宇宙的起源與歸宿

前言

　　斯蒂芬·W.霍金1942年1月8日出生于英國牛津，這一天恰好是伽利略逝世三百周年忌日。他曾先后畢業(yè)于牛津大學(xué)和劍橋大學(xué)，1965年獲橋大學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。在學(xué)生時期的1963年，二十一歲的霍金被診斷患有肌肉萎縮癥，即盧伽雷氏癥，自此他便終日與輪椅為伴。1985年后更因喪失語言能力，與人交流只能通過語音合成器來完成，為合成一小時錄音演講往往需要準(zhǔn)備十天時間。盡管身殘如此，霍金依然頭腦清晰而又聰慧，在量子力學(xué)、宇宙學(xué)，特別是有關(guān)黑洞的研究中取得了一系列輝煌的成就，被人們譽(yù)為世界上最杰出的天才之一，現(xiàn)今在世的最偉大科學(xué)家，當(dāng)代的愛因斯坦。他獲得過多項(xiàng)榮譽(yù)及獎勵，如1974年當(dāng)選為英國皇家學(xué)會最年輕會員，1974-1975年為美國加州理工學(xué)院費(fèi)爾柴爾德講座功勛學(xué)者，1978年榮獲世界理論物理研究最高獎——阿爾伯特·愛因斯坦獎，1989年獲得英國的爵士榮譽(yù)稱號?！　』艚鹪谒L達(dá)四十余年的科學(xué)生涯中建樹頗多。他與彭羅斯一起，在廣義相對論框架內(nèi)證明了著名的奇點(diǎn)定理，為此兩人共同獲得1988年沃爾夫物理獎?；艚饘诙吹年P(guān)注長達(dá)十余年之久，他證明了黑洞的面積定理，并發(fā)現(xiàn)黑洞會像黑體一樣發(fā)出輻射，而輻射的溫度與黑洞質(zhì)量成反比，這就是今日人所共知的“霍金輻射”。　　霍金不僅是一位罕見的杰出科學(xué)家，而且是一位廣受人們歡迎的科普學(xué)者。他深信科學(xué)理論進(jìn)展的一般性原理應(yīng)該能為廣大公眾所理解，他的演講在國際上享有盛譽(yù)，他的足跡遍布世界各地，其中包括曾多次來中國講演。在霍金的諸多科普著作中，最有名的當(dāng)推《時間簡史》。該書已被譯成四十余種文字，出版數(shù)超過一千萬冊?；艚鹪噲D通過自己的書籍和通俗演講，把自己的科學(xué)思想與全世界各階層人士進(jìn)行廣泛的交流?！　”緯腔艚鸬挠忠涣χ?，全書由七次相對獨(dú)立但又互相緊密聯(lián)系的講座集結(jié)而成。作者力圖通過這一系列講座，用盡可能通俗的語言，深入淺出地闡明人類迄今所探知的宇宙演化史的基本輪廓，以及相關(guān)理論的基本原理。讀者通過閱讀本書，可以初步認(rèn)知宇宙從形成、演變直至可能的最終歸宿之全過程，以及這一過程之所以發(fā)生的物理機(jī)制?！　猩婕傲爽F(xiàn)代物理學(xué)的諸多領(lǐng)域，如宇宙的大爆炸起源，黑洞的特性，以及時空本質(zhì)等，為此作者就講座次序及其相關(guān)內(nèi)容做了精心安排。在宇宙學(xué)方面，從介紹兩千多年前亞里士多德時代人們對地球的朦朧認(rèn)識，到今天頗為深奧的大爆炸宇宙論和暴脹理論。在引力理論方面，從早期的牛頓引力論到愛因斯坦廣義相對論，進(jìn)而融入現(xiàn)代量子理論，甚至還簡要敘述了有關(guān)弦理論的種種趣事。黑洞性質(zhì)的闡述無疑是本書的重點(diǎn)之一，為此作者特意安排了整整兩講的篇幅，并穿插若干富于想象力的精彩描述，使人閱后難以忘懷。在討論了宇宙的起源與歸宿之后，最后一講的內(nèi)容回歸到本書的標(biāo)題——“萬物之理”，即如何尋求一種統(tǒng)一理論，以能囊括所有的局部性物理學(xué)相互作用，而這正是現(xiàn)代物理學(xué)尚未解決的若干極其重要問題之一。作者認(rèn)為一旦做到這一點(diǎn)，我們將會真正理解宇宙以及人類在宇宙中所處的地位?！　】梢哉f，本書就人類認(rèn)識宇宙的歷史和現(xiàn)狀，向讀者展現(xiàn)了一次逐步深入的探索式“旅行”。實(shí)際上，在這一認(rèn)識過程中，必然涉及相當(dāng)深奧的物理學(xué)和天文學(xué)理論，然而在全書中僅有一處出現(xiàn)簡單公式(即E＝MC2)，由此足見作者不僅是一代科學(xué)大師，而且還是向公眾傳播科學(xué)知識和科學(xué)方法的巧匠。盡管個別章節(jié)對一些讀者來說尚有一定難度，但這并不會影響讀者對作者總體思想的認(rèn)知和把握。如有讀者感到此類難點(diǎn)，盡可跳過無妨，重要的是了解宇宙如何誕生和演化的歷程，以及所涉及的一些重要理論之基本概念?！　∴笥谧g者各方面的學(xué)識水平，譯文的錯誤和疏漏之處在所難免，還望讀者不吝賜教為盼。

