读书笔记九十一:时间简史续编

有关《时间筒史》电影和本书附注《时间简史续编》的创作,是为了让《时间简史》的读者,以及埃洛尔·莫雷斯所导演摘录该书的记录片的观众,对史蒂芬·霍金生活和研究有一个清晰的了解。它包括称为《时间简史》的同名影片中的大部分资料,还有会晤、图解,以及霍金教授自己的叙述。

我写《时间简史》时最主要的目的,是要告诉大家在理解制约宇宙的定律方面当代最新的进展。从1988年4月愚人节首版以来,此书已在世界各地被翻译成30种文字,并出售了大约550万册。、

史蒂芬·霍金 一九九二年一月

对于一本书而言, 虽然销售550万册是伟大的成功,但仍然只触及一小部分人类。电影和电视才是接触更广大读者的唯一途径。这就是在本书初版六个月后,高登·弗利曼找我来拍一部电影时,我也就欣然接受的原因。 这本《时间简史续编》是为了提供背景知识给原书的读者或这部影片的观众。这本书比影片容纳了更多的资料,并包含影片中的照片和影片中科学思想的阐释。此书是原书之电影之书。

当代宇宙学家经过十年的努力,建立了量子宇宙学的新学科。霍金和他的合作者提出的宇宙无边界设想是它的一块基石。它在双重意义上回应了宇宙学的挑战。第一,宇宙是包容一切的,在它的外面不能有任何东西,甚至应该说,它没有外面。第二,宇宙是唯一的,它不是可以任意赋予初始条件或边界条件的一般系统。宇宙的演化服从科学定律表明理论的自洽性,而宇宙的无边界性表明理论的自足性。

霍金和彭罗斯的奇性定理表明只能用量子物理来描述宇宙。宇宙的波函数可以避免空间———时间奇性。时间概念在宇宙之外没有任何意义,而在宇宙的开端遭受剧烈的改变。

我出生于1942年1月8日,刚好是伽利略逝世三百周年后的同一天。然而,我估计了一下,大约有二十万个婴儿在同一天诞生,不知道其中有没有后来对天文学感兴趣的人。 尽管我的父母亲在伦敦生活,我却是在牛津诞生的。这是因为牛津在战时是个出生的好地方:德国人同意不轰炸牛津和剑桥,英国以不轰炸海德堡和哥廷根作为回报。可惜的是,这类文明的措施不能扩及更大的范围。

伊莎贝尔·霍金是史蒂芬·霍金的母亲,她已年近八十。1930年代,伊莎贝尔在牛津研究哲学、政治和经济学。我父亲是在约克郡长大的。他的父母在本世纪初破产了,但还是设法把他送到牛津学医。 史蒂芬从未受到他父亲工作的影响;他对生物学从来就毫无兴趣,他不要宠物。他从小就爱制造东西、想东西并且非常多话。

父亲和史蒂芬并不经常见面。但是他的确把史蒂芬的兴趣引向了天文学。我记得我们大家都躺在草地上用望远镜观看星空奇观。史蒂芬总是很能感受奇妙的事物,我看得出来,星星很吸引他,而且他的想象力驰骋到星空之外。

法兰克·霍金(父亲)有非常严重的口吃。我们大家都相信,霍金一家是这么聪明,以至于他们的言语跟不上他们的思想;这就是他们为何口吃,为何结巴,为何他们以这种相当笨拙的方式说话。我想你在这个家庭的其他成员身上也能看到这一点。那时在史蒂芬身上也能看到这一点。

珍娜·韩福瑞:当霍金一家去印度时,决定把史蒂芬留下和我们生活一年。我们有一栋大房子和一个大家庭,况且那时他不应该离开,不能说休学就休学,一年休学事关重大。他和我们一块住当然可以放心。

我父亲希望我去研究医学,然而我觉得生物学太偏重描述而不是基础学科。我要学数学和物理,但是我父亲认为数学除了教书别无出路。所以他叫我学化学、物理,只学一点数学。 另一个反对数学的原因,是他希望我上他的母校——牛津大学的大学学院,而那个时候该学院不教数学。1959年我如期到那里学物理。由于物理制约了整个宇宙的行为,所以我对物理最感兴趣。对我而言数学只不过是研究物理的工具而已。

那时牛津物理课程的安排,使得大学很容易逃避用功。我上大学前考了一次,然后在牛津过了三年只在最后考一次毕业考。我有一次计算过,在牛津的三年中,我大约总共学习了一千小时,也就是平均每天一小时。我并不以那时的不用功为傲,我只不过是描述当时的想法而已

