《时间简史》经典言论摘录

1. 第一章 我们的宇宙图像

我们生存在一个奇妙无比的宇宙中。只有凭借非凡的想象力才能鉴赏其年龄、尺度、狂暴甚至美丽。在这个极其广袤的宇宙中，我们人类所处的地位似乎微不足道。因此我们试图理解这一切的迫切心情是可以理解的。我们人类究竟是什么？我们究竟从哪里来，又将到哪里去？关于宇宙的起源和命运的故事，自古以来就吸引着各个时代最优秀的思想家。宇宙曾经是这样的：如此之巨大，以致没有开端和终结，它只是简单地在时间中存在？抑或它是在过去的某个特定时刻创生，并可能在未来终结？如何理解在它外部可能存在的世界？时空的本质是什么？它如何以及为何创生？它是我们宇宙的特征吗？或者它仅仅是更基本的某种东西的衍生？这个故事——我们现代宇宙学——开始于一种认识：我们宇宙的行为在非常大的尺度上由一种称为广义相对论的理论来描述。我们现在知道，这个理论在时间的开端处失效。但是广义相对论本身预言了它的失效，正如我们将看到的，它预言了宇宙以及时间本身应有一个开端，还预言了时间在大爆炸处应有一个终结。这个故事就是关于我们如何达到这种认识，以及由此产生的新的疑难和问题，包括最近的一些尝试，这些尝试旨在寻求一个更深刻的理论，在这个理论中，时间可以存在而无始终。

2. 第二章 空间和时间

我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛顿。在他们之前，人们信奉亚里士多德的学说，他说物体的自然状态是静止的，并且只有在受到力或冲击的推动时才运动。这样，重的物体比轻的物体下落得更快，因为它受到更大的力将其拉向地球。亚里士多德的传统观点还认为，人们依靠纯粹思维即可以找出所有制约宇宙的定律；我们不必要用观测去检验之。这样，伽利略是第一个驳斥亚里士多德错误观念的人。据说伽利略从比萨斜塔上扔下不同重量的物体，并观察它们是否同时落地。但是，这故事很可能不真实。不过，伽利略的确做了一些等效的事——让不同形状的球从光滑的斜面上滚下。这种情况类似于重物的垂直下落，只是因为速度小而更容易观察。伽利略的测量指出，不管物体的重量是多少，其速度增加的速率是一样的。例如，你在一个沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上释放一个球，则球在滚下斜面时每秒的速度增加1米/秒。如果释放一个重一倍的同质球，其速度仍会增加1米/秒。更轻的或更重的球也应该以相同的速率增加速度。（当然，一个羽毛会因空气阻力而缓慢下落，但是一个重羽毛和一个轻羽毛下落的速度一样。）伽利略的测量被牛顿用来作为他的运动定律的基础。在伽利略的实验中，当物体从斜坡上滚下时，它一直受到将其拉向地球的恒定的力（它的重量），其效应是使它恒定地加速。这表明，力的真正效应总是改变物体的速度，而不是像原先想象的那样，仅仅使之运动。同时，它还意味着，只要一个物体没有受到外力，它就会以同样的速度保持直线运动。这是牛顿第一定律，它直接来自于伽利略的实验结果。

亚里士多德和伽利略牛顿观念的巨大差别在于，亚里士多德相信存在一个优越的静止状态，任何没有受到外力和冲击的物体都处于这种状态。特别是他以为地球是静止的。但是从牛顿定律引出，并不存在唯一的静止标准。人们可以讲物体A静止而物体B以恒定的速度相对于物体A运动，或物体B静止而物体A运动，这两种讲法是等价的。例如，我们暂时不理睬地球的自转和它围绕太阳的公转，则可以讲地球是静止的，一列火车以每小时90英里的速度向北前进，或火车是静止的，而地球以每小时90英里的速度向南运动。如果一个人在火车上做运动物体的实验，所有牛顿定律仍然都成立。例如，在火车上打乒乓球，人们会发现，正如在铁轨旁一张台桌上的球一样，乒乓球服从牛顿定律，所以无法得知是火车还是地球在运动。

缺乏静止的绝对标准意味着，人们不能确定，在不同时间发生的两个事件是否发生在空间的同一位置。例如，假定在火车上我们的乒乓球直上直下地弹跳，在一秒钟前后两次撞到桌面上的同一处。在铁轨上的人来看，这两次弹跳发生在大约相距90英里的不同的位置，因为在这两回弹跳的间隔时间里，火车已经在铁轨上走了这么远。这样，不存在绝对静止意味着不能给事件指定一个绝对的空间位置，正如牛顿的绝对时间一样。事件的位置以及它们之间的距离对于在火车和铁轨上的人来讲是不同的，所以没有理由以为一个人的立场比别人的更优越。

