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黑洞、嬰兒宇宙及其他

作者:史蒂芬.霍金
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          黑洞、嬰兒宇宙及其他出版者前言
  史蒂芬·霍金在他輝煌的暢銷書《時間簡史》中完全改變了我們有關物理學、宇宙和實在本身的觀念。這位被廣泛尊崇為自愛因斯坦以來最傑出的理論物理學家,向我們展現了當代有關宇宙的最重要的科學思想。現在史蒂芬·霍金回過身來探討時空最黑暗的區域……為我們理解宇宙揭示了一系列非同尋常的可能性。
  這十三篇文章和1992年聖誕節由英國廣播公司播出的會晤記實涉及到從自傳到純粹科學的廣泛範圍。史蒂芬·霍金在他早先研究的基礎上,討論了虛時間,如何由黑洞引起嬰兒宇宙的誕生以及科學家尋求完全統一理論的努力。這種理論可以預言宇宙中的一切東西。他相信,這似乎是一種後代人會認為和地球是圓的觀念一樣自然的概念。
  在宇宙所展現的偉大的神秘背景下,史蒂芬·霍金還對自由意志、生命價值和死亡有獨到的見解。他審視科學理論和科學幻想的融合和分歧,以及科學事實和我們自身生活的交叉面。
  史蒂芬·霍金作為科學家、有良心的世界公民、人以及一如既往的嚴謹而富有想像力的思想家的風度在本卷文集中表露無遺。他因為運動神經細胞病也就是盧伽雷病而嚴重殘廢,這種疾病只能影響卻不能限制他私人及智力的活動:他利用特別的計算機技術把思想翻譯成詞句,再把詞句轉換成聲音,這使得他能寫能講,發展他的思想,教導學生,還能和他的同事合作。
  史蒂芬·霍金以他特有的語言魅力、幽默、坦誠以及對自傲的厭惡,使我們對他更加瞭解,並讓我們和他共享智力和想像歷程中的激情,正是這種激情導致理解宇宙性質的嶄新的方式。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 譯者序
  這是一本有關宇宙和它的一位探索者的書。這位探索者不是別人,正是作者本人,劍橋大學的史蒂芬·霍金。他驚天動地的學說徹底地改變了人類的宇宙觀。
  宇宙的演化孕育出生命、思維和智慧,宇宙之於生命,猶如母親之於嬰兒。只要我們生活得稍微抽像一些,暫且忘卻一下世界的無聊,就能從宇宙這本大書中讀到真善美。
  現代科學中最有魅力的分支是宇宙學和思維學。其根本原因是這兩門科學注定要掙脫沿襲幾千年的主客體分離的分析綜合方法的桎梏。
  宇宙是包容一切的,在它之外不存在任何東西,甚至沒有時空。霍金的無邊界宇宙模型是有史以來的第一個自足的宇宙模型。在這個框架中量子力學的哥本哈根的波函數坍縮理論必須加以揚棄,因為不存在宇宙之外的智慧生物。這個理論的哲學和宗教的含義是非常深遠的。
  哈勃紅移定律表明,我們的宇宙是從發生在大約一百五十億年前的大爆炸膨脹而來的,而宇宙微波背景輻射正是大爆炸的殘餘。近年的宇宙背景探索者的探測結果顯示,宇宙是極其各向同性的,其相關溫度的相對起伏小於十萬分之一,正是這些寶貴的起伏賦予宇宙以結構和生命。
  宇宙學和黑洞是霍金的兩個主要研究領域。霍金在經典物理的框架中證明了廣義相對論的奇性定理和黑洞面積定理,在量子物理的框架中發現了黑洞蒸發現象並提出無邊界的霍金宇宙模型。黑洞和宇宙有許多對偶之處。例如黑洞無毛定理對應於宇宙暴漲相的無毛定理,黑洞蒸發對應於宇宙的粒子生成,黑洞和暴漲相宇宙各具視界和輻射溫度等熱。現在霍金提出,黑洞蒸發在某種意義上可以看成粒子通過所謂的嬰兒宇宙穿透到其他宇宙或同一宇宙的其他區域,這樣就把他的兩個研究領域統一起來。嬰兒宇宙研究的主要成果是證明了宇宙常數必須為零,儘管當代物理學家的抱負遠不止此。
  宇宙學是新思想的搖籃,我們可望所有物理定律都會在此得到超越或昇華。
  思維學和宇宙學有某些相似之處。人們不能用思維學以外的手段來研究思維。亞里斯多德無疑是古代最偉大的思維學家,近代羅素的理髮師佯謬和哥德爾關於公理系統非完備性的定理是兩個重要的成果。但是這個學科離開成熟還非常遠,人們還要等待多久才能在思維學中得到和宇宙學類似的自足體系呢?
  這本書是《時間簡史》的姐妹篇。因為體裁所限有些重複是難免的,但也正是在這裡可以看出作者的功力,例如他至少用四種方式來解釋黑洞蒸發現象。我們從本書不但可以鑒賞到作者的智慧,而且可以汲取他不屈不撓和樂觀主義的進取精神。
  譯者之一曾經參加1980年霍金的盧卡遜教席就職典禮,霍金的講演即收到本書的第七章。由於中西方人文背景的差異,譯者加了一些簡略的註釋。我們共花了三個月把本書譯完。以上感想即作為中譯本的序。
  杜欣欣 吳忠超1994年4月25日羅德岱堡 佛羅里達州
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 序言
  這一卷書是我在1976至1992年間所寫文章的結集。這些文章範圍廣泛,其中包括簡略自傳、科學哲學以及對科學和宇宙中我覺得激動人心的東西的闡釋。卷末收入我參與的《沙漠孤島》會晤節目的腳本。這是英國特殊的傳統之一,要求客人想像被拋棄到一座沙漠孤島上,他或她可以選擇八張唱片以供在被拯救之前消磨時光。幸運的是,我不必等待太久即可以返回到文明中來。
  因為這些文章寫作年代跨越了十六年,它們是我當時的知識的反映,我希望我的知識與日俱增,因此我註明了每篇文章的寫作日期和場合。由於每篇文章都是自足的,所以某種程度的重複是不可避免的。我已試圖減少這種情況,但仍然殘留一些。
  本卷中的許多文章是發言稿。以前我的聲音模糊到這種程度,做講演和學術報告不得不通過另一個人,通常是我的一名能理解我的研究生,他宣讀我的講稿。然而,1985年我動了一次手術後,完全喪失了講話能力。我在一段時間內沒有任何交流手段。後來,人們為我安裝了一個計算機系統和高質量的語言合成器。使我驚訝的是,我發現自己成為一位成功的公眾演講家。我喜歡解釋科學和回答問題。我知道還有許多改善的餘地,但我希望正在改善的過程中。只要讀這本書,你就能判斷我是否在改善。
  我不同意這樣的觀點,說宇宙是神秘的,它是某種人們可有直覺卻永遠不能完全分析和理解的東西。我覺得,將近四百年前由伽利略創始而由牛頓發揚光大的科學變革證明這種看法是站不住腳的。他們指出,至少宇宙中的某些領域不是為所欲為的,它們被精確的科學定律所制約。之後的歲月裡,我們已經把伽利略和牛頓的業績推廣到宇宙中幾乎每一領域。我們現在擁有了制約我們日常經驗的任何事物的數學定律。我們成功的標誌之一便是,我們現在必須耗費幾十億美元建造龐大的機器,用於把粒子加速到這樣高的能量,我們尚未知道這麼高能量粒子碰撞時會發生什麼。在地球上正常情況下不會發生這樣高的粒子能量,所以花費大量金錢去研究它們似乎顯得有些學究氣。但是,它們會發生在早期宇宙中,所以要理解我們和宇宙如何開始,就必須找出在這些能量下會發生什麼。
  我們對於宇宙還有大量無知或不解之處。但是我們過去尤其是一百年內所取得的進步,足以使人相信,我們能夠完全理解宇宙。我們不會永遠在黑暗中摸索。我們會在宇宙的完整理論上取得突破。在那種情形下,我們就真正成為宇宙的主宰。
  本卷中的科學文章是基於這樣的信念,即宇宙由秩序所制約,我們現在能部分地,而且在不太遠的將來能完全地理解這種秩序。也許這種希望只不過是海市蜃樓;也許根本就沒有終極理論,而且即便有我們也找不到。但是努力尋求完整的理解總比對人類精神的絕望要好得多。
  史蒂芬·霍金1993年3月31日
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 一、童年「1」
  我出生於1942年1月8日,這一天剛好是伽利略的三百年忌日。我估計大約有二十萬個嬰兒在同日誕生。我不知道他們中是否有人在長大後對天文學感興趣。雖然我的父母當時住在倫敦,但我卻是在牛津出生的。這是由於第二次世界大戰之時德國承諾不轟炸牛津和劍橋,所以當時牛津是個安全的出生地。英國亦以不轟炸海德堡和哥廷根作為回報。可惜的是,英德兩國這類文明的協議卻不能惠及更多的城市。      「1」作者註:這篇和下一篇文章是基於1987年9月在蘇黎士對國際運動神經細胞病學學會的發言,並和1991年8月寫的材料相合併。
  我父親是約克郡人。他的祖父,也就是我的曾祖父曾是一個富裕的農民。他曾買下太多的農場,並在本世紀初農業大蕭條時宣告破產。這次破產使我祖父母一蹶不振,但是他們仍然節衣縮食送我父親念了牛津的醫學院。之後,我父親從事熱帶病研究。1937年他去了東非。第二次世界大戰爆發時,他正在東非,他橫貫非洲大陸才得以搭船回到英國。回到英國後,儘管他知道他在醫學界作研究更有價值,他仍然自願入伍了。
  我母親生於蘇格蘭的格拉斯哥,是一位家庭醫生的七個孩子中的老二。在我母親十二歲那年,他們舉家遷往南方的德汶。像我父親的家一樣,她的家也從未大富大貴過。儘管如此,他們還是設法送她念了牛津大學。牛津畢業後,我母親從小過各種各樣的職業,其中包括她挺討厭的查稅員工作。後來她辭去了這個工作做了秘書。也就是這個工作使我父母得以在第二次世界大戰初期相識。
  我們家住在倫敦以北的海格特。我的妹妹瑪麗比我晚出生十八個月。後來大人告訴我說,當時我不歡迎她的來臨。由於我們之間年齡相差太少,所以我們在整個童年期間關係都有一點緊張。然而,在我們成年之後,由於各奔前程,相互之間的不愉快就化為烏有。她成了一名醫生,這很討我父親歡心。我的更小的妹妹菲利珀出生時,我已快滿五週歲,並且知道發生了什麼事情。我還能記得,我盼望她的到來,這樣我們三個人好在一道作遊戲。她是一名非常深沉穎悟的小孩。我總是尊重她的判斷和意見。我的弟弟愛德華來得很晚,那時我已十四歲了,所以他幾乎根本沒有進入過我的童年。他和其他三個小孩非常不同,成為完全非學術性和非知識型的了。這對我們也許是件好事。他是名相當淘氣的孩子,但是你不能不喜歡他。
  我最早的記憶是站在海格特的拜倫宮的托兒所裡嚎啕大哭。我周圍的小孩都在玩似乎非常美妙的玩具。我想參加進去,但是我才兩歲半,這是第一回我被放到不認識的人群當中去。我是父母的第一個小孩,我父母遵循育嬰手冊的說法,小孩在兩歲時必須開始社交。所以我想我的反應一定使他們十分驚訝。度過這麼糟糕的上午後,他們即把我帶走,一年半之內再也沒有把我送回到拜倫宮。
  那正是世界大戰結束不久,海格特是許多科學家和學術界人士的住處。他們如果在其他國家就會被稱作知識分子,但是英國從未承認有過任何知識分子。所有這些人都把孩子送到拜倫宮學校,這是一所當時非常先進的學校。我記得自己曾向父母親報怨過,說他們沒有教我任何東西。他們不相信當時接受的填鴨式教學法,你必須在不知不覺之中學會閱讀。最終我是學會了閱讀,那是直到八歲的相當晚的年齡。我的妹妹菲利珀是用更方便的方法被教會閱讀的,四歲時就會閱讀了。那時候,她一定比我能幹。
  我們住在一幢又高又窄的維多利亞式的房子裡。這是我父母親在戰時以非常廉價買下的,那時所有人都認為倫敦會被炸平。事實上,一枚V-2火箭在離開我們幾幢房子處著地。當時我和母親以及妹妹都不在,而我的父親在房子裡。幸運的是,他沒有受傷,房子也未受重創。有好幾年的時間路上一直遺留有一個大彈坑,我經常和我的朋友霍佛在裡面玩,他家和我隔三個門。霍佛無異為我揭開了一個新天地,因為他的父母不是知識分子,不像我所認識的其他小孩父母那樣。他上公立學校,而不是拜倫宮,他通曉足球和拳擊,這些都是我父母堅決禁止的。
  另一個最早的回憶是得到玩具火車。戰時不製造玩具,至少不對國內市場。但是,我對模型火車極其著迷。我父親為我做了一列木頭火車,這並不使我滿足,因為我要一列會開動的。所以我父親搞到一列二手貨的帶發條的火車,焊好後給我作為聖誕禮物,那時我快滿三歲了。那火車不能很好行駛。戰事剛結束我父親就去了美國,在乘「瑪麗皇后」的歸途中,他為我母親買了一些尼龍,當時在英國得不到尼龍。他給我妹妹瑪麗買回一個玩具娃娃,這個玩具娃娃一躺下就把眼睛閉上。他為我買了一列美國火車,還帶有排障器和8字型的軌道。我尚能記得自己在打開盒子時的激動之情。
  發條火車似乎是盡善盡美了,但是我真正想要的是電動火車。我經常花好幾個鐘頭觀看海格特附近的模型鐵路俱樂部展覽。電動火車是我夢寐以求的東西。最後,當我父母親都不在的時候,我把存在郵局銀行的非常有限的錢全部取出,這是大家在特殊場合譬如講我受洗禮時給我的。我用這些錢買了一列電動火車,但使人非常沮喪的是,它運行得不怎麼好。今天我們知道了顧客的權益。我應該把它送回,要求商店或者廠家換一列。但是在那個時候,人們以為買東西便是一種特權,如果商品有毛病的話,就只能怪你運氣欠佳。這樣我花錢買了電動馬達,它卻從未正常工作過。
  後來,我在十幾歲時製作了模型飛機和輪船。我的手工從來就不靈巧,這是和我的學友約翰·馬克連納漢合作的。他比我能幹得多;而且他父親在家裡有一個車間。我的目標總是建造我能控制的可以開動的模型。我不在乎其外觀如何。我想正是同樣的衝動驅使我和另外一位學友羅傑·費尼霍弗去發明一系列非常複雜的遊戲。有一種製作遊戲,還包括製造不同顏色零件的工廠,運載產品的公路鐵路以及股票市場。有一種戰爭遊戲是在有四千個方格的紙板上玩的。甚至還有一種封建遊戲,每一個參與者都是一個帶有家譜的皇朝。我想這些遊戲以及火車、輪船和飛機都來自於探究事物並且進而進行控制的要求。從我開始攻讀博士之後,這種渴求在宇宙論研究中才得到滿足。
  1950年我父親工作的地點從海格特附近的漢姆斯達德遷到倫敦北界的碾坊山新建的國立藥物研究所。看來遷到倫敦郊區再通勤到城裡比從海格特向外面通勤更方便些。我父母親因此在教堂城聖阿爾班斯購買了一幢房子,大約在碾坊山以北十英里以及倫敦以北二十英里的地方;這是一幢頗為典雅頗具特色的巨大的維多利亞時代的房子。我父母買房子時手頭並不富裕,所以在我們遷進去之前要做許多修繕。此後我的父親正如同他的約克郡老鄉一樣,再也不願花錢作任何修繕。他自己盡量地維護並油漆房子,但是房子太大而且他又不擅長此道。然而,房子建得很穩固,所以能經受得了多年失修。1985年我父親病得很重時(他死於1986年),我父母親把它賣掉了。我最近還看到它。似乎從那時以後就沒有整修過,但是看起來卻沒有什麼改變。