史蒂芬和我们其他人相比是如此之聪明,以至于我们和他相处很困难。我认为,史蒂芬和那些按照他的标准而言并不聪明的人相处之道,是寻找自卫术,巧妙地用它来应付这些人。但是按照他的标准,甚至在牛津,我们这些人都是相当愚蠢的。而和比你愚蠢许多的人朝夕相处是十分困难的事。因此我想,你必须使自己成为非常内向的人,甚至为了自卫几乎把自己化为漫画人物。

我(霍金妈妈)记得他在牛津的第三年,自己就开始注意到手不像过去那么灵活了,情况变得有点困难。但他没有告诉我们。我对他很忧虑,我们把它归因于考试压力以及年轻人的一般困难,所以并没有意识到它的严重性。我想那是发生在夏季学期的事,在他期终考后正要回家之前,他头朝下从楼梯跌了下来。他总是头冲下摔跤。

1962年秋天,史蒂芬·霍金上了剑桥,但是他的健康在往后几个月中更恶化了。我过完二十一岁生日之后不久就进医院检查。他们从我的手臂取出肌肉样品,把电极插到我的身上,把一些放射性不透明流体注入我的脊柱中,一面使床倾斜,一面用X光来观察这流体上上下下流动。我被诊断得了ALS病,肌肉萎缩性侧面硬化病,或者英国人称作运动神经细胞病。

他(霍金)非常直截了当地告诉我,他的身体将逐渐运转不灵。他们还告诉他说,最后他的身体会像植物一样,只有思维仍然是完好的,但是他将不能和外在世界沟通。他说最后只有他的心脏、肺和头脑仍能运行。此后他的心脏或肺也会失效,他就会死去。

因为我估计自己活不到完成博士论文,所以看来做研究已没有什么意义。然而,疾病随着时间流逝似乎缓和了下来。我开始明白广义相对论,并在研究上获得进展。但是真正使我生活改观的是我和一位名叫简·瓦尔德的女士订婚。这位我有了活下去的目标。也就是说,如果我要结婚就必须有一份工作。 1965年史蒂芬·霍金申请剑桥凯尔斯学院,他得到一份研究奖学金。 同年7月他和简·瓦尔德结婚。他们的第一个儿子罗伯特出生于1967年,女儿露西出生于1970年,而第二个儿子提莫西出生于1979年。

史蒂芬·霍金在进剑桥之前,考虑选择研究理论物理的两个领域。一个是研究非常大即宇宙学,另一个是研究非常小即基本粒子。在宇宙学方面已有一个定义完好的理论,即爱因斯坦的广义相对论。当时在牛津没人研究宇宙学。而在剑桥的弗雷得·霍伊尔却是英国当代最杰出的天文学家。

阿尔伯特·爱因斯坦发现了两种相对性理论。第一种称为狭义相对论(年),它声称光总是以常速率旅行,光速是一个绝对常数,所有其他运动都是相对的。年爱因斯坦发表了有关广义相对论的论文。广义相对论本质上是把引力当作空间——时间几何畸变的结果。

相对论的抽象概念和观察射电发射的具体方法之间的关联非常令人兴奋。这也许是现代物理概念以观察方式进入天文学的转折点。

在强引力场中,广义相讨论的新奇特征最为显著。量子力学的特征在小距离足度下最为显著。这样,空间——时间几何的量子力学理论,即量子引力对于理解发生在非常小尺度和牵涉到强引力场的事件时是基本的。其中一个事件便是大爆炸,另一个事件是发生在一个黑洞之中。

如果宇宙处于一种稳态,一种平衡,只要你愿意在不同时刻观测它的话,它应该在平均上显得不变。这样,如果你观测非常遥远的物体,那么你就能看到时间的过去,就能看到宇宙的过去和现在是否相同。

托马斯·高尔德,这位早先和霍伊尔以及邦迪在剑桥的合作者,首次清晰地论证,脉冲星只能是旋转的中子星,而不是别的什么东西。由于中子星几乎是处于黑洞的条件,中子星的半径只比同等质量黑洞的半径大几倍,那些认真接受黑洞概念的人,因此信心百倍。

彭罗斯的观念显示,如果一颗恒星坍缩超过一定程度,它将不可能再膨胀。相反的,空间——时间的一个奇点将会发生,在这一点,时间将会终结并且物理定律会失效。

史蒂芬和罗杰·彭罗斯是两位伟大的相对论家,他们研究非常类似的问题。他们最后得到了著名的定理,在宇宙的开端处必须存在奇点,也就是相对论失效的地方。他们的发现在某种意义上可以视为:广义相对论在非常特殊的情况下预言了自身的失效。

