霍金和《時(shí)間簡(jiǎn)史》
本世紀(jì)初,物理學(xué)經(jīng)過(guò)了劇烈的掙扎以后以一種嶄新的面目出現(xiàn),其主要成果是量子力學(xué)和相對(duì)論。近一個(gè)世紀(jì)以來(lái)人類(lèi)正充分地體驗(yàn)著這種變革帶來(lái)的幸福和災(zāi)難。半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、激光、原子彈即是明顯的例證。量子力學(xué)的哲學(xué)含義迄今還很不清楚,而相對(duì)論尤其是廣義相對(duì)論對(duì)時(shí)間、空間甚至人們居住的宇宙的觀念的變革的影響既深又遠(yuǎn)。要想對(duì)這些觀念有淺顯而正確的了解,必須艱苦地克服許許多多常識(shí)的和直覺(jué)的錯(cuò)誤。
愛(ài)因斯坦曾經(jīng)設(shè)想過(guò)我們的宇宙空間也許正如一個(gè)三維的球面,它雖然體積有限,卻沒(méi)有邊界。我們?nèi)绻恢蓖斑M(jìn),最后又會(huì)從后面回到出發(fā)點(diǎn),正如繞著地球作環(huán)球旅行,并不會(huì)到達(dá)所謂的宇宙邊緣。當(dāng)然地球的表面是二維的,而宇宙空間是三維的。
愛(ài)因斯坦設(shè)想的這種旅游可在靜態(tài)的宇宙中實(shí)現(xiàn)。宇宙是靜態(tài)的還是演化的,這個(gè)問(wèn)題只有在哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移定律以后才清楚。他在二十年代發(fā)現(xiàn),從遠(yuǎn)處星系來(lái)的光譜都有紅移的效應(yīng),而且其紅移量和星系的遙遠(yuǎn)程度成正比,這可以解釋成整個(gè)宇宙正在膨脹。若在時(shí)間上倒溯回去,就可以估計(jì)出宇宙在一百五十億年前處于一種極其緊致的狀態(tài),并具有極高的溫度。這就是所謂的大爆炸奇點(diǎn)?,F(xiàn)在的宇宙的太空中具有絕對(duì)溫度為三度的背景輻射即是大爆炸的殘余。這么低的溫度下的輻射處于微波波段,所以稱(chēng)為宇宙背景微波輻射,它是在非常偶然的情形下于一九六五年被發(fā)現(xiàn)的。
人們對(duì)大爆炸奇點(diǎn)又驚又喜,喜的是整個(gè)宇宙發(fā)韌于此,驚的是在奇點(diǎn)處物理定律、空間時(shí)間甚至因果律都不成立。人們對(duì)它真是束手無(wú)策,因?yàn)檎l(shuí)也不知道會(huì)從奇點(diǎn)冒出什么東西來(lái),而宇宙恰恰是從這里演化而來(lái)的。
人們也許會(huì)說(shuō),這都是現(xiàn)代宇宙論造的孽。其實(shí)不然。在哈勃紅移定律發(fā)現(xiàn)之前,人們以為宇宙是靜止的,那些棲息其中的蕓蕓眾生在津津有味地進(jìn)行著物競(jìng)天擇,而無(wú)動(dòng)于衷的宇宙總是慷慨地為之提供永恒的背景舞臺(tái)。即便如此,牛頓在奠定了經(jīng)典力學(xué)和微積分基礎(chǔ)之后,就曾經(jīng)思考過(guò)宇宙的初始態(tài)問(wèn)題。他堅(jiān)信宇宙在上緊了發(fā)條之后即嚴(yán)格地遵循著他的定律演化,但究竟是誰(shuí)在太初給宇宙上緊發(fā)條的呢?這大概只能是造物主吧!我們的確是被造物主玩弄于股掌之上。這就是所謂的第一推動(dòng)問(wèn)題。而熱大爆炸宇宙論中的奇點(diǎn)只不過(guò)是將以為是無(wú)限久以前的太初移到了有限的過(guò)去,使問(wèn)題變得更尖銳而已!
