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時間簡史——從大爆炸到黑洞
作者：史蒂芬·霍金
許明賢 吳忠超 譯
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譯者序
感謝
導言
第一章 我們的宇宙圖象
第二章 空間和時間
第三章 膨脹的宇宙
第四章 不確定性原理
第五章 基本粒子和自然的力
第六章 黑洞
第七章 黑洞不是這么黑的
第八章 宇宙的起源和命運
第九章 時間箭頭
第十章 物理學的統一
第十一章 結論
阿爾貝特·愛因斯坦
伽利雷·伽利略
伊薩克·牛頓
小辭典
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第一章 我們的宇宙圖象
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一位著名的科學家（據說是貝特郎·羅素）曾經作過一次關于天文學方面的講演。
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恒星
群的中心轉動。
演講結束之時，一位坐在房間后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只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：“那么這只烏龜是站在什么上面的呢？”“你很聰明，年輕人，
的確很聰明，”老婦人說，“不過，這是一只馱著一只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，可是為什么我們
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么？時
間的本質是什么？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，從而對于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，就已經能夠對于
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
于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，這只有在地球
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
好位于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
位于北極的正上方，所以它出現在處于北極的觀察者的頭頂上，而對于赤道上的觀察者，
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 400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，然后才是船身？
亞里士多德認為地球是不動的，太陽、月亮、行星和恒星都以圓周為軌道圍繞著它
轉動。
他相信這些，是由于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且圓周運動最為
完美。
在公元后兩世紀，這個思想被托勒密精制成一個完整的宇宙學模型。
地球處于正
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、恒星和五個當時已
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復雜的軌跡。
最外層的
天球被鑲上固定的恒星，它們總是停在不變的相對位置，但是總體繞著天空旋轉。
最后
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從最里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、
土星球和固定恒星球。
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，盡管如此，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《圣經》相一致的宇宙圖象。
這是因為它
具有巨大的優點，即在固定恒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，
可能由于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，
太陽是靜止地位于中心，而地球和其他行星繞著太陽作圓周運動。
將近一個世紀以后，
他的觀念才被認真地接受。
后來，兩位天文學家——德國的約翰斯·開普勒和意大利的
伽利雷·伽利略開始公開支持哥白尼的理論，盡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，并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于宇宙的中心，而木星的衛星沿著一種極其復雜
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，并且是相當討厭的假設，因為橢圓明顯
地不如圓那么完美。
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于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，那是由于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，并且發展了為分析這些運動所需的復雜的數學。
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。
（由于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。
“固定恒星”除了由于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恒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，牛頓意識到恒星應該相互吸引，看來它們不能保持基本上不動。
那么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里查德·本特
里的一封信中，他論證道，如果只有有限顆恒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恒星，多少均勻地分布于無限的
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恒星。
正確的方法是很久以后才
被意識到的，即是先考慮有限的情形，這時所有恒星都相互落到一起，然后在這個區域
以外，大體均勻地加上更多的恒星，看情況會如何改變。
按照牛頓定律，這額外的恒星
平均地講對原先的那些根本沒有什么影響，所以這些恒星還是同樣快地落到一起。
我們
愿意加上多少恒星就可以加上多少，但是它們仍然總是坍縮在一起。
現在我們知道，由
于引力總是吸引的，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于有限久的過去。
其部分的原因可能是，人們傾向于
相信永恒的真理，也由于雖然人會生老病死，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，然而卻允許無限顆恒星的分布保持平衡——鄰近恒星之
間的吸引力被遠隔恒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：如果某一區域內的恒星稍微互相靠近一些，引力就增強，并超過斥力的作用，這樣
這些恒星就會繼續落到一起。
反之，如果某一區域內的恒星稍微互相遠離一些，斥力就
起主導作用，并驅使它們離得更開。
另一個反對無限靜止宇宙的異見通常是歸功于德國哲學家亨利希·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。
不管怎么說，這是第一篇被廣泛注意的
文章。
這無限靜止模型的困難，在于幾乎每一道視線必須終結于某一恒星的表面。
這樣，
人們可以預料，整個天空甚至在夜晚都會像太陽那么明亮。
奧勃斯反駁說，遠處恒星的
光線由于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
加熱到發出和恒星一樣強的光為止。
唯一的能避免整個天空像太陽那么亮的結論的方法
是，假定恒星并不是永遠那么亮，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，或者遠處恒星的光線尚未到達我們這兒。
這使我們面臨著是什么首次使
恒星發光的問題。
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，宇宙開端于有限的、并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于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。
）另一種論證是圣·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。
圣·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1 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并且將繼續永遠存在。
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復出現，
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，他深入地考察了關于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。
它們都是基于他的隱含的假設，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。
這一點是圣·
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么？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，關于它有無開端的問題，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，所有科學定律并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
它們并沒有可觀測的后果。
由于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；宇宙的開端并
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。
大爆炸模型并沒有排斥造物
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，你必須清楚什么是
科學理論。
我將采用頭腦簡單的觀點，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。
它只存在于我們的頭腦中，（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，并對未來
觀測的結果作出確定的預言。
例如，亞里士多德關于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
引力理論是基于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，并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，一個好的理論的特征是，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，則這理論就幸存，并且增
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，問題在于人們有無才干去實現這樣的觀測。
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
優點在于，它比愛因斯坦理論容易處理得多！）
科學的終極目的在于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么樣子的，則這些定律即能告訴我們以后的任一時
刻宇宙是什么樣子的。
）第二，關于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范疇。
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。
畢全功于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，并發明許多部分理論。
每一部分理論描述和預言一定有限范
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于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。
盡管如此，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
決定于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后面跟24個0）英哩，即可觀測到的宇宙范圍的尺度
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并在一起的理論——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
些部分理論合并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。
在前面概括的關于科學理論的思想中，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！那么為什么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？
對于這個問題，我所能給出的回答是基于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，并去適應它。
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
整的統一理論對于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，并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，人們即不甘心于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愿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
標恰恰正是對于我們生存其中的宇宙作完整的描述。
追問
謝謝
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