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霍金《時間簡史》摘要(下)

霍金《時間簡史》摘要()

作者:史蒂芬.霍金

 

第八章:宇宙的起源和命運

 

    從愛因斯坦的廣義相對論本身就能預言:時空在大爆炸奇點處開始,並會在大擠壓奇點處或者黑洞中的一個奇點處結束。任何落進黑洞的東西都會在奇點處毀滅,在外面只能繼續感覺到它的質量的引力效應。但在宇宙的極早期或者極晚期,當引力場如此之強,量子效應不能不考慮,那麼宇宙究竟是否有一個開端或者終結?如果有那應該是什麼樣子?

               

    作者在整個1970年代主要研究黑洞,但在1981年參加宇宙學會議時。在大會上作者作了主題演講:時空有限而無界的可能性,這意味著它沒有開端、沒有創生的時刻。

    在「熱大爆炸模型」來理解宇宙的歷史,宇宙膨脹時,其中的任何物質或者輻射都變得更冷,隨著它們冷卻下來,粒子相互吸引並開始結塊,甚至,連存在於宇宙中的粒子種類也依賴於溫度。在宇宙大爆炸時,宇宙的體積被認為是零,所以是無限熱。

    大爆炸後1秒鐘,溫度降低到約為100億度,這大概是太陽中心溫度的1000倍。此刻宇宙主要包括光子、電子、和中微子和它們的反粒子,還有一些質子和中子。

    大爆炸後100秒,溫度降到10億度,在此溫度下,質子和中子不再有足夠的能量逃脫強核力的吸引,開始結合產生重氫的原子核和其他物質。

    大爆炸後的幾個鐘頭內,氦和其他元素的產生停止了,之後的100萬年左右,宇宙僅僅是繼續膨脹,沒有發生什麼事最後,一旦穩定降低到幾千度,電子和核子不再有足夠能量去戰勝它們之間的電磁吸引力,就開始結合形成原子。宇宙逐漸變冷。

    隨著時間的流逝,星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星雲,它們在自身引力下坍縮。之後原子相互碰撞,氣溫高,直到最後平衡。

    我們的太陽是第二代或者第三代恆星,大約在50億年前包括早期超新星碎片的旋轉氣體雲形成,雲裏面的大部分氣體形成了太陽或者噴射到外面去,但少量的重元素聚集在一起,形成了像地球這樣的,現在作為行星圍繞太陽公轉的物體!

    地球早期是非常熱,且沒有大氣的,但時間長了它冷卻下來,並從岩石中散發出氣體得到了大氣。

 

關於宇宙的起源,我們還有一些重要的問題需要解答。

1:為何早期宇宙如此熱?

2:為何宇宙在大尺度上如此均勻?

3:為何宇宙以這麼接近於區分坍縮和永遠膨脹模型的臨界膨脹率開始,這樣即使在100億年以後的現在,它仍然幾乎臨界的速率膨脹?

4:儘管宇宙在大尺度上如此一致和均勻,它卻包含了局部的不規則。比如恆星和星系是從不同區域密度之間密度的細小差別發展而來,這些密度起伏來源是什麼?

    廣義相對論本身不能回答這些問題。因為它預言宇宙是從大爆炸奇點處的無限密度開始的。

    在所謂混沌邊界條件下,要麼宇宙是空間無限的,要麼存在無限多宇宙,在剛剛大爆炸之後,尋求任何空間區域在任意給定的構的概率,在某種意義上,和它在任何其他構的概率是一樣的:宇宙初始態的選擇是隨機的,這意味著早期的宇宙是非常混沌和無序的。在這樣的模型中,人們還預測,密度起伏導致比伽馬射線背景觀測設定的上限多得多的太初黑洞的形式。

                    

    在宇宙的情形下,是否我們可能剛好生活在一個光滑和均勻的區域裏面呢?假定只有在光滑區域裏,恆星和星系才能形成,才能適合的條件下,產生想我們這樣複雜的機體。這就是應用成為人存原理的一個例子。人的存在原理可以解釋為:我們看到的宇宙之所以如此,乃是因為我們的存在。

