时间简史与宇宙问题?宇宙到底有什么奇妙之处

时间简史与宇宙问题?
宇宙到底有什么奇妙之处

《时间简史＞ 宇宙论是一门既古老又年轻的学科.作为宇宙里高等生物的人类不会满足于自身的生存和种族的绵延,还一代代不懈地探索着存在和生命的意义.但是,人类理念的进化是极其缓慢和艰苦的.从亚里士多德－托勒密的地心说到哥白尼－伽利略的日心说的演化就花了2000年的时间.令人吃惊的是,尽管人们知道世间的一切都在运动,只是到了本世纪20年代因哈勃发现了红移定律后,宇宙演化的观念才进入人类的意识.人们甚至从来没有想到过宇宙还会演化.牛顿的万有引力定律表明,宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态.即使在爱因斯坦的广义相对论中,情况也好不到哪儿去,为了得到一个稳定的宇宙模型,他曾将宇宙常数引进理论中.他们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型.可见,宇宙演化的观念并不是产生于这些天才的头脑之中. 将哈勃的发现当成现代宇宙论的诞生是公平的.哈勃发现,从星系光谱的红移可以推断,越远的星系以越快的速度离开我们而去,这表明整个宇宙处于膨胀的状态.从时间上倒溯到过去,估计在100亿到200亿年前,曾经发生过一桩开天辟地的大事件,即宇宙从一个极其紧致、极热的状态中大爆炸而产生.伽莫夫在1948年发表的一篇关于热大爆炸模型的文章中作出了一个惊人的预言,早期大爆炸的辐射仍残存在我们周围,不过由于宇宙膨胀引起的红移,其绝对温度只余下几度左右,在这种温度下,辐射是处于微波的波段.但在1965年彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前,人们并不认真对待此预言. 一般认为,爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论.在经典广义相对论的框架里,霍金和彭罗斯证明了,在很一般的条件下,空间－时间一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点.在奇点处,所有定律以及可预见性都失效.奇点可以看成空间时间的边缘或边界.只有给定了奇点处的边界条件,才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化.由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给 定,所以宇宙的命运就操纵在造物主的手中.这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题. 如果空间－时间没有边界,则就不必劳驾上帝进行第一推动了.这只有在量子引力论中才能做到.霍金认为宇宙的量子态是处于一种基态,空间－时间可看成一有限无界的四维面,正如地球的表面一样,只不过多了两个维数而已.宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏.从一些简单的模型计算可得出和天文观测相一致的推论,如星系、恒星等等的成团结构,大尺度的各向同性和均匀性,空间－时间的平性,即空间－时间基本上是平坦的,并因此才使得星系乃至生命的发展成为可能,还有时间的方向箭头等等.霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学,它是一个自足的理论,即在原则上,单凭科学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来. 《时间简史》是由英国伟大的物理学家、黑洞理论和“大爆炸”理论的创立人史蒂芬·霍金撰写的一本有关宇宙学的经典著作,是一部将高深的理论物理通俗化的科普范本. 在这部书中,霍金带领读者遨游外层空间奇异领域,对遥远星系、黑洞、夸克、“带味”粒子和“自旋”粒子、反物质、“时间箭头”等进行了深入浅出的介绍,并对宇宙是什么样的、空间和时间以及相对论等古老问题做了阐述,使读者初步了解狭义相对论以及时间、宇宙的起源等宇宙学的奥妙. 《时间简史》自1988年首版以来,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10000万册,成为国际出版史上的奇观.该书内容是关于宇宙本性的最前沿知识,但是从那以后无论在微观还是宏观宇宙世界的观测技术方面都有了非凡的进展.这些观测证实了霍金在该书第一版中的许多理论预言,其中包括宇宙背景探险者(COBE)的最新发现,它在时间上回溯探测到离宇宙创生的30万年之内,显露了霍金超人的时空感知能力. 本书作者霍金是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家.70年代,他和彭罗斯一道证明了著名的奇性定理,为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖.