初讀《時(shí)間簡史》

華慶富

英國偉大的物理學(xué)家史蒂芬·威廉·霍金繼創(chuàng)立了黑洞理論和“大爆炸”理論后，又經(jīng)過一番潛心研究與探索，撰寫了科學(xué)經(jīng)典著作《時(shí)間簡史》。這是一本有關(guān)宇宙學(xué)的著作，是一部將高深的理論物理通俗化的科普范本。

《時(shí)間簡史》主要講述的是探索時(shí)間和空間核心秘密的故事，是關(guān)于宇宙本性的最前沿知識，內(nèi)容包括我們的宇宙圖像、空間和時(shí)間、膨脹的宇宙不確定性原理、基本粒子和自然的力、黑洞、黑洞不是這么黑、時(shí)間箭頭等理論或者理論預(yù)言，其中不少在當(dāng)時(shí)看起來高深莫測近乎神話的理論預(yù)言，后來都在對微觀或宏觀宇宙世界觀測中得到證實(shí)。當(dāng)然，依然還有很多預(yù)測沒有得到驗(yàn)證。作為中學(xué)生的讀者朋友們，有必要對這本科學(xué)著作做一些粗淺的了解。

霍金教授堅(jiān)持他的宇宙大爆炸觀點(diǎn)。他認(rèn)為我們現(xiàn)在生活的宇宙有自己的歷史起點(diǎn)。它大約誕生于150億年前，那時(shí)，宇宙只是一個(gè)點(diǎn)，它的密度無限大，不占有空間，也沒有時(shí)間的概念。突然它就爆發(fā)了，四散開來，時(shí)間和空間從此誕生。爆炸產(chǎn)生的溫度極高，從此宇宙就一直持續(xù)膨脹，直到現(xiàn)在。在膨脹的過程中，隨著時(shí)間的推移，空間越來越大，溫度越來越低，宇宙中的能量與物質(zhì)不斷發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，有些氣體、灰塵漸漸冷卻聚集在一起，形成各種各樣的天體，空間繼續(xù)擴(kuò)大，宇宙的樣貌漸漸清晰起來。大約在距今50億年前，太陽形成。大約在距今46億年前，地球形成。因?yàn)橛辛说厍颍庞辛巳祟?，有了?chuàng)造新世界的我們！

按照霍金教授的理論，宇宙在持續(xù)地膨脹，也許在膨脹到一定程度后，宇宙開始收縮，可能會收縮成一個(gè)點(diǎn)，一個(gè)不占有空間的點(diǎn)。到那時(shí)，時(shí)間結(jié)束。到底會不會這樣，現(xiàn)在還說不定。

不過讓人疑惑的是，在大爆炸“之前”，宇宙原來是一個(gè)體積無限小的點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)里面有沒有時(shí)間跨度？或許用“之前”有些不合適，畢竟在開始之前能有什么呢？！可是開始又是從哪兒來的呢？這仿佛陷入了一個(gè)死循環(huán)，無論你說什么是源頭，你都可以懷疑這個(gè)源頭的來源，結(jié)束這種無休止的懷疑的最好方法就是相信沒有“在那之前”。

