时间简史

时间简史史蒂芬·威廉·霍金史蒂芬·威廉·霍金•史蒂芬.霍金1942年1月8日出生于英国的牛津，这是一个特殊的日子，现代科学的奠基人伽利略正是逝世于300年前的同一天金在牛津大学毕业后即到剑桥大学读研究生，这时他被诊断患了“卢伽雷病”，不久，就完全瘫痪了。1985年，霍金又因肺炎进行了穿气管手术，此后，他完全不能说话•霍金正是在这种一般人难以置信的艰难中，成为世界公认的引力物理科学巨人。霍金在剑桥大学任牛顿曾担任过的卢卡逊数学讲座教授之职，他的黑洞蒸发理论和量子宇宙论不仅震动了自然科学界，并且对哲学和宗教也有深远影响。从宇宙大爆炸的奇点到黑洞辐射机制，霍金对量子宇宙论的发展作出了杰出的贡献。他的目标是解决从牛顿以来一直困扰人类的“第一推力”问题。他的宇宙模型是一个封闭的无边界的有限的四维时空——不需要上帝的第一推力，宇宙的演化完全取决于物理定律。•有趣的科学幻想，而现实却是难以做到的简明道理。经过数年的辛勤写作和修改，于1988年4月正式出版宇宙论科普著作《时间简史》。书中引导读者遨游外层空间奇异领域，对遥远星系、黑洞、夸克、大统一理论、“带味”粒子和“自旋”的粒子、反物质、“时间箭头”等进行探索。《时间简史》，已用33种文字发行了550万册，如今在西方，自称受过教育的人若没有读过这本书，会被人看不起。医生曾诊断身患绝症的霍金只能活两年，他之所以能支持到今天并取得卓越成就，最主要的是他具有强烈的使命感和极其坚强的意志。霍金的一生，是人类意志力的记录，是科学精神创造的奇迹。时间与空间•狭义相对论非常成功地解释了如下事实：对所有观察者而言，光速都是一样的（正如麦克尔逊——莫雷实验所展示的那样），并成功地描述了当物体以接近于光速运时的行为。然而，它和牛顿引力理论不相协调。牛顿理论说，物体之间的吸引力依赖它们之间的距离。这意味着，如果我们移动一个物体，另一物体所受的力就会立即改变。或换言之，引力效应必须以无限速度来传递，而不像狭义相对论所要求的那样，只以等于或低于光速的速度来传递。爱因斯坦在1908年至1914年之间进行了多次不成功的尝试，企图去找一个和狭义相对论相协调的引力理论。1915年，他终于提出了今天我们称之为广义相对论的理论。爱因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他种类的力，而只不过是时空不平坦的这一事实的后果。正如早先他假定的那样，时空是由于在它中间的质量和能量分布而变弯曲或“翘曲”的。像地球这样的物体并非由于称为引力的力使之沿着弯曲轨道运动，而是它沿着弯曲空间中最接近于直线的称之为测地线的轨迹运动。一根测地线是两邻近点之间最短（或最长）的路径。例如，地球的表面是一弯曲的二维空间。地上的测地线称为大圆，是两点之间最近的路（图2.8）。由于测地线是两个机场之间的最短程，这正是领航员叫飞行员飞行的航线。在广义相对论中，物体总是沿着四维时空的直线走。尽管如此，在我们的三维空间看起来它是沿着弯曲的途径（这正如同看一架在非常多山的地面上空飞行的飞机。虽然它沿着三维空间的直线飞，在二维的地面上它的影子却是沿着一条弯曲的路径）。黑洞的形成•为了理解黑洞是如何形成的，我们首先需要理解一个恒星的生命周期。起初，大量的气体（大部分为氢）受自身的引力吸引，而开始向自身坍缩而形成恒星。当它收缩时气体原子相互越来越频繁地以越来越大的速度碰撞——气体的温度上升。最后，气体变得如此之热，以至于当氢原子碰撞时，它们不再弹开而是聚合形成氦。如同一个受控氢弹爆炸，反应中释放出来的热使得恒星发光。这增添的热又使气体的压力升高，直到它足以平衡引力的吸引，这时气体停止收缩。这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀，橡皮的张力试图使气球缩小，它们之间存在一个平衡。从核反应发出的热和引力引的平衡，使恒星在很长时间内维持这种平衡。然而，最终恒星会耗尽了它的氢和其他核燃料。貌似大谬，其实不然的是，恒星初始的燃料越多，它则燃尽得越快。这是因为恒星的质量越大，它就必须越热才足以抵抗引力。而它越热，它的燃料就被用得越。我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年，但是质量更大的恒星可以在1亿年这么短的时间内用尽其燃料，这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料，它开始变冷并开始收缩。