本世紀(jì)六十年代在天文學(xué)上積累了許多新觀測(cè),如類(lèi)星體和中子星的發(fā)現(xiàn),興起了相對(duì)論性天體物理研究的熱潮,并刺激了廣義相對(duì)論本身的研究。廣義相對(duì)論被認(rèn)為是最美麗的物理理論,愛(ài)因斯坦曾解釋和預(yù)言了三大驗(yàn)證,即水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng),光線折射以及大質(zhì)量附近原子光譜的紅移。愛(ài)因斯坦方程是非線性的,這樣它就把物質(zhì)之間的引力作用也包容進(jìn)去。這在理論上是簡(jiǎn)單,而簡(jiǎn)單即是美。任何嘗試求解它的人都會(huì)體驗(yàn)到該方程的內(nèi)在協(xié)調(diào)以及數(shù)學(xué)上的艱深。實(shí)際上,在六十年代一批有才識(shí)的青年被吸引到這個(gè)領(lǐng)域之前,廣義相對(duì)論的研究從愛(ài)因斯坦的成果后進(jìn)展甚微。它基本上成為一個(gè)應(yīng)用數(shù)學(xué)而不是理論物理的分支。
在這個(gè)歷史背景下,出現(xiàn)了一位物理學(xué)奇才霍金?;艚鹗亲詯?ài)因斯坦以來(lái)最杰出的理論物理學(xué)家。他的黑洞蒸發(fā)理論和量子宇宙論不僅震動(dòng)了自然科學(xué)界,而且對(duì)宗教和哲學(xué)也有深遠(yuǎn)影響?;艚鹕谝痪潘亩辏談偤檬琴だ匀倌昙廊?,這似乎注定了他一生的使命。他出生于英國(guó)牛津,在牛津受完大學(xué)本科教育后,即轉(zhuǎn)到劍橋念研究院。這位人物正是出現(xiàn)于六十年代和劍橋這個(gè)歷史和地理的時(shí)空交匯點(diǎn)上。劍橋是經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)的發(fā)韌之地。電磁場(chǎng)理論的創(chuàng)始人馬克斯韋即是在劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室度過(guò)他的科學(xué)生涯的。這里曾出現(xiàn)過(guò)無(wú)數(shù)文化巨人,如詩(shī)人彌爾頓、拜倫,科學(xué)家達(dá)爾文、盧瑟福、湯姆遜,哲學(xué)家羅素,經(jīng)濟(jì)學(xué)家凱恩斯……一九七九年底當(dāng)我第一次從倫敦乘火車(chē)去劍橋時(shí),在英格蘭多變的陰霾的天空下,遠(yuǎn)眺開(kāi)闊的牧場(chǎng)、鄉(xiāng)村和森林盡頭出現(xiàn)的劍橋國(guó)王學(xué)院建筑群的剪影,不禁涌上緬懷前賢的悠思:此處是科學(xué)的麥加。
霍金在大學(xué)本科畢業(yè)時(shí)即患了不治之癥:盧伽雷病。在劍橋初期尚能拄拐杖行走,后來(lái)就只能被禁錮在輪椅上了。我第一回在系里見(jiàn)到他時(shí)真是大吃一驚,他斜躺在輪椅上,絕大多數(shù)時(shí)間都低垂著頭,要用很大的努力才能把頭舉起,時(shí)時(shí)需要?jiǎng)e人為之調(diào)整一下輪椅上的姿式。他用幾根指頭操縱輪椅的電開(kāi)關(guān)。他的變形的聲音常人聽(tīng)不明白。他說(shuō)要是到中國(guó)講演的話,先要把他的語(yǔ)言翻成英文,再?gòu)挠⑽姆芍形?。他一九八五年時(shí)去了一趟中國(guó),也的確是這么做的。
