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霍金《時間簡史》摘要(上)

霍金《時間簡史》摘要()

                     

總序

 

科學總是尋找和發現客觀世界的新現象,研究和掌握新規律。疑問是科學最基本的態度之一,批判是科學最基本的精神之一。科學是人類進步的第一推動力!

 

宇宙是一門既古老又年輕的學科,人類總是不滿足於自身的生存和種族的綿延,一直在探索著自身存在和生命的意義。

 

人類理念的進化是及其緩慢和艱苦的,從亞里士多德.托勒密地心說到哥白尼.伽利略日心說的演化就花了約2000年時間。直到20世紀20年代哈勃發現了紅移定律後,宇宙演化的觀念才進入人類的意識,哈勃的發現標誌著宇宙學的誕生。

 

從星系光譜推斷,宇宙是在不斷膨脹的,從100億到200億年之間,宇宙大爆炸發生,宇宙就是從這個緻密極熱的狀態中誕生的。宇宙大爆炸的理論是在1948年發表的文章中做出的驚人預言。

                                                     

 

第一章:我們的宇宙圖象

 

宇宙從何而來?,又將向何處去?宇宙有開端嗎?在開端之前又發生了什麼?隨物理學的突破,這些長期以來懸而未決的問題將有可能得到答案,這些答案有朝一日可能會變得顯而易見,或許只有時間才能裁決。

早在公元前430年,希臘哲學家亞里士多德提出了地球是圓球體的幾個證據,他認為地球是不動的,太陽、月亮、恆星和恆星都是以圓周為軌道圍繞著地球公轉。地球是宇宙的中心。並模擬了8個天球圍繞著地球為中心的公轉模型圖,「托勒密模型」的系統可以相當精密地預言天體在天空中的位置,後來它被基督教會接納為《聖經》相一致的宇宙圖象。這是因為它具有巨大的優勢,即在固定恆星天球之外為天堂和地獄留下了大量的空間。1514年波蘭教士尼古拉.哥白尼提出了更簡單以太陽靜止為中心的模型,將近一個世紀後才為人們所接納。後來兩位天文學家德國的約翰斯和意大利的伽利略公開支持這種模型理論。知道1609年亞里斯多德和托勒密的理論才宣告死亡。那一年伽利略剛發明瞭望眼鏡觀察星空。

牛頓提出萬有引力定律,質量越大,相互距離越近,則相互吸引力越大。引力使月亮沿著橢圓的軌道圍繞著地球運行,而地球和其他行星沿著橢圓的軌道圍繞著太陽公轉。另外,牛頓還證明了當無限數目的恆星,大體均勻分佈在無限的空間中,且沒有一個中心落點時,它們不會一起落到某處去,他們處於一個相互平衡的狀態中。

在20世紀之前,從來沒有提出過宇宙到底是在膨脹還是收縮,一般認為,宇宙要麼是一種不變的狀態存在,要正如我們今天觀察到的樣子在有限久的過去創生。

在和牛頓同時代的一些天文學家提出反對無限靜止的宇宙理論,在一個無限靜止的宇宙中,幾乎每一道視線必須被終於某一恆星表面。這樣推測,我們整個天空甚至夜晚都會像太陽那麼明亮。然而事實上我們看到的並不是這樣。唯一的解釋是,假定恆星並非永遠那麼明亮,而是在有久的過去才開始發光,那麼問題就來到了他們什麼時候首次發光呢?這就引發了宇宙的開端的問題討論。

1781年,哲學家伊曼努爾.康德發佈了里程碑般的著作《純粹理論批判》,在書中他深入考察了關於宇宙的在時間上是否有開端、在空間上是否有限的問題。他的正命題的論證是:如果宇宙沒有一個開端,則任何事情之前必須無限的時間。他認為這是荒謬的。他對反命題的論證是:如果宇宙有一個開端,在它之前必有無限的時間,為何宇宙必須在某一特定的時間開始呢?

在1929年,埃德溫.哈勃作出了一個里程碑式的觀察,即不管你往哪個方向觀測,遠處的星系都正迅速地飛離我們而去,換言之,宇宙正在膨脹。這就說之前的時刻星體更加相互靠近。事實上,似乎在大約100億至2001億年前的某一個時刻,它們剛好在同一個地方,所以那時候宇宙的密度無限大。這個發現最終將宇宙開端的問題帶進了科學的王國!