內(nèi)容概要

本書是斯蒂芬·霍金在英國劍轎大學(xué)所作的七場講學(xué)，包含了他畢生鉆石宇宙學(xué)的精華，精辟扼要。即使略具基本科學(xué)知識者，讀了這七講，對宇宙創(chuàng)世的奇妙壯麗，也能一窺梗概。    這些演講不僅閃耀著霍金智慧的光環(huán)，而且體現(xiàn)出他特有的機(jī)智。談到花費(fèi)了他十幾年時間的黑洞研究時，他說道：“這似乎有點(diǎn)像在煤窖里尋找在只黑貓?！被艚饛娜祟愓J(rèn)識宇宙的歷史談起，從亞罩士多德確認(rèn)地球是一個圓球，到哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙正處于膨脹之中，其問經(jīng)歷了兩千多年。以此作為起點(diǎn)，他探究了現(xiàn)代物理學(xué)的諸多領(lǐng)域，包括宇宙的起源(即大爆炸)、黑洞的性質(zhì)，以及時空等理論。最后，霍金提出了現(xiàn)代物理學(xué)尚未解決的若干問題，特別是如何把所有的局部性理論結(jié)合成一種“統(tǒng)一的萬物之理”他斷言：“如果我們找到了這一問題的答案，那將會是人類理性的終極勝利。”    在本書中，霍會就宇宙以及我們在宇宙中的地位問題，向讀者展現(xiàn)了一次引人入勝的探索式旅行。對任何曾仰望過夜空，并想知道那里曾經(jīng)發(fā)生過什么，以及如何演變?yōu)槿缃駹顟B(tài)的人來說，本書無疑值得一讀。

作者簡介

斯蒂芬·霍金(1942-  )，作為劍橋夫大學(xué)盧卡斯數(shù)學(xué)教授，他擔(dān)任的是牛頓的教席。他是世界上最杰出的天才之一，被推崇為繼愛因斯坦之后最偉人的理論物理學(xué)家，宇宙模型因他的工作得以改觀，宇宙萬物的內(nèi)容也因而重新界定。著有《時間簡史》、《果殼中的宇宙》等暢銷全球的

書籍目錄

引言第1講  有關(guān)宇宙的若干觀念第2講  膨脹的宇宙第3講  黑洞第4講  黑洞并非黑不可知第5講  宇宙的起源與歸宿第6講  時間的方向第7講  萬物之理名詞對照表英支原文

