北外读本·自然与科技 | 《时间简史》导读

时间有初始吗？它又将在何地终结呢？

宇宙是无限的还是有限的？

本周为大家带来《时间简史》，

让我们一起走进这个神秘而未知，

但却让我们孜孜以求，充满好奇的世界。

《时间简史》

作者：[英] 史蒂芬·霍金

译者：许名贤 吴忠超

出版社：湖南科技出版社

出版年：2010

我的目标很简单，就是把宇宙整个明白——它为何如此，为何存在。

——霍金

本书导读

《时间简史》讲述的是探索时间和空间核心秘密的故事，是关于宇宙本性的最前沿知识，包括我们的宇宙图像、空间和时间、膨胀的宇宙不确定性原理、基本粒子和自然的力、黑洞、时间箭头等内容。第一版中的许多理论预言，后来在对微观或宏观宇宙世界观测中得到证实。

史蒂芬·霍金

史蒂芬 · 霍金是《时间简史》的作者，是当代最著名的物理学家，也是 20 世纪享有国际盛誉的伟人之一。他患有肌肉萎缩性侧索硬化症（卢伽雷氏症），全身瘫痪，不能言语，手部只有三根手指可以活动。他精通 20 世纪两大学说：广义相对论和量子力学，以此为基点他建构了宇宙、黑洞、大爆炸起源的全新观念，对物质与精神、宇宙与个体存在等重大命题做出了超乎寻常的界定。

霍金发现了一个完整的理论来解释我们身处世界的本质和规律，在主要的原理方面，他应该及时让所有人理解，而不仅仅让几个科学家理解。那时我们所有人，包括哲学家、科学家以及普普通通的人，都能参加讨论我们和宇宙为什么存在的问题。如果我们对此找到了答案，则将是人类理性的终极胜利。

20 世纪 70 年代霍金和彭罗斯一道证明了著名的奇点定理。之后他还证明了黑洞的面积定理，即随着时间增加黑洞的表面积不减。这很自然地使人将这面积和热力学的熵联想起来。

1973 年，霍金考虑黑洞附近的量子效应，发现黑洞会像黑体那样发出辐射。其辐射的温度和黑洞质量成反比，这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小，而温度却越变越高，它以最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有极其基本的意义，它将引力、量子力学和热力学统一在一起。

1974 年以后，霍金的研究转向量子引力论。他利用费恩曼的对历史求和方法，自然地处理时空的非平凡的拓扑效应，开创了引力热力学。1980 年，他的兴趣转向量子宇宙学，研究宇宙的无中生有的创生机制，企 图一劳永逸地解决第一推动问题。

霍金的生平是非常富有传奇性的。在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学家之一，而他的贡献是被肌肉萎缩性（脊椎）侧索硬化症禁锢在轮椅上的情形下做出的，这真正是空前的。在失声之前，他只能用非常微弱的变形的语言交流，这种语言只有在陪他工作、生活几个月后才能通晓。他不能写字，看书必须依赖于一种翻书页的机器，读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公桌上，然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般地逐页阅读。人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬意。他每天必须驱动轮椅从他的家 ——剑桥西路 5 号，经过美丽的剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学和理论物理系的办公室。该系为了他的轮椅行走方便特地修了一段斜坡。在富有学术传统的剑桥大学，他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职务，那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡斯数学教授。

自1988 年首版以来，《时间简史》已成为全球科学著作的里程碑。它被翻译成 40 种文字，销售了近 1000 万册。 2010 年湖南科学技术出版社推出的版本更新了内容，把许多观测揭示的新知识以及霍金最新的研究纳入其中，并配以 250 幅照片和电脑制作的三维和四维空间图。

选文

1

为了预言宇宙应该是如何开始的，人们需要在时间开端处有效的定律。罗杰 · 彭罗斯和我证明的奇点定理指出，如果广义相对论的经典理论是正确的，则时间的开端是具有无限密度和无限空间一时间曲率的一点，在这一点上所有已知的科学定律都失效。人们可以设想存在在奇点处成立的新定律，但是在如此不守规矩的点处，甚至连表述这样的定律都是非常困难的，而且从观察中我们没有得到关于这些定律应是什么样子的任何提示。然而，奇点定理真正表明的是，该处引力场变得如此之强，以至于量子引力效应变得重要：经典理论不再能很好地描述宇宙。所以，人们必须用量子引力论去讨论宇宙的极早期阶段。我们将会看到，在量子力学中，通常的科学定律有可能在任何地方都有效，包括时间开端这一点在内：不必针对奇点提出新的定律，因为在量子理论中不须有任何奇点。

2

如果人们能够表明，相当多的宇宙的不同初始结构会演化产生像我们今天看到的宇宙，至少在弱的形式上，人们会对人择原理感到更满意。如果这样，则一个从某些随机的初始条件发展而来的宇宙，应当包含许多光滑的、一致的并适合智慧生命演化的区域。另一方面，如果宇宙的初始条件必须极端仔细地选择，才能导致在我们周围所看到的一切，宇宙就不太可能包含任何会出现生命的区域。在上述的热大爆炸模型中，没有足够的方向使热从一个区域流到另一区域。这意味着宇宙的初始态在每一处必须刚好有同样的温度，才能说明我们在每一方向上看到的微波背景辐射都有同样温度，其初始的膨胀率也要非常精确地选择，才能使得现在的膨胀率仍然是如此接近于需要用以避免坍缩的临界速率。这表明，如果直到时间的开端热大爆炸模型都是正确的，则必须非常仔细地选择宇宙的初始态。所以，除非作为上帝有意创造像我们这样生命的行为，否则要解释为何宇宙只用这种方式起始是非常困难的。

3

空间和时间可以形成一个没有边界的闭曲面的思想，对于上帝在宇宙事务中的作用还有一个深远的含义。随着科学理论在描述事件的成功，大部分人进而相信上帝允许宇宙按照一套定律来演化，而不介入其间促使宇宙触犯这些定律。然而，定律并没有告诉我们，宇宙的太初应像什么样子——它依然要靠上帝卷紧发条，并选择如何去启动它。只要宇宙有一个开端，我们就可以设想存在一个造物主。但是，如果宇宙确实是完全自足的、没有边界或边缘，它就既没有开端也没有终结——它就是存在。那么，还会有造物主存身之处吗？

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部分图源来自网络

编辑 | 学生新闻中心新媒体部 戴园梦 张博宁