10分鐘讀完《時間簡史》霍金解密宇宙大爆炸和黑洞

young@2018-03-15 14:28

10分鐘讀完《時間簡史》霍金解密宇宙大爆炸和黑洞
導讀:由於本書的內容已經遠遠超出作者所能理解的範圍,但因為出於從小的科幻迷情節,我還是希望能將本書推薦給大家,雖然只能摘錄其中重點且易於理解的部分給大家分享。我的目的只有一個,能讓大家對宇宙、時間、物質科學最本質的東西有大概的了解和認知,不過可能你真的10分鐘讀不完:)
目錄總序
第一章:我們的宇宙圖象
第二章:空間和時間
第三章:膨脹的宇宙
第四章:不確定性原理
第五章:基本粒子和自然的力
第六章:黑洞
第七章:黑洞不是這麼黑
第八章:宇宙的起源於命運
第九章:時間箭頭
第十章:蟲洞的時間旅行
第十一章:結論
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,一直在探索着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,哈勃的發現標誌着宇宙學的誕生。

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?隨着物理學的突破,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着地球公轉。地球是宇宙的中心。並模擬了8個天球圍繞着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。引力使月亮沿着橢圓的軌道圍繞着地球運行,而地球和其他行星沿着橢圓的軌道圍繞着太陽公轉。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,要么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,而是在有限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!

哈勃的發現暗示着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1一億億億(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着,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,即便他的隱含着絕對空間的不存在。

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。知道1865年,英國物理學家詹姆斯.麥克斯韋成功地將直到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,它總結了覺得時間的觀念,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,人們可以按照一族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,並朝着同一方向。這意味着,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着彎曲的軌道運動,相反,它沿着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着直線的路徑,它卻讓我們看起來是沿着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着,光線在空間中看起來不是沿着直接在行進。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。

牛頓運動定律終結我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着幾千億顆恆星。

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。咋看起來,關於宇宙在任何方向上看起來都是一樣的所有證件似乎暗示,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10億年里膨脹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。

第四章:不確定性原理牛頓引力論的成功,使得法國科學家普拉斯侯爵在19世紀初論斷,宇宙是完全決定論的。例如,假定我們知道某個時刻的太陽和行星的位置和速度,則可以用牛頓定律計算出在任何其他時刻的太陽系的狀態。另外,他還假定存在某種類似的定律,它們制約着其他所有事物,包括人類的行為。

德國科學家馬克斯.普拉克在1900年提出,光波、X射線和其他波不能以任意的速率輻射,而只能以某種稱之為量子的波包發射。此外,每個量子具有確定的能量,波的頻率越高,其能量越大。

量子假設可以非常成功地解釋所有觀察到的熱體的輻射發射率,但直到1926年另外一個德國科學家威納.海森伯提出了著名的不確定性原理之後,人們才意識到它對決定性論的含義。海森伯指出,粒子位置的不確定性乘以粒子質量再乘以速度的不確定性不能小於小於一個確定量,該確定量稱為普朗克常量。不確定性原理是世界的一個基本的不可迴避的性質。對於我們世界觀有非常深遠的影響。它標誌着一個完全決定性論的宇宙模型夢想破滅。如果人們甚至不能準確地測量宇宙的狀態,那麼肯定不能準確地預言將來的事情。

但仍然我們可以想像,對於一些超自然的生物,存在一族完全地決定性事情的定律,這些生物能夠不干擾宇宙地觀察宇宙現在的狀態。

一般而言,量子力學並不對一次觀察預言一個單獨的確定結果。而是預言一組可能發生結果出現的概率。因為量子力學把非預見性或者隨機性的不可避免因素引進科學。儘管愛因斯坦在發展這些觀念時引起了很大的作用,但他非常強烈反對這些,他之所以獲得諾貝爾獎也是因為他對量子力學的貢獻。

第五章:基本粒子和自然的力亞里士多德相信宇宙中的所有物種由四種基本元素:土、氣、水、火組成。還有兩種作用力:引力和浮力。他也相信物質是連續的。也就是說,人們可以將物質無限制地分割成越來越小的小塊,即人們永遠不可能得到一個不可以再小的最小顆粒。

