霍金《時間簡史》為何成為幾十年來影響最大的科學著作

[摘要]三十年來，此書對整個社會進步的啟蒙推動作用，可與這個古老國度近世引進的幾部經典相媲美。所有這些都完全出乎人們意料之外。

我們從何處來，我們向何處去，這是任何生命和文明與生俱來的最大詰問。可惜的是，生命甚至文明的歷史和宇宙時空的尺度相比都是微不足道的。在它們非常可憐的感知中，時間似乎是從無限的過去向無限的未來流逝，而空間仿佛是向著三維的方向無限延伸。無論是屈子的《天問》，還是柳子的《天對》，都對時間和空間是無限的還是有限的迷惑不安。在《純粹理性批判》中，康德將其明晰地表述為二律背反。

對於宇宙以及時間和空間的認識，人類經歷了一個漫長的歷史。

伽利略相對論的精義是，在做相對勻速運動的不同參考系中物理定律採取相同的形式；速度失去了絕對的意義。牛頓的經典力學和萬有引力定律適用於地面萬物乃至天體的運動。牛頓理論在並只在所有的慣性參考系中成立，不同的慣性參考系做相互勻速運動。

法拉第-麥克斯韋的電磁學預言，電磁波，比如光，在真空中以恆定的常數-光速傳播。這就和伽利略相對論相衝突。為了解除這個衝突，愛因斯坦提出了狹義相對論。在該理論中，時間和空間被合併成平坦的四維時空，而物體的尺度、同時性、時間間隔都喪失了絕對性。狹義相對論的一個重要推論是能量和質量相等同。

馬赫質疑伽利略相對論和狹義相對論中慣性系的優越性，他明確排斥旋轉的絕對性。 他認為慣性系不是先驗的，它必然和宇宙中的物質整體共動。愛因斯坦的廣義相對論極大地發展了這個思想。愛因斯坦認為，萬有引力應該被體現為時空的彎曲，正是物質的分布使時空彎曲，而自由粒子在彎曲時空中沿著最接近直線的所謂測地線運動。

愛因斯坦把廣義相對論應用於整個宇宙標誌著現代宇宙學的誕生。為了在廣義相對論中得到一個靜態的宇宙解，他在自己的場方程中引進一種反引力，即所謂的宇宙常數，因而無意間錯過了一樁極其重要的預言：宇宙正在膨脹。

1929年，哈勃發表了紅移定律：星系正在飛離我們而去，其速度與它和我們之間的距離成正比。宇宙學家一致認為，不是星系在飛離，而是攜帶星系的空間正在膨脹。這樣，如果在時間上回溯，宇宙在過去的某一時期應該處於一個極其緊緻的極熱的相，這個相就是後來稱為大爆炸的場景。現在我們知道，大爆炸發生在138億年之前。膨脹宇宙的時空背景由弗裡德曼在1922年發現的度規來描述。

1948年，伽莫夫等研究了大爆炸場景中的太初核合成。他認為，早期的宇宙具有極大的物質密度和極高的溫度。在大爆炸後的幾秒鐘，宇宙的物質由電子、質子、中子和它們的反粒子以及輻射組成，在更早的時刻則完全由基本粒子組成。

隨著宇宙膨脹，它逐漸冷卻。在大爆炸後38萬年左右，電子和核子結合成原子，其中主要是氫原子，宇宙因而變成透明的。伽莫夫認為，我們還應該能夠觀測到那個階段的光子，只是由於宇宙的膨脹引起的巨大紅移，它們現在變成了只有幾開氏度溫度的宇宙微波背景輻射。1964年，彭齊亞斯和威爾遜意外地發現了這個大爆炸的餘輝。目前這個輻射的溫度被準確地測量為2.725開氏度。

弗裡德曼時空度規的一個顯著特徵是，宇宙起始於一個尺度為零的奇點。一些前蘇聯科學家認為，這種奇性是起因於空間的均勻性和各向同性的假設，而實際的宇宙並不具備這樣高的對稱性，所以宇宙應壓倒性地不具有大爆炸奇點。儘管如此，1970年，霍金和彭羅斯證明了，在經典廣義相對論中，在非常合理的物質條件下，宇宙的大爆炸奇點是不可避免的。經典物理和因果性在奇點處都崩潰了。完整的宇宙圖像，尤其是大爆炸起始的物理圖像，應藉助於還未被發現的量子引力論來加以描述。

