果殼中的宇宙 - 第1章
斯蒂芬·威廉·霍金
-------------------------------------------------------------
☆本文由早安電子書網友分享，版權歸原作者或出版社所有☆
☆僅供預覽，如果喜歡請購買正版☆
☆請勿用於商業行為，否則一切後果自負☆
☆早安電子書☆
☆http://www.zadzs.com☆
-------------------------------------------------------------
序言
《果殼中的宇宙》這一書名出自於莎士比亞名劇《哈姆雷特》。它的隱喻是多重的。哈姆雷特認為，即便把他關在果殼中，仍然自以為是無限空間之王。
哈姆雷特幾百年前所吟唱的處境。卻和人類的宇宙觀完全相符。這當然要歸功於莎士比亞敏銳的洞察力。在那個境界上藝術和科學是相通的。從廣義上看，粒子、生命和星體的處境都和果殼相似，尚不清楚的是它們中有哪些自認為是無限空間之王。
現代量子宇宙學認為，整個宇宙是由一個果殼狀的瞬子演化而來，果殼上的量子皺紋包含着宇宙中所有結構的密碼。本書作者是這一學說的開創者。
史蒂芬·霍金，這位被禁錮在輪椅上近40年的最富有創見的科學巨人，一定比他的任何同類更深切地將這幾行詩引為肺腑之言。否則的話，何以從卷帙浩繁的莎士比亞劇作中特地將其挑選出作為書名呢?可以斷言，一切有志創造的人們都可以從他這部自《時間簡史》以來最重要的著作中汲取靈感。
這本書將以包括英文、中文等十幾種主要文字在全世界同步發行。譯者在首次閱讀其電子文本時，獲得一種感覺，猶如在攀登高山一樣，開闊的視野仿佛九疊畫屏。般在眼前漸次展開，而這個視野不是別的，正是科學的前沿。
我曾經請霍金為中文版寫點什麼。在此書印發前夕，他將對中國讀者的寄語傳給我。全文如下：
I
would
like
to
share
my
excitement
at
recent
discoveries
on
black
holes
and
cosmology
with
Chinese
readers.
Professor
Stephen
Hawking，
CH，CBE，FRS，Lucasian
Protessor
0f
Mathematics
University
of
Cambridge
19th
September
2001
廬山的如琴湖畔提供了當今已經非常稀罕的清靜，使我在一個多月內得以專心譯述。窗外雲霧晴嵐、朝暉夕霞瞬息變幻。奇峰異壑、飛瀑流泉間遍布着王羲之、慧遠、陶潛、李白、白居易、蘇軾和王陽明的遺蹟，這一切予人以無限的想象空間。在這種氛圍中思索宇宙是再愜意不過的了。
在此期間曾得到許多友人的幫助和支持。他們是杜欣欣、陳佳安和林嵐。他們也是這份譯稿的首批讀者和批評者。志此紀念。
吳忠超
2001年7月15日記於廬山花徑
2001年9月22日補記於望湖樓
前言
我從未預料到我的科普著作《時間簡史》獲得如此成功。它榮登倫敦《星期日泰晤士報》暢銷書榜達四年之久，比任何一本書都長，尤其是對於一本不易讀懂的科學書而言，更加令人印象深刻。隨後，人們不斷地詢問我何時寫一本續集。由於我不想寫《簡史之子》或者《時間的稍長歷史》，也由於我忙於研究，所以沒有順從。但是，我已意識到，有必要撰寫一本也許更易理解的有別於《時間簡史》的書。《時間簡史》是具有線性結構的書，其大多數章節在邏輯上依賴於前面的章節。這很符合一些讀者的口味，但是有的讀者在閱讀時，一旦在前面章節停頓，就無緣領略後續的更激動人心的內容。相反地，本書的結構更像一棵樹：第一章和第二章是主幹，從主幹上分支出其餘各章。
分支的各章相互之間比較獨立，在主幹的兩章之後可以隨意選讀。它們對應於我在《時間簡史》出版之後研究或思索過的領域。這樣，它們呈現了當代研究的某些最活躍領域的圖像。在每一章中我也盡力避免單獨的線性結構。如同1996年出版的《時間簡史》插圖本，本書插圖及其說明形成了正文之外的另一個脈絡，而且框中文字或者邊注，將給讀者提供深入了解某些課題的機會，這單靠正文是無法做到的。