牛顿对绝对空间或绝对时间的存在非常忧虑，因为他意识到了他的定律隐含着绝对运动的不存在。但是，尽管如此，他还是接受了绝对空间。尽管他受到严厉的批评，大多数人却直到20世纪初都接受绝对空间。牛顿之所以接受绝对空间，是因为他信仰一个绝对的上帝。事实上，即使不存在绝对空间，他的定律也能同样好地成立。然而，正是这种绝对的、独立于物质的空间和时间观念，在20世纪初被爱因斯坦的狭义相对论所推翻。

3. 第三章 膨胀的宇宙

1929年，哈勃发表的结果证实了这种关系：甚至在大尺度上，星系也正在飞离我们，其退行速度正比于它们和我们之间的距离。哈勃发现，星系的光谱向红端移动，而且红移量大致与星系的距离成正比。解释这个红移的唯一合理的方式是，星系正在远离我们运动，而且退行速度与距离成正比——这正是弗里德曼模型所预言的情形。哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧密。在这种条件下，所有科学定律并因此所有预见将来的能力都崩溃了。如果在此时刻之前有过些事件，它们将不可能影响现在发生的东西。因为它们没有任何观测的后果，所以我们可以把它们从我们的模型中剪切掉，并宣称时间从大爆炸开始。

人们必须接受的观念是：空间本身正在膨胀，而且星系随之而被携带相互离开，这正如同一个画上许多斑点的气球被吹胀的情形。当气球膨胀时，任何两个斑点之间的距离增加，但是没有一个斑点能被认为是膨胀的中心。不仅如此，斑点相离得越远，则它们互相离开得越快。类似地，在弗里德曼模型中，任何两个星系互相离开的速度和它们之间的距离成正比。所以，他预言了星系的红移应与离开我们的距离成正比，这正是哈勃发现的。尽管弗里德曼只找到一个模型，其实满足宇宙在空间中均匀且各向同性的基本假设的模型共有三个。

在第一类（弗里德曼找到的那一类）中，宇宙膨胀得足够慢，以至于在不同星系之间的引力使膨胀减缓，并最终停止。然后星系开始相互靠近，而宇宙收缩。图3.2表示随着时间增加两个邻近星系的距离的变化。在时间起点处为零，它增长到最大值，然后减小到零；在第二类解中，宇宙膨胀得如此之快，以至于引力虽然能使之缓慢一些，却永远不能使之停止。图3.3表示此模型中的邻近星系的距离。它从零开始，最后星系以稳恒的速度相互离开；最后，还有第三类解，宇宙的膨胀速度刚好足以避免坍缩。正如图3.4所示，星系的距离也从零开始，然后永远增大。然而，虽然星系分开的速度永远不会变为零，这速度却越变越小。

4. 第四章 不确定性原理

为了预言一个粒子未来的位置和速度，人们必须能够准确地测量它现在的位置和速度。显而易见的办法是将光照射到这粒子上。一部分光波被此粒子散射开来，由此指明它的位置。然而，人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间距离更小的程度，所以必须用短波长的光来测量粒子的位置。现在，由普朗克的量子假设，人们不能用任意少的光的量，至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子，并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。而且，位置测量得越准确，所需的波长就越短，单独量子的能量就越大，这样粒子的速度就被扰动得越厉害。换言之，你对粒子的位置测量得越准确，你对速度的测量就越不准确，反之亦然。海森伯指出，粒子位置的不确定性乘上粒子质量再乘以速度的不确定性不能小于一个确定量——普朗克常数。并且，这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法，也不依赖于粒子的种类。海森伯不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质。

不确定性原理对我们世界观有非常深远的影响。甚至到了70多年之后，它还没有被许多哲学家充分鉴赏，仍然是许多争议的课题。不确定性原理使拉普拉斯的科学理论，即一个完全宿命论的宇宙模型的梦想寿终正寝：如果人们甚至不能准确地测量宇宙的现在的态，就肯定不能准确地预言将来的事件了！我们仍然可以想象，对于一些超自然的生物，存在一族完全地决定事件的定律，这些生物能够不干扰宇宙地观测它现在的状态。然而，对于我们这些凡夫俗子而言，这样的宇宙模型并没有太多的兴趣。看来，最好是采用称为奥铿剃刀的经济学原理，将理论中不能被观测到的所有特征都割除掉。20世纪20年代，在不确定性原理的基础上，海森伯、厄文·薛定谔和保罗·狄拉克运用这种手段将力学重新表述成称为量子力学的新理论。在此理论中，粒子不再有分别被很好定义的、能被同时观测的位置和速度，而代之以位置和速度的结合物的量子态。