人們可以用已有的物理理論的描述儘可能地逼近大爆炸奇點，直至時空量子效應開始顯著地影響宇宙整體的經典演化。但宇宙的行為極端敏感地依賴於它極早期的初始條件。為何現在的宇宙如此平坦？在早先演化中從未有過因果接觸的不同方向上微波背景輻射的溫度為何一致？在極早期宇宙的量子場中，由於一些鄰近的因果不相關的多個區域在相變時可能形成單極子，而且它們還應存活到今天。但為何它們從未被觀測到？在大爆炸模型中，這三個所謂的「平性」、「視界」和」單極子」問題都未能得到解釋。

固斯和林德等人認為，只要假定在熱大爆炸相之前還存在一個暴脹相，那時宇宙的尺度指數式地快速膨脹，就可以祛除以上三個問題。暴脹模型的優越性在於，宇宙在暴脹之前的無規性都被攤平並被掃到視界之外，而且宇宙中的結構則純粹地起源於暴脹相的量子場漲落。霍金首先對此進行計算。他和吉本斯意識到這種漲落和他們早先研究過的宇宙視界的溫度相關聯。漲落的標量部分將體現在微波背景輻射的溫度變化，它是星系、星系團等宇宙結構的籽。其張量部分就呈現為太初引力波。在之後的歲月裡，這些計算得到很大的改善。標量的漲落計算和觀測符合得相當完美，但太初引力波還未被觀測到。

1998年，珀爾馬特、施密特與裡斯發現了宇宙正在加速膨脹。人們認為，這種加速是由於所謂的暗能量引起的。通過天文學家和宇宙學家的不懈努力，人們達到共識，宇宙空間是平坦的，宇宙的現有物質組成中百分之六十八為暗能量，通常被認為就是宇宙常數，還有百分之五的可見物質和百分之二十七的看不見的暗物質。

在暴脹模型中，相當一般的但並非一切初始條件都導致相同的宇宙演化，所以該模型只能算是一個半自足的理論模型。如果我們認為宇宙是唯一的、包容一切的，則宇宙就必須是完全自足的。做為觀測者的我們是它的一部分，此外我們的生命和智慧又是宇宙孕育的，所以宇宙學的研究極端困難，也最富有挑戰性。這比「不識廬山真面目，只緣身在此山中」要深刻得多！

宇宙學的最重要問題是它的創生。這是哲學、神學和科學都極端關注的問題，亦是各種宗教的《創世紀》的主題。宇宙的創生轉換成科學的術語應是「第一推動」。是什麼在創生時刻給宇宙擰上發條，接著使它遵循著科學定律演化至今？

人們嘗試了各種手段來研究宇宙的「第一推動」，也就是設定宇宙創生時刻的邊界條件。霍金在1981年於梵蒂岡提出了「無邊界設想」：宇宙的邊界條件是它沒有邊界！沒有一種邊界條件比霍金提出的「無邊界設想」更為簡單、更為合理，也因此而更為美麗！

「無邊界設想」使物理定律不僅制約宇宙的演化，還制約宇宙的創生，使上帝在宇宙中沒有存身之處。宇宙本身是物理定律的實現。時空不能外在於宇宙。這個思想揭示了宇宙無中生有的場景。現在問題歸結為宇宙為什麼存在？而存在卻是沒有定義的。

霍金曾經對我說過，他對科學的最重要貢獻是提出了「無邊界設想」，但學界卻公認黑洞物理，尤其是霍金輻射是他的最大貢獻。霍金認為，這是因為黑洞物理已經被普遍接受。他提出黑洞輻射理論時，人們還在爭論黑洞是否存在。現在再也沒有人懷疑它的存在了。

黑洞遵循所謂的「無毛定理」，它可僅僅由三個參數質量、電荷和角動量來描述。因此黑洞就成為極度純粹的研究對象。在經典物理中，黑洞的表面即視界是只允許物質落進去而不能逃逸出來的單向膜。霍金於1970年發現的黑洞面積不減定律最清晰地體現了這一不可逆的過程：黑洞的視界面積永遠不可能減小；當多個黑洞合併時，其視界面積的總和也是如此。

人們通常認為，所有的不可逆過程都應該由熱力學第二定律即熵增定律來制約。當然我們現在知道這和時間箭頭相關聯。自然存在多種時間箭頭，人們還在探尋究竟何種箭頭最為基本。在黑洞面積定律發表後不久，柏肯斯坦就很自然地將黑洞的視界面積猜測為黑洞的熵。但在經典物理中，無物可以從黑洞離開，所以它的溫度必須為零；而熱力學第三定律說，零溫度意味著熵根本是零。這就導致一個尖銳的矛盾。