  這幢房子是為帶僕人的家庭設計的。在食物室裡有一塊指示板,上面可以顯示哪個房間在按鈴。我們當然雇不起傭人,我的第一個臥室是L形狀的,大概以前是傭人的房間。我的表姐薩拉建議我要這個房間,她比我稍大些,我非常讚賞她。她說我們在那裡會很開心。這間房子的一個吸引人之處是,可以從窗戶爬到外面的自行車庫的房頂上,然後再回到地面上來。
  薩拉是我母親的姐姐詹尼特的女兒。我的姨媽是一名醫生,她機一名心理分析家結了婚。他們住在哈本頓的一幢相似的房子裡,那是再往北五英里的一個村莊。他們是我們搬到聖阿爾班斯的一個原因。使我得以接近薩拉真是個大獎賞。我時常乘公共汽車去哈本頓。聖阿爾班斯本身緊臨羅馬人古城委魯拉明的遺址,它是除了倫敦以外的羅馬人在英國的最重要駐地。中世紀時這兒有英國最富有的寺院。這個城市是圍繞著聖阿爾班斯的陵墓建築起來的,他是一名羅馬軍官,據說是第一個在英國因信仰耶穌而被處死的人。寺院殘留下的只是非常大且相當醜陋的教堂以及老寺院正門的建築物,後者成為聖阿爾班斯學校的一部分,我後來就在這裡上學。
  聖阿爾班斯和海格特或哈本頓相比較是有點枯燥而保守的地方。我父母親在這裡幾乎沒有朋友。這應該部分怪他們自己,因為他們尤其是我父親天性孤癖。但是這也反映了這兒的居民是不同的,我的聖阿爾班斯同學的父母中幾乎完全沒有知識分子。
  我們家在海格特顯得是相當正常,而在聖阿爾班斯一定被認為是怪異的。這種看法因為我父親的行為而得到加強,他只要能省錢就根本不在乎外表。在他年幼時家境曾經非常窮困,這給他留下終身的印象。他不能忍受為了自身的舒服而花錢,甚至直到晚年他有能力這麼做時也是如此。他拒絕安裝中心取暖系統,儘管他覺得非常冷。他寧願穿幾件毛衣並在他通常衣服之外再罩上一件睡衣,但是他對他人卻非常慷慨。
  在本世紀五十年代他覺得買不起新車,所以就購買了一輛戰前的倫敦的出租車,他和我用波紋金屬板建成一座車房。鄰居被激怒了,但是他們無法阻止我們。我和多數孩子一樣需要群體活動,但是我為父母親感到難為情。而他們卻從未為此擔心過。
  當我第一次到聖阿爾班斯時,我被送到女子高級學校去,這個學校也收十歲以下的男孩。我在那裡上了一學期之後,我父親又要進行幾乎一年一度的非洲走訪。這一回需要大約四個月的相當長的時間。我母親不想被留下這麼長時間,這樣她就帶著我的兩個妹妹和我去看望她的學友貝瑞爾,貝瑞爾是詩人羅伯特·格雷夫斯的妻子。他們住在西班牙的馬約嘉島上的叫德雅的村莊上。這是戰後才五年的事,曾與希特勒和莫索裡尼同盟的西班牙的獨裁者佛朗西斯科·佛朗哥尚在台上。(事實上,之後他仍掌了二十多年的權。)儘管如此,曾在戰前參加過共產主義青年團的我的母親,挽帶著這三個子女乘輪船火車抵達馬約嘉。我們在德雅租了一幢房子,度過了快樂的時光。我和羅伯特的兒子威廉共有一位導師。這位導師是羅伯特的門徒,他對為愛丁堡戲劇節寫劇本比對教導我們更感興趣。所以他每天佈置我們閱讀一章《聖經》並要求依此作一篇文章。他的想法是教我們英國語言的美。在我離開之前我們學完了全部《創世記》和《出埃及記》的部分。我從這兒學到的一件主要東西便是造句時不用「還有」起頭。我指出在《聖經》中多數文章都以「還有」起頭的,但是據我所知英文從詹姆士王之後即改變了。我爭辯道,如果情形如此,為何強迫我們念《聖經》?但這一切都是徒勞的。那時候羅伯特·格雷夫斯十分沉迷於《聖經》的象徵主義和神秘主義。
  當我們從馬約嘉回來後,我又在另一所學校上了一年,然後我參加了所謂的十一加考試。這是那時一種對所有要獲取國家教育的孩子進行的智力試驗。主要是因為一些中產階級的孩子通不過並被送進非學術性的學校,所以現在這種試驗已被取消。但是我的表現在試驗中比在課程中要優異得多,所以就通過了十一加並允許在聖阿爾班斯學校免費就讀。
  我十三歲時父親要我去考西敏學校,這是一所主要的付費住校的——那也就是說私立的學校。那時候的教育在階級劃分上有很深的鴻溝。父親覺得,由於他缺乏權勢,使得許多能力不如卻門第更高貴的人爬到他前面去。因為我父母不甚富裕,所以我必須獲得獎學金。然而,由於我在獎學金考試時生病,所以未能參加。我只好留在聖阿爾班斯學校。我在那裡受到的教育至少和西敏學校一樣好。我從未覺得自己的出身的平凡成為人生的障礙。
  那時的英國教育是等級森嚴的。學校不但被分成學術的和非學術的,而且學術學校還分成A、B和C等。這對A等的學生非常有利,對B等的學生就不怎麼有利,而對不受鼓勵的C等學生則非常不利。我因為十一加考得好被分配到A等中。但是一年後班級裡第二十名以下的所有學生都被測到B等去。這對他們的自信心是一個巨大的打擊,有些人再也沒有恢復過來。我在聖阿爾班斯的前兩個學期分別是第二十四和第二十三名,但是在第二學期變到第十八名。就這樣僥倖逃脫。
  我在班級裡從未名列在前一半過(這是一個非常優秀的班級)。我的作業很不整潔,老師覺得我的書寫無可救藥。但是同學們給我的綽號是愛因斯坦,可能他們看出某些更好的徵兆。當我十二歲時,我的兩位朋友用一袋糖果打賭,說我永遠不可能成才。我不知道這樁賭事是否已經塵埃落定,如果是這樣的話,何方取勝。
  我有六七位好朋友,我和他們中的多數迄今仍有聯繫。我們通常進行長時間的討論和爭議,其主題涵蓋一切,從無線電遙控模型至宗教,從靈學一直到物理學。我們談論的一件事是關於宇宙的起源以及是否需要上帝去創生它再使它運行。我聽說從遙遠星系來的光線受到向光譜紅端的移動,而且這種現象被認為表示宇宙正在膨脹。(向藍端的移動被認為是在收縮。)但是我斷定紅移必定是由其他原因引起的。也許光線在傳播到我們的路途中累了並且變得更紅了。一個本質上不變的並且水存的宇宙顯得更為自然得多。只有在我進行了兩年博士研究之後才意識到過去錯了。
  在我進入學校的最後兩年,我才定下數理的專業。有一位非常具有啟發性的數學老師,他名叫塔他先生。學校裡剛設了一間數學教室,可以用來放置數學器具。但是我父親對此極為反對。他認為數學家除了教書之外找不到工作。他確實希望我從事醫學,但是我對生物學毫無興趣,對我而言這個學科過於敘述性並且不夠基礎。我父親知道我不願學生物學,但是他讓我學化學和少量數學。他覺得這樣可讓我將來在學科上再作選擇留下餘地。我現在是一名數學教授,但自從我十七歲離開聖阿爾班斯學校之後再也沒有正式上過數學課。在數學方面我必須做到需要什麼就吸收什麼。我曾經在劍橋指導過本科生,只要在進度上比他們提前一個禮拜即可以了。
  我父親從事熱帶病的研究。他有時帶我上他在碾坊山的實驗室。我很喜歡這個,尤其是通過顯微鏡作觀察。他還帶我去昆蟲館,他養一些染上熱帶病的蚊子。因為我總覺得有一些蚊子到處亂飛,所以很擔心。他非常勤奮並且專心致志於研究。因為他覺得其他有背景和關係但不如他的人爬到他上頭去,所以得更加奮力挑戰才行。他經常警告我要提防這種人。但是我認為物理學和醫學略有不同。你上哪個學校以及和誰有關係是無所謂的。關鍵在於你的成果。
  我總是對人物的如何運行深感興趣,經常把東西拆散以窮根究底,但在再把它們恢復組裝回去時束手無策。我的實際能力從來跟不上我的理論探討。我的父親鼓勵我在科學上的興趣,他甚至在他的知識範圍內做我數學上的教練。有這樣的背景再加上父親的工作,我要進入科學研究就是水到渠成的事。在我幼年時代對所有科學都一視同仁。十三、四歲後我知道自已經在物理學方面作研究,因為這是最基礎的科學,儘管我知道中學物理學太容易太淺顯所以最枯燥。化學就好玩得多了,不斷發生許多意料之外的事,如爆炸等等。但是物理學和天文學有望解決我們從何處來和為何在這裡的問題。我想探索宇宙的底蘊。也許我在一個小的程度上獲得了成功,但是還有大量問題有待研究。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 二、牛津和劍橋
  我父親非常希望我能進牛津或劍橋。他本人上過牛津的大學學院,所以他認為我應該申請這個學院,這樣我被接受的機會更大些。那時大學學院沒有數學的研究員,這是他要我學習化學的另一個原因:我可以嘗試自然科學而非數學方面的獎學金。
  我家的其他成員去了印度有一年,但是我必須留下準備A水平和大學入學的考試。我的校長認為我去投考牛津太年輕了些,但是在1959年3月我還是和學校中另外兩個比我高一年的男孩參加了獎學金考試。當大學監考講師和其他人講話而不理我時,我相信我考得很糟,所以非常沮喪,在從牛津回家後幾天,我收到了一封電報,說我得到了獎學金。
  我那時十七歲,同年級同學中的大多數都在軍隊服務過,所以比我大許多。在大學第一年以及第二年的部分時間裡我覺得相當孤單。只有到了第三年我才真正感到快樂。當時籠罩牛津的氣氛是極端厭學。要是你不屬於聰明而老不用功的,則就甘心承認自己不行得到四等。由於用功而得到好分數被認為是灰人,這是牛津詞彙中最壞的諢名。
  那時牛律的物理學課程安排得特別容易,你可以毫不用功。在牛津上學的三年中只在剛入學和快結束時各考一回。找曾計算過,三年期間我總共用了一千小時的功,也就是平均每天一小時。我並不為我的懶惰感到自豪。我只不過描述當時我和大多數同學的共同態度:對一切完全厭倦並覺得沒有任何值得努力追求的東西。我的疾病的一個結果就是把這一切都改變了:當你面臨著夭折的可能性,你就會意識到,生命是寶貴的,你有大量的事情要做。
  因為我沒有用功,為了通過期終考我就打算做理論物理的問題,避免記憶性的知識。可是,考試前夜我由於神經緊張而失眠,因此考得不很好。我處於第一等和第二等的邊緣,所以必須接受考官的面試才能最後決定。他們在面試時問我未來的計劃。我回答說要做研究。如果他們給我一等,我就去劍橋。如果我只得到二等,我則留在牛津。他們給了我一等。
  我覺得理論物理中有兩個領域是基本的,我可以做研究的,一個是研究非常大尺度的即宇宙學,另一個是研究非常小尺度的即基本粒子。因為基本粒子缺乏合適的理論,所以我認為它較不吸引人。雖然科學家發現許多新粒子,他們能做的只不過是和植物學一樣把各種粒子分門別類。相反的,在宇宙學方面已有一個定義完好的理論,即愛因斯坦的廣義相對論。
  當時在牛津沒人研究宇宙學,而在劍橋的弗古得·霍伊爾卻是英國當代最傑出的天文學家。所以我申請跟霍伊爾作博士論文。我到劍橋做研究的申請被接受了,其先決條件是我要得到第一等成績。但是使我惱火的是,我的導師不是霍伊爾,而是鄧尼斯·西阿瑪,我以前沒有聽說過他。然而,最後發現這是最佳的安排。霍伊爾經常在國外,我也許不能經常見到他。另一方面,西阿瑪總在那裡,他的教導總是發人深省,儘管我們之間經常意見相左。
  因為我在學校和牛津並沒有學到許多數學,所以一開始時發現廣義相對論非常艱深,進展緩慢。此外,我在上牛津的最後一年發現自己的行動越來越笨拙。到了劍橋不久即被診斷患了肌肉萎縮性側面硬化病,在英國稱作運動神經細胞病。(在美國又稱作廬伽雷病。)醫生對於治癒甚至控制它的惡化都束手無策。
  最初這種病惡化得相當迅速。因為我預料自己不會活到結束博士論文,所以看來沒有必要作研究。然而,隨著時間的過去,這種病的惡化似乎減慢了下來。我還開始理解了廣義相對論並在研究上有所進展。真正使我生活改觀的是我和一位名叫簡·瓦爾德的姑娘定婚。
  我邂逅她之時大約便是診斷得了運動神經細胞病前後。這就使我有了一些活頭。
  但是為了結婚,我需要一個工作,為了得到工作,需要一個博士學位。因此在我的一生中首次開始用功。令我驚訝的是,我發現自己喜歡研究。也許把它稱作工作是不公平的。有人說道:科學家和妓女都為他們喜愛的職業得到報酬。
  我向龔維爾和凱爾斯(發音作基斯)學院申請研究獎金。我希望簡能為我的申請表打字,可是當她來劍橋看望我時,她的手臂因為骨折打上石膏。我必須承認,我應對她更為體貼才對。還好,她是傷了左臂,所以她還能按照我的口授填好該表,我再請另外的一個人打字。
  我在申請時列入兩個人的名字作為我的推薦人。我的導師建議我請赫曼·邦迪作為其中之一。邦迪那時是倫敦國王學院的數學教授,他是一名廣義相對論專家。我見過他兩回,他還為我提交過要在《皇家學會會報》上發表的一篇文章。我在他有一次在劍橋演講後要求此事,他以迷惑的眼神凝視我,然後答應說可以。他顯然遺忘了我,因為當學院寫信問他時,他回答說沒有聽說過我。現在,有這麼多人申請學院的研究獎金,如果候選人的推薦人中有一人說對他不瞭解,他也就不會有機會了。但是那時競爭沒有這麼激烈。學院寫信通知我這推薦人的難堪的答覆,而我的導師到邦迪那兒去使他回想起我來。邦迪後來為我寫了一封也許溢美的推薦信。我如願得到了研究獎金,從此以後一直是凱爾斯學院的研究員。
  我在得到了研究獎金後才得以和簡在1965年7月完婚。我們在蘇福克渡了一周蜜月,這是我們僅能負擔的。後來我們去了紐約州的康奈爾大學舉行的廣義相對論暑期班。這是一項錯誤。我們住的宿舍充滿了帶著哭鬧小孩的夫妻,這使我們的婚姻生活不甚愉快。但在,這個暑期班在其他方面對我們非常有益,因為我結識了許多在該領域的頭面人物。
  直至1970年止我的研究集中於宇宙論,也就是在大尺度上研究宇宙。這個時期我最重要的成果是關於奇性。對遙遠星系的觀測表明它們正遠離我們而去:宇宙正在膨脹。這說明在過去這些星系必然更加相近。這就產生了這個問題:是否有過產個日寸刻,所有星系都相互重疊在一起,而宇宙的密度是無限的?或者早先是否存在一個收縮相,那時在這個收縮相中這些星系想法避免相互對撞?也許它們相互穿越,然而再相互離開。要回答這個問題需要新的數學技巧。這些就是在1965年和1970年之間主要由羅傑·彭羅斯和我自己所發展的。彭羅斯那時在倫敦的比爾貝克學院,現在他在牛津。我們用這些技巧來證明,如果廣義相對論是正確的話,則在過去必然存在過一個無限密度的狀態。
  這個無限密度的狀態被叫作大爆炸奇性。它意味著,如果廣義相對論是正確的,則科學不能預言宇宙是如何啟始的。然而,我更新近的研究成果表明,如果人們考慮到量子物理理論,這個有關非常小尺度的理論,則可能預言宇宙是如何啟始的。
  廣義相對論還預言,當大質量恆星耗盡其核燃料時將會向自身坍縮。彭羅斯和我證明了,它們會繼續坍縮直至達到具有無限密度的奇點。至少對於該恆星以及在它上面的一切,這個奇點即是時間的終點。奇點的引力場是如此之強,甚至光線都不能從圍繞它的區域逃逸,它被引力場拉回去。不可能從該處逃逸的區域就叫做黑洞,黑洞的邊界叫做事件視界。任何通過事件視界掉進黑洞的東西或人都在奇點達到其時間的終結。
