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(guó)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(shí)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(yǔ)言能力，與人交流只能通過(guò)語(yǔ)音合成器來(lái)完成，為合成一小時(shí)錄音演講往往需要準(zhǔn)備十天時(shí)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(ài)因斯坦。他獲得過(guò)多項(xiàng)榮譽(yù)及獎(jiǎng)勵(lì)，如1974年當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)最年輕會(huì)員，1974-1975年為美國(guó)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(jiǎng)——阿爾伯特·愛(ài)因斯坦獎(jiǎng)，1989年獲得英國(guó)的爵士榮譽(yù)稱(chēng)號(hào)?！　』艚鹪谒L(zhǎng)達(dá)四十余年的科學(xué)生涯中建樹(shù)頗多。他與彭羅斯一起，在廣義相對(duì)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(jiǎng)?；艚饘?duì)黑洞的關(guān)注長(zhǎng)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(huì)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”?！　』艚鸩粌H是一位罕見(jiàn)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(guó)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(lái)中國(guó)講演。在霍金的諸多科普著作中，最有名的當(dāng)推《時(shí)間簡(jiǎn)史》。該書(shū)已被譯成四十余種文字，出版數(shù)超過(guò)一千萬(wàn)冊(cè)?；艚鹪噲D通過(guò)自己的書(shū)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。　　本書(shū)是霍金的又一力著，全書(shū)由七次相對(duì)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(guò)這一系列講座，用盡可能通俗的語(yǔ)言，深入淺出地闡明人類(lèi)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(guò)閱讀本書(shū)，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(guò)程，以及這一過(guò)程之所以發(fā)生的物理機(jī)制?！　?shū)中涉及了現(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(shí)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(shí)代人們對(duì)地球的朦朧認(rèn)識(shí)，到今天頗為深?yuàn)W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(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，進(jìn)而融入現(xiàn)代量子理論，甚至還簡(jiǎn)要敘述了有關(guān)弦理論的種種趣事。黑洞性質(zhì)的闡述無(wú)疑是本書(shū)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(shū)的標(biāo)題——“萬(wàn)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(wèn)題之一。作者認(rèn)為一旦做到這一點(diǎn)，我們將會(huì)真正理解宇宙以及人類(lèi)在宇宙中所處的地位?！　】梢哉f(shuō)，本書(shū)就人類(lèi)認(rèn)識(shí)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(shí)過(guò)程中，必然涉及相當(dāng)深?yuàn)W的物理學(xué)和天文學(xué)理論，然而在全書(shū)中僅有一處出現(xiàn)簡(jiǎn)單公式(即E＝MC2)，由此足見(jiàn)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(shí)和科學(xué)方法的巧匠。盡管個(gè)別章節(jié)對(duì)一些讀者來(lái)說(shuō)尚有一定難度，但這并不會(huì)影響讀者對(duì)作者總體思想的認(rèn)知和把握。如有讀者感到此類(lèi)難點(diǎn)，盡可跳過(guò)無(wú)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(shí)水平，譯文的錯(cuò)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(shū)是斯蒂芬·霍金在英國(guó)劍轎大學(xué)所作的七場(chǎng)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(shí)者，讀了這七講，對(duì)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(shí)間的黑洞研究時(shí)，他說(shuō)道：“這似乎有點(diǎn)像在煤窖里尋找在只黑貓。”霍金從人類(lèi)認(rèn)識(shí)宇宙的歷史談起，從亞罩士多德確認(rèn)地球是一個(gè)圓球，到哈勃發(fā)現(xiàn)宇宙正處于膨脹之中，其問(wèn)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(shí)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(wèn)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(wàn)物之理”他斷言：“如果我們找到了這一問(wèn)題的答案，那將會(huì)是人類(lèi)理性的終極勝利?！?   在本書(shū)中，霍會(huì)就宇宙以及我們?cè)谟钪嬷械牡匚粏?wèn)題，向讀者展現(xiàn)了一次引人入勝的探索式旅行。對(duì)任何曾仰望過(guò)夜空，并想知道那里曾經(jīng)發(fā)生過(guò)什么，以及如何演變?yōu)槿缃駹顟B(tài)的人來(lái)說(shuō)，本書(shū)無(wú)疑值得一讀。