直到20世紀初原子論才最終確定,愛因斯坦提供了一個重要的物理證據。然後,新西蘭物理學家盧瑟福在1911年最後證明了物質的原子確實具有內部結構:他們有更小的正電荷的核以及圍繞着它公轉的一些電子組成。1932年盧瑟福的另外一個劍橋大學同事查德威發現,原子核還包括另外稱為「中子「的粒子。中子幾乎具有和質子一樣大的質量但不帶電荷,這個發現讓查德威獲得了諾貝爾獎。

直到最近30年前,人們還一直以為質子和中子是基本的粒子,但是,質子和另外質子或者電子高速碰撞的實驗表明,它們事實上由更小的粒子構成,加州理工學院的牟雷.蓋爾曼將它稱之為」夸克」,他也因此獲得1969年的諾貝爾獎。

一個質子包含兩個上夸克和一個下夸克,一個中子包含兩個下夸克和一個上夸克。

現在我們知道,不管是原子、質子、中子都不是不可分的。那麼什麼才是真正的粒子?構成世界萬物最基本的構件?

量子力學告訴我們,實際上所有的粒子都是波,粒子的能量越高,則其對應的波的波長越短。如果我們利用更高的能量時,是否會發現更小的粒子呢?這一定是可能的!

保羅.狄拉克在1928年提出一個理論,它與量子力學和狹義相對論一致,從數學上解釋了為什麼電子具有1/2的自旋,為什麼即不能轉一周也不嗯給你轉兩周。它還預言了電子必須有它的配偶:反電子或者正電子。1932年正電子的發現也讓狄拉克獲得了1933年的諾貝爾獎。也有可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。

在量子力學中,所有物理粒子之間的里或者相互作用都認為是由自旋為整數0、1、2的粒子攜帶。自旋為0、1、2的粒子可以在某種情況下作為實粒子存在,這時它們就呈現出經典物理學家稱之為波動形式,例如,光波和引力波的東西。當物質粒子以交換攜帶力的虛粒子的形式而相互作用時,它們就時就可以被發射出來。

攜帶力的粒子按照其強度以及與相互作用的粒子可以分為四個種類。

第一種力是引力,這種力是萬有的,也就是每一個粒子都因為它的質量或者能量而感受到引力。其他三種力要麼是短程的,要麼時而吸引時而排斥,所以我們傾向於相互抵消。以量子力學的方法來看待引力場,人們把兩個物質粒子之間的力描述成由稱作為引力子的自旋為2的粒子攜帶的。它自身沒有質量,所以攜帶的力是長程的。太陽和地球之間的引力可以歸結於構成這兩個物體的粒子之間的引力子交換,也就是:它們使地球圍繞着太陽公轉。實引力子構成了經典的物理學稱之為引力波!

另外一種是電磁力,兩個電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億(在1後面42個0)倍。

第三種力是弱核力,它負責放射性現象,並只作用於自旋1/2的所有物質粒子。

第四種力是強核力,它將質子和中子中的夸克束縛在一起,並將原子核中的質子和中子束縛在一起。

第六章:黑洞黑洞這個詞是1969年美國科學家約翰.惠勒,為了形象地描述至少可回溯到200年前的一個觀念時,他杜撰了這個詞。那時候有兩種光理論:一種是牛頓贊成的光的微粒說;另一種是光由波構成的波動說。現在我們知道,實際上兩種都是正確的。由於量子力學的波粒二象性,光即可認為是波也可認為是粒子。

1783年,劍橋的學監約翰.米歇爾發表了一篇文章,他指出:一個質量足夠大並且足夠緻密的恆星會有如此強大的引力場,甚至連光線都不能逃逸:任何從恆星表面發出來的光,在還沒有到達遠處前就會被恆星的引力吸回來。米歇爾暗示,可能存在這一的恆星。雖然我們不能看到它們,但是我們可以感到它們的引力的吸引。這就是我們現在稱之為黑洞的物體!,它是名副其實的:在空間中的黑的空洞。