  1970年的一個晚上,當我要上床之時思考黑洞的問題,那是我的女兒露西誕生不久的事。我忽然意識到,彭羅斯和我發展的用於證明奇性的技巧可以適用於黑洞。特別是,黑洞的邊界,即事件視界的面積不會隨時間減小。而且當兩顆黑洞碰撞併合並成一顆單獨的黑洞時,最終黑洞的視界面積比原先兩顆黑洞的視界面積的和更大。這就為黑洞碰撞時可能發射的能量立下了一個重要的限制。那個晚上我激動得難以入眠。
  從1970年到1974年我主要研究黑洞。但是在1974年我也許做了畢生最令人吃驚的發現:黑洞不是完全黑的!當人們顧及物質的小尺度行為時,粒子和輻射可以從黑洞漏出來。黑洞正如同一個熱體似地發射輻射。
  1974年之後,我從事把廣義相對論和量子力學合併成一個協調理論的研究。其中一個結果便是我和加利福尼亞大學聖他巴巴拉分校的詹姆·哈特爾在1983年提出的一個設想:無論時間還是空間在範圍上都是有限的,但是它們沒有任何邊界。它們像是地球的表面,只不過多了兩維。地球表面具有有限的面積,但是沒有任何邊界。在我的所有旅行中,我從未落到世界的邊緣外去。如果這個設想是正確的,就不存在奇性,科學定律就處處有效,包括宇宙的開端在內。宇宙啟始的方式就完全由科學定律所確定。我也就實現了發現宇宙如何啟始的抱負。但是我仍然不知道它為什麼啟始。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 三、我的病歷「2」
  人們經常問我:運動神經細胞病對你有多大的影響?我的回答是,不很大。我盡量地過一個正常人的生活,不去想我的病況或者為這種病阻礙我實現的事情懊喪,這樣的事情不怎麼多。      「2」作者註:這是1987年10月在伯明翰召開的英國運動神經細胞病協會會議上的發言稿。
  我被發現患了運動神經細胞病,這對我無疑是晴天霹靂。我在童年時動作一直不能自如。我對球類都不行,也許是因為這個原因我不在乎體育運動。但是,我進牛津後情形似乎有所改變。我參與掌舵和划船。我雖然沒有達到賽船的標準,但是達到了學院間比賽的水平。
  但是在牛津上第三年時,我注意到自己變得更笨拙了,有一兩回沒有任何原因地跌倒。直到第二年到劍橋後,我母親才注意到並把我送到家庭醫生那裡去。他又把我介紹給一名專家,在我的二十一歲生日後不久即入院檢查。我住了兩周醫院,其間進行各式各樣的檢查。他們從我的手臂上取下了肌肉樣品,把電極插在我身上,把一些放射性不透明流體注入我的脊柱中,一面使床傾斜,一面用X光來觀察這流體上上下下流動。做過了這一切以後,除了告訴我說這不是多發性硬化,並且是非典型的情形外,什麼也沒說。然而,我合計出,他們估計病情還會繼續惡化,除了給我一些維他命外束手無策。我能看出他們預料維他命無濟於事。這種病況顯然不很妙,所以我也就不尋根究底。
  意識到我得了一種不治之症並在幾年內要結束我的性命,對我真是致命打擊。這種事情怎麼會發生在我身上呢?為什麼我要這樣地夭折呢?然而,住院期間我目睹在我對面床上一個我稍微認識的男孩死於肺炎。這是個令人傷心的場合。很清楚,有些人比我還更悲慘。我的病情至少沒有使我覺得生病。只要我覺得自哀自憐,就會想到那個男孩。
  不知什麼災難還在前頭,也不知病情惡化的速率,我不知所措。醫生告訴我回劍橋去繼續我剛開始的在廣義相對論和宇宙論方面的研究。但是,由於我的數學背景不夠,所以進展緩慢,而且無論如何,我也許活不到完成博士論文。我感到十分倒楣。我就去聽維格納的音樂。但是雜誌上說我酗酒是過於誇張了。麻煩在於,一旦有一篇文章這麼說,另外的文章就照抄,這樣可以起聳動效應。似乎在印刷物上出現多次的東西部必定是真的。
  那時我的夢想甚受困擾。在我的病況診斷之前,我就已經對生活非常厭倦了。似乎沒有任何值得做的事。我出院後不久,即做了一場自己被處死的夢。我突然意識到,如果我被赦免的話,我還能做許多有價值的事。另一場我做了好幾次的夢是,我要犧牲自己的生命來拯救其他人。畢竟,如果我總是要死去,做點善事也是值得的。
  但是,我沒死。事實上,雖然我的將來總是籠罩在陰雲之下,我驚訝地發現,我現在比過去更加享受生活。我在研究上取得進展。我定婚並且結婚,我還從劍橋的凱爾斯學院得到一份研究獎金。
  凱爾斯學院的研究獎金及時解決了我的生計問題。選擇理論物理作為研究領域是我的好運氣,因為這是我的病情不會成為很嚴重阻礙的少數領域之一。而且幸運的是,在我的殘廢越來越嚴重的同時,我的科學聲望越來越高。這意味著人們準備給我許多職務,我只要作研究,不必講課。
  我們在住房方面也很走運。我們結婚的時候,簡仍然是倫敦的威斯特費爾德學院的一名本科生,所以她周中必須上倫敦去。因為我不能走很遠。這就表明我要找到位於中心的能夠料理自己的地方。我向學院求助過,但是當時的財務長告訴我,學院不替研究員找住房。我們就以自己的名義預租正在市場建造的一組新公寓中的一間。(幾年後,我發現這些公寓是學院所有的,但是他們沒有告知我這些。)當我們在美國過完夏天返回劍橋之時,這些公寓還未就緒。這位財務長作了一個巨大的讓步,讓我們住進研究生宿舍的一個房間。他說:「這個房間一個晚上我們正常收費十二先令六便士。但是,由於你們兩個人住在這個房間,所以收費二十五先令。」
  我們只在那裡住了三夜。然後我們在離我大學的系大約一百碼的地方找到一幢小房子。它屬於另一間學院的,並租給了它的一位研究員。他最近搬到郊區的一幢房子裡,把他租約還餘下的三個月分租給我們。在那三個月裡,我們在同一條街上找到另一幢空置的房子。一位鄰居從多塞特找到房東並告訴她,當年輕人還在為住宿苦惱時讓她的房子空置是太不像話。這樣她就把房子租給我們。我們在那裡住了幾年後,就想把它買下並作裝修,我們向學院申請分期貸款。學院進行了一下估算,認為風險較大。這樣最後我們從建築社得到分期貸款,而我的父母給了我裝修的錢。
  我們在那兒又住了四年,直到我無法攀登樓梯為止。這時候,學院更加賞識我並且換了一個財務長。因此他們為我們提供了學院擁有的一幢房子的底層公寓。它有大房間和寬的門,對我很合適。它的位置足夠中心,我就能夠駕駛電動輪椅到我的大學的系去。它還為學院園丁照管的一個花園所環繞,對我們的三個孩子也十分愜意。
  直到1974年我還能自己餵飯並且上下床。簡設法幫助我並在沒有外助的情形下帶大兩個孩子。然而此後情形變得更困難,這樣我們開始讓我的一名研究生和我們同住。作為報酬是免費住宿和我對他研究的大量注意,他們幫助我起床和上床。1980年我們變成一個小團體,其中私人護士早晚來照應一兩小時。這樣子一直持續到1985年我得了肺炎為止。我必須採取穿氣管手術,從此我便需要全天候護理。能夠做到這樣是受惠於好幾種基金。
  我的言語在手術前已經越來越不清楚,只有少數熟悉我的人能理解。但是我至少能夠交流。我依靠對秘書口授來寫論文,我通過一名翻譯來作學術報告,他能更清楚地重複我的話。然而,穿氣管手術一下子把我的講話能力全部剝奪了。有一陣子我唯一的交流手段是,當有人在我面前指對拼寫板上我所要的字母時,我就揚起眉毛,就這樣把詞彙拼寫出來。像這種樣子交流十分困難,更不用說寫科學論文了。還好,加利福尼亞的一位名叫瓦特·沃爾托茲的電腦專家聽說我的困境。他寄給我他寫的一段叫做平等器的電腦程序。這就使我可以從屏幕上一系列的目錄中選擇詞彙,只要我按手中的開關即可。這個程序也可以由頭部或眼睛的動作來控制。當我積累夠了我要說的,就可以把它送到語言合成器中去。
  最初我只在台式計算機上跑平等器的程序。後來,劍橋調節通訊公司的大衛·梅森把一台很小的個人電腦以及語言合成器裝在我的輪椅上。我用這個系統交流得比過去好得多,每分鐘我可造出十五個詞。我可以要麼把寫過的說出來,要麼把它存在磁碟裡。我可以把它打印出來,或者把它召來一句一句地說出來。我已經使用這個系統寫了兩部書和一些科學論文。我還進行了一系列的科學和普及的講演。聽眾的效果很好。我想,這要大大地歸功於語言合成器的質量,它是由語言加公司製造的。一個人的聲音很重要。如果你的聲音含糊,人們很可能以為你有智能缺陷。我的合成器是我迄今為止所聽到最好的,因為它會抑揚頓挫,並不像一台機器在講話。唯一的問題是它使我說話帶有美國口音。然而,現在我已經和它的聲音相認同。甚至如果有人要提供我英國口音,我也不想更換。否則的話,我會覺得變成了另外的一個人。
  我實際上在運動神經細胞病中度過了整個成年。但是它並未能夠阻礙我有個非常溫暖的家庭和成功的事業。我要十分感謝從我的妻子、孩子以及大量的朋友和組織得到的幫助。很幸運的是,我的病況比通常情形惡化得更緩慢。這表明一個人永遠不要絕望。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 四、公眾的科學觀「3」
  不管我們喜歡不喜歡,我們生活其中的世界在過去一百年間遭受到劇烈的變化,看來在下個世紀這種變化還要更厲害。有些人寧願停止這些變化,回到他們認為是更純潔單純的年代。但是,正如歷史所昭示的,過去並非那麼美好。過去對於少數特權者而言是不壞,儘管甚至他們也享受不到現代醫藥,婦女生育是高度危險的。但是,對於絕大多數人,生活是骯髒、野蠻而短暫的。      「3」作者註:這是1989年10月在西班牙奧維多接受阿斯特裡烏斯王子協和獎金時的講演。此文作過修訂。
  無論如何,即便人們嚮往也不可能把時鐘扳回到過去。知識和技術不能就這麼被忘卻。人們也不能阻止將來的進步。即便所有政府都把研究經費停止(而且現任政府在這一點上做得十分地道),競爭的力量仍然會把技術向前推進。況且,人們不可能阻止頭腦去思維基礎科學,不管這些人是否得到報酬。防止進一步發展的唯一方法是壓迫任何新生事物的全球獨裁政府,但是人類的創造力和天才是如此之頑強,即便是這樣的政府也無可奈何。充其量不過把變化的速度降低而已。
  如果我們都同意說,無法阻止科學技術去改變我們的世界,至少要盡量保證它們引起在正確方向上的變化。在一個民主社會中,這意味著公眾需要對科學有基本的理解,這樣做的決定才能是消息靈通,而不會只受少數專家的操縱。現今公眾對待科學的態度相當矛盾。人們希望科學技術新發展繼續導致生活水平的穩定批高,另一方面由於不理解而不信任科學。一位在實驗室中製造佛朗肯斯坦機器人的發瘋科學家的卡通人物便是這種不信任的明證。這也是支持綠黨的一個背景因素。但是公眾對科學,尤其是天文學興趣盎然,這可從諸如《宇宙》電視系列片和科學幻想對大量觀眾的吸引力而看出。
  如何利用這些興趣向公眾提供必須的科學背景,使之在諸如酸雨、溫室效應、核武器和遺傳工程方面作出真知灼見的決定?很清楚,根本的問題是中學基礎教育。可惜中學的科學教育既枯燥又乏味。孩子們依賴死記硬背矇混過關,根本不知道科學和他們周圍世界有何相關。此外,通常需要方程才能學會科學。儘管方程是描述數學思想的簡明而精確的方法和手段,大部分人對之敬而遠之。當我最近寫一部通俗著作時,有人提出忠告說,每放進一個方程都會使銷售量減半。我引進了一個方程,即愛因斯坦著名的方程,E=mc↑2.也許沒有這個方程的話我能多賣出一倍數量的書。
  科學家和工程師喜歡用方程的形式表達他們的思想,因為他們需要數量的準確值。但對於我們中的其他人,定性地掌握科學概念已經足夠,這些概念只要通過語言和圖解而不必用方程即能表達。
  人們在學校中學的科學可提供一個基本框架。但是現在科學進步的節奏如此之迅速,在人們離開學校或大學之後總有新的進展。我在中學時從未學過分子生物學或晶體管,而遺傳工程和計算機卻是最有可能改變我們將來生活方式的兩種發展。有關科學的通俗著作和雜誌文章可以幫助我們知悉新發展,但是哪怕是最成功的通俗著作也只為人口中的一小部分閱讀。只有電視才能觸及真正廣大的觀眾。電視中有一些非常好的科學節目,但是還有些人把科學奇跡簡單地描述成魔術,而沒有進行解釋或者指出它們如何和科學觀念的框架一致。科學節目的電視製作者應當意識到,他們不僅有娛樂公眾而且有教育公眾的責任。
  在最近的將來,什麼是公眾在和科學相關的問題上應做的決定呢?迄今為止最緊急的應是有關核武器的決定。其他的全球問題,諸如食物供給或者溫室效應則是相對遲緩的,但是核戰爭意味著地球的全人類在幾天內被消滅。冷戰結束帶來的東西方緊張關係的緩解表明,核戰爭的恐懼已從公眾意識中退出。但是只要還存在把全球人口消滅許多遍的武器,這種危險仍然在那裡。在前蘇聯和美國的核武器仍然把北半球的主要城市作為毀滅目標。只要電腦出點差錯或者掌握這些武器的人員不服從命令就足以引發全球戰爭。更令人憂慮的是現在有些弱國也得到了核武器。強國的行為相對負責任一些,但是一些弱國如利比亞或伊拉克、巴基斯坦或甚至阿塞拜疆的誠信就不夠高。這些國家能在不久獲得的實際的核武器本身並不太可怕,儘管能炸死幾百萬人,這些武器仍然是相當落後的。其真正的危險在於兩個小國家之間的核戰爭會把具有大量核儲備的強國捲進去。
  公眾意識到這種危險性,並迫使所有政府同意大量裁軍是非常重要的。把所有核武器銷毀也許是不現實的,但是我們可以減少武器的數量以減輕危險。
  如果我們避免了核戰爭,仍然存在把我們消滅的其他危險。有人講過一個惡毒的笑話,說我們之所以末被外星人文明所接觸,是因為當他們的文明達到我們的階段時先把自己消滅。但是我對公眾的意識有充分的信任,那就是相信我們能夠證明這個笑話是荒謬的。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 五、《簡史》之簡史「4」
  為慶祝我的《時間簡史》所舉行的招待會迄今仍然使我大吃一驚。此書已在《紐約時報》最暢銷書榜上列名達三十七周之久,在倫敦的《星期日泰晤士報》上達二十八周之久。(它在英國比在美國出版得晚。)它被翻譯成二十種文字(如果你把美語和英語相區分的話,應算作二十一種文字)。這大大超過我在1982年首次打算寫一本有關宇宙的通俗讀物時所預料的。我的部分動機是為我女兒掙一些學費。(事實上,在本書面世時,她在上學校的最後一年。)但是其主要原因是我要向人們解釋,在理解宇宙方面我們已經走到多麼遠的地步:我們也許已經非常接近於找到描述宇宙其中的萬物的完整理論。      「4」作者註:此文原載於1988年12月的《獨立者》上。《時間簡史》榮登《紐約時報》最暢銷書榜達五十三周之久;在英國直至1993年2月止已列名倫敦的《星期日泰晤士報》的最暢銷書榜上達二百零五周之久。(一百八十四周後,由於在這個榜上最出盡風頭而被收入吉尼斯氏世界紀錄。)現在已被翻譯成三十三種版本。