作者簡(jiǎn)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(ài)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(guān)，宇宙萬(wàn)物的內(nèi)容也因而重新界定。著有《時(shí)間簡(jiǎn)史》、《果殼中的宇宙》等暢銷(xiāo)全球的

書(shū)籍目錄

引言第1講  有關(guān)宇宙的若干觀(guān)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(shí)間的方向第7講  萬(wàn)物之理名詞對(duì)照表英支原文

章節(jié)摘錄

　　第1講　有關(guān)宇宙的若干觀(guān)念　　早在公元前340年，亞里士多德在他的《天論》（On the Heavens）一書(shū)中，就已能提出兩個(gè)令人信服的論據(jù)，從而證明地球是一個(gè)圓球，而不是一個(gè)扁平的盤(pán)。首先，他領(lǐng)悟到月食的成因是由于地球運(yùn)行到了太陽(yáng)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(guān)測(cè)事實(shí)只有當(dāng)?shù)厍驗(yàn)榍蛐螘r(shí)才能出現(xiàn)。如果地球是一個(gè)扁平的圓盤(pán)，那么除非月食發(fā)生之際太陽(yáng)總是正射到盤(pán)的中心，否則地球的影子必然會(huì)拉長(zhǎng)而成為橢圓形?！　〉诙?，希臘人在他們的遷居過(guò)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(lái)得低。根據(jù)埃及和希臘兩地所見(jiàn)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(zhǎng)為40萬(wàn)斯達(dá)地。1斯達(dá)地的準(zhǔn)確長(zhǎng)度無(wú)人知曉，不過(guò)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(gè)理由：為什么船舶出現(xiàn)在地平線(xiàn)上時(shí)，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(dòng)的，而太陽(yáng)、月球、行星以及恒星都沿著圓形軌道繞地球運(yùn)動(dòng)。他深信，鑒于某些神秘莫測(cè)的理由，地球位于宇宙的中心，而圓運(yùn)動(dòng)是最完美的。　　公元2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?chē)邪藗€(gè)天球，分別承載了月球、太陽(yáng)、恒星以及當(dāng)時(shí)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(dòng)，而這些小圓圈又各自附于上面提到的那些天球上，由此來(lái)說(shuō)明所觀(guān)測(cè)到的行星在天空中的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)路徑。位于最外面那個(gè)天球上的則是一些所謂固定不動(dòng)的恒星，它們之間的相對(duì)位置始終保持不變，同時(shí)又作為一個(gè)整體在天空中轉(zhuǎn)動(dòng)。至于在最外面的天球之外又是什么，則從來(lái)沒(méi)有被搞清楚過(guò)，但這肯定不是人類(lèi)可觀(guān)測(cè)的宇宙的組成部分?！　⊥欣彰艿哪Ｐ吞峁┝艘环N頗為合理的精確系統(tǒng)，它可以用來(lái)預(yù)測(cè)諸天體在天空中的位置。但是，為了正確地預(yù)測(cè)這些位置，托勒密不得不設(shè)定月球運(yùn)動(dòng)的路徑距地球時(shí)近時(shí)遠(yuǎn)，最近時(shí)的月地距離只是其他時(shí)候的一半。這意味著有時(shí)候月球看上去會(huì)比通常所看到的大上一倍。托勒密本人知道這是一個(gè)問(wèn)題，但盡管有這個(gè)缺陷，他的模型在當(dāng)時(shí)為大多數(shù)人所接受，雖然并非人人都予以認(rèn)可?；浇探虝?huì)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(jiǎn)單的模型。最初，哥白尼因擔(dān)心會(huì)被指控為異端之說(shuō)，便采用匿名方式發(fā)表了他的模型。哥白尼的思想是，太陽(yáng)位于中心且靜止不動(dòng)，地球和其他行星都繞著太陽(yáng)在圓軌道上運(yùn)動(dòng)。對(duì)哥白尼來(lái)說(shuō)可悲的是，差不多在一個(gè)世紀(jì)之后人們才認(rèn)真地接受了他的思想。