随后发生的情况只有等到本世纪20年代末才初次被人们理解。时序保护猜想与人就是一种时间机器•霍金提出的时序保护猜想：指由于相对论容许因果环存在，时序保护猜想只需要引入某一其他因素进行调解，就可以防止旅行到过去发生因果律破坏的情况发生。关于这一点，仔细想我们做过的梦境，人可以回到过去见一见自己的老爷爷、老奶奶，也可以到未来看一看自己的重孙子、重孙女；而关于时空的基本定义并不要改写，物理学的根基也不会动摇，只是改变虚数是在点内就行了。其次，关于时间机器总是存在着因果律（先有原因然后才有结果）的问题，比如类似梦境，假定时间旅行者回到过去，杀死了当时还是个女孩的亲生母亲，可这样一来，他却无法出生也就无法完成这个谋杀了；或者如果有把幼年的自己或自己的祖先杀死的话，因为是杀人的恶梦，他或许立刻会惊醒而中断恶梦，或许会意识到那就是梦境幼时的我。这是虚拟世界两位自己同时登场，进行思考的自己的肉体同时分成了两个，灵魂必然附着在双方身上也是能存立的。所以说人是一种时间机器，穿越时间是人类的一种存在方式；这是人类自我理解、自我确立的前提。而正是这种人类自我理解与自我确立的活动，构成了人类生活与个体存在的基础和手段。虫洞•要打破光速壁垒存在一些问题。相对论告诉我们，飞船的速度越接近光速，用以对它加速的火箭功率就必须越来越大。对此我们已有实验的证据，但不是空间飞船的经验而是在诸如费米实验室或者欧洲核子研究中心的粒子加速器中的基本粒子的经验。我们可以把粒子加速到光速的99．99％，但是不管我们注入多少功率，也不能把它们加速到超过光速壁垒。空间飞船的情形也是类似的：不管火箭有多大功率，也不可能加速到光速以上。这样看来，快速空间旅行和往时间过去旅行似乎都不可行了。然而，还可能有办法。人们也许可以把时空卷曲起来，使得A和B之间有一近路。在A和B之间创造一个虫洞就是一个法子。顾名思义，虫洞就是一个时空细管，它能把两个几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来。虫洞两个端点之间在几乎平坦的背景里的分离和通过虫洞本身的距离之间没必要有什么关系。这样，人们可以想像，他可以创造或者找到一个从太阳系附近通到。半人马座的虫洞。虽然在通常的空间中地球和α-半人马座相隔20万亿英里（1英里=1.609公里），而通过虫洞的距离却只有几百万英里（1英里=1.6O9公里）。这样百米决赛的消息就能赶在议会开幕式前到达。然后一位往地球飞去的观察者也应该能找到另一个虫洞，使他从α-半人马座议会开幕在赛事之前回到地球。因此，虫洞正和其他可能的超光速旅行方式一样，允许人们往过去旅行。•罗森桥是一个把两个遥远的不同区域连起来的虫洞在空间飞船飞出之前把它缩小分裂成两个漩涡虫洞示意图第7学习小组时间旅行与超光速•现实中超光速粒子究竟是否存在？能否使远去的超光速粒子“向后转”折返？如果能，折返回来的结果会不会产生什么特别的现象？例如人类想到时间机器，本来是想要自由地到未来或过去中去的，但物理学中的相对论却把它同超光速联系起来。现在美国和中国一些人正进行着寻找超光速的研究，但是，这种奇妙的粒子的能量的平方是负数，用数学表述的话，能量（或质量）是虚数，的确是个难以理解的值。如果把超光速粒子设想为摩尔斯电码，明天的信息就可以在今天获得，这在电脑的赛博空间里并非奇妙的结果。遗憾的是，人类发现虚数以来，很多人分不清它是在点内还是在点外，从而也认识不到光速是自然内禀的，而把光速混同于声速一样。其次，严格地区分虚、实、正、负，是一种局域观念，如不严格地区分虚、实、正、负连续统，就可纳入非局域观念。这种非局域只靠时间的倒流，即时间的正负跃迁就能解决方程中的虚、实算符和能态的正负问题，类似“波粒佯谬”、“超光速”、“重整化”等问题，也许也会减少。实际虚、实、正、负不严格区分，说干细胞能把某些快死的病人的生命延长，是否可以说这是把死变为活呢？如果这也类似时间倒流，干细胞类似时间机器，是否以后类似干细胞的时间机器会改写一般不能把死人变为活人的经验事实？当然把死变为活，与把死人变为活人，是两个不同的概念。如果把死去多时的人看成类似“虚数”的人，把活着的人看成“实数”的人，那么适合的干细胞能把某些快死的病人的生命延长，并不是能把“虚数”的人变为“实数”的人