章節(jié)摘錄

　　第1講　有關(guān)宇宙的若干觀念　　早在公元前340年，亞里士多德在他的《天論》（On the Heavens）一書中，就已能提出兩個令人信服的論據(jù)，從而證明地球是一個圓球，而不是一個扁平的盤。首先，他領(lǐng)悟到月食的成因是由于地球運(yùn)行到了太陽和月球之間。地球投射在月球上的影子始終是圓形的，這一觀測事實(shí)只有當(dāng)?shù)厍驗(yàn)榍蛐螘r才能出現(xiàn)。如果地球是一個扁平的圓盤，那么除非月食發(fā)生之際太陽總是正射到盤的中心，否則地球的影子必然會拉長而成為橢圓形?！　〉诙?，希臘人在他們的遷居過程中早就知曉，南方看到的北極星在天空中的位置，要比北部地區(qū)所看到的位置來得低。根據(jù)埃及和希臘兩地所見北極星視位置的差異，亞里士多德甚至估計(jì)出了地球的周長為40萬斯達(dá)地。1斯達(dá)地的準(zhǔn)確長度無人知曉，不過很可能約合200碼。如是，亞里士多德的估值約為目前所采用值的兩倍?！　〈送?，希臘人還提出了地球必然為球形的第三個理由：為什么船舶出現(xiàn)在地平線上時，人們先看到的是船帆，然后才看到船身？亞里士多德認(rèn)為地球是靜止不動的，而太陽、月球、行星以及恒星都沿著圓形軌道繞地球運(yùn)動。他深信，鑒于某些神秘莫測的理由，地球位于宇宙的中心，而圓運(yùn)動是最完美的?！　」?世紀(jì)，經(jīng)托勒密的精心推敲，形成了一種完整的宇宙模型。地球位于中心，它的周圍有八個天球，分別承載了月球、太陽、恒星以及當(dāng)時所知道的五顆行星，即水星、金星、火星、木星和土星。這些行星分別在一些較小的圓軌道上運(yùn)動，而這些小圓圈又各自附于上面提到的那些天球上，由此來說明所觀測到的行星在天空中的復(fù)雜運(yùn)動路徑。位于最外面那個天球上的則是一些所謂固定不動的恒星，它們之間的相對位置始終保持不變，同時又作為一個整體在天空中轉(zhuǎn)動。至于在最外面的天球之外又是什么，則從來沒有被搞清楚過，但這肯定不是人類可觀測的宇宙的組成部分。　　托勒密的模型提供了一種頗為合理的精確系統(tǒng)，它可以用來預(yù)測諸天體在天空中的位置。但是，為了正確地預(yù)測這些位置，托勒密不得不設(shè)定月球運(yùn)動的路徑距地球時近時遠(yuǎn)，最近時的月地距離只是其他時候的一半。這意味著有時候月球看上去會比通常所看到的大上一倍。托勒密本人知道這是一個問題，但盡管有這個缺陷，他的模型在當(dāng)時為大多數(shù)人所接受，雖然并非人人都予以認(rèn)可。基督教教會接納了托勒密的模型以作為宇宙的圖像，因?yàn)樗c《圣經(jīng)》的記載相符。該模型的一大好處是，它在恒星球之外為天堂和地獄留下了廣闊的空間?！　∪欢?，波蘭教士尼古拉·哥白尼在1514年提出了一種更為簡單的模型。最初，哥白尼因擔(dān)心會被指控為異端之說，便采用匿名方式發(fā)表了他的模型。哥白尼的思想是，太陽位于中心且靜止不動，地球和其他行星都繞著太陽在圓軌道上運(yùn)動。對哥白尼來說可悲的是，差不多在一個世紀(jì)之后人們才認(rèn)真地接受了他的思想。其時，有兩位天文學(xué)家，德國人約翰內(nèi)斯·開普勒和意大利人加利萊奧·伽利略——開始公開支持哥白尼的理論，盡管事實(shí)上該理論所預(yù)言的行星運(yùn)動軌道與觀測結(jié)果并不完全相符。亞里士多德一托勒密理論的消亡始于1609年。在那一年，伽利略開始用望遠(yuǎn)鏡觀測夜空，當(dāng)時望遠(yuǎn)鏡才剛發(fā)明不久?！　