當1988年《時間簡史》初版時，萬物的終極理論似乎已經在望了。從那時開始情形發生了什麼變化呢?我們是否更接近目標?正如在本書將要描述的，從那時到現在我們又走了很長的路。但是，這仍然是一條蜿蜒的路途，而且其終點仍未在望。正如古老諺語所說的，充滿希望的旅途勝過終點的到達。我們追求發現，不僅在科學中，而且在所有領域中激起創造性。如果我們已經抵達終點，則人類精神將枯萎死亡。但我認為，我們將永遠不會停止：我們若不更加深邃，定將更加複雜。我們將永遠處於可能性的膨脹的視界之中心。
我願意將我對正在進行的發現，以及正在湧現的實在的圖像之激情和大家分享。因為情感上的直接我更專注於自己研究的領域。這研究的細節是非常技術性的，但是我堅信不需要數學理論即可以傳達其廣闊的觀念。但願我能成功。
我在撰寫此書時得到了大量幫助。托瑪斯·赫托格和尼爾·席爾勒幫助我作圖、撰寫說明和框中文字；安·哈里斯和吉蒂·佛古遜為我編輯手稿(或者更準確地講，應為電腦文件，，因為我所寫的一切都是電子的)；還有書籍實驗室和奔月設計公司的菲利普·丹創作了插圖。此外，我要感謝所有讓我能過上相當正常生活並從事科學研究的人們。沒有他們此書便不能問世。
史蒂芬·霍金
2001年5月2日
劍橋
第一章
相對論簡史
霍金
愛因斯坦是如何為20世紀兩個基本理論，即相對論和量子論奠基的。
阿爾伯特.愛因斯坦，這位狹義和廣義相對論的發現者，1879年誕生於德國的烏爾姆。次年他的全家即遷往慕尼黑。在那裡他的父親赫曼和叔父雅各布建立了一個小型的不很成功的電器公司。阿爾伯特並非神童，但是宣稱他在學校中成績劣等似乎又言過其實。1894年他的父親公司倒閉，全家又遷往意大利的米蘭。他的父親決定讓他留在慕尼黑，以便完成中學學業，但是他討厭其獨裁主義，幾個月後離開了，前往意大利與家人團聚。後來他在蘇黎完成學業。ETH的教授們不喜歡他好辯的性格以及對權威的蔑視，他們中無人願意雇他為助手，而這恰恰是進入學術生涯的正常途徑。兩年以後，他終於在伯爾尼的瑞士專利局獲得一個低級職位。1905年正是在專利局任上，他寫了三篇論文。這三篇論文不僅奠定了他作為世界最主要的科學家之一的地位，而且開啟了兩項觀念革命，這革命改變了我們對時間，空間以及未來本身餓理解。
在19世紀末，科學家們相信他們已經處於完整描述宇宙的前夕。他們好象空間充滿了所謂「以太」的連續介質。光線和無線電訊號是在以太中的波動，如同聲音為空氣中的壓力波一樣。對於完整理論所需要的一切只不過是要仔細測量已太的彈性性質。事實上，為了進行這種測量，哈佛大學建立了傑佛弗遜實驗室。整個建築物不能用任何鐵釘，以免干擾靈敏的磁測量。然而策劃者忘記了構築實驗室和哈佛大部分樓房的褐紅色磚頭磚頭含有大量的鐵。這座建築物迄今仍在使用，雖然哈佛仍然不能清楚，不用鐵釘的圖書館地板究竟可以支撐多少卷藏書。
到世紀交替之際，開始出現可和穿透一切的以太觀的偏差。人們預料光在通過已太時以恆定的速度旅行；但如果你通過已以太順着光的方向運動，它的速度會顯得更快。
然而一系列實驗不支持這個觀念。阿爾伯特?麥克爾遜和愛德華?莫雷於1887年在俄亥俄的克里夫蘭的凱思應用科學學校所進行的實驗為其中最為仔細最為精確者。他們對相互垂直的兩束光的速度進行比較。隨着地球繞軸自轉以及公轉，儀器以變化的速度和方向通過以太運動。但是麥克爾遜和莫雷的兩光束之間沒有周日和周年的差別。不管人們在哪個方向上多快運動，光似乎總是以相同的速率相對於他的所在地運動。
愛爾蘭的物理學家喬治?費茲傑拉德和荷蘭物理學家亨得利克?洛倫茲，在麥克爾遜-莫雷的基礎上建議，物體在通過以太運動時會收縮，而且鐘錶要變慢。這種收縮和鐘錶變慢使人們測量到相同的光速，而不管他們相對於以太如何運動。然而，愛因斯坦在1905年6月撰寫的一篇論文中指出，如果我們不能檢測出他是否穿越時空的運動，則以太觀念純熟多餘。想反的，他以為科學定律對於所有自由運動的觀察者都顯得相同的假設為出發點。特別是，不管他們如何快速運動，都應測量到相同的光速。光速和他們運動無關，並且在所有方向上都相同。
