作者簡介:
史蒂芬·威廉·霍金,1942年1月8日出生於英國牛津,出生當天正好是伽利略逝世300年忌日。父親法蘭克是畢業於牛津大學的熱帶病專家,母親伊莎貝爾1930年於牛津研究哲學、政治和經濟。霍金本人畢業於牛津大學和劍橋大學,並獲劍橋大學博士學位。他因患肌肉萎縮性側索硬化症,禁錮在輪椅上達50年之久,儘管他那麼無助地坐在輪椅上,他的思想卻使人們遨遊到廣袤的時空,漸漸解開宇宙之謎,人們不得不對人類中居然有以這般堅強意志追求終極真理的靈魂從內心產生深深的敬意。2018年3月14日,史蒂芬霍金去世,享年76歲;2018年3月31日,這位科學家的葬禮在劍橋大學的大聖瑪麗教堂舉行,他的骨灰被安放在倫敦的威斯敏斯特教堂內,與牛頓和達爾文為鄰。
《時間簡史》簡介:
1988年,霍金的科普著作《時間簡史:從大爆炸到黑洞》發行,從研究黑洞出發,探索了宇宙的起源和歸宿,霍金在該書中用自己全新的物理理論回答了有關宇宙的基本問題。在具體寫作時,他放棄了所有數學的理論公式,將關於宇宙的起源和生命的基本理念首次用簡明、易懂的語言介紹給一般讀者,致力於讓更多的人去了解自己生存的宇宙,該書因此成為將高深的理論物理通俗化的科普範本。該書被譯成40餘種文字,出版逾1000餘萬冊,但因書中內容還是極其艱深,在西方被戲稱為「讀不來的暢銷書」,有學者曾指這種書之所以仍可以如此暢銷,是因為書本嘗試解答過去只有神學才能觸及的題材:時間有沒有開端,空間有沒有邊界。
全書共十二章,講的全都是關於宇宙本性的最前沿知識,包括:我們的宇宙圖像、空間和時間、膨脹的宇宙、不確定性原理、基本粒子和自然的力、黑洞、黑洞不是這麼黑的、宇宙的起源和命運、時間箭頭、蟲洞和時間旅行、物理學的統一等內容,深入淺出地介紹了遙遠星系、黑洞、粒子、反物質等知識,並對宇宙的起源、空間和時間以及相對論等古老命題進行了闡述。
《時間簡史》一書著重解答人類最古老的命題:時間是有始有終的嗎?宇宙是怎樣誕生的?它從哪裡來,又到哪裡去?傳統思想認為,宇宙在空間上是無邊無際的,在時間上也是無始無終的。但霍金則認為,宇宙有自己的歷史起點,它大約誕生於150億年前,那時,宇宙只是以一個「點」存在,不佔有空間,也沒有時間的概念。後來,這個「點」發生了大爆炸,時間和空間由此開始,物質逐漸形成。宇宙起初的溫度極高,隨著時間的推進,它的空間越來越大,溫度越來越低,其中蘊含的能量與物質不斷發生複雜的反應,最終形成星系。宇宙的空間一直持續不斷地擴大,膨脹,直至今日。
大約在距今50億年前,太陽形成。大約在距今46億年前,地球形成,並成為了太陽系的九大行星之一。宇宙繼續膨脹,將來也會膨脹,可能在膨脹到一定程度後,宇宙會逐漸收縮,最終又收縮成一個不佔有空間的「點」。這也代表著時間的結束。然而宇宙究竟會不會收縮為一個「點」,還沒有人能夠給出確切的答案。宇宙在大爆炸發生之前到底是什麼樣,或者說發生大爆炸的原因是什麼,無人知道,且將會是個永恆的謎。這就是霍金的大爆炸宇宙的理論基礎。
《時間簡史》精彩段落:
第一章 我們的宇宙圖象
宇宙從何而來,又將向何處去?宇宙有開端嗎?如果有的話,在開端之前發生了什麼?時間的本質是什麼?它會有一個終結嗎?