  如果我準備花時間和精力寫一本書,就要使它有盡可能多的讀者。我以前的專業性的書都由劍橋大學出版社出版。那是一家出色的出版社,但是我覺得它並沒有真正面向我所要觸及的大眾。因此,我就和一位文化經紀人,阿爾·朱克曼接觸。他是由一位同事的親戚介紹給我的。我給了他第一章的草稿,並對他解釋道,我要使它成為在機場書攤上出售的那一種書。他告訴我說,這根本不可能。它也許很受學術界和學生的歡迎,但是要想侵入傑弗裡·阿歇爾「5」的領地絕無可能。      「5」作者註:傑弗裡·阿歇爾(Jeffrey Archer)是美國當代懸念通俗小說家。
  1984年我把本書的初稿交給朱克曼。他把它送交幾個出版商,並提議我接受諾頓的條件,諾頓是美國的一家相當出色的書籍公司。但是,我卻接受了拜坦姆書社的條件,這是一家更加面向大家的出版社。雖然拜坦姆並不專精於科學書籍,他們的出版物卻遍佈機場書攤。他們接受我的書的緣由可能是出於他們的一位編輯彼得·古查底的興趣。他對自己工作非常盡責,並讓我把這本書重寫,寫成像他那樣的非科學家都能理解的程度。我每回寄給他重寫的章節,他都寄回一長列異議和要我澄清的問題。我好幾回想這個過程將會沒完沒了。但是他是對的:這本書因此變得好得多。
  在我接受拜坦姆條件之後不久,即得了肺炎。我不得不接受穿氣管的手術,它使我失去說話能力。在一段時間內,我只能靠揚眉來進行交流,這時另一個人指著一塊板上的字母。多虧人家所贈送給我的計算機程序,才使我可能完成此書。它是有一些緩慢,但是那時候我也思維得慢,所以我們可以配合得好。我依賴它幾乎完全重寫了初稿以回應古查底的要求。我在修改之時得到我的學生布裡安·維特的幫助。
  雅各布·布朗諾夫斯基「6」的電視系列片《人類進化》給我留下深刻印象。它簡略地介紹了人類在僅僅一萬五千年內從以前的初級野人進化到現代狀態的成就。對於朝著完全理解制約宇宙定律的進展方面,我想給人們傳達一種類似的感覺。我很清楚,幾乎無人不對宇宙如何運行感興趣,但是大部分人不能理解數學方程——我本人對方程也不太在乎。其部分原因是我寫方程很困難,但主要是因為我對方程缺乏直覺。相反地,我依照圖像來思維,我的目標是要把這些頭腦中的圖像用語言在該書中表達出來,並借助於一些熟悉的比喻和圖解。我希望用這種辦法,可以讓大多數人共享到過去二十年間物理學的顯著進步所引起的激動和成就感。      「6」譯者註:雅各布·布朗諾夫斯基(Jacob Bronowski)是英國當代人類學家。
  儘管避免了數學,一些思想仍然是非常陌生的、很難闡釋的。我就面臨著這樣兩難的境地:是否要冒著使人混淆的危險去解釋,還是要滑過這些難點呢?某些陌生的概念,譬如說以不同速度運動的觀察者測量同樣的一對事件時會得到不同的時間間隔,這個事實對於我所要描繪的圖像並不是根本的。所以,我覺得只要提到一下而不必深入討論即可以。但是,其他一些困難的思想對於我所要闡述的東西至關要緊。有兩種概念我覺得尤其需要包括進去。第一就是所謂的對歷史的求和。這就是宇宙不僅具有單獨的歷史的思想。對於宇宙而言,存在一整族所有可能的歷史,而且所有這些歷史都是同等實在的(不管其含義是什麼)。另一種思想便是「虛時間」,它對於賦予歷史求和以數學意義不可或缺。現在回想起來,當初我應多花工夫去解釋這兩個非常困難的概念,尤其是後者。虛時間似乎是人們在閱讀時遭遇到的最大障礙。其實,實在沒有必要準確理解何為虛時間——只要認為它和我們稱為實時間的不同即可以了。
  在這本書即將出版之際,一位科學家預先收到一冊,他要為《自然》雜誌替本書寫評論,他大吃一驚地發現,該書錯誤百出,照片和圖解的排列及編號是混亂的。他電告拜坦姆書社,後者同樣大吃一驚並決定即日全部收回已印的書並銷毀。他們花了三周時間緊張地改正並重校全書,趕在四月預定的出版日期在書店推出。那時《時代》週刊刊登了我的一幅剪影。儘管如此,編輯還是為市場的需求量而驚訝。現在美國正在印第七版,而英國是第十版「7」。      「7」作者註:截至1993年4月,在美國印了精裝的第四十版和平裝的第十九版,而在英國是精裝的第三十九版。
  為什麼這麼多人購買它呢?我本人的立場很難客觀,所以我想列舉他人所說的。我發現大多數評論雖然是好意的,卻是不清晰的。他們喜歡遵循這樣的公式:史蒂芬·霍金患了盧伽雷病(美國的評論),或者運動神經細胞病(英國的評論)。他被禁錮在輪椅上,不能言語,只能挪動X根手指(這兒的X似乎從一變到三,依據評論者所讀的哪篇有關我的不精確的文章而定)。然而,他寫了這部至關重大的書:我們從何處來並往何處去?霍金提供的答案是宇宙既不能創生也不能毀滅:它只是存在。霍金為了表述這個思想引進了虛時間概念,對此我(評論者)有些難於理解。儘管如此,如果霍金是對的,而且我們的確找到一套完整的統一理論,我們就真正地知道了上帝的精神。(我在看校樣時差點兒刪去該書的最後一句話,即我們會知道上帝的精神。如果我那麼做的話,這部書的銷售量就會減半。)
  我覺得倫敦的報紙《獨立者》的一篇文章相當清醒,它說甚至像《時間簡史》這樣嚴肅的科學著作也會變成一部巫書。我的妻子嚇壞了,而我卻因為寫了一部人們把它和《禪與摩托車維修工藝》相比較的書而感到甚受恭維。我希望拙作和《禪》一樣使人們覺得,他們不必自處於偉大的智慧及哲學的問題之外。
  毫無疑義,人們對於我克服殘廢而成為理論物理學家的人性好奇心起了推波助瀾的作用。但是,那些基於人性好奇而購書的會大失所望,因為書中有關我的身體狀況的只有兩處。這本書試圖成為一部宇宙史,而不是我的自傳。這並沒有阻止人們指責拜坦姆可恥地利用我的疾病,並責備我作為同謀允許把照片印在封面上。事實上,在合同中我對封面毫無發言權。然而,我曾鼓動拜坦姆在英國版中用一張好的照片,把美國版的那張淒慘的過時照片換下來。但是,拜坦姆堅持原封不動,據說美國公眾已經把它和我的書相認同。
  有人說,大家購買我的書是因為讀了它的評論或者它上了暢銷書榜,但他們並不讀它;他們只是將其放在書架或咖啡桌上,因此不須費力讀通而僅是擁有它就值得炫耀。我斷定會有這種情形發生,但我不知是否比大多數其他的包括《聖經》和莎士比亞著作在內的嚴肅的書籍更甚。另一方面,我知道至少有一些人讀過它,因為我每天都收到一疊有關此書的信件,許多人提出問題或者給出仔細的評論,這表明他們至少讀過它,即便還不能完全理解。我還不時被街上行人攔住,他們告訴我如何欣賞此書。當然,我是比大多數作者更容易被認出,或者說更有特徵,如果不是更傑出的話。但是,我接受到的公眾祝賀的頻繁度(這使我的九歲的兒子十分難為情)似乎表明,購買此書的人士中至少有一部分的確在閱讀它。
  現在人們問我下一步準備做什麼。我覺得自己肯定不會寫《時間簡史》的續集。用什麼書名呢?《時間詳史》?《時間終結之後》?《時間之子》?我的經紀人建議我允許拍一部我的傳記片。但是,如果讓演員來飾演我們,則無論是我還是我的家人的自尊心將喪失殆盡。如果我答應並協助別人來撰寫我的生平,其後果將是類似的,只不過程度減輕一些而已。當然,我不能阻止別人獨立地為我作傳,只要那不是誹謗性的,但是我想用自己正準備寫自傳的借口來應付他們。也許我真的會寫。但是我不著急。畢竟還有許多首先要做的科學問題。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 六、我的立場「8」
  這篇文章不是關於我信仰上帝與否。我將討論我如何理解宇宙的方法:作為「萬物理論」的大統一理論的現狀和意義。這裡存在一個真正的問題。研究和爭論這類問題應是哲學家的天職,可惜他們多半不具備足夠的數學背景,以趕上現代理論物理進展的節拍。還有一種科學哲學家的子族,他們的背景本應更強一些。但是,他們中的許多人是失敗的物理學家,他們知道自己無能力發現新理論,所以轉業寫作物理學哲學。他們仍然為本世紀初的科學理論,諸如相對論和量子力學而喋喋不休。他們實際和物理學的當代前沿相脫節。      「8」作者註:1992年5月在劍橋凱爾斯學院的講演。
  也許我對哲學家們過於苛刻一些,但是他們對我也不友善。我的方法被描述成天真的和頭腦簡單的。我在不同的場合曾被稱為唯名論者、工具主義者、實證主義者、實在主義者以及其他好幾種主義者。其手段似乎是借助污蔑來證偽:只要對我的方法貼上標籤就可以了,不必指出何處出錯。無人不知這些主義的致命錯誤。
  在實際推動理論物理進展的人們並不認同於哲學家和科學史家為他們發明的範疇。我敢斷定,愛因斯坦、海森堡和狄拉克對於他們是否為實在主義者或者是工具主義者根本不在乎。他們只是關心現存的理論不能相互協調。在發展理論物理中,尋求邏輯自洽總是比實驗結果更為重要。優雅而美麗的理論會因為不和觀測相符而被否決,但是我從未看到任何僅僅基於實驗而發展的主要理論。首先是需求優雅而協調的數學模型提出理論,然後理論作出可被觀測驗證的預言。如果觀測和預言一致,這並未證明該理論;只不過該理論存活以作進一步的預言,新預言又要由觀測來驗證。如果觀測和預言不符,即拋棄該理論。
  或者不如說,這是應當這麼發生的。但在實際中,人們非常猶豫放棄他們已投注大量時間和心血的理論。通常他們首先質詢觀測的精度。如果找不出毛病的話,就以想當然的方式來修正理論。該理論最終就會變成醜陋的龐然大物。然後某人提出一種新理論,所有古怪的觀測都優雅而自然地在新理論中得到解釋。1887年進行的麥克爾遜——莫雷實驗即是一個例子,它指出不管光源還是觀測者如何運動,光速總是相同的。這簡直莫名其妙。人們原先以為,朝著光運動比順著光運動一定會測量出更高的光速,然而實驗的結果是,兩者測量出完全一樣的光速。在接著的十八年間,像亨得利克·洛倫茲和喬治·費茲傑朗德等人試圖把這一觀測歸納到當時被接受的空間和時間觀念的框架中。他們引進了想當然的假設,諸如物體在進行高速運動時被縮短。物理學的整個框架變得既笨拙又醜陋。之後,愛因斯坦在1905年提出了一種遠為迷人的觀點,時間自身不能是完全獨立的。相反的,它和空間結合成稱為時空的四維的東西。愛因斯坦之所以得到這個思想,與其說是由於實驗的結果,不如說是由於需要把理論的兩個部分合併成一個協調的整體。這兩個部分便是制約電磁場的,以及制約物體運動的兩套定律。
  我認為,無論是愛因斯坦還是別的什麼人在1905年都會意識到,相對性的這種新理論是多麼簡單而優雅。它完全變革了我們關於空間和時間的觀念。這個例子很好地闡明了,在科學的哲學方面很難成為實在主義者,因為我們認為實在的是以我們所採用的理論為前提。我能肯定,洛倫茲和費茲傑朗德在按照牛頓的絕對空間和絕對時間觀念來解釋光速實驗時都自認為是實在主義者。這種時間和空間的概念似乎和常識以及實在相對應。然而今天仍有極少數的熟悉相對論的人持有不同的觀點。我們必須不斷告訴人們,對諸如空間和時間的基本概念的現代理解。
  如果我們認為,實在依我們的理論而定,怎麼可以用它作為我們哲學的基礎呢?在我認為存在一個有待人們去研究和理解的宇宙的意義上,我願承認自己是個實在主義者。我把唯我主義者的立場認為是在浪費時間,他們認為任何事物都是我們想像的創造物。沒人基於那個基礎行事。但是沒有理論我們關於宇宙就不能說什麼是實在的。因此,我採取這樣的被描述為頭腦簡單或天真的觀點,即物理理論不過是我們用以描寫觀察結果的數學模型。如果該理論是優雅的模型,它能描寫大量的觀測,並能預言新觀測的結果,則它就是一個好理論。除此以外,問它是否和實在相對應就沒有任何意義,因為我們不知道什麼與理論無關的實在。這種科學理論的觀點可能使我成為一個工具主義者或實證主義者——正如我在上面提及的,他們是這麼稱呼我的。稱我為實證主義者的那位進一步說道,人所共知,實證主義已經過時了——這是用污蔑來證偽的又一例證。它在過去的知識界時興過一陣,就這一點而言的確是過時了。但我所概括的實證主義似乎是人們為描寫宇宙而尋找新定律新方法的僅有的可能的立場。因為我們沒有和實在概念無關的模型,所以求助於實在將毫無用處。
  依我的意見,對與模型無關的實在的隱含的信仰是科學哲學家們在對付量子力學和不確定原理時遭遇到困難的基本原因。有一個稱為薛定諤貓的著名理想實驗。一隻貓被置於一個密封的盒子中。有一桿槍瞄準著貓,如果一顆放射性核子衰變就開槍。發生此事的概率為百分之五十。(今天沒人敢提這樣的動議,哪怕僅僅是一個理想實驗,但是在薛定諤時代,人們沒聽說過什麼動物解放之類的話。)
  如果人們開啟盒子,就會發現該貓非死即生。但是在此之前,貓的量子態應是死貓狀態和活貓狀態的混合。有些科學哲學家覺得這很難接受。貓不能一半被殺死另一半沒被殺死,他們斷言,正如沒人處於半懷孕狀態一樣。使他們為難的原因在於,他們隱含地利用了實在的一個經典概念,一個對像只能有一個單獨的確定歷史。量子力學的全部要點是,它對實在有不同的觀點。根據這種觀點,一個對像不僅有單獨的歷史,而且有所有可能的歷史。在大多數情形下,具有特定歷史的概率會和具有稍微不同歷史的概率相抵消;但是在一定情形下,鄰近歷史的概率會相互加強。我們正是從這些相互加強的歷史中的一個觀察到該對象的歷史。
  在薛定諤貓的情形,存在兩種被加強的歷史。貓在一種歷史中被殺死,在另一種中存活。兩種可能性可在量子理論中共存。因為有些哲學家隱含地假定貓只能有一個歷史,所以他們就陷入這個死結而無法自拔。
  時間的性質是我們物理理論確定我們實在概念的又一例子。不管發生了什麼,時間總是永往直前被認為是顯而易見的。但是相對論把時間和空間結合在一起,而且告知我們兩者都能被宇宙中的物質和能量所捲曲或畸變。這樣,我們對時間性質的認識就從與宇宙無關改變成由宇宙賦予形態。這樣,在某一點以前時間根本沒有意義就變成可以理解的了;當人們往過去回溯,就會遭遇到一個不可逾越的障礙,即奇點,他不能超越奇點。如果情形果真如此,去詢問何人或何物引起或創造大爆炸便毫無意義。談論歸因或創生即隱含地假設在大爆炸奇點之前存在時間。愛因斯坦的廣義相對論預言,時間在一百五十億年前的奇點處必須有個開端,我們知道這一點已經二十五年了。但是哲學家們還沒有掌握這個思想。他們仍然在為六十五年前發現的量子力學的基礎憂慮。他們沒有意識到物理學前沿已經前進了。
  更糟糕的是虛時間的數學概念。詹姆·哈特爾和我提出,宇宙在虛時間裡既沒有開端又沒有終結。我因為談論虛時間受到一位科學哲學家的猛烈攻擊。他說:像虛時間這樣的一種數學技巧和實在宇宙有什麼相關呢?我以為,這位哲學家把專業數學術語實的以及虛的數和在日常語言中的實在的以及想像的使用方式弄混淆了。這剛好闡述了我的要點:如果某物與我們用以解釋它的理論或模型無關,何以知道它是實在的?