我們不禁要問，宇宙現(xiàn)在在膨脹，那么將來它會收縮嗎？如果它收縮，時(shí)間的方向就會和現(xiàn)在相反，那就會出現(xiàn)破碎的花瓶的碎片從地上跳到桌子上又結(jié)合成花瓶的現(xiàn)象?；艚鸾淌谡J(rèn)為這不可能，他認(rèn)為，因?yàn)橛钪婕词故湛s時(shí)，時(shí)間的方向也會和膨脹時(shí)即現(xiàn)在發(fā)生的時(shí)間同向。霍金教授認(rèn)為宇宙無邊界條件也意味著，事實(shí)上宇宙即使在收縮時(shí)其無序度也是繼續(xù)增加的，我們之所以從未看到打碎的杯子集合起來，離開地面并跳回到桌子上，因?yàn)檫@違背了熱力學(xué)第二定律的表述，即在任何閉合系統(tǒng)中無序度或熵總是隨時(shí)間而增加。換而言之，它是墨菲定律的一種形式：事情總是趨向于越變越糟：桌面上一個(gè)完整的杯子是一個(gè)高度有序的狀態(tài)，而地面上破碎的杯子是一個(gè)無序的狀態(tài)。人們很容易從早先桌子上的杯子變成后來地面上的碎杯子，而不是相反。時(shí)間倒流并不適合智慧生命的生存，除非在宇宙由膨脹轉(zhuǎn)為收縮的臨界時(shí)刻，所有的生物都獲得永恒的生命，直到收縮為最初的一點(diǎn)?；蛟S由膨脹轉(zhuǎn)為收縮，繼而收縮到一點(diǎn)的時(shí)間只是一秒。當(dāng)然，是在數(shù)百億年也不一定。收縮時(shí)的空間和現(xiàn)在肯定完全不一樣，生命或許將飛越到?jīng)]有時(shí)間觀念。然而生命的永恒是以時(shí)間消失為前提的，這究竟有沒有可能呢？離開了時(shí)間與空間的生命又有沒有實(shí)際意義呢？

空間和時(shí)間是一個(gè)整體，有空間的地方就有時(shí)間，有時(shí)間的地方就有空間。因?yàn)橛钪嬖谂蛎?，也就是說空間在膨脹，所以時(shí)間就在延續(xù)，宇宙一旦停止膨脹，時(shí)間也就停止，那就是世界末日。時(shí)間和空間是一個(gè)整體，意味著它們不可能單獨(dú)存在。而空間和時(shí)間是連續(xù)的，因?yàn)榭臻g膨脹有速度，所以時(shí)間也必然有速度，即空間膨脹的速度等于時(shí)間的速度。

如果我們可以進(jìn)行時(shí)間旅行，我們可以回到過去的時(shí)間嗎？在《時(shí)間簡史》里，霍金試圖用時(shí)間箭頭將過去和未來區(qū)別開來，使時(shí)間有了方向?；艚鸬难劾镏辽儆腥N時(shí)間箭頭：第一個(gè)，是熱力學(xué)時(shí)間箭頭，即在這個(gè)時(shí)間方向上無序度或熵增加；然后是心理學(xué)時(shí)間箭頭，這就是我們感覺時(shí)間流逝的方向，在這個(gè)方向上我們可以記憶過去而不是未來；最后，是宇宙學(xué)時(shí)間箭頭，在這個(gè)方向上宇宙在膨脹，而不是在收縮。既然時(shí)間有方向，必然會出現(xiàn)前后和里外之分，也必然有起點(diǎn)和現(xiàn)在的位點(diǎn)，那么宇宙就有了一個(gè)邊界，宇宙就是有限的。不過，因?yàn)橛钪娴呐蛎浭浅掷m(xù)的，它一直在向外延伸，因此從這個(gè)意義上來說宇宙又是沒有邊界的。也就是說，從某一時(shí)間點(diǎn)來看，宇宙是有邊界的，但是從一段時(shí)間來看，宇宙又是沒有邊界的，而時(shí)間不會停留于某一時(shí)刻，所以歸根結(jié)底宇宙是沒有邊界的，只要它的膨脹不停止。在《時(shí)間簡史》里霍金試圖把宇宙描述成一個(gè)有限但無邊界的空間，沒有開始也沒有結(jié)束，這里的有限是指瞬間的有限、某一時(shí)刻的有限，這里的無邊界是指宇宙的不斷膨脹。

既然時(shí)間是延續(xù)的，可為什么我們總是記住過去而不是未來，為什么時(shí)間總是向前進(jìn)而不會后退？因?yàn)闀r(shí)間是有方向的，這個(gè)方向就是宇宙膨脹的方向。只有當(dāng)我們低于時(shí)間的速度時(shí)，我們才相對于時(shí)間向后運(yùn)動(dòng)，我們才能回到過去。而一切在宇宙產(chǎn)生之時(shí)就和時(shí)間具有了同樣的速度，即宇宙膨脹的速度。就是說，所有的物體在相對于宇宙的時(shí)候都和時(shí)間同速，宇宙里的一切都在隨時(shí)間向前運(yùn)動(dòng)。如果我們超過時(shí)間的速度走到時(shí)間之前，那里還沒有空間、沒有時(shí)間、沒有一切，那里還是混沌狀態(tài)，在那里不會看到任何東西，我們也不能在那里存在，所以去未來旅行根本不可能。