其時(shí)，有兩位天文學(xué)家，德國(guó)人約翰內(nèi)斯·開(kāi)普勒和意大利人加利萊奧·伽利略——開(kāi)始公開(kāi)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(dòng)軌道與觀(guān)測(cè)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(kāi)始用望遠(yuǎn)鏡觀(guān)測(cè)夜空，當(dāng)時(shí)望遠(yuǎn)鏡才剛發(fā)明不久?！　≠だ栽谟^(guān)測(cè)木星時(shí)，發(fā)現(xiàn)它的周?chē)袔最w小的衛(wèi)星（或者說(shuō)月亮）在繞著木星作軌道運(yùn)動(dòng)。這說(shuō)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(dòng)。當(dāng)然，仍然可以相信地球位于宇宙中心且靜止不動(dòng)，不過(guò)這時(shí)要使木星的月亮看上去表現(xiàn)為在繞木星運(yùn)動(dòng)，那么它們繞地球運(yùn)動(dòng)的路徑必然極其復(fù)雜。然而，哥白尼理論就要簡(jiǎn)單得多了。　　在同一時(shí)期，開(kāi)普勒對(duì)哥白尼理論作了修正，他認(rèn)為行星運(yùn)動(dòng)的軌道不是圓，而是橢圓。這么一來(lái)，理論預(yù)期與實(shí)測(cè)結(jié)果最終完全相符了。就開(kāi)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(shí)的人看來(lái)橢圓顯然不如圓來(lái)得完美。開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)橢圓軌道與觀(guān)測(cè)結(jié)果很好地相符帶有某種偶然性，他當(dāng)時(shí)認(rèn)為由于磁力的作用才使得行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，而橢圓軌道與這種觀(guān)念是無(wú)法調(diào)和的?！　≈皇堑搅硕嗄旰蟮?687年，牛頓才對(duì)此給出了解釋?zhuān)且荒昱ｎD發(fā)表了他的名著《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。這本書(shū)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(shū)中牛頓不僅提出了描述物體在空間和時(shí)間中運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理論，而且還推導(dǎo)出了分析這類(lèi)運(yùn)動(dòng)所需要的數(shù)學(xué)公式。不僅如此，牛頓還提出了萬(wàn)有引力定律。這條定律指出，宇宙中的每一個(gè)物體都會(huì)受到其他所有物體的吸引，物體的質(zhì)量越大，物體問(wèn)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(huì)落到地面上來(lái)。關(guān)于一個(gè)蘋(píng)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(guò)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(gè)蘋(píng)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(dòng)，也使得地球和其他行星遵循橢圓形路徑繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)。哥白尼的模型拋棄了托勒密的天球體系，同時(shí)也拋棄了宇宙有一個(gè)天然的邊界的觀(guān)念。恒星不會(huì)因地球繞太陽(yáng)的運(yùn)轉(zhuǎn)而改變它們的相對(duì)位置。由此自然可以推知，恒星是一些與我們的太陽(yáng)類(lèi)似、但距離要遙遠(yuǎn)得多的天體。上述推論會(huì)引起一個(gè)問(wèn)題。牛頓意識(shí)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(wú)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。那么，所有這些恒星最終會(huì)統(tǒng)統(tǒng)落到某一點(diǎn)上嗎？　　牛頓在1691年寫(xiě)給當(dāng)時(shí)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(huì)發(fā)生的。但是另一方面，他又推斷說(shuō)，如果恒星的個(gè)數(shù)為無(wú)窮大，且又大致均勻地分布在無(wú)限大的空間內(nèi)，那么這種情況就不會(huì)出現(xiàn)，因?yàn)檫@時(shí)對(duì)恒星來(lái)說(shuō)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(wú)限的問(wèn)題時(shí)可能遭遇的陷阱的一個(gè)例子?！　