當大部分人深信一個本質上靜止不變的宇宙時,關於它有無開端的問題,實在是一個形上學或神學的問題。按照宇宙存在無限久的理論,或者按照宇宙以它似乎已經存在了無限久的樣子在某一個有限時刻起始的理論,我們可以同樣好地解釋所觀察到的事實。但在1929年,埃德溫·哈勃作出了一個裡程碑式的觀測,即不管你往哪個方向觀測,遠處的星系都正急速地飛離我們而去。換言之,宇宙正在膨脹。這意味著,在早先的時刻星體更加相互靠近。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為無限大。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,當時宇宙的尺度無限小,而且無限緊密。……人們可以說,時間在大爆炸時有一個開端。
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。廣義相對論描述引力和宇宙的大尺度結構,也就是從只有幾英裡直到大至1億億億(1後面跟24個0)英裡(1英裡=1.609千米),即可觀測到的宇宙的尺度的結構。另一方面,量子力學處理極小尺度,例如萬億分之1英寸(1英寸=2.54釐米)的現象。然而可惜的是,這兩個理論不是相互協調的--它們不可能都對。當代物理學的一個主要的努力,以及本書的主題,即是尋求一個能將其合併在一起的新理論--量子引力論。
科學的終極目的是提供描述整個宇宙的單一的理論。……發現一個完整的統一理論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。然而自從文明開始以來,人們即不甘心於將事件看作互不相關不可理解。他們渴望理解世界的根本秩序。今天我們仍然亟想知道,我們為何在此?我們從何而來?人類求知的最深切的意願足以為我們從事的不斷探索提供充足的理由。而我們的目標恰恰正是對於我們生存其中的宇宙作出完整的描述。
第二章 空間和時間
時間相對於空間是完全分離並且獨立的。這是大部分人當作常識的觀點。然而,我們必須改變這種關於空間和時間的觀念。雖然這種顯而易見的常識可以很好地對付運動甚慢的諸如蘋果、行星的問題,但在處理以光速或接近光速運動的物體時卻根本無效。
1915年之前,空間和時間被認為是事件在其中發生的固定舞臺,而它們不受在其中發生的事件的影響。即便在狹義相對論中,這也是對的。物體運動,力吸引並排斥,但時間和空間則完全不受影響地延伸著。空間和時間很自然地被認為無限地向前延伸。
然而在廣義相對論中,情況則完全不同。這時,空間和時間變成為動力量:當物體運動,或者力作用時,它影響了空間和時間的曲率;反過來,時空的結構影響了物體運動和力作用的方式。空間和時間不僅去影響、而且被發生在宇宙中的每一件事影響。正如人們沒有空間和時間的概念不能談論宇宙的事件一樣,同樣地,在廣義相對論中,在宇宙界限之外講空間和時間也是沒有意義的。
第三章 膨脹的宇宙
我們生活在一個寬約為10萬光年並慢慢旋轉著的星系中;在它的螺旋臂上的恆星圍繞著它的中心公轉一圈大約花費幾億年。我們的太陽只不過是一顆平常的、平均大小的、黃色的恆星,它位於一個螺旋臂的內邊緣附近。
當恆星離開我們而去時,它們的光譜向紅端移動(紅移),而當恆星趨近我們而來時,光譜則被藍移。在哈勃證明了其他星系存在之後的幾年裡,他花時間為它們的距離編目以及觀察它們的光譜。那時候大部分人都以為,這些星系完全隨機運動,所以預料會發現和紅移光譜一樣多的藍移光譜。因此,當他發現大部分星系是紅移的:幾乎所有都遠離我們而去時,確實令人十分驚異!1929年哈勃發表的結果更令人驚異:甚至星系紅移的大小也不是隨機的,而是和星系離開我們的距離成正比。或換句話講,星系越遠,它離開我們運動得越快!這表明宇宙不能像人們原先所想像的那樣處於靜態,而實際上是在膨脹;不同星系之間的距離一直在增加著。宇宙膨脹的發現是20世紀最偉大的智力革命之一。