奇点以两种情况出现,它们在黑洞的中心出现,这是罗杰·彭罗斯证明出来的;但是我们还能指出,在极早期宇宙中必须存在一个奇点,这是霍金和彭罗斯共同证明的。

一般看法认为,如果黑洞在旋转,你就可以穿过空间一一时间中一个小小的洞,而通到宇宙的另一个区域去。这显然为空间旅行提供了极大的可能。但是,我只能遗憾地使期望星际旅行的观光客失望,这个假设是不成立的;如果你跳进一个黑洞,你会被撕裂并被压榨到完全不存在。然而,在某种意义上可以说,组成你身体的粒子继续在其他宇宙中存在下去。

根据量子力学,空间充满了虚的粒子和反粒子,它们经常成对产生、分开,然后聚到一起并相互湮灭。黑洞存在时,一对虚粒子中的一个会掉到黑洞中去,而另一个由于失去与之湮灭的伙伴而留存下来。被遗弃的粒子就是黑洞发射的辐射。量子力学允许粒子逃离黑洞,这是爱因斯坦的广义相对论不能允许的事情。在量子力学中虚粒子是永远无法直接探测得到的,但是它的存在具有可测量的效应。 每一类型的物质粒子都有一种对应的反粒子。当一个粒子和它的反粒子碰撞时,它们会湮灭,只留下能量。

近年来,他在寻求真理时变得更富猜测性。譬如说达到了百分之九十五的正确性,然后他就继续很快地前进。他放弃了似乎在年代早期对确定性的追求,而喜欢高或然性,从而快速地朝理解宇宙性质的终极目标前进。

在实时间内只存在两种可能性:或者时间往过去回溯直至无穷,或者时间在一个奇点处有一个开端。人们可以把实时间认为是从大爆炸起到大挤压止的一根直线。但是,人们还可以考虑和实时间成直角的另一个时间方向。这叫做时间的虚方向。在时间的虚方向,不必要任何形成宇宙开端或终结的奇点。

也许虚时间才真正是真实的时间,而我们称为实时间的仅是我们的想象。宇宙在实时间里各有一个开端和终结。可是在虚时间里,不存在奇点或边界。因此,也许我们称为的虚时间是真正更基本的,而我们叫做实时间的,只不过是我们发明的观念,用来帮助自己描述我们认为的宇宙的样子。

霍金说,宇宙在开端处没有边界,所以宇宙是一个自足的整体。他还论断道,上帝实在没有必要去启动宇宙:宇宙能够自身存在那里,不需要上帝去创造

我认为在过去几世纪中,从未有过比玻尔与爱因斯坦之间更伟大的,或者更高水准的,延续了二十八年之久的同行论争。简单来说就是:世界是否像爱因斯坦认为的那样独立于我们而存在;或者正如玻尔认为的,在某种意义上因为我们选择测量仪器,而使我们和测量的结果有些相关?包括我本人在内,物理界大多数物理学家都觉得,这场辩论已经由玻尔得到决定性的胜利而告终。

事实上,量子理论不是可以简单分析的。它是一种不可逃避的东西。它向我们展示,我们所说发生的事物,或者我们有权利说发生的事物,不可避免要依赖我们的测量选择。这种选择是不可挽回的,没有机会逆转它。因此,我们在此得到了解释存在真相的革命性的一面。

或然性是根本的,不确定性是不可回避的。所以任何东西,尤其是宇宙的量子力学理论并不预言一个特殊的宇宙时间历史。相反地,它预测将发生的各种可能性的概率。 没有任何一类事件是被物理定律立法规定的;所有事件都是可能的,只不过其中一些比另一些的概率更高而已。量子宇宙学的任务是,指明由量子理论预测到的概率非常高的事物。

在手术之前,我说话变得更不清楚,只有少数和我很熟的人才能理解。我要依靠向秘书口授来写科学论文,还要透过一名译员来作学术报告。气管切开术使我完全丧失了说话能力。

因为史蒂芬愿意为学生花费大量时间和心力,所以他是一位非常好的老师。很多大学教授显得非常疏远,他们很少和学生见面。史蒂芬整天都和学生见面。

加州一位电脑专家听说我的困境,就给我寄来一套电脑软件,它能让我从屏幕上一系列的目录中选择词汇,只要我按手中的开关即可。这个软件也可由头部或者眼睛的动作来控制开关。当我累积了足够多要说的话,就可以输送到语言合成器。这台合成器连同一台电脑安装在我的轮椅上。

只要读史蒂芬所写的,就能对他所做的研究有透彻了解。我认为他在许多方面使自己几乎像没有残疾那样工作。你确实不能从他工作的任何阶段,找到他正和可怕疾病搏斗的迹象,也许除了他发展出来一种特别清晰的风格之外。

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