就是這樣的一位殘疾人,當(dāng)時(shí)即已被世界公認(rèn)為引力物理的巨人。他是被選進(jìn)皇家學(xué)會(huì)的最年輕的會(huì)員之一。他和埃利斯合著的專(zhuān)著《大尺度時(shí)空結(jié)構(gòu)》是引力物理的經(jīng)典。這本書(shū)的前半部證明了彭羅斯和他合作的奇性定理,即是在非常一般的物理?xiàng)l件下,廣義相對(duì)論會(huì)導(dǎo)致時(shí)空的奇點(diǎn),典型的例子便是黑洞中的奇點(diǎn)以及大爆炸奇點(diǎn)。該書(shū)的后半部即是著名的黑洞面積定理,黑洞的表面積只增不減,如果兩顆黑洞合并在一起,合并后的黑洞表面積比原先兩個(gè)黑洞表面積之和更大。人們發(fā)現(xiàn)這種性質(zhì)和熵相類(lèi)似,后來(lái)果然證明了黑洞表面積即是它的熵的量度。
霍金劃時(shí)代的貢獻(xiàn)是一九七四年發(fā)現(xiàn)了黑洞輻射機(jī)制。黑洞的表面在經(jīng)典物理中是一種單向膜,任何物體一旦越過(guò)這表面就再也不可能返回。也許人們?cè)谠竭^(guò)巨大黑洞的表面時(shí)并沒(méi)有覺(jué)得有什么異樣,但一旦進(jìn)入就難逃撞上奇點(diǎn)粉身碎骨的命運(yùn)。霍金考慮了黑洞表面附近的量子起伏,發(fā)現(xiàn)起伏產(chǎn)生的粒子對(duì)中的一個(gè)會(huì)逃逸到遠(yuǎn)處,這些粒子流就像是從熾熱黑體輻射出來(lái)似的。這種輻射的溫度和黑洞質(zhì)量成反比,所以在輻射的晚期,黑洞質(zhì)量變得非常小,溫度也就變得非常高,黑洞就在爆炸中結(jié)束。黑洞輻射機(jī)制把引力論、量子論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)一到一起。它是量子引力論的前兆。二十年來(lái)全世界多少最優(yōu)秀的頭腦都為實(shí)現(xiàn)量子引力論而奮斗,提出了形形色色的奇思異想,但人們只能絕望地承認(rèn),霍金輻射是迄今為止唯一的堅(jiān)實(shí)的預(yù)言?;艚疠椛湟咽顾拿衷诳茖W(xué)史上不朽。
他在一九八0年四月二十九日被選為盧卡遜教授。他因此在劍橋的老卡文迪許實(shí)驗(yàn)室發(fā)表演講(這篇講演已被收入最近出版的《霍金講演錄》中)。我記得他在輪椅上用那種無(wú)人通曉的語(yǔ)言說(shuō):“今天我不打算自己講,讓我的助手宣讀講稿?!边@種儀式并無(wú)任何新奇之處。但是,如果我們知道他的一些前任,就知道這是他生涯的顛峰了。牛頓是第二位擔(dān)任這一教席的,他的前任還包括拉摩、愛(ài)丁頓和狄拉克,后者是量子力學(xué)的奠基者之一。
由于八十年代初在粒子物理方面的進(jìn)展,使得極早期宇宙的研究得到人們的青睞,這就是暴漲宇宙模型研究論文數(shù)目暴漲的緣由?;艚鹪趧蚪M織召開(kāi)了一次會(huì)議,邀請(qǐng)全世界專(zhuān)家參加并編成一本《極早期宇宙》的文集,這本文集已成為極早期宇宙研究最重要的文獻(xiàn)。一九八三年夏天他帶了一本到威尼斯附近的帕多瓦的世界引力會(huì)議上。帕多瓦大學(xué)是伽利略任教過(guò)的古老大學(xué)。會(huì)議設(shè)在市政廳,這本書(shū)就供與會(huì)者賞玩,會(huì)后卻不翼而飛?;艚鹬ず蠓浅8吲d,因?yàn)檫@表明該書(shū)很受歡迎。
他對(duì)極早期宇宙的興趣是醉翁之意不在酒。他的最大野心是要一勞永逸地解決從牛頓以來(lái)就一直困擾人類(lèi)的第一推動(dòng)問(wèn)題。他早年證明的廣義相對(duì)論的奇性定理表明,奇點(diǎn)也就是時(shí)空的邊界是不可避免的,而第一推動(dòng)問(wèn)題正是和時(shí)空邊界相依存的。所以為了排除第一推動(dòng)問(wèn)題,就必須尋求一種無(wú)邊界宇宙的模型,這只有在量子力學(xué)的框架中才能實(shí)現(xiàn)。他的這種思想孕育于一九八二年參加梵帝岡宇宙論會(huì)議之時(shí)。他和教皇保羅二世,兩次戲劇性會(huì)面的令人感動(dòng)的場(chǎng)面在他的著作和傳記中都有生動(dòng)的記載。