    人存原理有弱強的意義下的兩個版本。弱人存原理說只有宇宙的某些時空有限的區域裏,才存在智慧生命的必然條件。強人存原理提出要麼存在單一宇宙的許多不同區域,每個人都有自己初始的結構,或者還有自己的一族科學定律。人們可以提出一系列理由來反對強人存理論。比如,在何種意義上,可以說所有這些不同宇宙的存在,如果他們確實相互隔開,在其他宇宙中發生的事情在我們宇宙中就沒有可觀測的後果。所以,強人存原理,是和整個科學史的潮流背道而馳的。宇宙如此之大,然而僅僅因我們而存在,這是難以置信的,而在弱人存原理上,人們會更加信服。

    為了試圖找到一個能從許多不同的初始結構演化到像現在這樣的宇宙的東西,科學家阿倫.固斯(Alan Guth)提出,早期宇宙可能經歷了一個非常快速的膨脹時期。這種膨脹叫「暴脹」,固斯提出,宇宙是以一種非常熱而且相當混沌的狀態開始大爆炸起始的。隨著宇宙膨脹,它會變得冷,並且力之間的對稱性被破壞:強力變得和弱力以及電磁力不同。當它們膨脹時,物質粒子就越分越開,留下了一個幾乎不包含任何粒子,並仍然處於過冷狀態的膨脹宇宙。這種膨脹抹平了宇宙中的任何不規則性,這樣從許多不同的非均勻的初始狀態可以演化出宇宙現在的平滑均勻的狀態。

                     

                     阿倫.固斯(Alan Guth)

    膨脹的思想還能解釋為何宇宙存在這麼多物質,粒子以及粒子/反粒子對的形成由能量中創生出來。宇宙中的總能量準確為零。宇宙中的物質是由正能量產生的。然後物質本身由於引力總是吸引的。這樣,在一定意義上,引力場是具有負能量的,在空間上大體一致的宇宙情形中,人們可以證明,這個負的引力剛好可以抵消物質所代表的正能量,這樣宇宙的總能量為零。

    1981年10月,作者在莫斯科參加量子引力會議並發表演講,後來提出了「新暴脹模型」。在舊暴脹模型的基礎上,它預言了微波背景輻射的溫度變化要比觀察到的多得多。1983年,林德(Andrei Linde)提出了一個更好的所謂混沌暴脹的理論模型,這裏沒有相變和過冷,而代之以存在一個自旋為0的場,由於它的量子漲落,在早期宇宙的某些區域有大的場所。那裏有排斥的引力效應,而使這些區域以暴脹形式膨脹。另外,這個研究指出:宇宙現在的狀態可以從相當大量的不同初始結構引起。按照此理論,人們可以利用科學定律,在時間上將其演化回去,以確定宇宙在更早期的機構。按照經典的廣義相對論的奇點定理,仍然存在一個大爆炸的奇點。

            

    在以實的時空為基礎的經典引力論中,宇宙可能的行為只有兩種:要麼它已存在了無限長時間,要麼它在有限的過去的某個時刻的奇點上有一個開端。而在量子引力論中,產生了第三種可能。時空有可能在範圍上是有限的,卻沒有形成邊界或者邊緣的奇點。時空就像地球表面,只不過多了兩維。

    空間和時間可以形成換一個沒有邊界的封閉曲面的思想,對於上帝在宇宙事務中的作用還有一個深遠的含義。但是也並沒有告訴我們宇宙的太初應該像什麼樣子。

    但如果宇宙的確是完全自足的,沒有邊界或者邊緣,它就既沒有開端也沒有終結:它就是存在,那麼,還會有造物主存在嗎?

 

第九章:時間箭頭

 

    直到20世紀初,人們還相信絕對時間,後來發現了相對論,人們必須拋棄存在唯一絕對時間的觀念。時間變成了一個更個人的概念。

    科學定律並不區分過去和將來。更準確地講,對於其他行星上面的居民,若他們是我們的鏡像並且由反物質而不是物質構成,則生活正好跟我們一樣。

    時間箭頭將過去和將來區分開來,使時間有了方向。至少有三種不同的時間箭頭:熱力學的時間箭頭;心理學的時間箭頭;宇宙學的時間箭頭,宇宙在這個方向上是膨脹的,而不是收縮的。

          

    作者在這章論斷,宇宙的無邊界條件和弱人存原理一起解釋為何所有的三個箭頭都指向同一方向,此外,為何必須存在一個定義很好的時間箭頭。

    首先、熱力學時間箭頭,總存在著比有序狀態多得多的無序狀態的這一事實。導致了熱力學第二定律。作者通過一系列實驗證明,我們對時間方向的主觀感受或者心理學時間箭頭,是在我們頭腦中由熱力學時間箭頭決定的。

