時間簡史

作者:史蒂芬·霍金

我們發現自已是處于使人為難的世界中。我們要為自己在四周所看的一切賦予意義并問道:什么是宇宙的性質?我們在它之中的位置如何,以及宇宙和我們從何而來?為何它是這個樣子的?我們采用某種“世界圖”’來試圖回答這些問題,如同無限的烏龜塔——一個支持平坦的地球是這樣的一種圖象一樣,超弦理論也是一種圖象。雖然后者比前者更數學化、更精確,但兩者都是宇宙的理論。兩個理論都缺乏觀察的證據:沒人看到一個背負地球的大龜,但也沒有人看到超弦。然而,龜理論作為一個好的科學理論是不夠格的,因為它預言了人會從世界的邊緣掉下去。除非發現它能為據說在百慕達三角消失的人提供解釋。這個預言和經驗不一致! 最早先在理論上描述和解釋宇宙的企圖牽涉到這樣的思想,事件或自然現象是由具備人類感情的靈魂所控制,它們的行為和人類非常相像,并且是不可預言的。這些靈魂棲息在自然對象之中,諸如河流和山岳,包括諸如太陽和月亮這樣的天體之中。它們必須被祈禱并供奉,以保證土壤的肥沃和四季的變化。然而,一些規律性逐漸地被注意到:太陽總是東升西落,而不管是否用犧牲去對之進貢。更進一步,太陽、月亮和行星沿著以被預言得相當精確的軌道穿越天穹。太陽、月亮仍然還可以是神祗,只不過是服從嚴格定律的神。如果你不將耶和華停止太陽運行之類的神話當真,則這一切顯然是毫不例外的。 首先,只有在天文學和一些其他情形下,這些規則和定律是顯而易見的。然而隨著文明的發展,特別是近300年期間,越來越多的規則和定律被發現。這些定律的成功,使得拉普拉斯在19世紀初主張科學的宿命論。他提議只要給定宇宙在某一時刻的結構,由給定的一組定律即能精確地決定它的演化。 拉普拉斯的宿命論在兩個方面是不完整的。它沒講定律應該如何選擇,也沒指定宇宙的初始結構。這些都留給了上帝。上帝會選擇讓宇宙如何開始并要服從什么定律,但是一旦開始之后它將不再干涉。事實上,上帝是被限制于19世紀科學不能理解的領域里。 我們現在知道,拉普拉斯的宿命論的希望,至少在按照他頭腦中的方式,是不能實現的。量子力學不確定性原理表明,某些諸如粒子的位置和速度的對偶的量,不能同時以完全的精確度去預言。 量子力學通過一族量子理論來處理這種情形,粒子沒有很好定義的位置和速度,而是由一個波來代表。它們給出了這波隨時間演化的定律,在這種意義上,這些量子理論從屬于宿命論。這樣,如果某一時刻這個波是已知的,便可以將任一時刻的波算出。只是當我們試圖按照粒子的位置和速度對波作解釋之時,不可預見性的紊亂的要素才出現。但這也許是我們的錯誤:也許不存在粒子的位置和速度,只有波。只不過是我們企圖將波硬套到我們預想的位置和速度的觀念之中而己。由此導致的不一致乃是表面上不可預見性的原因。 事實上,我們已經重新將科學的任務定義為發現能使我們在由不確定性原理設定的極限內預言事件的定律。然而,還存在如下問題:宇宙的定律和初始條件是如何及為何選取的? 在本書中,我特別將制約引力的定律突出出來,因為正是引力使宇宙的大尺度結構成形,即使它是四類力中最弱的一種。引力定律和直到相當近代還被堅持的宇宙隨時間不變的觀念不相協調:引力總是吸引的這一事實意味著,宇宙必須或者在膨脹或者在收縮。按照廣義相對論,宇宙在過去某一時刻必須有一無限密度的狀態,亦即大爆炸,這是時間的有效起始。類似地,如果整個宇宙坍縮,在將來必有另一個無限密度的狀態,即大擠壓,這是時間的終點。即使整個宇宙不坍縮,在任何坍縮形成黑洞的局部區域里都會有奇點。這些奇點正是任何落進黑洞的人的時間終點。在大爆炸或其他奇點,所有定律都失效,所以上帝仍然有完全的自由去選擇發生了什么以及宇宙是如何開始的。 當我們將量子力學和廣義相對論相結合,似乎產生了以前從未有過的新的可能性:空間和時間一起可以形成一個有限的、四維的沒有奇點或邊界的空間,這正如地球的表面,但有更多的維數??磥磉@種思想能夠解釋觀察到的宇宙的許多特征,諸如它的大尺度一致性,還有像星系、恒星甚至人類等等小尺度的對此均勻性的偏離。它甚至可以說明我們觀察到的時間的箭頭。但是如果宇宙是完全自足的、沒有奇點或邊界、并且由統一理論所完全描述,那么就對上帝作為造物主的作用有深遠的含義。 有一次愛因斯坦問道:“在制造宇宙時上帝有多少選擇性?”如果無邊界假設是正確的,在選擇初始條件上它就根本沒有自由。當然,它仍有選擇宇宙所服從的定律的自由。然而,實在并沒有那么多的選擇性;很可能只有一個或數目很少的完整的統一理論,它是自治的,并且允許復雜到像能研究宇宙定律和詢問上帝本性的人類那樣的結構的存在。 即使只存在一個可能的統一理論,那只不過是一組規則或方程。是什么賦予這些方程以生命去制造一個為它們所描述的宇宙?通常建立一個數學模型的科學方法不能回答,為何必須存在一個為此模型所描述的宇宙這樣的問題。為何宇宙陷入其存在性的錯綜復雜之中?是否統一理論是如此之咄咄逼人,以至于其自身之實現成為不可避免?或者它需要一個造物主?若是這樣,它還有其他的宇宙效應嗎?又是誰創造了造物主? 迄今,大部分科學家太忙于發展描述宇宙為何物的理論,以至于沒工夫去過問為什么的問題。另一方面,以尋根究底為己任的哲學家不能跟得上科學理論的進步。在18世紀,哲學家將包括科學在內的整個人類知識當作他們的領域,并討論諸如宇宙有無開初的問題。然而,在19和20世紀,科學變得對哲學家,或除了少數專家以外的任何人而言,過于技術性和數學化了。哲學家如此地縮小他們的質疑的范圍,以至于連維特根斯坦——這位本世紀最著名的哲學家都說道:“哲學僅余下的任務是語言分析?!边@是從亞里士多德到康德以來哲學的偉大傳統的何等的墮落! 然而,如果我們確實發現了一套完整的理論,它應該在一般的原理上及時讓所有人(而不僅僅是少數科學家)所理解。那時,我們所有人,包括哲學家、科學家以及普普通通的人,都能參加為何我們和宇宙存在的問題的討論。如果我們對此找到了答案,則將是人類理智的最終極的勝利——因為那時我們知道了上帝的精神。

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