由于宇宙是包容一切的,在宇宙之外不應(yīng)該存在任何東西。所以要詢(xún)問(wèn)宇宙從何而來(lái)的問(wèn)題,其答案只能是,宇宙是無(wú)中產(chǎn)生出來(lái)的,無(wú)的威力是無(wú)敵的。順便提及,在閉合的宇宙中總能量就是零,這個(gè)事實(shí)和無(wú)中生有的思想是相符的。但是宇宙的無(wú)中生有的思想比這要深刻得多,無(wú)不僅是沒(méi)有物質(zhì)沒(méi)有能量,甚至連時(shí)間空間都沒(méi)有。根據(jù)這種觀念,霍金認(rèn)為宇宙是沒(méi)有邊界的,不管在空間的意義上,還是在時(shí)間的意義上來(lái)講。宇宙的邊界條件是它沒(méi)有邊界。這樣甚至上帝也沒(méi)有存身之所了??磥?lái)他是最徹底的無(wú)神論者了。
他認(rèn)為時(shí)空可以用四維的球面來(lái)描述,只比愛(ài)因斯坦三維空間的球面模型多一維。人們經(jīng)常要問(wèn)的問(wèn)題是,在大爆炸之前宇宙是什么樣子的?他講在臨近大爆炸奇點(diǎn)處量子引力的效應(yīng)非常顯著,時(shí)間變成虛的,從而和空間不可區(qū)分。可以說(shuō)宇宙成為既沒(méi)有開(kāi)初也沒(méi)有終結(jié)的四維球面。如果要問(wèn)在此之前發(fā)生了什么,正如同有人要問(wèn)在地球表面上比南極更南一百公里處在什么地方一樣,是沒(méi)有意義的。他說(shuō)他雖然沒(méi)有到過(guò)南極,但他堅(jiān)信,在南極之處不會(huì)有什么異常發(fā)生。他的模型只是比地球表面多二維罷了。這樣,在經(jīng)典模型中的大爆炸奇點(diǎn)在量子宇宙學(xué)中就被抹平了。這個(gè)無(wú)邊界宇宙模型能做出許多預(yù)言,比如空間必須是均勻的和各向同性的;時(shí)空是平性的,即宇宙可演化足夠長(zhǎng)的時(shí)間,它的演化不應(yīng)太激烈以使我們的星系乃至生命有足夠演化的時(shí)期,并使智慧得以成熟到能詢(xún)問(wèn)這些宇宙學(xué)的問(wèn)題;宇宙的成團(tuán)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)起源于這個(gè)背景下的量子起伏;太空中存在著可被檢測(cè)到的太初引力波;宇宙常數(shù)為零;宇宙是宏觀四維的,一維時(shí)間,三維空間;宇宙的無(wú)序度即熵隨時(shí)間增加,這就決定了時(shí)間箭頭的方向……其實(shí)在摒除了第一推動(dòng)之后,在原則上,宇宙中的一切都可僅僅由物理定律而預(yù)言出來(lái)。
霍金的量子宇宙論對(duì)宗教和哲學(xué)的沖擊是顯而易見(jiàn)的,它以極其鮮明的形式掃清了沉積在人們觀念中的陳腐觀點(diǎn)。它的哲學(xué)和美學(xué)魅力吸引了千千萬(wàn)萬(wàn)有教養(yǎng)的人士,這正是他的通俗著作《時(shí)間簡(jiǎn)史》能夠家喻戶曉的原因。
中國(guó)的《道德經(jīng)》中早就有宇宙是無(wú)中生有的天才思想,二千多年后人類(lèi)才得到這種思想的科學(xué)描述。只有掃除許許多多想當(dāng)然的偏見(jiàn),科學(xué)才能前進(jìn),我們只要回顧一下從托勒密系統(tǒng)到哥白尼系統(tǒng)的進(jìn)展,就可領(lǐng)會(huì)到這一點(diǎn)。
宇宙論是新思想和新觀念的搖籃,它要服從物理定律,而物理定律又在宇宙論中得到超越和升華。這是因?yàn)橛钪孢@種研究對(duì)象的唯一性引起的,又由于研究者根本不可能站在宇宙外面去審視它,這是一種自我反饋的過(guò)程。另一種類(lèi)似的情形是思維科學(xué),人們研究思維科學(xué)時(shí)必須用思維。這里很難將主體和客體相分離,這也正是科學(xué)成熟的標(biāo)志。自然,科學(xué)家還任重而道遠(yuǎn)得很。
