瘓,醫生甚至預言他還只有兩年的壽命,然而霍金卻創造了奇蹟。儘管如今他只能坐在裝有馬達的輪椅里,依靠一個電腦發聲合成器,以正常人十分之一的速度與人「交談」,生理上他寸步難行,智慧上卻一躍千年,跑到幾十億光年之外,那宇宙的邊緣。他同其他科學家一樣,用自己的經歷告訴世人:執著的探索精神是生命的最大動力。
霍金所說的一切不可能都是絕對真理,他是一個探索者,在不斷探索新的事物。他不僅推崇數學作為最嚴謹的形式邏輯的威力,更處處引證實際觀測結果作為理論可信的基本條件。正如作者在書中指出的:「無論如何,科學的力量在於凡是未經實驗驗證的東西就不能被認為是真實的存在。」所以,在任何一種理論被實驗或觀測事實多次重複地證明之前,它是不可能為科學界所承認和接受為一種科學理論的,不管提出這種理論的是何許人。
就宇宙學來說,說「宇宙在空間和時間上是無限的」,這對哲學家們來說可能一般地是正確的,但在現代自然科學中,科學家們往往避免使用或者根本就不使用這種說法。因為任何科學理論只能以實驗和觀測證據為基礎,而任何實驗和觀測只能作用於有限的客體。所以對於現代天文學家、宇宙學家,他們所能研究和討論的只能是可實驗、可觀測的具體而有限的宇宙,而對於望遠鏡看不到的更遙遠的宇宙深處,他們將會老老實實地告訴你「這還是一個未解之謎」。
這就是科學。科學永遠不會標榜自己「無所不知」。重要的是,人類必須思考,必須繼續不停地思考。人類必須努力拓展知識領域,但有時人們確實不知道從何處入手。我們不知道知識的邊界在哪兒,是不是?因為你不知道起點在哪裡。
如果我們發現了完整的宇宙理論,我們應當及時地讓所有的人都能理解它的基本原理, 而不僅僅只限於少數科學家。到那時, 我們所有的人——— 哲學家、科學家,以及普通大眾,都能夠參與關於我們和宇宙為什麼存在的問題的討論。如果我們找到了這一問題的答案,人類理智將奏起終極勝利的凱歌,因為人類獲得了最後的勝利。
《時間簡史》 - 妙語佳句
我們之所以看到宇宙這個樣子,只是因為如果它不是這個樣子,我們就不會在這裡去觀察它。
大爆炸是宇宙開端的奇點。
科學的力量在於凡是未經實驗驗證的東西就不能被認為是真實的存在。
當愛因斯坦說到「上帝不擲骰子」的時候,他錯了。鑒於黑洞給予我們的暗示,上帝不僅擲篩子,而且往往將骰子擲到我們看不見的地方以迷惑我們。
推薦閱讀: