黑洞,宇宙-第1部分

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史蒂芬·霍金


黑洞，宇宙

　
　　　



译者序
　

　　这是一本有关宇宙和它的一位探索者的书。这位探索者不是别人，正是作者本人，剑桥大学的史蒂芬·霍金。他惊天动地的学说彻底地改变了人类的宇宙观。

　　宇宙的演化孕育出生命、思维和智慧，宇宙之于生命，犹如母亲之于婴儿。只要我们生活得稍微抽象一些，暂且忘却一下世界的无聊，就能从宇宙这本大书中读到真善美。

　　现代科学中最有魅力的分支是宇宙学和思维学。其根本原因是这两门科学注定要挣脱沿袭几千年的主客体分离的分析综合方法的桎梏。

　　宇宙是包容一切的，在它之外不存在任何东西，甚至没有时空。霍金的无边界宇宙模型是有史以来的第一个自足的宇宙模型。在这个框架中量子力学的哥本哈根的波函数坍缩理论必须加以扬弃，因为不存在宇宙之外的智慧生物。这个理论的哲学和宗教的含义是非常深远的。

　　哈勃红移定律表明，我们的宇宙是从发生在大约一百五十亿年前的大爆炸膨胀而来的，而宇宙微波背景辐射正是大爆炸的残余。近年的宇宙背景探索者的探测结果显示，宇宙是极其各向同性的，其相关温度的相对起伏小于十万分之一，正是这些宝贵的起伏赋予宇宙以结构和生命。

　　宇宙学和黑洞是霍金的两个主要研究领域。霍金在经典物理的框架中证明了广义相对论的奇性定理和黑洞面积定理，在量子物理的框架中发现了黑洞蒸发现象并提出无边界的霍金宇宙模型。黑洞和宇宙有许多对偶之处。例如黑洞无毛定理对应于宇宙暴涨相的无毛定理，黑洞蒸发对应于宇宙的粒子生成，黑洞和暴涨相宇宙各具视界和辐射温度等等。现在霍金提出，黑洞蒸发在某种意义上可以看成粒子通过所谓的婴儿宇宙穿透到其他宇宙或同一宇宙的其他区域，这样就把他的两个研究领域统一起来。婴儿宇宙研究的主要成果是证明了宇宙常数必须为零，尽管当代物理学家的抱负远不止此。

　　宇宙学是新思想的摇篮，我们可望所有物理定律都会在此得到超越或升华。

　　思维学和宇宙学有某些相似之处。人们不能用思维学以外的手段来研究思维。亚里斯多德无疑是古代最伟大的思维学家，近代罗素的理发师佯谬和哥德尔关于公理系统非完备性的定理是两个重要的成果。但是这个学科离开成熟还非常远，人们还要等待多久才能在思维学中得到和宇宙学类似的自足体系呢？

　　这本书是《时间简史》的姐妹篇。因为体裁所限有些重复是难免的，但也正是在这里可以看出作者的功力，例如他至少用四种方式来解释黑洞蒸发现象。我们从本书不但可以鉴赏到作者的智慧，而且可以汲取他不屈不挠和乐观主义的进取精神。

　　译者之一曾经参加1980年霍金的卢卡逊教席就职典礼，霍金的讲演即收到本书的第七章。由于中西方人文背景的差异，译者加了一些简略的注释。我们共花了三个月把本书译完。以上感想即作为中译本的序。

杜欣欣　吴忠超
1994年4月25日
罗德岱堡　佛罗里达州
　

　
　

序言　
　

　　这一卷书是我在1976至1992年间所写文章的结集。这些文章范围广泛，其中包括简略自传、科学哲学以及对科学和宇宙中我觉得激动人心的东西的阐释。卷末收入我参与的《沙漠孤岛》会晤节目的脚本。这是英国特殊的传统之一，要求客人想象被抛弃到一座沙漠孤岛上，他或她可以选择八张唱片以供在被拯救之前消磨时光。幸运的是，我不必等待太久即可以返回到文明中来。

　　因为这些文章写作年代跨越了十六年，它们是我当时的知识的反映，我希望我的知识与日俱增，因此我注明了每篇文章的写作日期和场合。由于每篇文章都是自足的，所以某种程度的重复是不可避免的。我已试图减少这种情况，但仍然残留一些。

　　本卷中的许多文章是发言稿。以前我的声音模糊到这种程度，做讲演和学术报告不得不通过另一个人，通常是我的一名能理解我的研究生，他宣读我的讲稿。然而，1985年我动了一次手术后，完全丧失了讲话能力。我在一段时间内没有任何交流手段。后来，人们为我安装了一个计算机系统和高质量的语言合成器。使我惊讶的是，我发现自己成为一位成功的公众演讲家。我喜欢解释科学和回答问题。我知道还有许多改善的余地，但我希望正在改善的过程中。只要读这本书，你就能判断我是否在改善。

　　我不同意这样的观点，说宇宙是神秘的，它是某种人们可有直觉却永远不能完全分析和理解的东西。我觉得，将近四百年前由伽利略创始而由牛顿发扬光大的科学变革证明这种看法是站不住脚的。他们指出，至少宇宙中的某些领域不是为所欲为的，它们被精确的科学定律所制约。之后的岁月里，我们已经把伽利略和牛顿的业绩推广到宇宙中几乎每一领域。我们现在拥有了制约我们日常经验的任何事物的数学定律。我们成功的标志之一便是，我们现在必须耗费几十亿美元建造庞大的机器，用于把粒子加速到这样高的能量，我们尚未知道这么高能量粒子碰撞时会发生什么。在地球上正常情况下不会发生这样高的粒子能量，所以花费大量金钱去研究它们似乎显得有些学究气。但是，它们会发生在早期宇宙中，所以要理解我们和宇宙如何开始，就必须找出在这些能量下会发生什么。

　　我们对于宇宙还有大量无知或不解之处。但是我们过去尤其是一百年内所取得的进步，足以使人相信，我们能够完全理解宇宙。我们不会永远在黑暗中摸索。我们会在宇宙的完整理论上取得突破。在那种情形下，我们就真正成为宇宙的主宰。

　　本卷中的科学文章是基于这样的信念，即宇宙由秩序所制约，我们现在能部分地，而且在不太远的将来能完全地理解这种秩序。也许这种希望只不过是海市蜃楼；也许根本就没有终极理论，而且即便有我们也找不到。但是努力寻求完整的理解总比对人类精神的绝望要好得多。

史蒂芬·霍金
1993年3月31日
　

　
　

一、童年＇1＇
　

　　我出生于1942年1月8日，这一天刚好是伽利略的三百年忌日。我估计大约有二十万个婴儿在同日诞生。我不知道他们中是否有人在长大后对天文学感兴趣。虽然我的父母当时住在伦敦，但我却是在牛津出生的。这是由于第二次世界大战之时德国承诺不轰炸牛津和剑桥，所以当时牛津是个安全的出生地。英国亦以不轰炸海德堡和哥廷根作为回报。可惜的是，英德两国这类文明的协议却不能惠及更多的城市。

　　＇1＇作者注：这篇和下一篇文章是基于1987年9月在苏黎士对国际运动神经细胞病学学会的发言，并和1991年8月写的材料相合并。

　　我父亲是约克郡人。他的祖父，也就是我的曾祖父曾是一个富裕的农民。他曾买下太多的农场，并在本世纪初农业大萧条时宣告破产。这次破产使我祖父母一蹶不振，但是他们仍然节衣缩食送我父亲念了牛津的医学院。之后，我父亲从事热带病研究。1937年他去了东非。第二次世界大战爆发时，他正在东非，他横贯非洲大陆才得以搭船回到英国。回到英国后，尽管他知道他在医学界作研究更有价值，他仍然自愿入伍了。

　　我母亲生于苏格兰的格拉斯哥，是一位家庭医生的七个孩子中的老二。在我母亲十二岁那年，他们举家迁往南方的德汶。像我父亲的家一样，她的家也从未大富大贵过。尽管如此，他们还是设法送她念了牛津大学。牛津毕业后，我母亲从小过各种各样的职业，其中包括她挺讨厌的查税员工作。后来她辞去了这个工作做了秘书。也就是这个工作使我父母得以在第二次世界大战初期相识。

　　我们家住在伦敦以北的海格特。我的妹妹玛丽比我晚出生十八个月。后来大人告诉我说，当时我不欢迎她的来临。由于我们之间年龄相差太少，所以我们在整个童年期间关系都有一点紧张。然而，在我们成年之后，由于各奔前程，相互之间的不愉快就化为乌有。她成了一名医生，这很讨我父亲欢心。我的更小的妹妹菲利珀出生时，我已快满五周岁，并且知道发生了什么事情。我还能记得，我盼望她的到来，这样我们三个人好在一道作游戏。她是一名非常深沉颖悟的小孩。我总是尊重她的判断和意见。我的弟弟爱德华来得很晚，那时我已十四岁了，所以他几乎根本没有进入过我的童年。他和其他三个小孩非常不同，成为完全非学术性和非知识型的了。这对我们也许是件好事。他是名相当淘气的孩子，但是你不能不喜欢他。

　　我最早的记忆是站在海格特的拜伦宫的托儿所里嚎啕大哭。我周围的小孩都在玩似乎非常美妙的玩具。我想参加进去，但是我才两岁半，这是第一回我被放到不认识的人群当中去。我是父母的第一个小孩，我父母遵循育婴手册的说法，小孩在两岁时必须开始社交。所以我想我的反应一定使他们十分惊讶。度过这么糟糕的上午后，他们即把我带走，一年半之内再也没有把我送回到拜伦宫。

