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史蒂芬.威廉.霍金《时间简史》


  《时间简史》 - 内容精要

  一、时间起始点———宇宙大爆炸奇点

人们曾一直相信宇宙以静止不变的状态存在了无穷长的时间,并将以这种状态无限地存在下去。但1929年埃德温·哈勃的具有里程碑式的观测使这种观念寿终正寝,并将宇宙开端的探索带进科学王国。哈勃发现无论在哪个方向观测,远处的星系都是远离我们急速而去。也就是说,宇宙是不断膨胀着,那么它在最初就应该收缩为一点,这一时刻被称为宇宙大爆炸时刻。

宇宙在这一点的密度无穷大,这一点即为数学上所称的奇点。所有的科学定理在此奇点处均告失效。这意味着,所有在此时刻之前发生的事件都不能对此时刻之后的事件产生任何影响,之后发生的事件亦不可能通过科学定理由之前的事件推导而来。换言之,大爆炸时刻之前与之后的事件之间不存在任何意义上的因果关系。这样,从时间的物理意义上来说,时间在宇宙大爆炸奇点处开始。




  二、时间终结———黑洞

恒星由于引力作用会不断收缩,向自身坍缩。当恒星的质量大于某个极限时,泡利不相容原理产生的排斥力不能平衡引力,于是恒星将继续坍塌下去,形成一个我们称之为黑洞的无限致密的区域。黑洞表面的引力如此之强,以致在黑洞这个区域之内不可能有任何东西,包括光线从该区域内逃逸而到达远处的观察者。

这意味着,如果有一个无畏的航天员和恒星一起向内坍塌,并每一秒钟向环绕该恒星的宇宙飞船发一信号。如果在11点整恒星刚好坍塌到临界半径而形成黑洞,那么,宇宙飞船上的同伴们在收到恒星上的航天员在10点59秒发出的最后一个信号后将再收不到任何信号。时间在此终止。人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于黑洞:从这进去的人必须抛弃一切希望。



  三、上帝是如何启动宇宙的?———宇宙的起源和命运

尽管人们对于宇宙大爆炸后的演化图景有了一定的了解,但依然有些问题始终困扰着人们。比如,为何在空间和时间的所有地方和方向上表现一致?为何宇宙以这样接近于介于坍塌和永远膨胀模型的临界膨胀速率开始并膨胀下去?尽管在大尺度上宇宙是如此一致和均匀,又如何存在局部的无规则性?或者我们可以问,在宇宙大爆炸的一瞬间是谁决定了宇宙以这种模式演化至今?霍金在此书中描述了人们在追溯宇宙起源的道路上艰辛的脚步。

一种是以人择原理来解释的叫作紊乱边界条件的宇宙起源。就像著名的一大群猴子敲打打字机,大部分敲出来的必是废话,但纯粹的偶然也许会使它们敲出一行莎士比亚的短诗。类似地,在宇宙开端的多种无规则可能中,我们刚好生活在这样一个光滑一致的区域里,才有可能使我们这样复杂的人类存在。另一种解释称为暴涨模型,它认为宇宙在开始的一瞬间是以加速度膨胀,在远小于1秒的时间里宇宙的半径增大了100万亿亿亿倍(10的30次方)。

这些理论在不同程序上虽可以解答人们的某些疑惑,但最终不能确定宇宙的根本的内在秩序。现在人们开始转向寻求一种将量子力学和引力结合起来的完整而协调的理论,在这种理论指导下,人们找到另一种描述宇宙起源及命运的模式,即空间——时间只有有限的尺度,却没有奇点作为它的边界或边缘。空间——时间就像表面积有限而无边界的地球,只不过多了两维。宇宙的开端曾使人们想象一个造物主来启动这个世界,但是,如果宇宙是完全自足的、没有边界或边缘,就意味着它既没有开端也没有终结——它就是存在。那么,还有上帝存身之处么?




  四、物理学的统终极理论

人类在寻求建立一个适用于宇宙中每一事件的、完整的、协调的统一理论,在这理论中不需要选取特定的常数去符合事实。寻找这样的一个理论被称之为物理学的统一,是当代物理学的首要目标。爱因斯坦用晚年的大部分时间进行这项工作,但没有成功。人们将力分为四种,即引力、电磁力、弱核力和强核力,并已通过所谓的大统一理论(GUT)将后三种力统一起来,而将引力也包括进来的工作正在进行之中。

这一工作的难度在于广义相对论是一个经典理论,它没有包含量子理论的不确定性原理,而其他的部分理论又非常基本地依赖于量子力学。所以必须是将广义相对论和量子力学结合起来。虽然还存在着一些未解决的问题,但从目前人们研究的弦理论中已看出成功的希望。




  《时间简史》 - 专家点评

是先有鸡,还是先有蛋?宇宙有开端吗?如果宇宙有开端的话,在此之前还发生过什么事情?宇宙从何处来,又向何处去?时间的本质是什么?它会有终结吗?过去与将来之间的差别从何而来?为什么我们记住的是过去而不是将来?这是我们很多人都曾经思考过的问题,同时又深深地被困惑,无法解答。对自己存身于其中的宇宙的神秘感却永远潜存在我们每一个人的心中。