5. 第五章 基本粒子和自然的力

亚里士多德相信宇宙中的所有物质由四种基本元素即土、空气、火和水组成。有两种力作用在这些元素上：引力，这是指土和水往下沉的趋势；浮力，这是指空气和火往上升的倾向。将宇宙的内容分割成物质和力的这种做法一直沿袭至今。亚里士多德相信物质是连续的，也就是说，人们可以将物质无限制地分割成越来越小的小块，即人们永远不可能得到一个不可再分割下去的最小颗粒。然而，几个希腊人，例如德谟克利特，则坚持物质具有固有的颗粒性，而且认为每一件东西都是由大量各种不同类型的原子组成（原子在希腊文中的意义是“不可分的”）。争论一直持续了几个世纪，任何一方都没有任何实际的证据。但1803年英国人约翰·道尔顿指出，化合物总是以一定的比例结合而成的，这一事实可以用由原子聚合一起形成叫做分子的个体来解释。然而，直到20世纪初这两个学派的争论才以原子论的胜利而告终。爱因斯坦提供了一个重要的物理学证据。1905年，在他关于狭义相对论的著名论文发表前的几周，他在发表的另一篇文章里指出，所谓的布朗运动——悬浮在液体中尘埃小颗粒的无规则随机运动——可以解释为液体原子和灰尘粒子碰撞的效应。

当时人们就以为原子是基本粒子。但是1911年欧内斯特·卢瑟福在卡文迪许实验室证明，原子是由一个很小的带正电荷的核以及围绕着它公转的带负电荷的电子组成的。他通过分析从放射性原子释放出的α粒子撞击到原子上的偏折情况而推断出这一结论。起初，人们认为原子核是由电子和不同数量的带正电的叫做质子的粒子组成。质子是由希腊文中的“第一”演化而来，因为质子被认为是组成物质的基本单位。然而，1932年卢瑟福在卡文迪许实验室的一位同事詹姆斯·查德威克发现，原子核还包含另外称为中子的粒子，中子几乎具有和质子一样大的质量但不带电荷。查德威克因这个发现获得诺贝尔奖，并被选为卡文迪许实验室教授。后来，他因为和一位同事在争论上分歧而辞去此职务。一批年轻的科学家从战争中回到核物理研究，他们对他不能和这样的气量相容感到震惊。

直到大约30年前，人们还认为质子和中子是“基本”粒子。但是，将质子和另外的质子或电子在高速度下碰撞的实验表明，它们事实上是由更小的粒子构成的。这些粒子叫做夸克，它们具有极不寻常的性质。它们不像其他粒子那样以低于光速的速度运动，而且只能作为复合体的一部分而存在，这些复合体具有整个数目的电荷。质子或中子包含三个夸克，介子包含一个夸克和一个反夸克。反夸克是夸克对应的反物质。存在着几种不同类型的夸克：至少有六种“味”，这些味我们称之为上、下、奇、粲、底和顶。每一味都带有三种“色”，即红、绿和蓝。（必须强调，这些术语仅仅是记号而已；夸克比可见光的波长小得多，所以在通常意义下没有任何颜色。这只不过是现代物理学家似乎更富有想象力地命名新粒子和新现象的一个例子——他们不再让自己受限制于希腊文！）一个质子或中子由三个夸克组成，每个夸克各有一种颜色——一个红、一个绿、一个蓝。一个粒子的三个夸克的色不断地相互改变，但是因为它们配合得这么好，所以复合粒子在外部看来是无色的。

随着越来越大的粒子的发现，所谓“基本”粒子这一术语似乎有点不合适。实际上，这些粒子是否应被平等地视为“基本”，或者它们中的一些是否由其他更小的粒子构成，这仍然是一个悬而未决的问题。甚至质子和中子（一度被认为是“基本”粒子）现在已知是由夸克构成的。在20世纪的头一半，我们了解了原子结构；在20世纪的后一半，我们了解了原子核结构；在21世纪，我们是否将了解质子和中子的结构？我们是否将发现更基本的组成部分？