宇宙最終會停止膨脹並開始收縮,還是將永遠膨脹下去嗎?要回答這個問題,我們必須知道現在的宇宙膨脹速度和它現在的平均密度。如果密度比一個由膨脹率決定的臨界值還小,則引力太弱不足以將膨脹停止;如果密度比這臨界值大,則引力會在未來的某一時候將膨脹停止並使宇宙坍縮。
宇宙在每10億年裡膨脹5%--10%,現在的證據暗示,宇宙可能永遠地膨脹下去,它已經至少膨脹了100億年,即便宇宙將要坍縮,至少要再過這麼久才有可能。
在我們以及其他星系裡應該包含大量的「暗物質」,那是我們不能直接看到的,但由於它的引力對星系中恆星軌道的影響,我們知道它必定存在。
第四章 不確定性原理
海森伯指出,粒子位置的不確定性乘以粒子質量再乘以速度的不確定性,不能小於一個確定量,該確定量稱為普朗克常量。並且,這個極限既不依賴於測量粒子位置和速度的方法,也不依賴於粒子的種類。海森伯不確定性原理是世界的一個基本的不可迴避的性質。
20世紀20年代,在不確定性原理的基礎上,海森伯、厄文﹒薛丁格和保羅﹒狄拉克運用這種手段將力學重新表述成稱為量子力學的新理論。粒子是具有位置和速度的一個結合物,量子態。
量子力學將非預見性或隨機性的不可避免因素引進了科學。在量子力學中存在著波和粒子的二重性:為了某些目的將考慮粒子成波是有用的,而為了其他目的最好將波考慮成粒子。
第五章 基本粒子和自然的力
一個質子或中子由三個夸克組成,每個夸克各有一種顏色。一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克;一個中子包含兩個下夸克和一個上夸克。我們可以創生由其他種類的夸克(奇、粲、底和頂)構成的粒子,但所有這些都具有大得多的質量,並非常快地衰變成質子和中子。
實際上所有粒子都是波,粒子的能量超高,則其對應的波的波長越短。
宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組:自旋為1/2的粒子,它們組成宇宙中的物質;自旋為0、1和2的粒子,它們在物質粒子之間產生力。在量子力學中,所有物質粒子之間的力或相互作用都認為是由自旋為整數的0、1和2的粒子攜帶。所發生的是,物質粒子--譬如電子或夸克--發出攜帶力的粒子。
攜帶力的粒子按照其強度以及與其相互作用的粒子可以分成四個種類。必須強調指出,這種將力分成四種是人為的,大部分物理學家希望最終找到一個統一理論,該理論將四種力解釋為一個單獨的力的不同方面。
第一種力是引力,這種力是萬有的,也就是說,每一個粒子都因它的質量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。第二種力是電磁力,它作用於帶電荷的粒子(例如電子和夸克)之間,但不和不帶電荷的粒子(例如引力子)相互作用。第三種力稱為弱核力。它負責放射性現象,並只作用於自旋為1/2的所有物質粒子,而對諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。第四種力是強核力。它將質子和中子中的夸克束縛在一起,並將原子核中的質子和中子束縛在一起。
第六章 黑洞
現在,我們從奧本海默的工作中得到一幅這樣的圖象:恆星的引力場改變了光線在時空中的路徑,使之和如果沒有恆星情況下的路徑不一樣。光錐是表示閃光從其頂端發出後在時空中傳播的路徑。光錐在恆星表面附近稍微向內彎折。在日食時觀察從遙遠恆星發出的光線,可以看到這種偏折現象。隨著恆星收縮,其表面的引力場變得更強大,而光錐向內偏折得更多。這使得光線從恆星逃逸變得更為困難,對於遠處的觀察者而言,光線變得更黯淡更紅。最後,當恆星收縮到某一臨界半徑時,表面上的引力場變得如此之強,使得光錐向內偏折得這麼厲害,以至於光線再也逃逸不出去。根據相對論,沒有東西能行進得比光還快。這樣,如果光都逃逸不出來,其他東西更不可能;所有東西都會被引力場拉回去。這樣,存在一個事件的集合或時空區域,光或任何東西都不可能從該區域逃逸而到達遠處的觀察者。現在我們將這區域稱作黑洞,將其邊界稱作事件視界,而它和剛好不能從黑洞逃逸的光線的那些路徑相重合。