    在經典的廣義相對論中,因為所有已知的科學定律在大爆炸奇點處崩潰,人們不能預測宇宙是如何開始的。然而,正如我們看到的,經典廣義相對論預言了它自身的崩潰。當時空曲率變大時,量子引力效應變得更重要,人們必須用量子引力論去理解宇宙是如開始的。

    宇宙剛開始時有一個指數膨脹或者「暴脹」時期,最終,這樣的區域停止膨脹,並坍縮形成了星系和恆星以及像我們這樣的生命。而隨著時間演化成波浪起伏的無序狀態,這就解釋了熱力學時間箭頭的存在。

    起初,我們相信宇宙坍縮時無序度會減小,這個觀念是吸引人的,因為它表明在膨脹和收縮之間存在一個漂亮的對稱。然而,人們不能置有關宇宙的其他觀念於不顧,而只採用這個觀念。問題在於:無邊界條件是否隱含著這個對稱?作者的一個學生現,在一個稍複雜的模型中,宇宙的坍縮和膨脹非常不同。作者意識到,事實上在收縮相時無序度繼續增加,當宇宙開始收縮時或者在黑洞中熱力學和心理學時間箭頭不會反向。作者還證明了為什麼熱力學和宇宙學的時間箭頭指向同一方向。

 

第十章:蟲洞和時間旅行

 

    在上一章談到,時間向前進,為什麼無序度增加,並且我們記住過去而非將來,時間好像一條筆直的鐵軌,人們只能往前一個方向。

    那麼如果該鐵軌有環圈或者分岔,人們是否可以旅行到未來或者回到過去?

    愛因斯坦以為廣義相對論不允許時間旅行,然而,鑒於愛因斯坦對引力坍縮和不確定性原理的無端反對,這也許是一個令人鼓舞的跡象。因為我們可以證明,我們生存其中的宇宙是不旋轉的。之後從廣義相對論又找到了其他一些更為合理的時空,它們允許我們旅行過去,其中之一就是旋轉黑洞的內部。另外一種是包含兩根快速相互穿越的宇宙弦的時空。因為宇宙弦具有巨大的張力,而且可以從任何形態起始,所以它們一旦伸展開來,就會加速到非常高的速度。哥德爾解和宇宙弦時空一開始就這麼扭曲,使得總能旅行到過去。

                 

                 蟲洞是連結時空中兩點既神祕又誘人的捷徑

    快速恆星際或者星際旅行是一個密切相關的,也是科學幻想作家關心的問題。跟進相對論,沒有東西比光更快。因為時間不存在唯一的標準,而每一位觀察者都擁有自己的時間。這使得空間旅行者對於留存在地球上的人顯得更短暫是可能的。

    但是要打破光速的壁壘是存在一些問題,我們可以將粒子加速到光速的99.99%,但是無法突破光速,這樣一來,我們的空間和時間旅行看似不可能了。

    但是,如果把空間捲曲,使得從A到B之間有一條近路,這樣在A和B之間創生了一個蟲洞就是一個辦法。顧名思義,蟲洞就是一個時空細管,它能把兩個相隔遙遠的幾乎平坦的區域連接起來。這樣一來,人們是可以進行時空旅行的。

    其實在愛因斯坦1935年的一篇論文中提到,在廣義相對論允許稱之為「橋」的存在,而現在被人們稱之為蟲洞。但是這個稱為橋的蟲洞會收縮緊。

    同時,我們證實了兩種情況,第一,從日食時的光線偏折得知,時空是可以被捲曲的。第二,從卡西米爾效應得知時空可被彎曲成允許時間旅行的樣子。所以人們希望,隨著科學的進步,可以造出時間機器。但是,如果這樣的話,從來沒有一個人來自未來呢?