哈勃的發現暗示著存在一個叫做大爆炸的時刻,當時宇宙的尺寸無限小,而且無限緊密。所以在這個意義上,人們可以說,時間在大爆炸時有一個開端。

今天、科學家按照兩個基本的部門理論:廣義相對論和量子力學來描述宇宙。它是本世紀上半葉的偉大的智慧成績。廣義相對論描述引力和宇宙的大尺度結構,也就是從只有幾英里到大約1億億億(1後面跟24個0)英里(1英里=1.609千米),即可觀察到宇宙的尺度的結構。另外一方面,量子力學處理極小尺度,例如萬億分之1英寸(1英寸=2.54厘米)的現象。但是可惜的是,這兩個理論不是相互協調的,他們不可能都對。當代物理學的一個主要努力,已經本書的主題,即尋找一個能將其合併在一起的新理論:量子引力論。要獲得這個理論我們可能要走很長的路。

 

第二章:空間和時間

 

關於物體運動的概念來自於伽利略和牛頓,伽利略的測試指出,不管物體的重量多少,其速度增加的速率是一樣的。牛頓把伽利略的測量當做他的運動定律的基礎,並提出了牛頓第一定律,牛頓第二定律給出物體受力時發生的現象:物體在被加速度或者改變其速度時,其改變率與所受外力成比例。同時,牛頓還發現了引力的定律,牛頓的引力告訴我們物體之間距離越遠,則引力越小,這個定律精確地預言了地球、月球和其他恆星的軌道。

缺乏靜止的絕對標準意味著,人們不能確定,在不同時間發生的兩個事件是否發生在空間的相同位置。牛頓對不存在絕對位置或所謂絕對空間非常憂慮,因為這和他的絕對上帝的觀念不一致。事實上,即便他的隱含著絕對空間的不存在。

亞里斯多德和牛頓都相信絕對時間,也就是人們可以精確測量兩個事件發生之間的時間間隔。時間相對於空間是完全獨立和分離的。但這種觀念無法解釋光速或者接近光速運動時的現象。

1676年,丹麥的天文學家歐爾.克里斯第一次發現了,光以有限但非常高的速度旅行的事實。直到1865年,英國物理學家詹姆斯.麥克斯韋成功地將當時用以描述電力和磁力的部分理論統一起來以後,才有了光傳播的正確理論。麥克斯韋的理論預言,射電波或者光波以一個固定的速度行進。

愛因斯坦相對論的基本假設是,不管觀察者以任何速度作自由運動,相對於他們而言,科學定律都應該是一樣的。這對於牛頓的運動定律當然是對的,但是現在這個觀念被擴展到麥克斯韋和光速:不管觀察者運動多快,他們應該測量到一樣的光速。

相對論限制了物體運動的速度:任何物體永遠低於光速的速度運動,只有光和其他沒有質量的撥才能以光速運動。與相對論同等非凡的推論是,它變革了我們空間和時間的觀念,它總結了時間的觀念,時間不能單獨脫離於空間而必須結合空間在一起形式所謂的時空的客體。看來每個觀察者都一定有他自己的時間測度,這是用它自己所攜帶的鐘記錄的,而不同觀察者攜帶的同樣的鐘的讀數不必要一致。只要一個觀察者知道其他人的相對速度,他就能準確算出其他人會賦予同一事件的時間和位置。

事實上,人們可以按照相互交疊的坐標碎片來描述整個宇宙。在每個碎片中,人們可以用不同的三個坐標的集合來指明點的位置。也就是說一個事件是在某個特定時間,特定空間的特定一點發生的。同時,將一個事件的四坐標當作指定其在所謂的時空的四維空間中位置的手段經常是有助的。

假設太陽就在此刻停止發光,那麼我們需要8分鐘以後才知道,這是太陽到地區光的傳播時間,只有到那個時候,地球上的事件才在太陽熄滅這一事件的將來光錐之內,類似的,我們也不知道這一刻發生在宇宙中更遠處的事:我們看到的從很遠星系來的光是幾百萬年前發出的。至於我們看到的最遠物體,光是在大約80億年前發出的。這樣,當我們看到宇宙時,我們是在看它的過去!

如果人們忽略引力效應,正如愛因斯坦和龐加萊在1905年那樣做的,人們就可以得到稱之為狹義相對論的理論。對於時空中的每一個事件我們都可以做一個光錐,由於在每個事件處在任何一個方向上的光的速度是一樣的,所以所有的光錐都是全等的,並朝著同一方向。這意味著,通過時間和空間的任何物體的軌跡必須由一根線來表示,而這根線落在它上面的每一件事的光錐之內。狹義相對論非常成功地解釋了如下事實:對於所有觀察者,光速都是一樣的,並成功地描述了物體以接近於光速運動時會發生什麼。

1915年,愛因斯坦提出了我們稱之為廣義相對論的理論。這一革命性的思想,即引力不像其他種類的力,它只不過是時空不是平坦的這一事實的結果,這也打破了人們之前認為時空是平坦的說法。在時空中的質量和能量的分佈使它彎曲或者翹曲,地球並非由於引力的力使之沿著彎曲的軌道運動,相反,它沿著彎曲的時空中接近於直線路徑的東西運動,這個東西稱之為測地線。也可以說,地球表面是一個彎曲的二維時空。同時,太陽的質量以這樣的方式彎曲時空,使得在思維的時空中地球雖然沿著直線的路徑,它卻讓我們看起來是沿著三維空間中的一個圓周軌道運動。實際上,廣義相對論和牛頓引力理論預言的星系軌道幾乎是一樣的。