6. 第六章 黑洞

黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确，这经常是反对黑洞的主要论据：你怎么能相信一个其依据只是基于令人怀疑的广义相对论的计算的对象呢？然而，1963年，加利福尼亚的帕罗玛天文台的天文学家马丁·施密特测量了在称为3C273（即是剑桥射电源编目第三类的273号）射电源方向的一个黯淡的类星体的红移。他发现引力场不可能引起这么大的红移——如果它是引力红移，这类星体必须具有如此大的质量，并离我们如此之近，以至于会干扰太阳系中的行星轨道。这暗示此红移是由宇宙的膨胀引起的，进而表明这个物体离我们非常远。由于在这么远的距离还能被观察到，它必须非常亮，也就是必须辐射出大量的能量。人们会想到，产生这么大量能量的唯一机制看来不仅是一个恒星，而是一个星系的整个中心区域的引力坍缩。人们还发现了许多其他类星体，它们都有很大的红移。但是它们都离开我们太远了，所以对之进行观察太困难，以至于不能给黑洞提供结论性的证据。

1967年，剑桥的一位研究生约瑟琳·贝尔发现了天空发射出无线电波的规则脉冲的物体，这对黑洞的存在的预言带来了进一步的鼓舞。起初贝尔和她的导师安东尼·赫维什以为，他们可能和我们星系中的外星文明进行了接触！在宣布他们发现的讨论会上，他们将这四个最早发现的源称为LGM1－4，LGM表示“小绿人”（“Little Green Man”）。然而，最终他们和所有其他人都得到不太浪漫的结论，这些被称为脉冲星的物体，事实上是旋转的中子星。这些中子星由于它们的磁场和周围物质复杂的相互作用，而发出无线电波的脉冲。这对于写空间探险的作者而言是个坏消息，但对于我们这些当时相信黑洞的少数人来说，是非常有希望的——这是第一个中子星存在的证据。中子星的半径大约10英里，只是恒星变成黑洞的临界半径的几倍。如果一颗恒星能坍缩到这么小的尺度，预计其他恒星能坍缩到更小的尺度而变成黑洞，就是理所当然的了。

按照黑洞定义，它不能发出光，我们何以希望能检测到它呢？这有点像在煤库里找黑猫。庆幸的是，有一种办法。正如约翰·米歇尔在他1783年的先驱性论文中指出的，黑洞仍然将它的引力作用到它周围的物体上。天文学家观测了许多系统，在这些系统中两颗恒星由于相互之间的引力吸引而相互围绕着运动。他们还观察到了这样的系统，其中只有一颗可见的恒星围绕着另一颗看不见的伴星运动。人们当然不能立即得出结论说，这伴星即为黑洞——它可能仅仅是一颗太暗以至于看不见的恒星而已。然而，有些这种系统，例如叫做天鹅X－1的系统，也是强X射线源。对这现象的最好解释是，物质从可见星的表面被吹起来，当它落向不可见的伴星时，发展成螺旋状的轨道（这和水从浴池流出很相似），并且变得非常热，发出X射线（图6.2）。为了使这机制起作用，不可见物体必须非常小，像白矮星、中子星或黑洞那样。从观察那颗可见星的轨道，人们可推算出不可见物体的最小的可能质量。在天鹅X－1的情形，这质量大约是太阳质量的6倍。按照昌德拉塞卡的结果，它的质量太大了，既不可能是白矮星，也不可能是中子星。所以看来它只能是一个黑洞。

黑洞是这样一个时空区域，那里的引力场强到使任何东西，甚至光都不能逃逸出来。正如在第七章将要讨论的，广义相对论预言，重质量的恒星当其核燃料耗尽时会坍缩成黑洞。黑洞将吞噬任何穿过其事件视界的东西，并且，正如我在1970年证明的，它的质量和表面积都会增加。事件视界，即黑洞的边界，正如同一个临界的膜：一旦穿过它，物体就无法再返回了。然而，当黑洞的质量增加时，事件视界的面积总是增加。而且，如果两个黑洞碰撞并合并成一个单独的黑洞，围绕形成黑洞的事件视界的面积比原先两个黑洞事件视界的面积的和更大。这些性质暗示，在事件视界的面积和热力学的熵概念之间存在类似。熵可被看作是系统无序度的度量，或等价地讲，是它缺乏信息度的度量。热力学著名的第二定律说，熵随时间增加。