≠だ栽谟^測木星時，發(fā)現(xiàn)它的周圍有幾顆小的衛(wèi)星（或者說月亮）在繞著木星作軌道運(yùn)動。這說明所有天體并非如亞里士多德和托勒密所認(rèn)為的那樣都必然直接繞著地球運(yùn)動。當(dāng)然，仍然可以相信地球位于宇宙中心且靜止不動，不過這時要使木星的月亮看上去表現(xiàn)為在繞木星運(yùn)動，那么它們繞地球運(yùn)動的路徑必然極其復(fù)雜。然而，哥白尼理論就要簡單得多了?！　≡谕粫r期，開普勒對哥白尼理論作了修正，他認(rèn)為行星運(yùn)動的軌道不是圓，而是橢圓。這么一來，理論預(yù)期與實(shí)測結(jié)果最終完全相符了。就開普勒而言，橢圓軌道只是一種特定的假設(shè)，而且是一種頗不受人歡迎的假設(shè)，因?yàn)樵谀菚r的人看來橢圓顯然不如圓來得完美。開普勒發(fā)現(xiàn)橢圓軌道與觀測結(jié)果很好地相符帶有某種偶然性，他當(dāng)時認(rèn)為由于磁力的作用才使得行星繞太陽運(yùn)動，而橢圓軌道與這種觀念是無法調(diào)和的?！　≈皇堑搅硕嗄旰蟮?687年，牛頓才對此給出了解釋，那一年牛頓發(fā)表了他的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。這本書也許是物理科學(xué)領(lǐng)域迄今為止所出版的一部最為重要的著作，書中牛頓不僅提出了描述物體在空間和時間中運(yùn)動規(guī)律的理論，而且還推導(dǎo)出了分析這類運(yùn)動所需要的數(shù)學(xué)公式。不僅如此，牛頓還提出了萬有引力定律。這條定律指出，宇宙中的每一個物體都會受到其他所有物體的吸引，物體的質(zhì)量越大，物體問的距離越近，引力就越強(qiáng)。正是因?yàn)檫@種作用力的存在，才使得物體會落到地面上來。關(guān)于一個蘋果掉到牛頓頭上的故事似乎并不足以為信。牛頓本人提到過的僅僅是，關(guān)于引力的思想是他處于沉思冥想之際，由一個蘋果的掉落而引發(fā)的?！　∨ｎD進(jìn)一步證明，根據(jù)他的定律，由于引力的作用使月球沿著橢圓軌道繞地球運(yùn)動，也使得地球和其他行星遵循橢圓形路徑繞太陽運(yùn)動。哥白尼的模型拋棄了托勒密的天球體系，同時也拋棄了宇宙有一個天然的邊界的觀念。恒星不會因地球繞太陽的運(yùn)轉(zhuǎn)而改變它們的相對位置。由此自然可以推知，恒星是一些與我們的太陽類似、但距離要遙遠(yuǎn)得多的天體。上述推論會引起一個問題。牛頓意識到根據(jù)他的引力理論，恒星應(yīng)該彼此互相吸引；因此，它們似乎不可能保持基本上無運(yùn)動的狀態(tài)。那么，所有這些恒星最終會統(tǒng)統(tǒng)落到某一點(diǎn)上嗎？　　牛頓在1691年寫給當(dāng)時另一位權(quán)威思想家理查德·本特利的一封信中指出，如果僅有有限數(shù)目的恒星，上述情況確實(shí)是會發(fā)生的。但是另一方面，他又推斷說，如果恒星的個數(shù)為無窮大，且又大致均勻地分布在無限大的空間內(nèi)，那么這種情況就不會出現(xiàn)，因?yàn)檫@時對恒星來說就不存在任何使之內(nèi)落、集聚的中心點(diǎn)。這種推論是人們談?wù)撽P(guān)于無限的問題時可能遭遇的陷阱的一個例子。　　在一個無限的宇宙中，每一個點(diǎn)都可以被視為中心，因?yàn)樵诿恳稽c(diǎn)處朝各個方向看去都會有無窮多顆恒星。只是在多年之后人們才領(lǐng)悟到，認(rèn)識這一問題的正確途徑是，應(yīng)該考慮的是一種有限的空間，其中的恒星都會彼此內(nèi)落并集聚?