黑洞是恒星老化后坍縮形成的。恒星靠內(nèi)部氫原子的聚變產(chǎn)生能量，釋放光和熱，太陽就是這樣。在內(nèi)部原料用完后，就會發(fā)生坍縮，即向一點(diǎn)收縮。當(dāng)這一點(diǎn)非常非常小時(shí)，它的密度就會趨向于無窮大，同時(shí)它的引力也會變成無限大。由于引力很大，沒有什么東西能夠從它那兒逃逸出來，這里面也包括光。而人之所以能看到東西，就是因?yàn)橛衼碜阅莻€(gè)東西的光進(jìn)入人眼。現(xiàn)在那兒不會有光發(fā)射出來，所以人類是不可能真正地看到黑洞的，但可以根據(jù)可見星體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來推測。霍金教授認(rèn)為，黑洞是時(shí)間的終點(diǎn)，類似于宇宙大爆炸時(shí)的那個(gè)點(diǎn)。

大家知道，在一個(gè)蘋果的表面上從一個(gè)點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)需要走一條弧線，但如果有一條蛀蟲在這兩個(gè)點(diǎn)之間蛀出了一個(gè)蟲洞，通過蟲洞就可以在這兩個(gè)點(diǎn)之間走直線，這顯然要比原先的弧線來得近。愛因斯坦在廣義相對論中有一個(gè)革命的設(shè)想：引力不同于其他力，它不是力，只不過是時(shí)空并不平坦這一事實(shí)的結(jié)果。在四維中，時(shí)空本應(yīng)是一個(gè)平面，但對應(yīng)時(shí)空中的質(zhì)量和重量分布不同，造成了時(shí)空的塌陷，就像一塊被拉平了的有彈力的布，太陽是一塊放在布上的小石頭，小石頭讓周圍的布形成一個(gè)近乎漏洞狀的塌陷?；艚鹫J(rèn)為：現(xiàn)在時(shí)間和空間是彎曲的，當(dāng)一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，或者一個(gè)力作用時(shí)，它影響空間和時(shí)間的曲率，而時(shí)空結(jié)構(gòu)反過來也影響物體運(yùn)動(dòng)和力作用的方式，時(shí)間和空間不僅影響宇宙中發(fā)生的一切，而且也受發(fā)生在宇宙中的每一件事所影響。

既然時(shí)空是彎曲的，那么從一點(diǎn)到另一點(diǎn)既可以從曲面沿曲線走過去，也可以從曲面里面，從連接兩點(diǎn)的弦沿直線走過去，這兩種走法的距離是不一樣的，所需時(shí)間也是不一樣的。因此，宇宙時(shí)空中只要存在合適的蟲洞，無論多么遙遠(yuǎn)的地方都有可能變得近在咫尺，星際旅行家們將不再受制于空間距離的遙遠(yuǎn)。在一些科幻故事中，技術(shù)水平高度發(fā)達(dá)的文明世界利用蟲洞進(jìn)行星際旅行，就像今天的我們利用高速公路在城鎮(zhèn)間旅行一樣。在著名的美國科幻電影及電視連續(xù)劇《星際之門》（港臺譯《星際奇兵》）中，人類利用外星文明留在地球上的一臺被稱為“星際之門”的設(shè)備，可以與其他許多遙遠(yuǎn)星球上的“星際之門”建立蟲洞連接，從而能夠幾乎瞬時(shí)地把人和物送到那些遙遠(yuǎn)的星球上。蟲洞成了科幻故事中星際旅行家的“天堂之路”。

（編輯 孫世奇）