  我用了相對論和量子力學中的例子來顯示,人們在試圖賦予宇宙意義時所面臨的問題。你是否理解相對論和量子力學,或者這些理論甚至是錯誤的,實際上都無關緊要。我所希望顯示的是,至少對於一名理論物理學家而言,把理論視作一種模型的實證主義的方法,是理解宇宙的僅有手段。我對我們找到描述宇宙中的萬物的一套協調模型滿懷信心。如果我們達到這個目標,那將是人類真正的勝利。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 七、理論物理已經接近尾聲了嗎?「9」
  我要在這幾頁討論在不太遠的將來,譬如講本世紀末實現理論物理學目標的可能性。我這裡是說,我們會擁有一套物理相互作用的完整的協調的統一理論,這一理論能描述所有可能的觀測。當然,人們在做這類預言之時必須十分謹慎。以前我們至少有過兩回以為自己瀕於最後的綜合。人們在本世紀初相信,任何東西都可以按照連續體力學來理解。所要做的一切只不過是測量一些諸如彈性係數、粘滯性和傳導性等等參數。原子結構和量子力學的發現粉碎了這一希望。又有一回,在本世紀二十年代末,馬克斯·玻恩對一群訪問哥廷根的科學家說:「盡我們所知,物理學將在六個月內完結。」這是在保羅·狄拉克發現狄拉克方程之後不久講的。狄拉克是盧卡遜教席的一位前任。以他命名的方程制約電子的行為。人們預料類似的方程會制約質子,質子是另一種當時僅知的假設為基本的粒子。然而。中子和核力的發現又使那些希望落空。現在我們已經知道,事實上不管是質子還是中子都不是基本的,它們是由更小的粒子構成的。儘管如此。我們近年來取得了大量的進步,而且正如我將要描述的,存在某些謹慎樂觀的根據,相信在某些閱讀這篇文章的讀者有生之年我們能看到一套完整的理論。      「9」作者註:1980年4月29日我在劍橋就職為盧卡遜數學教授。這篇文章即是我的就職講演,由我的一名學生宣讀。
  即使我們的確得到了完整的統一理論,我們除了最簡單的情形外,仍然不能作任何細節的預言。例如,我們已經知道制約我們日常經歷的任何事物的物理定律。正如狄拉克指出的,他的方程是「大部分物理學以及全部化學的基礎」。然而,我們只有對非常簡單的系統,包括一顆質子和一顆電子的氫原子才能解這個方程。對於具有更多電子的更複雜的原子,且不說具有多於一個核的分子,我們就只能借助於近似法和直覺猜測,其有效性堪疑。對於由大約10↑23顆粒子構成的宏觀系統,我們必須使用統計方法而且拋棄獲得方程準確解的任何幻想。我們雖然在原則上知道制約整個生物學的方程,但是不能把人類行為的研究歸結為應用數學的一個分支。
  我們說的物理學的一個完整的統一理論是什麼含義呢?我們對物理實在的模型通常由兩個部分組成:
  1.一族各種物理量服從的局部定律。這些定律通常被表達成微分方程。
  2.一系列邊界條件。這些邊界條件告訴我們宇宙某些區域在某一時刻的狀態以及後來從宇宙的其他部分傳遞給它的什麼效應。
  許多人宣稱,科學的角色是局限於這兩個部分的第一個,也就是說一旦我們得到局部物理定律的完整集合,理論物理也就功德圓滿了。他們把宇宙初始條件的問題歸入形而上學或者宗教的範疇。這個看法在某種方面像本世紀以前勸阻科學研究的那些人的觀點,他們說所有自然現象都是上帝的事務,所以不應加以探索。我認為,宇宙的初始條件和局部科學定律可以同樣地作為科學研究和理論的課題。只有在我們比僅僅宣稱「事情現在之所以如此是因為它過去是過去的那種樣子」更有作為時,我們才算有了一個完整的理論。
  初始條件的唯一性問題和局部物理定律的任意性問題密不可分:如果一個理論包含有一些諸如質量或者偶合常數的人們可以隨意賦值的可調節參數,則我們不把它當成是完整的。事實上,無論是初始條件還是理論中的參數值似乎都不是任意的,它們是被非常仔細地選取或者挑選出來的。例如,質子——中子質量差若不為兩倍電子質量左右,人們就不能得到大約二百種穩定的核,這些核構成元素,並且是化學和生物的基礎。類似的,如果質子的引力質量非常不同,就不能得到這些核在其中合成的恆星。此外,如果宇宙的初始膨脹稍微再慢一些或稍微再快一些,則宇宙就會在這種恆星演化之前就坍縮了,或者會膨脹得這麼迅速,使得恆星永遠不可能由引力凝聚而形成。
  的確,有些人走得如此之遠,他們甚至把對初始條件和參數的這些限制提高到原理的地位,這就是人擇原理,可以把它敘述如下:「事物之所以如此是因為我們如此。」根據這一原理的一種版本,存在非常大量不同的分開的宇宙,它們具有不同的物理參數值和初始條件。這些宇宙中的大多數不能為智慧生命所需要的複雜結構發展提供恰當的條件。只有在少數具有和我們自己宇宙的類似的條件和參數的宇宙中,才可能讓智慧生命得以發展,並且詢問道:「宇宙為何像我們所觀測的那樣?」其答案當然是,如果宇宙換一種樣子,就不存在任何人去問這個問題。
  人擇原理的確為許多令人注目的數值關係提供了某種解釋,我們在不同的物理參數值之間可以觀察到這些關係。然而,它不是完全令人滿意的。人們不禁覺得應該存在某種更深刻的解釋。此外,它不能解釋宇宙中的所有區域。例如,我們太陽系肯定是我們存在的先決條件,先決條件還包括更早代的鄰近恆星,重元素可由核聚變在這些恆星中形成。甚至我們整個銀河系也是必須的。但是似乎其他星系沒有必要存在,更不用說在整個能觀測到的宇宙中大體均勻分佈的我們看得見的億萬個星系了。宇宙的大尺度均勻性使如下的論證非常難以使人信服,像在一顆小行星上的某種複雜的分子結構這麼外在的微不足道的東西決定了宇宙的結構,這顆行星繞著一顆在相當典型的螺旋星系的外部區域的一顆非常平凡的恆星公轉。
  如果我們不準備借助於人擇原理,就需要某種統一理論來解釋宇宙的初始條件和各種物理參數值。然而,要一蹴而就地杜撰出一種包羅萬象的完整理論是太困難了(雖然這似乎不能阻止某些人這麼做,我每週都從郵政收到兩三種統一理論)。相反的,我們要做的是尋找部分理論,它能描述在忽視或以簡單方式去近似某些相互作用下的情形。我們首先把宇宙的物質內容分成兩個部分:「物質」即為諸如夸克、電子和繆介子等粒子,以及「相互作用」諸如引力和電磁力等等。物質粒子由具有半自旋的場來描寫,它服從泡利不相容原理,該原理保證同一狀態下最多只能有一顆同類的粒子。這就是我們能有不坍縮成一點或輻射到無窮遠去的固體的原因。物質要素又分成兩組:由夸克組成的強子,以及包括其餘的輕子。
  相互作用被唯象地分成四個範疇。它們按照強度依序為:強核力,這只是強子之間的相互作用;電磁力,它是在帶電荷的強子和輕子之間的相互作用;弱核力,它是在所有強子和輕子之間的相互作用;最後還有迄今為止最弱的,即引力,它是在任何東西之間的相互作用。這些相互作用由整自旋的場所表示,這些場不服從泡利不相容原理。這表明它們在同一態上可有許多粒子。在電磁力和引力的情形下,其相互作用還是長程的,這表明由大量物質粒子產生的場可以疊加起來,得到在宏觀尺度上能被檢測到的場。正因為這些原因,它們首先獲得為之發展的理論:十七世紀牛頓的引力論,以及十九世紀馬克斯韋的電磁理論。牛頓理論在整個系統被賦以任何均勻的速度時保持不變,而馬克斯韋理論定義了一個優越的速度——光速,所以這兩種理論在本質上是相互矛盾的。人們最後發現,牛頓引力論必須被修正,使之和馬克斯韋理論的不變性相協調。愛因斯坦在1915年提出的廣義相對論達到了這種目的。
  引力的廣義相對論和電磁力的馬克斯韋理論是所謂的經典理論。經典理論牽涉到至少在原則上可以測量到任意精度的連續變化的量。然而,當人們想用這種理論去建立原子的模型時產生了一個問題。人們發現,原子是由一個很小的帶正電荷的核以及圍繞它的帶負電荷的電子雲組成的。自然的假定是,電子繞著核公轉,正如地球繞著太陽公轉一樣。但是經典理論預言,電子會輻射電磁波。這些波會攜帶走能量,並因此使電子以螺旋軌道撞到核上去,導致原子坍縮。
  量子力學的發現克服了上述的困難。它的發現無疑是本世紀理論物理的最偉大的成就。其基本假設是海森堡的不確定性原理,它是講某些物理量的對,譬如講一顆粒子的位置和動量不能同時以無限的精度被測量。在原子的情形下,這表明處於最低能態的電子不能靜止地呆在核上。這是因為在這種情形下,其位置是精確定義的(在核上),而且它的速度也被精確地定義(為零)。相反的,不管是位置還是速度都必須圍繞著核以某種概率分佈抹平開來。因為電子在這種狀態下沒有更低能量的狀態可供躍遷,所以它不能以電磁波的形式輻射出能量。
  在本世紀的二十年代和三十年代,量子力學被極其成功地應用到諸如原子和分子的只具有有限自由度的系統中。但是,當人們嘗試將它應用到電磁場時引起了困難,電磁場具有無限數目的自由度,粗略地講,時空的每一點都具有兩個自由度。這些自由度可被認為是一個諧振子,每個諧振子具有各自的位置和動量。因為諧振子不能有精確定義的位置和動量,所以不能處於靜止狀態。相反的,每個諧振子都具有所謂零點起伏和零點能的某一最小的量。所有這些無限數目的自由度的能量會使電子的表觀質量和電荷變成無窮大。
  在本世紀四十年代晚期,人們發展了一種所謂的重正化步驟用來克服這個困難。其步驟是相當任意地扣除某個無限的量,使之留下有限的余量。在電磁場的情形,必須對電子的質量和電荷分別作這類無限扣除。這類重正化步驟在概念上或數學上從未有過堅實的基礎,但是在實際中卻相當成功。它最大的成功是預言了氫原子某些光譜線的一種微小位移,這被稱為藍姆位移。然而,由於它對於被無限扣除後餘下的有限的值從未做出過任何預言,所以從試圖建立一個完整理論的觀點看,它不是非常令人滿意的。這樣,我們就必須退回到人擇原理去解釋為何電子具有它所具有的質量和電荷。
  在本世紀五十年代和六十年代,人們普遍相信,弱的和強的核力不是可重正化的,也就是說,它們需要進行無限數目的無限扣除才能使之有限。這樣就遺留下無限個理論不能確定的有限余量。因為人們水遠不能測量所有這些無限個參量,所以這樣的一種理論沒有預言能力。然而,1971年傑拉德·特符夫特證明了電磁和弱相互作用的一個統一模型的確是可重正化的,只要做有限個無限扣除。這個模型是早先由阿伯達斯·薩拉姆和史蒂芬·溫伯格提出的。在薩拉姆——溫伯格理論中,光子這個攜帶電磁相互作用的自旋為1的粒子和三種其他的自旋為1的稱為W+,W-和Z°的夥伴相聯合。人們預言,所有這四種粒子在非常高的能量下的行為都非常相似。然而,在更低的能量下人們用所謂的自發對稱破缺來解釋如下事實,光子具有零靜質量,而W+、W-和Z°都具有大質量。該理論在低能下的預言和觀測符合得十分好,這導致瑞典科學院在1979年把諾貝爾物理獎頒給薩拉姆、溫伯格和謝爾登·格拉肖。格拉肖也建立了類似的理論。然而,因為我們還沒有足夠高能量的粒子加速器,它能在由光子攜帶的電磁力以及由W+、W-和Z°攜帶的弱力真正發生相互統一的範疇內檢驗理論,所以正如格拉肖自己評論的,諾貝爾委員會這次實際上冒了相當大的風險。人們在幾年之內就會擁有足夠強大的加速器,而大多數物理學家堅信,他們會證實薩拉姆——溫伯格理論「10」。      「10」作者註:事實上,1983年人們在日內瓦的歐洲核子中心觀測到W和Z粒子。1984年另一次諾貝爾獎頒給了卡拉·魯比亞和西蒙·范德·米爾,他們領導的小組作了此發現。只有特符夫特失去了得獎機會。
  薩拉姆——溫伯格理論的成功誘使人們尋求強作用的類似的可重正化理論。人們在相當早以前就意識到,質子和諸如π介子的其他強子不能是真正的基本粒子,它們必須是其他,叫做夸克的粒子的束縛態。這些粒子似乎具有古怪的性質:雖然它們能在一顆強子內相當自由地運動,人們卻發現得不到單獨夸克自身。它們不是以三個一組地出現(如質子和中子),就是以包括夸克和反夸克的對出現(如π介子)。為了解釋這種現象,夸克被賦予一種稱作色的特徵。必須強調的是,這和我們通常的色感無關,夸克太微小了,不能用可見光看到,它僅是一個方便的名字。其思想是夸克帶有三種色——紅、綠和藍——但是任何孤立的束縛態,譬如講強子必須是無色的,要麼像是在質子中是紅、綠和藍的組合,要麼像在n介子中是紅和反紅、綠和反綠以及藍和反藍的混合。
  人們假定,夸克之間的強相互作用由稱作膠子的自旋為1的粒子攜帶。膠子和攜帶弱相互作用的粒子相當相像。膠子也攜帶色,它們和夸克服從稱作量子色動力學(簡稱為QCD)的可重正化理論。重正化步驟的一個結論是,該理論的有效耦合常數依所測量的能量而定,而且在非常高的能量下減少到零。這種現象被稱作漸近自由。這表明強子中的夸克在高能碰撞時的行為幾乎和自由粒子相似,這樣它們的微擾可以用微擾理論成功地處理。微擾理論的預言在相當定性的水平上和觀測一致,但是人們仍然不能宣稱這個理論已被實驗驗證。有效耦合常數在低能下變成非常大;這時微擾理論失效。人們希望這種「紅外束縛」能夠解釋為何夸克總被禁閉於無色的束縛態中,但是迄今為止沒有人能真正信服地展現這一點。