这也就是为什么当斯蒂芬·霍金的《时间简史》出版后,会在全世界造成如此巨大影响的原因———这本书至今累计发行量已达2500万册,被译成近40种语言,也就是说,世界上每500个人中就有一个人读过这部关于时间与空间的科学著作。他的名字凭借《时间简史》这本书为世人所熟知。

  其实,早在70年代,霍金就曾使人为之侧目。他提出了黑洞放射,提出了奇点理论,并且用最通俗易懂的方法向朋友解释黑洞。朋友们问他:如果黑洞是黑的,你怎么会看到它呢?他回答说:你去过舞厅吗?在那里你是否看到过那些穿着黑色晚礼服的男士与那些穿着白裙子姑娘们在一起翩翩起舞的情景?当灯光变暗时,你只能看到姑娘们,假设姑娘就是普通的星星,而男青年就是黑洞。你看不见黑洞,就像你看不见男青年一样。但是姑娘们旋转的舞姿使你确信那里一定有什么东西使她们在旋转。从黑洞的故事中,就可显现日后《时间简史》的科普性。

  事实上,霍金一直试图将爱因斯坦的相对论同量子理论综合起来,这也是爱因斯坦和其他科学家一直未能获得成功的领域。霍金提出的方程式有助于揭示,为什么宇宙在150亿年的时间里由一点扩展成无限,以及为什么它又以一种被称为宇宙险境的方式对其本身进行收缩。




《时间简史》是一部讲述宇宙奥秘的科普读物,试图解答人类最古老的命题:时间是有始有终的吗?宇宙是无限的吗?霍金认为宇宙的不断膨胀表明,宇宙在存在之前有一个诞生的起点,宇宙诞生的那一刻叫作宇宙大爆炸时间——空间在大爆炸奇点处开始,并会在大挤压奇点处或黑洞的一个奇点处结束。任何抛进黑洞的东西都会在奇点处被毁灭。

在霍金展示给人们的新的宇宙图景中,他在经典物理学的框架内,证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性;而在量子物理学的框架内,他研究的黑洞辐射理论证明,大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平,而且宇宙正是起始于此。因此,霍金当之无愧地被赞誉为本世纪最重要的广义相对论学者和宇宙学家。

  在《时间简史》中霍金所有理论公式都弃置不用,因为别人告诫他,放在书中的每一个方程都会使本书的销售量减半。霍金成功了,此书自经问世,已售出1000万册。霍金曾戏称,写此书的目的是为了给女儿挣学费,结果是,他女儿得到了丰足的学费,而读者获得了丰富的知识。

  人们对于霍金的景仰,还来自于霍金对科学的执著精神和对生活的勇气。霍金20岁时被诊断出患有肌萎缩性侧索硬化,该病将导致瘫痪,医生甚至预言他还只有两年的寿命,然而霍金却创造了奇迹。尽管如今他只能坐在装有马达的轮椅里,依靠一个电脑发声合成器,以正常人十分之一的速度与人交谈,生理上他寸步难行,智慧上却一跃千年,跑到几十亿光年之外,那宇宙的边缘。他同其他科学家一样,用自己的经历告诉世人:执著的探索精神是生命的最大动力。

霍金所说的一切不可能都是绝对真理,他是一个探索者,在不断探索新的事物。他不仅推崇数学作为最严谨的形式逻辑的威力,更处处引证实际观测结果作为理论可信的基本条件。正如作者在书中指出的:无论如何,科学的力量在于凡是未经实验验证的东西就不能被认为是真实的存在。所以,在任何一种理论被实验或观测事实多次重复地证明之前,它是不可能为科学界所承认和接受为一种科学理论的,不管提出这种理论的是何许人。

就宇宙学来说,说宇宙在空间和时间上是无限的,这对哲学家们来说可能一般地是正确的,但在现代自然科学中,科学家们往往避免使用或者根本就不使用这种说法。因为任何科学理论只能以实验和观测证据为基础,而任何实验和观测只能作用于有限的客体。所以对于现代天文学家、宇宙学家,他们所能研究和讨论的只能是可实验、可观测的具体而有限的宇宙,而对于望远镜看不到的更遥远的宇宙深处,他们将会老老实实地告诉你这还是一个未解之谜

这就是科学。科学永远不会标榜自己无所不知。重要的是,人类必须思考,必须继续不停地思考。人类必须努力拓展知识领域,但有时人们确实不知道从何处入手。我们不知道知识的边界在哪儿,是不是?因为你不知道起点在哪里。

  如果我们发现了完整的宇宙理论,我们应当及时地让所有的人都能理解它的基本原理, 而不仅仅只限于少数科学家。到那时, 我们所有的人——— 哲学家、科学家,以及普通大众,都能够参与关于我们和宇宙为什么存在的问题的讨论。如果我们找到了这一问题的答案,人类理智将奏起终极胜利的凯歌,因为人类获得了最后的胜利。

  《时间简史》 - 妙语佳句

  我们之所以看到宇宙这个样子,只是因为如果它不是这个样子,我们就不会在这里去观察它。

  大爆炸是宇宙开端的奇点。

  科学的力量在于凡是未经实验验证的东西就不能被认为是真实的存在。

  当爱因斯坦说到上帝不掷骰子的时候,他错了。鉴于黑洞给予我们的暗示,上帝不仅掷筛子,而且往往将骰子掷到我们看不见的地方以迷惑我们。

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