≡谝粋€(gè)無(wú)限的宇宙中，每一個(gè)點(diǎn)都可以被視為中心，因?yàn)樵诿恳稽c(diǎn)處朝各個(gè)方向看去都會(huì)有無(wú)窮多顆恒星。只是在多年之后人們才領(lǐng)悟到，認(rèn)識(shí)這一問(wèn)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(huì)彼此內(nèi)落并集聚?，F(xiàn)在我們要問(wèn)，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(huì)有哪些變化？根據(jù)牛頓定律，后來(lái)補(bǔ)充的恒星與原來(lái)的那些恒星毫無(wú)區(qū)別，因而它們也會(huì)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(huì)始終保持不斷地自行坍縮?，F(xiàn)在我們知道了，不可能構(gòu)筑一個(gè)靜態(tài)的無(wú)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(guò)宇宙正處于膨脹或收縮之中，這耐人尋味地反映了當(dāng)時(shí)的主流思潮。當(dāng)時(shí)為人們普遍接受的觀(guān)念是，宇宙要么從來(lái)就以一種不變的狀態(tài)永恒存在，要么它是在過(guò)去某個(gè)確定的時(shí)刻被創(chuàng)生出來(lái)，而且宇宙誕生時(shí)的狀態(tài)與今天所觀(guān)測(cè)到的樣子大體上是一樣的。形成這種觀(guān)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(huì)慢慢地老去，直至死亡，但宇宙是永恒不變的?！　〖词褂腥艘庾R(shí)到牛頓引力理論表明宇宙不可能是靜態(tài)的，他們也不會(huì)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(huì)對(duì)預(yù)測(cè)行星的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生顯著影響。但是，它可以使無(wú)限分布的恒星保持平衡狀態(tài)：近距離恒星間的引力被來(lái)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(huì)增強(qiáng)，并超過(guò)斥力的作用。這意味著那些恒星便會(huì)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(huì)占上風(fēng)，結(jié)果使恒星進(jìn)一步互相遠(yuǎn)離。　　人們通常認(rèn)為，對(duì)無(wú)限靜態(tài)宇宙的另一個(gè)反詰是由德國(guó)哲學(xué)家海因里?！W伯斯提出來(lái)的。事實(shí)上，與牛頓同時(shí)代的各行各業(yè)學(xué)者已經(jīng)提出了這個(gè)問(wèn)題，甚至奧伯·斯1823年的文章也不是包含了對(duì)這一議題貌似合理的推論的第一篇。不過(guò)，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(gè)無(wú)限靜態(tài)的宇宙中，幾乎每一條視線(xiàn)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(gè)天空會(huì)像太陽(yáng)一樣明亮，哪怕在夜晚也是如此。奧伯斯對(duì)此的解釋是，來(lái)自遙遠(yuǎn)恒星的光線(xiàn)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(lèi)介質(zhì)也會(huì)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(píng)論

　　克服疾病而成為世界物理學(xué)界的超新星。他不能書(shū)寫(xiě)，甚至不能清楚地說(shuō)話(huà)，但他正在越大爆炸，躍向創(chuàng)造了宇宙的“幾何之舞”?！　　睹麍?chǎng)》　　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(wú)與倫比的力量?！　　都~約書(shū)評(píng)》　　顯然具有教師的天賦——輕松、寬厚的幽默，以及擅長(zhǎng)用源自日常生活的比喻來(lái)閘釋極其復(fù)雜的命題?！　　都~約時(shí)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(zèng)送 英文原版霍金劍橋演講集?！　∥蚁雵L試通過(guò)這一系列討論，來(lái)闡明我們所認(rèn)識(shí)的宇宙史之基本輪廓。　　——斯蒂芬·霍金

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