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)于牛津大學和劍橋大學，1965年獲橋大學哲學博士學位。在學生時期的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、宇宙學，特別是有關黑洞的研究中取得了一系列輝煌的成就，被人們譽為世界上最杰出的天才之一，現(xiàn)今在世的最偉大科學家，當代的愛因斯坦。他獲得過多項榮譽及獎勵，如1974年當選為英國皇家學會最年輕會員，1974-1975年為美國加州理工學院費爾柴爾德講座功勛學者，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稱號?！　』艚鹪谒L達四十余年的科學生涯中建樹頗多。他與彭羅斯一起，在廣義相對論框架內(nèi)證明了著名的奇點定理，為此兩人共同獲得1988年沃爾夫物理獎?；艚饘诙吹年P注長達十余年之久，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”?！　』艚鸩粌H是一位罕見的杰出科學家，而且是一位廣受人們歡迎的科普學者。他深信科學理論進展的一般性原理應該能為廣大公眾所理解，他的演講在國際上享有盛譽，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。霍金試圖通過自己的書籍和通俗演講，把自己的科學思想與全世界各階層人士進行廣泛的交流?！　”緯腔艚鸬挠忠涣χ?，全書由七次相對獨立但又互相緊密聯(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，以及相關理論的基本原理。讀者通過閱讀本書，可以初步認知宇宙從形成、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)生的物理機制?！　猩婕傲爽F(xiàn)代物理學的諸多領域，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內(nèi)容做了精心安排。在宇宙學方面，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，進而融入現(xiàn)代量子理論，甚至還簡要敘述了有關弦理論的種種趣事。黑洞性質(zhì)的闡述無疑是本書的重點之一，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相互作用，而這正是現(xiàn)代物理學尚未解決的若干極其重要問題之一。作者認為一旦做到這一點，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”。實際上，在這一認識過程中，必然涉及相當深奧的物理學和天文學理論，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大師，而且還是向公眾傳播科學知識和科學方法的巧匠。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知和把握。如有讀者感到此類難點，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所作的七場講學，包含了他畢生鉆石宇宙學的精華，精辟扼要。即使略具基本科學知識者，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)出他特有的機智。談到花費了他十幾年時間的黑洞研究時，他說道：“這似乎有點像在煤窖里尋找在只黑貓。”霍金從人類認識宇宙的歷史談起，從亞罩士多德確認地球是一個圓球，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，他探究了現(xiàn)代物理學的諸多領域，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-  )，作為劍橋夫大學盧卡斯數(shù)學教授，他擔任的是牛頓的教席。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，他領悟到月食的成因是由于地球運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，這一觀測事實只有當?shù)厍驗榍蛐螘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出了地球的周長為40萬斯達地。1斯達地的準確長度無人知曉，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?！　〈送猓ＥD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，而圓運動是最完美的。　　公元2世紀，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雜運動路徑。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)，它可以用來預測諸天體在天空中的位置。但是，為了正確地預測這些位置，托勒密不得不設定月球運動的路徑距地球時近時遠，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，他的模型在當時為大多數(shù)人所接受，雖然并非人人都予以認可?；浇探虝蛹{了托勒密的模型以作為宇宙的圖像，因為它與《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。　　然而，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動。對哥白尼來說可悲的是，差不多在一個世紀之后人們才認真地接受了他的思想。其時，有兩位天文學家，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，盡管事實上該理論所預言的行星運動軌道與觀測結(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，伽利略開始用望遠鏡觀測夜空，當時望遠鏡才剛發(fā)明不久。　　伽利略在觀測木星時，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動。這說明所有天體并非如亞里士多德和托勒密所認為的那樣都必然直接繞著地球運動。當然，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)為在繞木星運動，那么它們繞地球運動的路徑必然極其復雜。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，他認為行星運動的軌道不是圓，而是橢圓。這么一來，理論預期與實測結(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，而且是一種頗不受人歡迎的假設，因為在那時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，他當時認為由于磁力的作用才使得行星繞太陽運動，而橢圓軌道與這種觀念是無法調(diào)和的。　　只是到了多年后的1687年，牛頓才對此給出了解釋，那一年牛頓發(fā)表了他的名著《自然哲學的數(shù)學原理》。這本書也許是物理科學領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動規(guī)律的理論，而且還推導出了分析這類運動所需要的數(shù)學公式。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。正是因為這種作用力的存在，才使得物體會落到地面上來。關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動，也使得地球和其他行星遵循橢圓形路徑繞太陽運動。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，恒星應該彼此互相吸引；因此，它們似乎不可能保持基本上無運動的狀態(tài)。那么，所有這些恒星最終會統(tǒng)統(tǒng)落到某一點上嗎？　　牛頓在1691年寫給當時另一位權威思想家理查德·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)，因為這時對恒星來說就不存在任何使之內(nèi)落、集聚的中心點。這種推論是人們談論關于無限的問題時可能遭遇的陷阱的一個例子?！　≡谝粋€無限的宇宙中，每一個點都可以被視為中心，因為在每一點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悟到，認識這一問題的正確途徑是，應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，在其中引力永遠是一種吸引力。　　在20世紀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時的主流思潮。當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Α＿@種做法不會對預測行星的運動產(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距離恒星的斥力相抵消。　　然而，我們現(xiàn)在認為這種平衡態(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兒，它們之間的吸引力就會增強，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，結(jié)果使恒星進一步互相遠離?！　∪藗兺ǔＵJ為，對無限靜態(tài)宇宙的另一個反詰是由德國哲學家海因里希·奧伯斯提出來的。事實上，與牛頓同時代的各行各業(yè)學者已經(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，人們應當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，來自遙遠恒星的光線因受到行進路徑上物質(zhì)的吸收而減弱了。但是，如果情況確實如此，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。

媒體關注與評論

　　克服疾病而成為世界物理學界的超新星。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”?！　　睹麍觥贰　∶魑鴻C智地解釋宇宙物理的復雜現(xiàn)象……他的頭腦擁有無與倫比的力量。　　——《紐約書評》　　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雜的命題?！　　都~約時報》

編輯推薦

　　一堂揭秘宇宙奇史的大師講座，中科院著名天文學家　趙君亮譯介導讀 超值贈送 英文原版霍金劍橋演講集。　　我想嘗試通過這一系列討論，來闡明我們所認識的宇宙史之基本輪廓?！　　沟俜摇せ艚?/pre>





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