，F(xiàn)在我們要問，如果在上述有限區(qū)域的外圍加上一些恒星，且它們大體上為均勻分布，那么情況會有哪些變化？根據(jù)牛頓定律，后來補(bǔ)充的恒星與原來的那些恒星毫無區(qū)別，因而它們也會接連不斷地內(nèi)落。這樣的恒星可以想增加多少就增加多少而不受限制，但它們會始終保持不斷地自行坍縮。現(xiàn)在我們知道了，不可能構(gòu)筑一個靜態(tài)的無限宇宙模型，在其中引力永遠(yuǎn)是一種吸引力?！　≡?0世紀(jì)之前從未有人提出過宇宙正處于膨脹或收縮之中，這耐人尋味地反映了當(dāng)時的主流思潮。當(dāng)時為人們普遍接受的觀念是，宇宙要么從來就以一種不變的狀態(tài)永恒存在，要么它是在過去某個確定的時刻被創(chuàng)生出來，而且宇宙誕生時的狀態(tài)與今天所觀測到的樣子大體上是一樣的。形成這種觀念的部分原因也許在于，人們傾向于相信永恒的真理，以及從下述想法中所得到的些許安慰：盡管他們會慢慢地老去，直至死亡，但宇宙是永恒不變的?！　〖词褂腥艘庾R到牛頓引力理論表明宇宙不可能是靜態(tài)的，他們也不會去思考并提出宇宙也許正處于膨脹之中。相反，他們嘗試去修正引力理論，辦法是在很大的距離上使引力變?yōu)槌饬?。這種做法不會對預(yù)測行星的運(yùn)動產(chǎn)生顯著影響。但是，它可以使無限分布的恒星保持平衡狀態(tài)：近距離恒星間的引力被來自遠(yuǎn)距離恒星的斥力相抵消?！　∪欢覀儸F(xiàn)在認(rèn)為這種平衡態(tài)是不穩(wěn)定的。如果某一天區(qū)內(nèi)的恒星哪怕只是彼此間稍稍靠近一點(diǎn)兒，它們之間的吸引力就會增強(qiáng)，并超過斥力的作用。這意味著那些恒星便會繼續(xù)彼此內(nèi)落、集聚。另一方面，要是恒星之間的距離略有增大，斥力就會占上風(fēng)，結(jié)果使恒星進(jìn)一步互相遠(yuǎn)離?！　∪藗兺ǔＵJ(rèn)為，對無限靜態(tài)宇宙的另一個反詰是由德國哲學(xué)家海因里?！W伯斯提出來的。事實(shí)上，與牛頓同時代的各行各業(yè)學(xué)者已經(jīng)提出了這個問題，甚至奧伯·斯1823年的文章也不是包含了對這一議題貌似合理的推論的第一篇。不過，這是最早受到人們廣泛關(guān)注的一篇文章。困難之處在于，在一個無限靜態(tài)的宇宙中，幾乎每一條視線或者每一條邊，都將終止于某顆恒星的表面。因此，人們應(yīng)當(dāng)看到整個天空會像太陽一樣明亮，哪怕在夜晚也是如此。奧伯斯對此的解釋是，來自遙遠(yuǎn)恒星的光線因受到行進(jìn)路徑上物質(zhì)的吸收而減弱了。但是，如果情況確實(shí)如此，那么這類介質(zhì)也會因受到加熱而發(fā)光，并最終變得如恒星般明亮。

媒體關(guān)注與評論

　　克服疾病而成為世界物理學(xué)界的超新星。他不能書寫，甚至不能清楚地說話，但他正在越大爆炸，躍向創(chuàng)造了宇宙的“幾何之舞”。　　——《名利場》　　明晰而機(jī)智地解釋宇宙物理的復(fù)雜現(xiàn)象……他的頭腦擁有無與倫比的力量?！　　都~約書評》　　顯然具有教師的天賦——輕松、寬厚的幽默，以及擅長用源自日常生活的比喻來閘釋極其復(fù)雜的命題?！　　都~約時報(bào)》

編輯推薦

　　一堂揭秘宇宙奇史的大師講座，中科院著名天文學(xué)家　趙君亮譯介導(dǎo)讀 超值贈送 英文原版霍金劍橋演講集?！　∥蚁雵L試通過這一系列討論，來闡明我們所認(rèn)識的宇宙史之基本輪廓。　　——斯蒂芬·霍金

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