1974年，霍金研究了黑洞時空背景的量子場。真空充滿了不斷創生不斷湮滅的粒子反粒子對。在視界附近這些對的一個成員可能落進黑洞，而另一個成員可能也落進去，但也可能飛往無限遠處。這些飛離的粒子具有黑體輻射的譜。在最簡單的黑洞情形下，譜的溫度和黑洞的質量成反比。這樣隨著黑洞輻射，黑洞的質量降低，相應的溫度升高，輻射加劇，溫度就變得更高，如此反覆正反饋，黑洞最終在一次爆炸中消失殆盡。

引力坍縮形成黑洞，落進黑洞的物質的信息全部消逝，除了「無毛定理」的三個參數之外。這就引起了信息丟失問題。這個問題在物理學界爭論了四十年。最近霍金等人認為，這些信息作為軟毛被編碼到視界上，因此信息並沒有丟失。

總之，黑洞的霍金輻射的場景體現了引力論、量子論和資訊理論的一種統一。受黑洞輻射的啟發，人們提出了引力全息原理。人們進而詰問，時空和信息何者更為基本。從牛頓、康德的先驗的時間和空間，到馬赫與宇宙物質共動的空間，再到愛因斯坦與粒子相互作用的時空，乃至對時空本體論的質疑，理性的鋒芒所向披靡，銳不可擋。

霍金對宇宙學和黑洞研究的精華被凝聚在這部《時間簡史》中。不少讀者對這個書名有許多疑惑。就沒有定義而言，仿佛時間並不比存在稍好些，對於如此沒有內容的時間，何謂歷史？其實，回顧霍金的研究生涯，對這問題就豁然貫通了。

廣義相對論的奇性定理的研究使他在早年就已成為耀眼的明星，黑洞面積定律，尤其是霍金輻射的發現使他成為當代最重要的引力物理學家，而「無邊界設想」終於祛除了長期折磨人類文明的「第一推動」問題。所有這一切研究都是與時間的有限無限、時間的起始和終結、實時間和虛時間息息相關。三十年前可以設想，實際上歷史已經證明，如果這本書直接用宇宙或黑洞做主名，那麼這個名字早就被磨損了。因為純粹，必將永恆。當然，宇宙和黑洞是最美麗的科學對象，否則何以世上最好的頭腦無怨無悔地將生命奉獻給它們！正如音樂是最純粹的藝術，宇宙學是最純粹的科學。

這部書被公認為近幾十年來影響最大的科學著作，其原因如下：

本書的主題是認識我們居住其中的宇宙，這正是生命和文明的最重要的詰問。

作者輝煌的學術生涯主導著引力物理和宇宙學前沿的潮流。

全書洋溢著創造的激情，一切從事科學甚至藝術的人士都可從中得到靈感。

作者與疾病搏鬥的歷史，體現了人類的堅強意志，無疑是生命的奇蹟。

他以重病之身對地球上乃至宇宙中的文明命運之持續關注和思考，並不時發出獨特聲音，起到一種無可替代的社會活動家功能。

上世紀六十年代，宇宙學和天體物理即將轉變成科學主流，而劍橋是近現代學術三個中心之一（另外兩個中心是哥廷根和普林斯頓）。劍橋不僅是牛頓經典力學和麥克斯韋電磁學的發源地，也和生物學兩次最重大的變革相關，提出進化論的達爾文在此受教育，克裡克和華森在此發現了DNA雙螺旋結構。此地群星燦爛，輝映古今。霍金正是上個世紀60年代和劍橋的時空交匯點湧現的歷史人物。

1980年，霍金被選為劍橋大學崇高的盧卡斯數學教授，成為牛頓和狄拉克的傳人。他對同類的貢獻是這個星球的驕傲。

本人有幸在霍金的指導下於1984年初獲得劍橋大學博士學位，研究的主題是極早期宇宙相變泡碰撞的時空度規。我在博士論文完成後，跟隨他研究量子宇宙學。1985年，霍金和我合作發表了第一個宇宙波函數的數值解。1988年2月24日，他致函給我，授意將其新著《時間簡史》譯成中文，並隨即寄來了首版書。同年愚人節這部英文原著正式在全球發行。

上個世紀末，神州大地風雲際會，長期封閉的社會吸納新思想如饑似渴。三十年來，此書對整個社會進步的啟蒙推動作用，可與這個古老國度近世引進的幾部經典相媲美。所有這些都完全出乎人們意料之外。令人欣慰的是，佔全球五分之一的人口得以分享這位不世而出的天才的智慧結晶。（文/吳忠超）