我首先意识到，事件视界的面积永不减少的行为，类似于被称为熵的物理量的行为。熵测量一个系统的无序度，而且除非外界对它做功，否则它总是增加的。例如，如果我打碎一个花瓶，它的熵就增加了，因为现在碎片比整个花瓶处于更无序的状态。但是，要把它重新拼凑成原来的状态，我就必须消耗能量，因此增加了宇宙的无序度。这个事实是热力学第二定律的一个例子。它说，宇宙中的总熵总是随时间增加。我和其他人证明，当物质和辐射落入黑洞时，黑洞的事件视界的面积会增加，因此，黑洞事件视界面积的度量，非常像是黑洞的熵。通过发射霍金辐射，黑洞会损失质量，其事件视界的面积会减小。但是辐射的熵会补偿黑洞熵的减少，第二定律从未被违反过。

7. 第七章 黑洞不是这么黑的

在1970年以前，我关于广义相对论的研究，主要集中于是否存在一个大爆炸奇点。然而，同年11月我的女儿露西出生后不久的一个晚上，当我上床时，开始思考黑洞的问题。我的残废使得这个过程相当慢，所以我有许多时间。那时候还不存在关于时空的那些点是在黑洞之内还是黑洞之外的精确的定义。我已经和罗杰·彭罗斯讨论过将黑洞定义为不能逃逸到远处的事件集合的想法，这也就是现在被广泛接受的定义。它意味着，黑洞边界——即事件视界——是由刚好不能从黑洞逃逸而永远只在边缘上徘徊的光线在时空里的路径形成的。这有点像从警察那里逃开，但是仅仅只能比警察快一步，而不能完全地逃脱的情景！

我忽然意识到，这些光线的路径永远不可能互相靠近。如果它们靠近，它们最终就必须互相撞上。这正如和另一个对手朝相反方向跑开——你们俩最终都会被抓到！（如果地球是弯曲的，你们甚至可以在开始跑时就撞上。）但是，如果这些光线被黑洞所吞没，那它们就从来没有从黑洞逃逸出来过。所以，光线在事件视界上的路径必须永远是互相平行或互相散开的。另一种看到这一点的方法是，事件视界，亦即黑洞边界，正像一个影子的边缘——一个即将临头的灾难的影子。如果你看到在远距离上的一个源（例如太阳）投下的影子，就能明白影子边缘上的光线不会互相靠近。

如果从事件视界（亦即黑洞边界）来的光线永远不可能互相靠近，则事件视界的面积可以保持不变或者随时间增大，但它永远不会减小——因为这意味着至少一些在边界上的光线必须互相靠近。事实上，每当物质或辐射落到黑洞中去，这面积就会增大（图7.2）；或者如果两个黑洞碰撞并合并成一个单独的黑洞，这最后的黑洞的事件视界面积比原先两个黑洞的视界面积的和更大（图7.3）。事件视界面积的不减性质给黑洞的可能行为加上了重要的限制。我如此地为我的发现所激动，以至于当夜没睡多少。

黑洞辐射的发现，看来未受测不准原理的限制，而测不准原理是量子力学的基础。然而，正是因为黑洞发出辐射，所以我们可以协调量子力学和广义相对论，而不牺牲测不准原理。因此，在某种意义上，我们可以说，引力辐射的发现拯救了量子力学。它表明，引力不是像以前设想的那样，是经典理论中的一种普通的力。相反，它是由被称为引力子的粒子携带的。引力子没有质量，因此它们由长程场携带，正如光子一样。但是，因为它们与引力的平方反比定律相关联，它们不是以光速运动，而是以无限速度运动吗？不，广义相对论预言，引力波应以光速运动，而这一预言已被观测所证实。那么，引力子必须以光速运动，因此它们具有零静质量。但是，这样它们如何能携带长程力呢？答案是，引力子与虚粒子不同，它们是实粒子。正如我们看到的，实粒子可以以小于光速的速度运动，而虚粒子可以以任何速度运动。但是，长程力是由虚粒子，而不是由实粒子携带的。因此，引力不能由引力子携带。相反，它是由时空弯曲所代表的经典场携带的。

8. 第八章 宇宙的起源和命运

如果在一个清澈的、无月亮的夜晚仰望星空，能看到的最亮的星体最可能是金星、火星、木星和土星这几颗行星，还有巨大数目的类似太阳但离开我们远得多的恒星。事实上，当地球绕着太阳公转时，某些固定的恒星相互之间的位置看起来确实有了非常微小的改变——它们不是完全固定不动的！这是因为它们距离我们相对靠近一些。当地球绕着太阳公转时，相对于更远处的恒星的背景，我们从不同的位置观测它们。这是幸运的，因为它使我们能直接测量这些恒星离开我们的距离，它们离我们越近，就显得移动得越多。最近的恒星叫做普罗希马半人马座，它大约在4光年那么远。它发出的光要花4年才能到达我们。这意味着，当我们观测这颗恒星时，我们看到的是它4年前的样子。这样，观察宇宙就有点像在观看一部影片。我们所看到的最远的物体是类星体。有些类星体在100亿光年那么远，所以我们是在看100亿年前的样子，也就是在看宇宙的婴儿时期。