    然而其實,我們認為,任何外星來的或者未來的人造訪或者更多是令人不悅的。因為我們觀察到了過去,並且發現它並沒有允許從未來旅行返回必的那類捲曲,所以過去是固定的。另外,未來是未知的開放的。所以也可能有需要的曲率。這意味著,任何時間旅行都被限制於未來。

 

第十一章: 物理學的統一

    一而就地建立一個包括宇宙萬物的完備的統一理論是非常困難的。我們在尋求描述有限範圍內部分理論取得進步。然而,最終人類希望能找到一個完備的協調的,將所有這些部分理論當作它的近似的統一理論。稱之為「物理學的統一」。愛因斯坦在晚年用了大部分時間在尋找統一理論,但是沒能成功。因為儘管已有了引力和電磁力的部分理論,但是我們對核力還是知道的很少。所以時機還未成熟。

正如作者描述,由於我們目前對宇宙的了解已經很多,現在找到一個這樣的統一理論前期似乎要好得多了,但是我們也不能過分自信。前面幾章講到,引力的部分理論即廣義相對論和制約弱力、強力和電磁力的部分理論。這後三種理論可以合併成所謂的大統一理論(GUT)。這個理論並不十分令人滿意,因為它沒有包含引力,並且因為包含不能從理論預言,而必須人為選擇以和觀察符合的一些量。要找到一個將引力和其他力統一的理論,主要困難在於相對論是一個經典,也就是說將量子力學的不確定性結合進去。而且其他部分理論卻非常依賴於量子力學。因此我們第一步必須將量子力學和廣義相對論結合起來。這能產生一些推論,比如黑洞不是黑的,宇宙沒有任何奇點,也沒有邊界等。

管這些問題,管超引力理論中的粒子似乎與觀察到的粒子不相符合。但大多數科學家還是相信,超引力可能是對於物理學統一問題的正確答案。看起來它是將引力和其他力統一的最好辦法。但1984年以後,人們更喜歡所謂的弦理論,這個理論中,基本的對象不再是只佔空間單獨的點的粒子,而是只有長度沒有其他維,一根無限細長的弦的東西。

確實存在一個完備的統一的理論嗎?似乎有三種可能性:

1.確實存在,如果我們足夠聰明的話,總有一天可以找到。

2.並不存在,僅僅存在一個越來越精確地描述宇宙的無限的理論序列。

3.並不存在宇宙的理論:不可能在一定程度之外預言事件,事件僅以一種隨機或者任意的方式發生。

有些人基本贊同第三種可能性,如果存在一族完備的定律,這將侵犯上帝改變其主意並對世界進行干涉的自由。第二種可能性,也是迄今為止與我們經驗最符合的。

如果我們確實發現了宇宙的終極理論。那意味著什麼呢?因為理論不能被證明,我們將永遠不能肯定,我們是否找到了正確的理論。同時,即便我們找到了統一的理論,這並不表示我們能夠一般地預言事件。在未來的歲月里,我們仍然面臨在智慧上挑選性的任務,那就是發展更好的近似方法,使得在複雜而現實的情形下,能作出對可能結果的有用預言。一個完備的協調的統一理論只是第一步:我們的目標是完全理解發生在我們周圍的事件以及我們自身的存在。

 

第十二章:結論

 

我們發現我們處於令人困惑的世界中,我們追尋:宇宙的本質是什麼?我們在其中的位置如何?以及宇宙和我們從何而來?宇宙為什麼是這個樣子?

最早在理論上描述和解釋宇宙的企圖牽涉到這樣一種思想:具備人類情感的靈魂控制著事件和自然現象,它們的行為和人類非常相像,並且是不可預言的。然而,然而,我們逐漸發現一些規律,這些定律的成功,使得普拉斯在19世紀初提出了科學的決定論。只要給宇宙在某一時刻的狀態,這些定律就能精確地決定宇宙的演化。但其定律是不完整的,後來量子力學和愛因斯坦相對論的提出,給了我們更多的探索宇宙的理論依據。我們將量子力學和廣義相對論結合,似乎產生了前所未有的新的可能性:空間和時間一起可以形成一個有限的思維的沒有奇點和邊界的空間。這種思想能夠解釋宇宙間已觀察到的許多特徵。

迄今為止,大部分科學家太忙於發展描述宇宙為何物的理論,以至於沒有功夫過問什麼,另外,以尋根究底的哲學家們卻跟不上科學理論的進步。

如果我們確實發現一個完備的理論,在主要的原理方面,它應該及時能讓所有人理解,包括科學家,哲學家以及普通的人,都能參與到討論宇宙為什麼存在的問題中來。如果我們找到答案,將是人類理性的終極勝利,因為那時我們知道了上帝的精神。

(:霍金隨後在新書《大設計》裡否認了上帝創造了宇宙,他說:宇宙誕生不需要上帝,宇宙不是上帝創造的。)   

                  

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梁先生洽

 

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