為了理解黑洞是如何形成的,我們首先要理解恆星的生命周期。大量的氣體受自身的引力吸引,而開始自身坍縮形成了恆星。在恆星坍縮過程中,由於氣體原子越來越頻繁地以越來越大的速度相互碰撞,導致了氣體溫度升高,從而導致恆星內聚集大量能量。我們太陽大概足夠再燃燒50億年,但是更大質量的恆星可以在1一年這麼短的時間內耗盡燃料。當恆星燃料耗盡,它開始變冷收縮。在20世紀科學家算出了當耗盡燃料後,多大的恆星仍然可以對抗自己的引力而維持自身。當恆星冷卻不斷變小時,一顆恆星可因引力的吸引和不相容原理引起的排除達到平衡。

另外,郎道指出,恆星還存在另外一個可能的終態。它們質量比太陽大1-2倍,體積比白矮星還小,這些恆星是由中子和質子之間,而不是電子之間的不相容原理排斥力支持的。我們叫它中子星。

愛因斯坦寫了一篇文章宣佈恆星的體積是不會收縮為零的。恆星的引力場改變了光線在時空中的路徑,使之和如果沒有恆星的情況的路徑不一樣。隨着恆星收縮,其表面的引力場變得更加強大,而光錐向內偏折得更多。最後,當恆星收縮到某一臨界半徑時,表面上的引力場變得如此強大,使光錐向內偏折的更厲害,以至於光線再也逃不出去。根據相對論,沒有任何東西比光行進更快,這樣如果光都逃不出去,其他東西更不可能,所有東西被引力場拉回去。這樣,存在一個時間的集合或者時空區域,光或者任何東西都不可能從該區域逃逸,現在我們將這片區域稱之為:黑洞。將其邊界稱之為事件視界,而它和剛好不能從黑洞逃逸的光線那些路徑相重合。

如果一個恆星坍縮形成黑洞時,由於相對論中的沒有絕對時間理論,由於恆星的引力場,在恆星上某個人的時間將和遠處某人的時間不同。羅傑.彭羅斯和作者在1965年和1970年之間的研究指出,根據廣義相對論,在黑洞中必然存在密度和時空曲率無限大的奇點。這和時間開端時的大爆炸相當類似。在此奇點,科學定律和我們預言將來的能力都崩潰了。然而,任何留在黑洞之外的觀察者,將不會受到可預見性失效的影響,因為從奇點出發的,不管光還是任何其他信號,都不能到達那裏。

廣義相對論方程存在一些解,我們的航天員在這些解中可能看到裸奇點:他也許能避免撞到奇點上去,相反地穿過一個「蟲洞」來到宇宙的另外一區域。這樣給時空內的旅行提供了很大的可能性。但不幸的是,所有這些解非常不穩。奇點總是發生在他的將來,而絕不是他的過去。

事件視界,也就是時空中不可逃逸區域的邊界。其行為猶如圍繞黑洞的單向膜:物體,事任件視界其實是企圖逃離黑洞的光在時空中的路徑,而且沒有任何東西比光行進更快。任何東西或者人,一旦進入事件視界,很快地到達無限致命的區域和時間的終點。

廣義相對論預言,運動的重物會導致引力波的輻射,那是以光速行進的時空曲率的漣漪。引力波和電磁場的漣漪光波相類似,但是要探測到它困難很多。

就像光一樣,引力波帶走了發射它們的物體的能量。圍繞着太陽公轉的地球即產生引力波。其能量損失的效應就要改變地球的軌道,使之逐漸越來越接近太陽,最後撞上太陽,但這個時間會非常非常久,沒有必要擔憂。

在恆星引力坍縮形成黑洞時,運動會加快,這樣攜帶走能量的速率會高很多。因此不用太長時間就會達到不變的狀態。引力坍縮之後,黑洞終結是一個完美的球形,其大小依賴於它的質量。

1970年,作者和另外一位劍橋同事證明了,假定一個穩態的旋轉黑洞,它有一個對稱軸,則它的大小和形狀,只由它的質量和旋轉速度決定。

按照黑洞的定義,它不能發光,我們何以希望能觀察到它呢?在1783年先驅性論文章指出,黑洞仍然將它的引力作用到它周圍的物體上,天文學家觀察到許多系統,這些系統中兩顆恆星由於相互之間的引力吸引而相互圍繞轉動。同時,他們還觀察到一些只有一顆恆星圍繞這一顆看不見的伴星運動。這顆伴星就是黑洞。