弗里德曼对于宇宙做了两个非常简单的假定：我们不论从哪个方向看，也不论在任何地方进行观察，宇宙看起来都是一样的。弗里德曼指出，仅仅从这两个观念出发，我们就应该预料宇宙不是静态的。事实上，弗里德曼在1922年所做的预言，正是哈勃在1929年发现的宇宙膨胀。宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智力革命之一。它完全出乎人们的意料，而且彻底改变了关于宇宙起源的讨论。如果星系正在相互离开，那它们在过去必然更加靠近。这就意味着，在过去某个时刻，所有星系可能曾相互重叠在一起，其密度为无限大。这个时刻很可能是宇宙的开端。大约在150亿年前，宇宙有一个开端，这是所谓的“大爆炸”。它正是宇宙的起源。

尽管弗里德曼只找到一个模型，其实满足他的两个基本假设的共有三类模型。在第一类模型（即弗里德曼本人找到的）中，宇宙膨胀得足够慢，以至于在不同星系之间的引力使膨胀变慢下来，并最终停止。然后星系开始相互靠近，而宇宙收缩。图3.2表示随着时间增加两个邻近星系的距离的变化。它在时间起点处为零，最后又减少到零；在第二类解中，宇宙膨胀得如此之快，以至于引力虽然能使之缓慢一些，却永远不能使之停止。图3.3表示此模型中的邻近星系的距离。它从零开始，最后星系以稳恒的速度相互离开；最后，还有第三类解，宇宙的膨胀速度刚好足以避免坍缩。正如图3.4所示，星系的距离从零开始，然后永远增大。然而，虽然星系分开的速度永远不会变为零，这速度却越变越小。

第一类弗里德曼模型的奇异特点是，宇宙在空间上不是无限的，并且是没有边界的。引力是如此之强，以至于空间被折弯而又绕回到自身，使之相当像地球的表面。如果在地球表面上沿着任何方向不停前进，人们永远不会遇到一个不可逾越的障碍或掉下边缘，但最终会回到出发点。第一类弗里德曼模型中的空间正与此非常相像，只不过地球表面是二维的，而它是三维的罢了。第四维——时间——在范围上也是有限的，但是它像一根有两个端点或边界即开端和终端的线。以后我们会看到，当人们将广义相对论和量子力学的不确定性原理结合在一起时，空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的、没有奇点或边界的空间，这正如地球的表面，但有更多的维数。看来这种思想能够解释观察到的宇宙的许多特征，诸如它的大尺度一致性，还有像星系、恒星甚至人类等等小尺度的偏离均匀性的起伏。它甚至可以说明我们观察到的时间的箭头。

9. 第九章 时间箭头

至少存在三个不同的时间箭头：第一个是热力学时间箭头，即是在这个时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。

我断言，心理学箭头是由热力学箭头所决定，并且这两种箭头必须总是指向相同的方向。假如宇宙处于一个完全有序的状态，它的熵为零，那么无序度或熵随着时间增加，因为时间流逝，宇宙变得更加无序。那么，为什么我们观察到热力学箭头和宇宙学箭头一致呢？或者说，为什么无序度增加的时间方向正是宇宙膨胀的时间方向呢？如果人们相信，正如现在一般认为的那样，宇宙是从一个大爆炸奇点起始的，这个问题就迎刃而解了。在初始时刻，宇宙是非常光滑和有序的。随着时间流逝，因为宇宙膨胀，它就从有序变得无序。这就解释了热力学箭头和宇宙学箭头的一致。而且，我们只能记住那些已经发生过的事，不能记住尚未发生的事，这一事实可以解释为什么心理学箭头和热力学箭头一致。这样，我们对时间方向的主观感觉，即心理学箭头，是在我们头脑中由热力学箭头所决定的。正像一个计算机，我们只能在熵增加的方向上记住时间。