他还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减.这很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起.1973年,他考虑黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像黑体一样发出辐射,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、量子力学和统计力学统一在一起. 1974年以后,他的研究转向量子引力论.虽然人们还没有得到一个成功的理论,但它的一些特征已被发现.例如,空间－时间在普郎克尺度（10^-33厘米）下不是平坦的,而是处于一种泡沫的状态.在量子引力中不存在纯态,因果性受到破坏,因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次. 1980年以后,他的兴趣转向量子宇宙论. 本书的副题是从大爆炸到黑洞.霍金认为他一生的贡献是,在经典物理的框架里,证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性,黑洞越变越大；但在量子物理的框架里,他指出,黑洞因辐射而越变越小,大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平,而且整个宇宙正是起始于此. 理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化,但就观念而言,现在已经相当完备了. 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,他的贡献是在他20年之久被卢伽雷病禁锢在轮椅上的情况下做出的,这真正是空前的.因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响,所以媒介早已有许多关于他如何与全身瘫痪作搏斗的描述.所以说,上帝对每个人都是很公平的.他有身体上的缺陷,可头脑聪明的很!尽管如此,译者之一于1979年第一回见到他时的情景至今还历历在目.那是第一次参加剑桥霍金广义相对论小组的讨论班时,门打开后,忽然脑后响起一种非常微弱的电器的声音,回头一看,只见一个骨瘦如柴的人斜躺在电动轮椅上,他自己驱动着电开关.译者尽量保持礼貌而不显出过分吃惊,但是他对首次见到他的人对其残废程度的吃惊早已习惯.他要用很大努力才能举起头来.在失声之前,只能用非常微弱的变形的语言交谈,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.从他对译者私事的帮助可以体会到,他是一位富有人情味的人.每天他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便利特地修了一段斜坡. 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逊数学教授. 本书译者之一曾受教于霍金达四年之久,并在他的指导下完成了博士论文.此书即是受霍金之托而译成中文,以供占人类五分之一的人口了解他的学说. 斯蒂芬·威廉·霍金,1942年1月8日出生,曾先后毕业于牛津大学和剑桥大学三一学院,并获剑桥大学哲学博士学位.在大学学习后期,开始患“肌肉萎缩性脊髓侧索硬化症”（运动神经元疾病）,半身不遂.他克服身患残疾的种种困难,于1965年进入剑桥大学冈维尔和凯厄斯学院任研究员.这个时期,他在研究宇宙起源问题上,创立了宇宙之始是“无限密度的一点”的著名理论.1969年起任冈维尔和凯厄斯学院科学杰出成就研究员.1972－1975年先后在剑桥大学天文研究所、应用数学和理论物理学部进行研究工作,1975－1977年任重力物理学高级讲师,1977－1979年任教授,1979年起任卢卡斯讲座数学教授.其间,1974年当选为皇家学会最年轻的会员.1974－1975年为美国加利福尼亚理工学院费尔柴尔德讲座功勋学者.1978年获世界理论物理研究的最高奖爱因斯坦奖.霍金的成名始于对黑洞的研究成果.在爱因斯坦之后融合了20世纪另一个伟大理论——量子理论,他认为,宇宙是有限的,但无法找到边际,这如同地球表面有限但无法找到边际一样；时间也是有开始的,大约始于150亿到200亿年前.1988年获沃尔夫物理学奖. 1985年霍金丧失语言能力,表达思想唯一的工具是一台电脑声音合成器.他用仅能活动的几个手指操纵一个特制的鼠标器在电脑屏幕上选择字母、单词来造句,然后通过电脑播放声音,通常制造一个句子要5、6分钟,为了合成一个小时的录音演讲要准备10天.1988年写成科普著作《时间简史》,至1995年10月该书发行量已超过2500万册,译成几十种语言,中译本也已出版.