光線的行進在時空中也必須遵循時空的測地線。時空的彎曲的事實也意味著,光線在空間中看起來不是沿著直在行進。這樣,廣義相對論預言光線必須被引力場折彎。例如,由於太陽質量緣故,太陽近處的點的光錐會向內稍微彎曲。這樣由於太陽的光線使得我們不可能觀察到天空中出現的太陽附近的恆星。然而日食時我們可以觀察到,是因為太陽的光線被月亮遮住了。

廣義相對論的另外一個預言是,在像地球一樣的大質量的物體附近。時間顯得流逝得更慢一些。這是因為光能量和它的頻率有一種關係:能量越大,則頻率越高。當光從地球的引力場往上行進,它失去能量,因而其頻率下降,在上面的某個人看起來,下面發生的事情就顯得慢一點。

牛頓運動定律終結空間中絕對位置的觀念,愛因斯坦的相對論擺脫了絕對時間的觀念。在相對論中,沒有一個唯一的絕對時間,相反,每個人都有他自己的時間測速,這依賴於他在何處並如何運動。在廣義相對論中,在宇宙界限之外講時間和空間也沒有什麼意義。這些觀念也在以後的幾十年中,對時間和空間這種新的理解是對我們宇宙觀的變革。宇宙在運動、在膨脹,它似乎開始於過去的某個時間,並也許將來某個時間會總結。

 

第三章:膨脹的宇宙

 

離我們最近的恆星叫比鄰星,它離我們大約4光年,也就是大約23萬億英里的距離。我們肉眼能看到的其他大部分恆星都離我們幾百光年以內。與之相比,太陽緊離我們8光分這麼近!

1924年,我們現代的宇宙圖象才被奠定。那一年,美國天文學家埃德溫.哈勃證明了,我們的星系不是唯一的星系。同時,他還計算出了9個不同的星系的距離,現在我們知道,我們的星系只是用現代望遠鏡可以看到的幾千億個星系中的一個。每個星系本身又包含著幾千億顆恆星。

在哈勃證明了其他星系存在之後的幾年裏,他花時間為它們的距離編目以及觀察它們的光譜。那時候大部分人認為,這些星系完全隨機運動,所以預料會發現和紅移光譜一樣多的藍移光譜。因此當他們發現部分星系是紅移的:幾乎所有都離我們遠去時,的確令人非常驚異。1929年哈勃發表的結果令人震驚:甚至星系紅移的大小也不是隨機的,而是和我們的距離成正比。換句話說,星系離我們越遠,它離開我們的運動越快!這實際上就是說宇宙正在膨脹!

宇宙膨脹的發現是20世紀最偉大的智力革命之一。

弗里德曼對於宇宙兩個假定:我們無論從哪個方向,什麼地方看,宇宙看起來都是一樣的。看起來,關於宇宙在任何方向上看起來都是一樣的所有證似乎暗示,我們就在宇宙的中心,然而,還有另外一個解釋:從任何其他星系看宇宙,在任何方向上也是一樣的,正如我們看到的一樣。如果宇宙只在圍繞我們的所有方向顯得相同,而在圍繞其他點卻不是如此,則所有星系都相互直接離開的。這樣情況就類似氣球上畫了很多斑點,氣球逐漸被吹脹的過程。

雖然弗里德曼只找到了一個模型,其實滿足他的兩個基本假設的有三類模型,第一:宇宙膨脹足夠慢,這樣不同星系之間的引力使膨脹減緩並最終停止,然後宇宙開始收縮。第二:宇宙膨脹如此快,引力雖然能使之緩慢一些,但是永遠也不能讓其停下來。第三:宇宙膨脹快到足以剛好避免坍縮,星系的距離從零開始,然後永遠增大。

第一類模型特定是,宇宙在空間上不是無限的,但卻沒有邊界。正如地球表面那樣,彎曲後又折回到自身。當人們將廣義相對論和量子力學的不確定性原理結合在一起時,就可能使空間和時間成為有限的,而沒有任何邊緣。一個人可以繞宇宙一周最終回到出發點。但這其實幾乎是不可能,因為你必須旅行的比光還快,才能在宇宙終結前繞回你的出發點。

第二類永遠膨脹的模型中,空間以另外一種方式彎曲,如果一個馬鞍面,所以,在這種情況下,空間是無限的。

最後,第三章類型剛好以臨界速率膨脹,空間是平坦的,因此也是無限的。

但到底哪種才是我們真實的宇宙呢?這個問題,我們必須知道現在宇宙的膨脹速度和它現在的平均密度。利用多普勒效應,可由測量星系離開我們的速度來確定現在的膨脹速度。我們知道的不過是,宇宙在每10億年膨脹5-10%。另外一種解釋是宇宙可能永遠膨脹下去,但是,所有我們真正可以肯定的是,既然它已經至少膨脹了100億年,即便宇宙要坍縮,至少要再等到這麼久才可能。

所有的弗里德曼解讀都具有一個特點,即在過去的某一時刻,鄰近星系之間的距離一定為零。在這我們稱之為宇宙大爆炸時刻,宇宙的密度和時空曲率都無限大。

                (未完)

 

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梁先生洽

 

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