但是，如果宇宙停止膨胀并开始收缩，将会发生什么？热力学箭头会不会倒转，而无序度开始随时间减少呢？这会导致所有各种科学幻想的结果。人们会看到打碎的水杯集合起来，从地板上跳回到桌子上。人们会记住明天的价格，并在股票市场上发财。如果宇宙开始收缩，人们是否会从老年活到青年，并从收缩相存活到膨胀相？对于宇宙收缩相中的人们而言，热力学和心理学时间箭头会不会倒转过来？这个问题是在我和我的两个学生，戈登·贝里和迈克·拉弗蒂，合写的一篇论文中提出的。我们得出结论，当宇宙开始收缩时，生命不可能继续存在，更不用说观察热力学箭头的倒转了。其原因是，宇宙至少还要再收缩100亿年才能达到大挤压。但是，在宇宙收缩之前，太阳早已把地球烧成灰烬了，或者它已吞没了地球。因此，在宇宙开始收缩之前，人类早已灭亡了。而且，在宇宙收缩相中，条件对于任何生命形式都是非常不利的。此外，在宇宙重新坍缩成高密度状态之前，它不会达到热平衡。这意味着，热力学箭头不会倒转，因此我们不会看到打碎的水杯集合起来，从地板上跳回到桌子上。

10. 第十章 虫洞和时间旅行

科学幻想作家之所以喜欢时间旅行的概念，是因为它开启了进行各种探险的可能性。如果一个人能够旅行到过去并改变历史，那么逻辑上的一致性怎么维持？例如，如果你回到过去并在你父母亲相遇之前将你父亲杀死，那么你怎么会出生呢？还有一些人认为，自然总是巧妙地防止我们过去旅行到过去，以维持逻辑的一致性。然而，这似乎排除了我们进行时间旅行的自由意志。如果你能回到过去，并且在你父母相遇之前杀死你父亲，那么有些事情必须阻止你这么做。因为你没有这么做，所以你没有自由意志。这似乎是一个悖论。

解决这些悖论的一种可能是，当时空被卷曲得可能旅行到过去时，在时空中就产生闭合的类时曲线。这样，时空就不太可能具有许可时间旅行的拓扑。人们可以想象，某种超自然的存在物，在宇宙大爆炸时，在时空上强加了一个拓扑，这个拓扑不允许时间旅行。但是，如果宇宙是由某种统一理论完全决定地演化的话，那么对于时空的拓扑就没有选择。它必须是由方程和初始条件所确定的。但是，为什么这些方程和初始条件应该排除被似乎对我们而言是那么自然的时空拓扑呢？为什么时空拓扑不被选择成能够允许时间旅行呢？

爱因斯坦的广义相对论似乎为时间旅行开启了可能性。广义相对论中，物质和能量使时空弯曲。物体（例如行星）试图沿着弯曲时空中的直线运行，但是因为时空是弯曲的，所以它们的路径显得被一个力所弯曲。在广义相对论中，有可能存在这样的时空，其中人们可以旅行到过去。其中一个例子是包含两根宇宙弦的时空。宇宙弦是假设的物体，它具有长度但截面很微小。它们听起来像科学幻想，但有坚实的科学基础。宇宙弦可能是在早期宇宙中形成的。因为它们的张力，以及它们从早期宇宙遗存下来的事实，宇宙弦可能被加速到非常高的速度。1974年，我发现了从黑洞辐射出粒子。黑洞辐射的发现依赖于量子理论，而量子理论是描述小尺度现象的。这表明，为了讨论时间旅行，我们需要一个理论，它把广义相对论和量子力学结合起来。

在量子理论中，时间旅行也许可能，但只能到某种程度。似乎有一个时序保护机构，防止闭合类时曲线的出现，从而阻止从宏观尺度上的时间旅行。这个机构就是量子理论的不确定性原理。为了回到过去，你需要一个物质分布，它使时空弯曲成允许时间旅行的样子。但是，不确定性原理意味着，物质不能完全精确地分布。相反，存在物质分布和速度的量子涨落。我计算过这些涨落，并且发现它们总是足以阻止闭合类时曲线的形成。因此，时间旅行似乎被物理定律所禁止。这对于历史学家是一个幸事，它使世界对于科学幻想作家更安全，但是如果它使我们不能到过去旅行，也许将来某一天我们能够到未来旅行。