  在分別得到強相互作用和弱電相互作用的可重正化理論之後,人們很自然要去尋求把兩者結合起來的理論。這類理論被相當誇張地命名為「大統一理論」或簡稱為GUT.因為它們既非那麼偉大,也沒有完全統一,還由於它們具有一些諸如耦合常數和質量等等不確定的重正化參數,因此也不是完整的,所以這種命名是相當誤導的。儘管如此,它們也許是朝著完整統一理論的有意義的一步。它的基本思想是,雖然強相互作用的有效耦合常數在低能量下很大,但是由於漸近自由,它在高能量下逐漸減小。另一方面,雖然薩拉姆——溫伯格理論的有效耦合常數在低能量下很小,但是由於該理論不是漸近自由的,它在高能量下逐漸增大。如果人們把在低能量下的耦台常數的增加率和減少率向高能量方向延伸的話,就會發現這兩個耦合常數在大約10↑15吉電子伏能量左右變成相等。(一吉電子伏即是十億電子伏。這大約是一顆氫原子完全轉變成能量時所釋放出的能量。作為比較,在像燃燒這樣的化學反應中釋放出的能量只具有每原子一電子伏的數量級。)大統一理論提出,在比這個更高的能量下,強相互作用就和弱電相互作用相統下,但是在更低的能量下存在自發對稱破缺。
  10↑15吉電子伏能量遠遠超過目前的任何實驗裝置的範圍。當代的粒子加速器能產生大約10吉電子伏的質心能量,而下一代會產生100吉電子伏左右。這對於研究根據薩拉姆——溫伯格理論電磁力應和弱力統一的能量範圍將是足夠的,但是它還遠遠低於實現弱電相互作用和強相互作用被預言的統一的能量。儘管如此,在實驗室中仍能檢驗大統一理論的一些低能下的預言。例如,理論預言質子不應是完全穩定的,它必須以大約10↑31年的壽命衰減。現在這個壽命的實驗的低限為10↑30年,這應該可以得到改善。
  另一個可觀測的預言是宇宙中的重子光子比率。物理定律似乎對粒子和反粒子一視同仁。更準確地講,如果粒子用反粒子來替換,右手用左手來替換,以及所有粒子的速度都反向,則物理定律不變。這被稱作CPT定理,並且它是在任何合理的理論中都應該成立的基本假設的一個推論。然而地球,其實整個太陽系都是由質子和中子構成,而沒有任何反質子或者反中子。的確,這種粒子和反粒子間的不平衡正是我們存在的另一個先決條件。因為如果太陽系由等量的粒子和反粒子所構成,它們會相互湮滅殆盡,而只遺留下輻射。我們可以從從未觀測到這種湮滅輻射的證據得出結論,我們的星系完全是由粒子而不是由反粒子組成的。我們沒有其他星系的直接證據,但是它們似乎很可能是由粒子構成的,而且在整個宇宙中存在粒子比反粒子的大約每10↑8個光子一顆粒子的過量。人們可以採用人擇原理對此進行解釋,但是大統一理論實際上提供了一種可能的機制來解釋這個不平衡。雖然所有相互作用似乎都在C(粒子用反粒子來取代),P(右手改變成左手)以及T(時間方向的反演)的聯合作用下不變,人們已經知道,有些作用在T單獨作用下不是不變。在早期宇宙,膨脹給出非常明顯的時間箭頭。這些相互作用產生的粒子就會比反粒子多。然而它們產生的數量太過依賴於模型,使得和觀測的相符根本不能當作大統一理論的證實。
  迄今為止的大部分努力是用於統一前三種物理相互作用,強核力、弱核力以及電磁力。第四種也就是最後一種的引力被忽略了。為這麼做的一個辯護理由是,引力是如此之微弱,以至於量子引力效應只有在粒子能量遠遠超過任何粒子加速器的能量下才會顯著起來。另一種原因是,引力似乎是不可重正化的。人們為了得到有限的答案,就必須作無限個無限扣除,並相應地留下無限個不能確定的有限余量。然而,如果人們要得到完全統一的理論,就必須把引力包括進來。此外,廣義相對論的經典理論預言,在時空中必須存在引力場在該處變成無限強大的奇性。這些奇性在過去發生在宇宙的現在膨脹的起點(大爆炸),在將來會發生在恆星還可能宇宙本身的引力坍縮之中。關於奇性的預言表明經典理論將會失效。然而,在引力場強到使量子引力效應變得重要以前,似乎沒有理由認為它會失效。這樣,為了描述早期宇宙並對初始條件給出有別於僅澆借助人擇原理以外的解釋,則量子引力論具有根本的重要性。
  這樣的一種理論對於回答如下問題也是不可或缺的:時間是否正如經典廣義相對論所預言的那樣,真的有起始而且可能有終結嗎?抑或在大爆炸和大擠壓處的奇性以某種方式被量子效應所抹平?當空間和時間結構本身必須服從不確定性原理時,這是個很難給出確切含義的問題。我個人的直覺是,奇性也許仍然存在,雖然人們在某種數學意義上可以把時間延拓並繞道這些奇點。然而、任何和意識或進行測量能力相關的時間的主觀概念都會到達終點。
  獲得量子引力論並和其他三類相互作用統一的前景如何呢?人們寄最大希望於把廣義相對論推廣到所謂的超引力。在這個框架中,攜帶引力相互作用的自旋為2的粒子,引力子可由所謂的超對稱變換和其他一些具有更低自旋的場相關聯。這種理論具有一個偉大的功績,即它拋棄由半整數自旋粒子代表的「物質」和整數自旋粒子代表的「相互作用」之間的古老的二分法。它還具有的偉大優點是,量子理論中產生的許多無窮大會相互抵消。它們是否完全被抵消掉而給出一種不用做任何無限扣除的有限理論尚在未定之天。人們希望事情果真如此。因為可以證明,包含引力的理論要麼是有限的,要麼是不可重正化的,也就是說,如果人們要做任何無限扣除,那麼你就要做無限個無限扣除,並且留下無限個相應的不能確定的余量。這樣,如果在超引力中所有的無窮大都被相互抵消掉,我們就得到一種理論,它不僅完全統一了所有的粒子和相互作用,而且在它不再有任何未確定的重正化參數的意義上是完整的。
  儘管我們還沒有一種合適的量子引力論,且不說把它和其他相互作用統一起來的理論,但是我們的確知道這種理論應有的某些特徵。其中之一和引力影響時空的因果結構的事實相關,也就是引力決定哪些事件可以是因果相關的。黑洞便是廣義相對論的經典理論中的一個例子。黑洞是時空的一個區域,這個區域中的引力場是如此之強大,以至於任何光線或者其他信號都被拖曳回到這個區域,而不能逃逸到外部世界去。黑洞附近的強大的引力場引起粒子反粒子對的創生,粒子對中的一顆粒子落進黑洞,而另一顆逃逸到無窮遠去。逃逸的粒子顯得是從該黑洞發射出來似的。在離開黑洞遠處的觀察者就只能測量到發射出來的粒子,而且由於他不能觀察到落到黑洞中去的粒子,所以不能把這兩者相關聯。這表明逃逸的粒子具有超越通常和不確定性原理關聯的額外的隨機性和不可預見性。在正常情況下,不確定性原理的含義是,對於一顆粒子人們要麼能明確預言其位置,要麼能明確預言其速度,要麼能明確預言其位置和速度的某種組合。這樣,粗略地講,人們做明確預言的能力被減半了。但是在從黑洞發射出的粒子的情形,就人們不能觀察在黑洞中會發生什麼而言,人們既不能明確預言發射出的粒子的位置,也不能明確預言其速度。人們所能給出的一切只是以一定模式發射出的粒子的概率。
  因此,即便我們找到了一種統一理論,我們似乎也只能作統計的預言。我們還必須拋棄只存在我們所觀察的唯一宇宙的觀點。相反的,我們必須採納這樣的一幅圖像,存在所有可能的宇宙的系綜,這些宇宙具有某種概率分佈。這也許可以解釋為什麼宇宙在大爆炸時以一種幾乎完美的熱平衡的狀態開始。這是因為熱平衡對應於最大數目的微觀形態,因此具有最大的概率。我們可以修正伏爾泰的哲學家潘格洛斯「11」的名言:「我們生活在所有可以允許的最有可能的世界中。」      「11」譯者註:潘格洛斯(Pangloss)是伏爾泰小說《贛第德》中的人物,他是一名樂觀主義的哲學家,經常使贛第德陷入困難境地。他的名言為:「我的生活在所有可以允許的最好的世界中。」伏爾泰用他來影射盧梭。
  我們在不太遠的將來找到一種完整的統一理論的前景如何呢?在我們每一次把自己的觀測推廣到更小尺度和更高能量時,我們總是發現了新的結構層次。本世紀初,具有3×10↑-2電子伏典型能量的粒子的布朗運動表明,物體不是連續的,而是由原子所組成的。之後不久,人們發現原先以為看不見的原子是由繞著一個核的電子所構成,其能量為幾電子伏。人們接著發現核子是由所謂的基本粒子質子和中子組成,它們由數量級為10↑6電子伏的核鍵捆綁在一起。這個故事的最新插曲是,我們發現質子和中子是由夸克所組成,它們由能量為數量級10↑9電子伏的鍵捆綁在一起。現在我們需要極其龐大的機器並花費大量金錢去進行結果不能預言的實驗,理論物理在這條路上已經走得如此之遠,真是令人不勝感慨。
  我們過去的經驗暗示,在越來越高的能量下也許存在結構層次的無限序列。這種盒子套盒子的無限層次正是中國在「四人幫」時代的正統說法。然而,引力似乎應提供一種極限,但那只是在10↑-33厘米的非常短的距離尺度或者10↑28電子伏的非常高的能量下。在比這更短的尺度下,人們預料時空行為不再像光滑的連續統那樣,由於引力場的量子起伏,它會採取一種泡沫狀的結構。
  在我們現在大約為10↑10電子伏和10↑28電子伏的引力截斷之間還有一個廣闊的待探索的區域。正如大統一理論那樣,假設在這個巨大的區間只有一二個結構層次也許是天真的。然而,存在一些樂觀的理由。至少在此刻情形似乎是,引力只能在某種超引力理論中可與其他的物理相互作用統一。只存在有限數目的這種理論。尤其是存在一種最大的理論,即所謂的N=8的推廣超引力。它包括一種引力子,八種自旋為3/2的叫做引力微子的粒子,二十八種自旋為1的粒子,五十六種自旋為1/2的粒子,還有七十種自旋為0的粒子。它們就是具有這麼大的數目,還是不足以計及我們似乎在弱和強相互作用中觀測到的所有粒子。例如,N=8的理論有二十八種自旋為1的粒子。這對於解釋攜帶強相互作用的膠子以及攜帶弱相互作用的四種粒子中的二種已經足夠,但是不能說明其餘的兩種。因此人們不得不相信,觀測到的粒子中的許多或者大多數,例如,膠子或者夸克不像它們此刻所顯示的那樣,不是真正基本的,它們是基本的N=8粒子的束縛態。如果我們基於目前的經濟趨向作計劃,在可見的將來或者甚至永遠都不太可能擁有足夠強大的加速器去檢測這些復合結構。儘管如此,這些束縛態是從很好定義的N=8理論產生的事實,可讓我們做一些預言,這些預言可以在現在或者最近的將來能夠達到的能量上得到驗證。這種情形和薩拉姆——溫伯格的弱電統一理論很類似。儘管我們還沒有達到弱電統一應該發生的能量,因為它的低能預言和觀測符合得這麼好,所以人們現在已經廣泛地接受了它。
  關於描述宇宙的理論必定有某些非常奇異的東西。為什麼這種理論得以實現,而其他理論只能存在於其發明者的頭腦之中呢?N=8超引力理論確有一些非常獨特之處。它似乎是滿足以下條件的僅有的理論:
  1.它是在四維之中;2.它把引力包括了進去;3.它是有限的,不必進行任何無限扣除。
  我已經指出過,如果我們要有一種沒有參數的完整理論,第三種性質是不可缺少的。然而,不借助於人擇原理來解釋性質1和性質2就很困難。似乎存在滿足性質1和3的,但是不包含引力的一種協調的理論。然而,在這樣的一個宇宙中可能沒有足夠的吸引力使物質結團,它對複雜結構的發展也許是必要的。時空為何是四維的通常被認為是物理學範疇之外的問題。然而人擇原理也可以為此提供一個好的論證。三維的時空維數——我是說二維空間和一維時間——對於任何複雜機體肯定是不夠的。另一方面,如果空間維數超過三,圍繞太陽公轉的行星或者圍繞原子核旋轉的電子的軌道就變成不穩定,它們就會以螺旋的軌道向中心趨近。還存在時間維數比一更大的可能性,但是我本人發現這種宇宙難以想像。
  迄今為止,我已隱含地假定存在一種終極理論,事情真的是這樣的嗎?至少存在三種可能性:
  1.存在一種完整的統一理論。
  2.不存在終極理論,但是存在理論的無限序列,只要採取這個理論之鏈的足夠遠的一環,就能對任何特定種類的觀測作出預言。
  3.不存在理論。在某種程度之後,人們無法描述或者預言觀測,這些觀測只不過是任意的。
  這第三種論斷是作為和十七、十八世紀的科學家相對抗的觀點提出的:他們怎麼能提出定律來剝奪上帝改變主意的自由呢?儘管如此,他們這麼做了,並且沒有惹到什麼麻煩。因為量子力學本質是關於我們不知道和不能預言的事物的理論,所以現在我們可以把可能性3合併到這個框架中,從而有效地消除了可能性3.可能性2歸結為在越來越高能量下的結構的無限序列。正如我早先說過的,這似乎是不太可能的,因為人們預料在10↑28電子伏的普郎克能量處有一個截斷。這樣只給我們留下可能性1.在此刻N=8超引力理論是可見的唯一候選者「12」。人們在幾年之內會作一些關鍵的計算,其結果也許證明該理論不行。如果該理論經受得了這些檢驗,似乎還需幾年才能發展出計算方法使我們能做預言,而且能解釋宇宙的初始條件以及局部科學定律。這些將是以後二十多年內理論物理學家的突出的課題。但是在結束之前我願提出一個小小的警告,也許給他們留下的時光比這個也多不了多少了。現在計算機是研究的好助手,但是它們必須服從人類的指揮。然而,如果人們延伸它們現代發展的突飛猛進的速度、很可能會把理論物理完全取代掉。這樣情形也許會變成,如果不是理論物理已經接近尾聲的話,便是理論物理學家的生涯已經接近尾聲了。      「12」作者註:超引力理論似乎是具有性質1,2和3的唯一的粒子理論。但是在寫完這篇文章後,人們把大量興趣投注於所謂的超弦理論。像弦的小圈的廣延的物體而非點粒子是這些理論的基本對象。它的思想是,我的覺得是粒子的東西實際上是圈上的一個振動。這些超弦理論似乎在低能極限下歸結為超弦力,但是迄今在從超弦理論抽取在實驗上可檢驗的預言方面只得到很少的成功。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 八、愛因斯坦之夢「13」