我在受霍金指導(dǎo)作博士論文時(shí),正是他發(fā)展這一理論的時(shí)期。我記得有一年圣誕節(jié)前夕,他約我去討論研究。討論結(jié)束后天既黑又下雪——英國(guó)處于高緯度地區(qū),下午三四點(diǎn)天就黑了。他已不可能驅(qū)動(dòng)輪椅回家了。大家只能用小車(chē)把他載回家。他平時(shí)要駛過(guò)皇后學(xué)院、國(guó)王學(xué)院并跨越劍河才能回到西路五號(hào)的家。有一回他的輪椅在穿越馬路時(shí)被小汽車(chē)撞倒,我是在美國(guó)的飛機(jī)上讀到這個(gè)事故的報(bào)道的。
霍金雖然身患痼疾,但十分關(guān)心別人。在我愛(ài)人胡小明赴英之前,他表示要寫(xiě)信給英國(guó)外交部以加速簽證的批準(zhǔn),并說(shuō)官僚主義古今中外皆然,也許他的去信可以幫助。當(dāng)胡首次在應(yīng)用數(shù)學(xué)系的走廊里遇上他時(shí),他盡心盡力地對(duì)胡講:“對(duì)你的到來(lái)我非常非常高興?!彼蠛鸀樗恼撐淖鲌D以供發(fā)表之用。我們是在一九八四年二月離開(kāi)劍橋的,之前和他在他的辦公室里拍了一些照片。據(jù)說(shuō)這些照片是他少有的露出童稚笑容的幾張。照片背景的黑板上是我們論文的一些圖。由于他的疾病,他的表情通常是沉郁的,你不能猜出他內(nèi)心的喜怒哀樂(lè),這倒真是十分安全。
我是在和霍金閑談中得知他有寫(xiě)一本宇宙論通俗讀物的打算。那時(shí)候他連書(shū)名都沒(méi)想好。我們當(dāng)時(shí)就商談將其譯成中文的事。在我離開(kāi)劍橋時(shí)他還沒(méi)完稿。一九八八年二月我收到他有關(guān)將此稿譯成中文的信件,以及定名為《時(shí)間簡(jiǎn)史》的首版贈(zèng)書(shū)。許明賢和我花幾個(gè)月的時(shí)間將它譯完,并在一九八八年下半年將手稿交湖南科技出版社。這個(gè)中文版本來(lái)可以在全世界最早以非英文的文字出版。但是不管怎么說(shuō),終于在一九九三年問(wèn)世了。這書(shū)的出版耗費(fèi)了李永平和吳忠國(guó)的大量心血。在這期間該書(shū)已在全世界用三十三種文字發(fā)售了五百五十萬(wàn)冊(cè),即平均每千人即有一冊(cè)。在西方自稱(chēng)受教育的人若沒(méi)有看過(guò)這本書(shū)的會(huì)被人瞧不起。這本書(shū)的海外中文版在一九八九年推出。海外出版社通過(guò)原作者和原出版社得到我們的譯稿,并承受了巨大的物質(zhì)和精神損失才出了這本書(shū),其中艱辛不足與外人道。我謹(jǐn)記于此,以表示對(duì)這些文化有心人的謝意。這版本在臺(tái)灣是十年來(lái)的暢售書(shū)之一,已經(jīng)出了第六版,成為莘莘學(xué)子的必讀之書(shū)。
《時(shí)間簡(jiǎn)史》出版之后,霍金更成為明星人物。美國(guó)、英國(guó)和加拿大三家電影制片商聯(lián)合制作了一部《時(shí)間簡(jiǎn)史》的文獻(xiàn)片,把霍金的生平和學(xué)說(shuō)搬上銀幕。這部電影很快就進(jìn)入奧斯卡文獻(xiàn)片的決賽。影片容納不下的素材被編到《時(shí)間簡(jiǎn)史續(xù)編》之中?;艚疬€在一九九三年六月二十一日出現(xiàn)在美國(guó)《星球旅行》的系列片中,并同用時(shí)間機(jī)器召來(lái)的牛頓和愛(ài)因斯坦打撲克。在這短短的鏡頭中,我們可以充分體會(huì)到牛頓的不可一世的傲氣和愛(ài)因斯坦的溫文爾雅的風(fēng)度。霍金還將他的一些演講和短文編成一部《霍金講演錄——黑洞、嬰兒宇宙及其他》。所有這些著作的中文版即將由湖南科技出版社在國(guó)內(nèi)全權(quán)發(fā)行。,
(《時(shí)間簡(jiǎn)史》,[英]史蒂芬·霍金著,許明賢、吳忠超譯,湖南科學(xué)技術(shù)出版社一九九二年版,4.30元)