　　那正是世界大战结束不久，海格特是许多科学家和学术界人士的住处。他们如果在其他国家就会被称作知识分子，但是英国从未承认有过任何知识分子。所有这些人都把孩子送到拜伦宫学校，这是一所当时非常先进的学校。我记得自己曾向父母亲报怨过，说他们没有教我任何东西。他们不相信当时接受的填鸭式教学法，你必须在不知不觉之中学会阅读。最终我是学会了阅读，那是直到八岁的相当晚的年龄。我的妹妹菲利珀是用更方便的方法被教会阅读的，四岁时就会阅读了。那时候，她一定比我能干。

　　我们住在一幢又高又窄的维多利亚式的房子里。这是我父母亲在战时以非常廉价买下的，那时所有人都认为伦敦会被炸平。事实上，一枚V－2火箭在离开我们几幢房子处着地。当时我和母亲以及妹妹都不在，而我的父亲在房子里。幸运的是，他没有受伤，房子也未受重创。有好几年的时间路上一直遗留有一个大弹坑，我经常和我的朋友霍佛在里面玩，他家和我隔三个门。霍佛无异为我揭开了一个新天地，因为他的父母不是知识分子，不像我所认识的其他小孩父母那样。他上公立学校，而不是拜伦宫，他通晓足球和拳击，这些都是我父母坚决禁止的。

　　另一个最早的回忆是得到玩具火车。战时不制造玩具，至少不对国内市场。但是，我对模型火车极其着迷。我父亲为我做了一列木头火车，这并不使我满足，因为我要一列会开动的。所以我父亲搞到一列二手货的带发条的火车，焊好后给我作为圣诞礼物，那时我快满三岁了。那火车不能很好行驶。战事刚结束我父亲就去了美国，在乘〃玛丽皇后〃的归途中，他为我母亲买了一些尼龙，当时在英国得不到尼龙。他给我妹妹玛丽买回一个玩具娃娃，这个玩具娃娃一躺下就把眼睛闭上。他为我买了一列美国火车，还带有排障器和8字型的轨道。我尚能记得自己在打开盒子时的激动之情。

　　发条火车似乎是尽善尽美了，但是我真正想要的是电动火车。我经常花好几个钟头观看海格特附近的模型铁路俱乐部展览。电动火车是我梦寐以求的东西。最后，当我父母亲都不在的时候，我把存在邮局银行的非常有限的钱全部取出，这是大家在特殊场合譬如讲我受洗礼时给我的。我用这些钱买了一列电动火车，但使人非常沮丧的是，它运行得不怎么好。今天我们知道了顾客的权益。我应该把它送回，要求商店或者厂家换一列。但是在那个时候，人们以为买东西便是一种特权，如果商品有毛病的话，就只能怪你运气欠佳。这样我花钱买了电动马达，它却从未正常工作过。

　　后来，我在十几岁时制作了模型飞机和轮船。我的手工从来就不灵巧，这是和我的学友约翰·马克连纳汉合作的。他比我能干得多；而且他父亲在家里有一个车间。我的目标总是建造我能控制的可以开动的模型。我不在乎其外观如何。我想正是同样的冲动驱使我和另外一位学友罗杰·费尼霍弗去发明一系列非常复杂的游戏。有一种制作游戏，还包括制造不同颜色零件的工厂，运载产品的公路铁路以及股票市场。有一种战争游戏是在有四千个方格的纸板上玩的。甚至还有一种封建游戏，每一个参与者都是一个带有家谱的皇朝。我想这些游戏以及火车、轮船和飞机都来自于探究事物并且进而进行控制的要求。从我开始攻读博士之后，这种渴求在宇宙论研究中才得到满足。

　　1950年我父亲工作的地点从海格特附近的汉姆斯达德迁到伦敦北界的碾坊山新建的国立药物研究所。看来迁到伦敦郊区再通勤到城里比从海格特向外面通勤更方便些。我父母亲因此在教堂城圣阿尔班斯购买了一幢房子，大约在碾坊山以北十英里以及伦敦以北二十英里的地方；这是一幢颇为典雅颇具特色的巨大的维多利亚时代的房子。我父母买房子时手头并不富裕，所以在我们迁进去之前要做许多修缮。此后我的父亲正如同他的约克郡老乡一样，再也不愿花钱作任何修缮。他自己尽量地维护并油漆房子，但是房子太大而且他又不擅长此道。然而，房子建得很稳固，所以能经受得了多年失修。1985年我父亲病得很重时（他死于1986年），我父母亲把它卖掉了。我最近还看到它。似乎从那时以后就没有整修过，但是看起来却没有什么改变。

　　这幢房子是为带仆人的家庭设计的。在食物室里有一块指示板，上面可以显示哪个房间在按铃。我们当然雇不起佣人，我的第一个卧室是L形状的，大概以前是佣人的房间。我的表姐萨拉建议我要这个房间，她比我稍大些，我非常赞赏她。她说我们在那里会很开心。这间房子的一个吸引人之处是，可以从窗