在引力坍縮之後,一個黑洞必須最終演變成一種能夠旋轉,但是不能搏動的態。此外,它的大小和形狀,只決定於它的質量和旋轉速度,而與坍縮形成黑洞的原先物體的性質無關。此結果因如下一句格言而眾所周知:「黑洞沒有毛。」
在宇宙的漫長歷史中,很多恆星肯定燒盡了它們的核燃料並坍縮了。黑洞的數目甚至比可見恆星的數目要大得多。
第七章 黑洞不是那麼黑
黑洞的質量越小,其溫度就超高。在宇宙的極早階段存在由於無規性引起的坍縮而形成的質量極小的太初黑洞。如果我們關於廣義相對論和量子力學的其他觀念是正確的,那麼黑洞必須像熱體那樣輻射。這樣,即使我們還不能找到一個太初黑洞,大家相當普遍地同意,如果找到的話,它必須正在發射出大量的伽馬射線和X射線。黑洞輻射的存在似乎意味著,引力坍縮不像我們曾經認為的那樣是最終的、不可逆轉的。
第八章 宇宙的起源和命運
從愛因斯坦廣義相對論本身就能預言:時空在大爆炸奇點處開始,並會在大擠壓奇點處(如果整個宇宙坍縮的話)或在黑洞中的一個奇點處(如果一個局部區域,譬如恆星坍縮的話)結束。任何落進黑洞的東西都會在奇點處毀滅,在外面只能繼續感覺到它的質量的引力效應。另一方面,當考慮量子效應時,物體的質量和能量似乎會最終回到宇宙的其餘部分,黑洞和在它當中的任何奇點會一道蒸發掉並最終消失。
第九章 時間箭頭
總之,科學定律並不能區分前進和後退的時間方向。然而,至少存在三個時間箭頭,將過去和將來區分開來。它們是熱力學箭頭,這就是無序度增加的時間方向;心理學箭頭,即是在這個時間方向上,我們能記住過去而不是將來;還有宇宙學箭頭,也即宇宙膨脹而不是收縮的方向。我指出了心理學箭頭本質上應和熱力學箭頭相同。宇宙的無邊界設想預言了存在定義得很好的熱力學時間箭頭,因為宇宙必須從光滑的有序的狀態開始。並且我們看到,熱力學箭頭和宇宙學箭頭的一致,乃是由於智慧生命只能在膨脹相中存在。因為在收縮相那裡沒有強的熱力學時間箭頭,所以不適合智慧生命的存在。
第十章 蟲洞和時間旅行
蟲洞就是一個時空細管,它能把兩個相隔遙遠的幾乎平坦的區域連接起來。我們對以下兩種現象都獲得了實驗的證據。第一,從日食時的光線偏折得知時空可以被捲曲。第二,從卡西米爾效應得知時空可被彎曲成允許時間旅行的樣子。
第十一章 物理學的統一
一蹴而就地建立一個包括宇宙中萬物的完備統一理論是非常困難的,尋找這樣的一個理論被稱之為「物理學的統一」。取而代之,我們在尋求描述有限範圍事件的部分理論上取得了進步。
在牛頓時代,一個受教育的人至少可能在梗概上掌握整個人類知識。但從那以後,科學發展的節奏使之不再可能。因為理論總是被改變以解釋新的觀察結果,它們從未被消化或簡化到使常人能夠理解。你必須是一個專家,即使如此,你只能有望正確地掌握科學理論的一小部分。另外,其發展的速度如此之快,在中學和大學所學的總是有點過時。只有少數人可以跟得上知識快速進步的前沿,但他們必須貢獻畢生的精力,並局限在一個小的領域裡。
第十二章 結論
我們發現自己處於令人困惑的世界中。我們要理解周圍所看到的一切的含義,並且尋問:宇宙的本質是什麼?我們在其中的位置如何,以及宇宙和我們從何而來?宇宙為何是這個樣子?
迄今為止,大部分科學家太忙於發展描述宇宙為何物的理論,以至於沒工夫過問為什麼。另一方面,以尋根究底為己任的哲學家跟不上科學理論的進步。
如果我們確實發現了一個完備的理論,在主要的原理方面,它應該及時讓所有人理解,而不僅僅讓幾個科學家理解。那時我們所有人,包括哲學家、科學家以及普普通通的人,都能參與討論我們和宇宙為什麼存在的問題。如果我們對此找到了答案,則將是人類理性的終極勝利—因為那時我們知道了上帝的精神。