這就需要拋棄一個觀念，即存在一個所有鐘錶都測量的成為時間的普適的量。相反的，每個人都有他或者她自己的個人時間。如果兩個人處於相對靜止狀態，則他們的時間就一致，但是一旦他們相互運動則不一致。
這已經被很多實驗所證實，其中包括兩台以相反方向繞世界飛行的精確的鐘表返回後顯示時間的微小差異。這似乎暗示，人們若要活的更長久，應該不斷地飛向東去，使得地球的旋轉疊加上飛機的速度。然而，人們所獲得的比一秒還短得多的生命延長，遠遠不及劣質飛機餐對健康的殘害。
愛因斯坦的假定，即自然定律對於所有有自由運動的觀察者應該顯得相同，是相對論的基礎。之所以這麼稱呼是因為它意味着只有相對運動才是重要的。它的美麗和簡單征服了許多科學家，但是仍然有許多人反對。愛因斯坦推翻了19世紀科學家的兩個絕對物：以太代表的絕對靜止和所有鐘錶都測量的或普適時間。許多人覺得這是一個另人不安的概念。他們問道，這是否意味着，萬物都是相對靜止的，甚至不存在絕對的道德標準呢？這種苦惱持續穿於20世紀20年代和30年代。1921年愛因斯坦獲得諾貝爾獎時，其頌詞是至關重要的，但是按照他的標準卻是相對次要的，也是在1905年做過的研究。它沒有提及相對論，因為相對論被認為太過於爭論性了。儘管如此，現在科學界已經完全接受了相對論，無數的應用證實了他的預言。
相對論的一個非常重要的推論是質量和能量的關係。愛因斯坦關於光速對於任何人而言都應該顯得相同的假設，意味着沒有任何運動的比光還快。當人們應能量加速任何物體，無論是粒子或者空間飛船，實際上發生的是，它的質量增加，使得對她進一步加速更困難。要把一個粒子加速到光速要消耗無限大能量，因而是不可能的，正如愛因斯坦的著名公式總結的：E=mc^2，質量和能量是等效的。這也許是物理學中的唯一的婦孺皆知的公式。它的一項後果是意識到，如果鈾原子核裂變總質量稍小的兩個核，就會釋放巨大的能量。
1939年世界大戰迫在眉睫，眾多意識到這些含義的物理學家都說服愛因斯坦克服其和平主義原則，以他的權威給羅斯福總統寫一封信，要求美國開始核研究計劃。
這就導致了曼哈頓規劃並最終產生了於1945年在日本的廣島和長崎爆炸的原子彈。有人將原子彈歸咎於愛因斯坦發現了智能關係；但是這和把飛機失實歸咎於牛頓發現了引力很類似。愛因斯坦本人沒有參與曼哈頓規劃，並且為投原子彈而感到震驚。
愛因斯坦1905年的開創性論文為他建立了科學聲望，但是直到1909年他回到蘇黎世，這一次是返回蘇黎世高工。儘管在歐洲的許多地方，甚至在大學中盛行反猶主義，他現在是學術界的巨星。維也納和烏特勒希特都邀他任教，但是他選擇了柏林的普魯士科學院的研究員職務，因為這樣他可以擺脫教學。1914年4月他遷往柏林，不久他的妻子和兩個兒子也來團聚。然而婚姻不諧已有時日，他的家庭不久返回蘇黎世。儘管他偶爾去看望他們，他和妻子最終還是離婚了。愛因斯坦後來娶了他住在柏林的表姐愛爾莎。在戰爭年代裡他過着獨身生活，避免了家事糾纏，也許是他在這一段期間科學上多產的一個原因。
雖然相對論和制約電磁學的定律配合的天衣無縫，它卻不能和牛頓的引力定律想協調。牛頓引力定律說，如果果人們在時間的區域改變物質分布，引力場的改變在宇宙其他任何地方就會瞬間被察覺到。這不僅意味着人們可以發送比光還快的信號；為了知道這裡瞬刻的含義，它還需要存在絕對或普適的時間。這正式那種被相對論拋棄了的，並被個人時間所取代的時間。
1907年當愛因斯坦還在伯爾尼的專利局工作時，他就知道了這個困難，但是直到1911年他在布拉格時才開始認真地思考這個問題。他意識到在加速度和引力場之間存在一個緊密的關係。待在一個封閉的盒子裡，譬如升降機中的某人不能將盒子靜止地處於地球引力場中和盒子在自由空間中被火箭加速這兩種情形區別開來。
如果地球是平坦的，人們既可以說服蘋果因為引力而落到牛頓頭上，也可以等效地說因為牛頓和地球被往上加速。然而，對於球形地球加速度和引力之間的不等效似乎不成立，世界相反兩邊的人要停留在固定的相互距離上就必須在反方向上被加速。