11. 第十一章 物理学的统一

在谨慎乐观的基础上，我仍然相信，我们可能已经接近于探索自然的终极定律的终点。在我们寻求知识的过程中，我们可以宣称，我们现在已经拥有了宇宙的最终理论的前奏。这个前奏就是所谓的M理论。M理论不是一个通常意义上的理论。它是整个理论网络，这些理论看上去非常不同，但都可以从同一基本理论导出。这些理论中的每一个在现象范围内都是好的描述。M理论网络中的不同理论之间的关系是对偶性。这指的是，两个显得不同的理论实际上可以等价，并且可以预言相同的物理结果。对偶性在物理学中不是一个新概念，但是它在M理论中起着核心作用。

如果M理论确实是对的，它就必须解释宇宙的所有性质，包括像人类这样的复杂结构。但是，我们是否真的需要一个新的万有理论来做到这一点呢？我们周围显然世界的显著特征之一是它的复杂性和多样性。我们是如何从仅仅包含一些诸如电子和夸克这样种类很少的基本粒子的宇宙出发，达到我们看到的如此复杂的世界的呢？答案在于，宇宙可以存在许多不同的态。我们可以生活在宇宙的一个区域，在这里某些物理常数具有允许生命发展的值。但是，在其他区域，这些常数具有不同的值。在这样的区域，也许不存在任何生命。因此，我们观察到的宇宙的复杂性，可能是由于我们生活在宇宙的一个允许生命存在的特殊区域。这被称为人存原理。

人存原理有弱的和强的两种版本。弱人存原理是讲，在一个大的或无限的宇宙中，只有在某些局部区域才可能出现智慧生命存在的必要条件。在这些区域中，如果智慧生命观察到他们存在的区域满足那些必要条件，他们就不应感到惊讶。这有点像生活在富裕街区的一个富人，他看不到任何贫穷。强人存原理认为，存在许多不同的宇宙或者一个宇宙的许多不同区域，每一个都有自己初始的结构，或许还有自己的一套科学定律。在这些宇宙中，只有很少数的宇宙允许像我们这样的生命存在。在这些宇宙中，如果智慧生命存在，他们就会提出这样的问题：“为什么宇宙是我们看到的这种样子？”答案很简单：如果它不是这个样子，我们就不会在这里！

我们发现自己处于一个令人困惑的世界中。我们要理解周围所看到的一切的含义，并且问道：宇宙的本质是什么？我们在它之中的位置如何？宇宙和我们从何而来？为什么它是这个样子？我们试图回答这些问题。我们寻求某种设计，某种宇宙的定律，它们赋予这些问题的意义。如果我们找到了这个问题的答案，那将是人类理性的终极胜利——因为那时我们就会知道上帝的精神。

12. 第十二章 结论

我们发现自己是处于使人困惑的世界中。我们要理解周围所看到的一切的含义，并且问道：什么是宇宙的性质？我们在它之中的位置如何？宇宙和我们从何而来？为何它是这个样子？我们采用某种“世界图”来试图回答这些问题，如同无限的乌龟塔——一个支持平坦地球的图象一样。超弦理论是另一种图象，或者模型，它允许宇宙中的一切被描述为在时空中传播的能量的振动模式。这些振动发生在一个十维或十一维的时空背景中，但是在我们看来，时空是四维的，因为额外维被卷曲成非常小的尺度。在某种意义上，我们周围的所有东西，包括我们自己，都是宇宙的“音乐”。我们是生活在一个膜世界上，这个膜是更高维时空中的面。我们测量的物理定律被膜的拓扑以及额外维的几何所决定。也许似乎这些概念和日常经验相去甚远。的确如此。但是，正如在本书中描述的，日常经验本身在应用到宇宙这样大的尺度或原子这样小的尺度时，也是不适当的。

尽管我们在寻求知识的过程中取得了一些伟大的成功，我们并非处于故事的结尾，而是处于新篇章的开端。我们已经在寻求终极定律的道路上走了很长的路。但是，我们仍然有许多东西要学习。在20世纪，我们由于在原子和分子尺度上观测宇宙的能力的改进而取得了巨大的进步。在21世纪，我们将在更小的尺度上，甚至在更接近大爆炸的时刻观测宇宙。我们还将利用引力波，这种时空曲率的波纹，来观测宇宙，正如我们利用电磁波一样。引力波天文学将使我们看到宇宙的暴胀时期，并检验我们的理论。我们还可能发现宇宙的额外维的直接证据。但是，我们最伟大的发现将是我们未曾预料到的。

然而，如果我们确实发现了一套完整的理论，它应该在一般的原理上及时让所有人（而不仅仅是少数科学家）所理解。那时我们所有人，哲学家、科学家以及普通百姓，都能参与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，那将是人类理性的终极胜利——因为那时我们知道了上帝的精神。

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