  二十世紀初葉的兩種新理論完全改變了我們有關空間和時間以及實在本身的思維方式。在超過七十五年後的今天,我們仍在消化它們的含義,以及想把它們合併成能描述宇宙中萬物的統一理論之中。這兩種理論便是廣義相對論和量子力學。廣義相對論是處理空間和時間,以及它們在大尺度上如何被宇宙中的物質和能量彎曲或捲曲的問題。另一方面,量子力學處理非常小尺度的問題。其中包括了所謂的不確定性原理。該原理說,人們永遠不可能同時準確地測量一顆粒子的位置和速度,你對其中一個量能測量得越精密,則只能對另一個量測量得越不精密。永遠存在一種不確定性或幾率的因素,這就以一種根本的方式影響了物體在小尺度下的行為。愛因斯坦幾乎是單獨地創立了廣義相對論,他在發展量子力學中起過重要的作用。他對後者的態度可以總結在「上帝不玩弄骰子」這句短語之中。但是所有證據表明,上帝是一位老賭徒,他在每一種可能的場合擲骰子。      「13」作者注;這是1991年7月在東京日本電話電報資訊交流系統公司的模式會議上的講演。
  我將在這篇短文中闡述在這兩種理論背後的基本思想,並說明愛因斯坦為什麼這麼不喜歡量子力學。我還將描述當人們試圖把這兩種理論合併時似乎要發生的顯著的事物。這些表明時間本身在大約一百五十億年前有一個開端,而且它在將來的某點會到達終結。然而,在另一種時間裡,宇宙沒有邊界。它既不被創生,也不被消滅。它就是存在。
  讓我從相對論開始。國家法律只在一個國家內有效,但是物理定律無論是在英國、美國或者日本都是同樣的。它們在火星和仙女座星系上也是相同的。不僅如此,不管你以任何速度運動定律都是一樣的。定律在子彈列車或者噴氣式飛機上正和對站立在某處的某人是一樣的。當然,甚至在地球上處於靜止的某人在事實上正以大約為每秒18.6英里(30公里)的速度繞太陽公轉。太陽又是以每秒幾百公里的速度繞著銀河系公轉,等等。然而,所有這種運動都不影響科學定律,它們對於一切觀測者都是相同的。
  這個和系統速度的無關性是伽利略首次發現的。他發展了諸如炮彈或行星等物體的運動定律。然而,在人們想把這個觀測者速度無關性推廣到制約光運動的定律時就產生了一個問題。人們在十八世紀發現光從光源到觀測者不是瞬息地傳播的,它以某種大約為每秒186000英里(3    0公里)的速度旅行。但是,這個速度是相對於什麼而言的呢?似乎必須存在彌沒在整個空間的某種介質,光是通過這種介質來旅行的。這種介質被稱作以太。其思想是,光波以每秒186000英里的速度穿越以太旅行,這表明一位相對於以太靜止的觀測者會測量到大約每秒186000英里的光速,但是一位通過以太運動的觀測者會測量到更高或更低的速度。尤其是人們相信,在地球繞太陽公轉穿越以太時光速應當改變。然而,1887年麥克爾遜和莫雷進行的一次非常精細的實驗指出,光速總是一樣的。不管觀測者以任何速度運動,他總是測量到每秒186000英里的光速。
  這怎麼可能是真的呢?以不同速度運動的觀測者怎麼會都測量到同樣的速度呢?其答案是,如果我們通常的空間和時間的觀念是對的,則他們不可能。然而,愛因斯坦在1905年寫的一篇著名的論文中指出,如果觀測者拋棄普適時間的觀念,他們所有人就會測量到相同的光速。相反地,他們各自都有自己單獨的時間,這些時間由各自攜帶的鐘錶來測量。如果他們相對運動得很慢,則由這些不同的鐘錶測量的時間幾乎完全一致,但是如果這些鐘錶進行高速運動,則它們測量的時間就會有重大差別。在比較地面上的和商業航線上的鐘錶時就實際上發現了這種效應,航線上的鐘錶比靜止的鐘錶走得稍微慢一些。然而,對於正常的旅行速度,鐘錶速率的差別非常微小。你必須繞著地球飛四億次,你的壽命才會被延長一秒鐘,但是你的壽命卻被所有那些航線的糟糕餐飲縮短得更多。
  人們具有自己單獨時間這一點,又何以使他們在以不同速度旅行時測量到同樣的光速呢?光脈衝的速度是它在兩個事件之間的距離除以事件之間的時間間隔。(這裡事件的意義是在一個特定的時間在空間中單獨的一點發生的某種事物。)以不同速度運動的人們在兩個事件之間的距離上看法不會相同。例如,如果我測量在高速公路上奔馳的轎車,我會認為它僅僅移動了一公里,但對於在太陽上的某個人,由於當轎車在路上行走時地球移動了,所以他覺得轎車移動了1800公里。因為以不同速度運動的人測量到事件之間不同的距離,所以如果他們要在光速上相互一致,就必須也測量到不同的時間間隔。
  愛因斯坦在1905所寫的論文中提出的原始的相對論是我們現在稱作狹義相對論的東西。它描述物體在空間和時間中如何運動。它顯示出,時間不是和空間相分離的自身存在的普適的量。正如上下、左右和前後一樣,將來和過去不如說僅僅是在稱作時空的某種東西中的方向。你只能朝時間將來的方向前進,但是你能沿著和它夾一個小角度的方向前進。這就是為什麼時間能以不同的速率流逝。
  狹義相對論把時間和空間合併到一起,但是空間和時間仍然是事件在其中發生的一個固定的背景。你能夠選擇通過時空運動的不同途徑,但是對於修正時空背景卻無能為力。然而,當愛因斯坦於1915年提出了廣義相對論後這一切都改變了。他引進了一種革命性的觀念,即引力不僅僅是在一個固定的時空背景裡作用的力。相反的,引力是由在時空中物質和能量引起的時空畸變。譬如炮彈和行星等物體要沿著直線穿越時空,但是由於時空是彎曲的捲曲的,而不是平坦的,所以它們的路徑就顯得被彎折了。地球要沿著直線穿越時空,但是由太陽質量產生的時空曲率使它必須沿著一個圓圈繞太陽公轉。類似地,光要沿著直線旅行,但是太陽附近的時空曲率使得從遙遠恆星來的光線在通過太陽附近時被彎折。在通常情況下,人們不能在天空中看到幾乎和太陽同一方向的恆星。然而在日食時,太陽的大部分光線被月亮遮擋了,人們就能觀測到從那些恆星來的光線。愛因斯坦是在第一次世界大戰期間孕育了他的廣義相對論,那時的條件不適合於作科學觀測。但是戰爭一結束,一支英國的探險隊觀測了1919年的日食,並且證實了廣義相對論的預言:時空不是平坦的,它被在其中的物質和能量所彎曲。
  這是愛因斯坦的偉大勝利。他的發現完全變革了我們思考空間和時間的方式。它們不再是一件在其中發生的被動的背景。我們再也不能把空間和時間設想成永遠前進,而不受在宇宙中發生事件影響的東西。相反的,它們現在成為動力學的量,它們和在其中發生的事件相互影響。
  質量和能量的一個重要性質是它們總是正的。這就是引力總是把物體相互吸引到一起的原因。例如,地球的引力把我們吸引向它,即便我們處於世界的相反的兩邊。這就是為什麼在澳大利亞的人不會從世界上掉落出去的原因。類似地,太陽引力把行星維持在圍繞它公轉的軌道上並且阻止地球飛向黑暗的星際空間。按照廣義相對論,質量總是正的這個事實意味著,時空正如地球的表面那樣向自身彎折。如果質量為負的,時空就會像一個馬鞍面那樣以另外的方式彎折。這個時空的正曲率反映了引力是吸引的事實。愛因斯坦把它看作重大的問題。那時人們廣泛地相信宇宙是靜止的,然而如果空間特別是時間向它們自身彎折回去的話,宇宙怎麼能以多多少少和現在同樣的狀態永遠繼續下去?
  愛因斯坦原始的廣義相對論方程預言,宇宙不是膨脹便是收縮。因此愛因斯坦在方程中加上額外的一項,這些方程把宇宙中的質量和能量與時空曲率相關聯。這個所謂的宇宙項具有引力的排斥效應。這樣就可以用宇宙項的排斥去和物質的吸引相平衡。換言之,由宇宙項產生的負時空曲率能抵消由宇宙中質量和能量產生的正時空曲率。人們以這種方式可以得到一個以同樣狀態永遠繼續的宇宙模型。如果愛因斯坦堅持他原先沒有宇宙項的方程,他就會做出宇宙不是在膨脹便是在收縮的預言。直到1929年埃德溫·哈勃發現遠處的星系離開我們而去之前,沒人想到宇宙是變化的。宇宙正在膨脹。後來愛因斯坦把宇宙項稱作「我一生中最大的錯誤」。
  但是不管有沒有宇宙項,物質使時空向它自身彎折的事實仍然是一個問題,儘管它沒有被廣泛認識到事情會是這樣子的。這裡指的是物質可能把它所在的區域彎曲得如此厲害,以至於事實上把自己從宇宙的其餘部分分割開來。這個區域會變成所謂的黑洞。物體可以落到黑洞中去,但是沒有東西可以逃逸出來。要想逃逸出來就得比光旅行得更快,而這是相對論所不允許的,這樣,黑洞中的物質就被俘獲住,並且坍縮成某種具有非常高密度的未知狀態。
  愛因斯坦為這種坍縮的含義而深深困擾,並且他拒絕相信這會發生。但是羅伯特·奧本海默在1939年指出,一顆具有多於太陽質量兩倍的晚年恆星在耗盡其所有的燃料時會不可避免地坍縮。然後奧本海默受戰爭干擾,捲入到原子彈計劃中,而失去對引力坍縮的興趣。其他科學家更關心那種能在地球上研究的物理。關於宇宙遠處的預言似乎不能由觀測來檢驗,所以他們不信任。然而在二十世紀六十年代,天文觀測無論在範圍上還是在質量上都有了巨大的改善,使人們對引力坍縮和早期宇宙產生新的興趣。直到羅傑·彭羅斯和我證明了若干定理之後,愛因斯坦廣義相對論在這種情形下所預言的才清楚地呈現出來。這些定理指出,時空向它自身彎曲的事實表明,必須存在奇性,也就是時空具有一個開端或者終結的地方。它在大約一百五十億年前的大爆炸處有一個開端,而且對於坍縮恆星以及任何落入坍縮恆星留下的黑洞中的東西它將到達一個終點。
  愛因斯坦廣義相對論預言奇性的事實引起物理學的一場危機。把時空曲率和質量能量分佈相關聯的廣義相對論方程在奇性處沒有意義。這表明廣義相對論不能預言從奇性會冒出什麼東西來。尤其是,廣義相對論不能預言宇宙在大爆炸處應如何啟始。這樣,廣義相對論不是一個完整的理論。為了確定宇宙應如何啟始以及物體在自身引力下坍縮時會發生什麼,需要一個附加的要素。
  量子力學看來是這個必須附加的要素。1905年,也正是愛因斯坦撰寫他有關狹義相對論論文的同一年,他還寫了一篇有關被稱為光電效應現象的論文。人們觀測到當光射到某些金屬上時會釋放出帶電粒子。使人迷惑的是,如果減小光的強度,發射出的粒子數隨之減少,但是每個發射出的粒子的速度保持不變。愛因斯坦指出,如果光不像大家所假想的那樣以連續變化的量,而是以具有確定大小的波包入射,則可以解釋這種現象。光只能採取稱為量子的波包形式的思想是由德國物理學家馬克斯·普郎克引進的。它有點像人們不能在超級市場買到散裝糖,只能買到一公斤裝的糖似的。普郎克使用量子的觀念解釋紅熱的金屬塊為什麼不發出無限的熱量。但是,他把量子簡單地考慮成一種理論技巧,它不對應於物理實在中的任何東西。愛因斯坦的論文指出,你可以觀察到單獨的量子。每一顆發射出的粒子都對應於一顆打到金屬上的光量子。這被廣泛地承認為是對量子理論的一個重要貢獻,他因此而獲得1922年的諾貝爾獎。(他應該因廣義相對論而得獎,可惜空間和時間是彎曲的思想仍然被認為過於猜測性和爭議性,所以他們用光電效應替代而頒獎給他,這不是說,它本身不值得這個獎。)
  直到1925年,在威納·海森堡指出光電效應使得精確測量一顆粒子的位置成為不可能後,它的含義才被充分意識到。為了看粒子的位置,你必須把光投射到上面。但是愛因斯坦指出,你不能使用非常少量的光,你至少要使用一個波包或量子。這個光的波包會擾動粒子並使它在某一方向以某一速度運動。你想把粒子的位置測量得越精確,你就要用越大能量的波包並且因此更厲害地擾動該粒子。不管你怎麼測量粒子,其位置上的不確定性乘上其速度上的不確定性總是大於某個最小量。
  這個海森堡的不確定性原理顯示,人們不能精確地測量系統的態,所以就不能精確預言它將來的行為。人們所能做的一切是預言不同結果的概率。正是這種幾率或隨機因素使愛因斯坦大為困擾。他拒絕相信物理定律不應該對將來要發生的作出確定的、毫不含糊的預言。但是不管人們是否喜歡,所有證據表明,量子現象和不確定性原理是不可避免的,而且發生於物理學的所有分支之中。
  愛因斯坦的廣義相對論是所謂的經典理論,也就是說,它不和不確定性原理相結合。所以人們必須尋求一種把廣義相對論和不確定性原理合併在一起的新理論。這種新理論和經典廣義相對論的差異在大多數情形下是非常微小的。正如早先提到的,這是因為量子效應預言的不確定性只是在非常小的尺度下,而廣義相對論處理時空的大尺度結構。然而,羅傑·彭羅斯和我證明的奇性定理顯示,時空在非常小的尺度下會變成高度彎曲的。不確定性原理的效應那時就會變得非常重要,而且似乎導致某些令人注目的結果。