在茫茫宇宙中,黑洞的數量非常多,甚至比我們看得見的恆星要多很多(恆星大約1000億顆)。某些證據表明,在我們星系的中心有一個大得多的黑洞,其質量約是太陽的10萬倍。人們認為,在類星體的中心也類似的,有一個比太陽大1億倍的黑洞存在。

第七章:黑洞不是這麼黑的在1970年以前,作者關於廣義相對論的研究,主要集中在是否存在大爆炸奇點。那時候還不存在關於時空的那些點是在黑洞之內還是黑洞之外的準確定義。作者和羅傑.彭羅斯定義了黑洞邊界即事件視界:是由剛好不能從黑洞逃逸,只能在邊緣上盤旋的光線在時空中的路徑形成的。後來作者發現假定黑洞已經終止於不隨時間變化的狀態,按照兩種定義,黑洞的邊界並因此其面積應該是一樣的。

1973年作者訪問莫斯科兩位科學家討論黑洞的問題,他們說服了作者,按照量子力學的不確定性原理,旋轉黑洞應該產生並輻射粒子。那是還沒有計算出實際上有多少輻射,但是當作者計算出時,作者甚至發現非旋轉的黑洞顯然也應以不變的速率產生和發射粒子。這輻射的粒子譜剛好是一個熱體輻射的譜,而且黑洞以剛好防止第二定律被違反的正確速率發射粒子。後來很多人也證明了,黑洞必須如同一個熱體那樣發射粒子和輻射,其溫度只依賴於黑洞的質量,質量越大則溫度越低。

我們知道任何東西都不能從黑洞中逃離,那麼黑洞是怎麼發射粒子的呢?根據量子理論,粒子不是從黑洞裏面出來的,而是從緊靠黑洞的事件視界的外面「空虛的」空間出來的。另外,不確定性原理還預言了存在類似的虛的物質粒子對,類似電子對和夸克對。然後在這樣情況下,粒子對的一個成員為粒子,而另外一成員成為反粒子。

黑洞的質量越小,其溫度就越高,伴隨着黑洞損失質量,它的溫度和發射率增加,它的質量就損失越快。當黑洞的質量變得極其小時會發生什麼?人們並不清楚,但是合理的猜想是:它最終將會是一次巨大的輻射爆炸。

正如第六章提及的,在宇宙極早期階段由於無規則引起的坍縮而形成了質量極小的太初黑洞,具有極大的能量,想要駕馭太初黑洞何其困難,但即使我們不能駕馭太初黑洞的輻射,我們有多少幾率能觀察到呢?我們可以尋找太初黑洞在其主要生存期里發出的伽馬射線輻射。伽馬射線背景的觀察並沒有給太初黑洞提供任何肯定的證據,但是它明確告訴我們,在宇宙中平均每立方光年不可能有多於300個太初黑洞。這表明,太初黑洞最多只能構成宇宙中的一百萬分子一的物質,但我們並不知道,太初黑洞在我們星系中有多普遍,如果它的密度比這個普遍100萬倍,則離開我們最近的黑洞可能大約在10億千米遠,大約在冥王星那麼遠。

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70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,這意味着它沒有開端、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,隨着它們冷卻下來,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,溫度講到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。

隨着時間的流逝,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,氣溫身高,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機構的概率,在某種意義上,和它在任何其他機構的概率是一樣的:宇宙初始態的選擇是隨機的,這意味着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。

人存原理有弱核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。隨着宇宙膨脹,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。

膨脹的思想還能解釋為何宇宙存在這麼多物質,粒子了以及粒子/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,而使這些區域以暴長形式膨脹。另外,模型的這個研究指出: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,總存在着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果開始的。

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。而隨着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着這個對稱?作者的一個學生髮現,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。

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,隨着科學的進步,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修的那類捲曲,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。這意味着,任何時間旅行都被限制於未來。

第十一章:物理學的統一一撮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。

經管這些問題,應該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,詳實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。那意味着什麼呢?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着事件和自然現象,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。如果我們找到次答案,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。

作者:史蒂芬.霍金

返回生活資訊小百科
上一頁 回覆 新主題 主頁
查看完整電腦版