  愛因斯坦的關於量子力學和不確定性原理問題的一部分是由下面的事實引起的,他習慣於系統具有確定歷史的通常概念。一顆粒子不是處於此處便是處於他處。它不可能一半處於此處另一半處於他處。類似的,諸如航天員登上月球的事件要麼發生了要麼沒有發生。它有點和你不能稍微死了或者稍微懷孕的事實相似。你要麼是要麼不是。但是,如果一個系統具有單獨確定的歷史,則不確定性原理就導致所有種類的二律背反,譬如講粒子同時在兩處或者航天員只有一半在月亮上。
  美國物理學家裡查德·費因曼提出了一種優雅的方法,從而避免了這些如此困擾愛因斯坦的二律背反。費因曼由於1948年的光的量子理論的研究而舉世聞名。1965年他和另一位美國人朱裡安·施溫格以及日本物理學家朝永振一郎共獲諾貝爾獎。但是,他和愛因斯坦一脈相承,是物理學家之物理學家。他討厭繁文縟禮。因為他覺得美國國家科學院花費大部分時間來決定其他科學家中何人應當選為院士,所以他就辭去院士位置。費因曼死於1988年,他由於對理論物理的多方面貢獻而英名長存。他的貢獻之一即是以他命名的圖,這幾乎是粒子物理中任何計算的基礎。但是他的對歷史求和的概念甚至是一個更重要的貢獻。其思想是,一個系統在時空中不止有一個單獨的歷史,不像人們在經典非量子理論中通常假定的那樣。相反的,它具有所有可能的歷史。例如,考慮在某一時刻處於A點的一顆粒子。正常情形下,人們會假定該粒子從入點沿著一根直線離開。然而,按照對歷史求和,它能沿著從A出發的任何路徑運動。它有點像你在一張吸水紙上滴一滴墨水所要發生的那樣。墨水粒子會沿著所有可能的路徑在吸水紙上瀰散開來。甚至在你為了阻斷兩點之間的直線而把紙切開一個縫隙時,墨水也會繞過切口的角落。
  粒子的每一個路徑或者歷史都有一個依賴其形狀的數與之相關。粒子從A走到B的概率可由將和所有從A到B粒子的路徑相關的數疊加起來而得到。對於大多數路徑,和鄰近路徑相關的數幾乎被相互抵消。這樣,它們對粒子從A走到B的概率的貢獻很小。但是,直線路徑的數將和幾乎直線的路徑的數相加。這樣,對概率的主要貢獻來自於直線或幾乎直線的路徑。這就是為什麼粒子在通過氣泡室時的軌跡看起來幾乎是筆直的。但是如果你把某種像是帶有一個縫隙的一堵牆的東西放在粒子的路途中,粒子的路徑就會瀰散到縫隙之外。在通過縫隙的直線之外找到粒子的概率可以很高。
  1973年我開始研究不確定性原理對於處在黑洞附近彎曲時空的粒子的效應。引人注目的是,我發現黑洞不是完全黑的。不確定原理允許粒子和輻射以穩定的速率從黑洞漏出來。這個結果使我以及所有其他人都大吃一驚,一般人都不相信它。但是現在回想起來,這應該是顯而易見的。黑洞是空間的一個區域,如果人們以低於光速的速度旅行就不可能從這個區域逃逸。但是費因曼的對歷史求和說,粒子可以採取時空中的任何路徑。這樣,粒子就可能旅行得比光還快。粒子以比光速更快的速度作長距離運動的概率很低,但是它可以以超光速在剛好夠逃逸出黑洞的距離上運動,然後再以慢於光速的速度運動。不確定原理以這種方式允許粒子從過去被認為是終極牢獄的黑洞中逃逸出來。對於一顆太陽質量的黑洞,因為粒子必須超光速運動幾公里,所以它逃逸的概率非常低。但是可能存在栽早期宇宙形成的小得多的黑洞。這些太初黑洞的尺度可以比原子核還小,而它們可有十億噸的質量,也就是富士山那麼大的質量。它們能發射出像一座大型電廠那麼大的能量。如果我們能找到這樣小黑洞中的一個並能駕馭其能量該有多好!可惜的是,在宇宙四周似乎沒有很多這樣的黑洞。
  黑洞輻射的預言是把愛因斯坦廣義相對論和量子原理合併的第一個非平凡的結果。它顯示引力坍縮並不像過去以為的那樣是死亡的結局。黑洞中粒子的歷史不必在一個奇點處終結。相反的,它們可以從黑洞中逃逸出來,並且在外面繼續它們的歷史。量子原理也許表明,人們還可以使歷史避免在時間中有一個開端,也就是在大爆炸處的創生的一點。
  這是個更困難得多的問題。因為它牽涉到把量子原理不僅應用到在給定的時空背景中的粒子路徑,而且應用到時間和空間的結構本身。人們需要做的是一種不僅對粒子的而且也對空間和時間的整個結構的歷史求和的方法。我們還不知道如何恰當地進行這種求和,但是我們知道它應具有的某些特徵。其中之一便是,如果人們處理在所謂的虛時間裡,而不是在通常的實時間裡的歷史,那麼求和就更容易些。虛時間是一個很難掌握的概念,它可能是我的書的讀者覺得最困難的東西。我還由於使用虛時間而受到哲學家們猛烈的批評。虛時間和實在的宇宙怎麼會相干呢?我以為這些哲學家沒有從歷史吸取教訓。人們曾經一度認為地球是平坦的以及太陽繞著地球轉動,然而從哥白尼和伽利略時代開始,我們就得調整適應這種觀念,即地球是圓形的而且它繞太陽公轉。類似的,長期以來對於每位觀測者時間以相同速率流逝似乎是顯而易見的,但是從愛因斯坦時代開始,我們就得接受,對於不同的觀測者時間流逝的速率不同。此外,宇宙具有唯一的歷史似乎是顯然的,但是從發現量子力學起,我們就必須把宇宙考慮成具有任何可能的歷史。我要提出,虛時間的觀念也將是我們必須接受的某種東西。它和相信世界是圓的是同等程度的一個智慧的飛躍。在有教養的世界中平坦地球的信仰者已是鳳毛麟角。
  你可以把通常的實的時間當成一根從左至右的水平線。左邊代表早先,右邊代表以後。但是你還可以考慮時間的另一個方向,也就是書頁的上方和下方。這就是時間的所謂的虛的方向,它和實時間夾直角。
  引入虛時間的緣由是什麼呢?人們為什麼不只拘泥於我們理解的通常的實時間呢?正如早先所提到的,其原因是物質和能量要使時空向其自身彎曲。在實時間方向,這就不可避免地導致奇性,時空在這裡到達盡頭。物理學方程在奇點處無法定義,這樣人們就不能預言會發生什麼。但是虛時間方向和實時間成直角。這表明它的行為和在空間中運動的三個方向相類似。宇宙中物質引起的時空曲率就使三個空間方向和這個虛的時間方向繞到後面再相遇到一起。它們會形成一個閉合的表面,正如地球的表面那樣。這三個空間方向和虛時間會形成一個自身閉合的時空,沒有邊界或者邊緣。它沒有任何可以叫做開端或者終結的點,正和地球的表面沒有開端或者終結一樣。
  1983年詹姆·哈特爾和我提出,對於宇宙不能取在實時間中的歷史的求和,相反的,它應當取在虛時間內的歷史的求和,而且這些歷史,正如地球的表面那樣,自身必須是閉合的。因為這些歷史不具有任何奇性或者任何開端或終結,在它們中發生的什麼可完全由物理定律所確定。這表明在虛時間中發生的東西可被計算出來。而如果你知道宇宙在虛時間裡的歷史,你就能計算出它在實時間裡如何行為。以這種方法,你可望得到一個完整的統一理論,它能預言宇宙中的一切。愛因斯坦把他的晚年獻身於尋求這樣的一種理論。因為他不相信量子力學,所以他沒有尋找到。他不準備承認宇宙可以有許多不同的歷史,正如在對歷史求和中的那樣。對於宇宙我們仍然不知道如何正確地對歷史求和,但是我們能夠相當肯定,它將牽涉到虛時間以及時空向自身閉合的思想。我認為,對於下一代的人而言,這些思想將會像世界是圓形的那麼自然。虛時間已經成為科學幻想的老生常談。但是它不僅是科學幻想或者數學技巧。它是某種使我們生活於其中的宇宙成形的某種東西。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 九、宇宙的起源「14」
  宇宙起源的問題有點像這個古老的問題:是先有雞呢,還是先有蛋。換句話說,就是何物創生宇宙,又是何物創生該物呢?也許宇宙,或者創生它的東西已經存在了無限久的時間,並不需要被創生。直到不久之前,科學家們還一直試圖迴避這樣的問題,覺得它們與其說是屬於科學,不如說是屬於形而上學或宗教的問題。然而,人們在過去幾年發現,科學定律甚至在宇宙的開端也是成立的。在那種情形下,宇宙可以是自足的,並由科學定律所完全確定。      「14」作者註:此文發表於1987年6月在劍橋舉行的為紀念牛頓《原理》出版三百週年的引力三百年的會議上。
  關於宇宙是否並如何啟始的爭論貫穿了整個有記載的歷史。基本上存在兩個思想學派。許多早期的傳統,以及猶太教、基督教和伊斯蘭教認為宇宙是在相當近的過去創生的。(十七世紀時鄔謝爾主教算出宇宙誕生的日期是公元前4004年,這個數目是由把在舊約聖經中人物的年齡加起來而得到的。)承認人類在文化和技術上的明顯的進化,是近代出現的支持上述思想的一個事實。我們記得那種業績的首創者或者這種技術的發展者。可以如此這般地進行論證,即我們不可能存在了那許久;因為否則的話,我們應比目前更加先進才對。事實上,聖經的創世日期和上次冰河期的結束相差不多,而這似乎正是現代人類首次出現的時候。
  另一方面,還有諸如希臘哲學家亞里斯多德的一些人,他們不喜歡宇宙有個開端的思想。他們覺得這意味著神意的干涉。他們寧願相信宇宙已經存在了並將繼續存在無限久。某種不朽的東西比某種必須被創生的東西更加完美。他們對上述有關人類進步的詰難的回答是:週期性洪水或者其他自然災難重複地使人類回到起始狀態。
  兩種學派都認為,宇宙在根本上隨時間不變。它要麼以現在形式創生,要麼以今天的樣子維持了無限久。這是一種自然的信念,由於人類生命——實際上整個有記載的歷史是如此之短暫,宇宙在此期間從未顯著地改變過。在一個穩定不變的宇宙的框架中,它是否已經存在了無限久或者是在有限久的過去誕生的問題,實在是一種形而上學或宗教的問題:任何一種理論都能對此作解釋。1781年哲學家伊曼努爾·康德寫了一部里程碑式的、也是非常模糊的著作《純粹理性批判》。他在這部著作中得出結論,存在同樣有效的論證分別用以支持宇宙有一個開端或者宇宙沒有開端的信仰。正如他的書名所提示的,他是簡單地基於推理得出結論,換句話說,就是根本不管宇宙的觀測。畢竟也是,在一個不變的宇宙中,有什麼可供觀測的呢?
  然而在十九世紀,證據開始逐漸積累起來,它表明地球以及宇宙的其他部分事實上是隨時間而變化的。地學家們意識到岩石以及其中的化石的形成需要花費幾億甚至幾十億年的時間。這比創生論者計算的地球年齡長得太多了。由德國物理學家路德維希·玻爾茲曼提出的所謂熱力學第二定律還提供了進一步的證據,宇宙中的無序度的總量(它是由稱為熵的量所測量的)總是隨時間而增加,正如有關人類進步的論證,它暗示宇宙只能運行了有限的時間,否則的話,它現在應已退化到一種完全無序的狀態,在這種狀態下萬物都處於相同的溫度下。
  穩恆宇宙思想所遭遇到的另外困難是,根據牛頓的引力定律,宇宙中的每一顆恆星必須相互吸引。如果是這樣的話,它們怎麼能維持相互間的恆定距離,並且靜止地停在那裡呢?
  牛頓曉得這個問題。在一封致當時一位主要哲學家裡查德·本特裡的信中,他同意這樣的觀點,即有限的一群恆星不可能靜止不動,它們全部會落到某個中心點。然而,他論斷道,一個無限的恆星集合不會落到一起,由於不存在任何可供它們落去的中心點。這種論證是人們在談論無限系統時會遭遇到的陷阱的一個例子。用不同的方法將從宇宙的其餘的無限數目的恆星作用到每顆恆星的力加起來,會對恆星間是否維持恆常距離給出不同的答案。我們現在知道,其正確的步驟是考慮恆星的有限區域,然後加上在該區域之外大致均勻分佈的更多恆星。恆星的有限區域會落到一起,而按照牛頓定律,在該區域外加上更多的恆星不能阻止其坍縮。這樣,一個恆星的無限集合不能處於靜止不動的狀態。如果它們在某一時刻不在作相對運動,它們之間的吸引力會引起它們開始朝相互方向落去。另一種情形是,它們可能正在相互離開,而引力使這種退行速度降低。
  儘管恆定不變的宇宙的觀念具有這些困難,十七、十八、十九甚至二十世紀初期都沒有人提出過,宇宙也許是隨時間演化的,不管是牛頓還是愛因斯坦都失去了預言宇宙不是在收縮便是在膨脹的機會。因為牛頓生活在觀測發現宇宙膨脹以前的二百五十年,所以人們實在不能責備他。但是愛因斯坦應該知道得更好。他在1915年提出的廣義相對論預言宇宙正在膨脹。但是他對穩恆宇宙是如此之執迷不悟,以至於要在理論中加上一個使之和牛頓理論相調和並用於抗衡引力的因素。
  1929年埃德溫·哈勃的宇宙膨脹的發現完全改觀了有關其起源的討論。如果你把星系現在的運動往時間的過去方向倒溯,它們在一百億和二百億年前之間的某一時刻似乎應該重疊在一起,在這個稱為大爆炸奇點的時刻,宇宙的密度和時空的曲率應為無窮大。所有的已知的科學定律在這種條件下都失效了。這對科學是一樁災難。科學所能告訴我們的一切是:宇宙現狀之所以如此是因為它過去是處於那種形態。但是科學不能解釋為何它在大爆炸後的那一瞬間是那個樣子的。
  這樣,許多科學家對此結論感到不悅就毫不足怪了。為了避免存在大爆炸奇點以及由此引起的時間具有開端的結論,人們進行了若干嘗試。其中一種稱為穩恆態理論。它的思想是,隨著星系互相分離而去,由連續產生的物質在星系之間的空間中形成新的星系。這樣宇宙就多多少少以今日這樣的狀態不但已經存在了,而且還將繼續存在無限長時間。
  為了使宇宙繼續膨脹並創生新物質,穩恆態模型需要修改廣義相對論。但是所需要的產生率非常低:大約為每年每立方公里一個粒子,這不會和觀測相衝突。該理論還預言了,星系和類似物體的平均密度不但在空間上而且在時間上必須是常數。然而,由馬丁·賴爾和他的劍橋小組進行的銀河系外射電源的普查顯示,弱源的數目比強源的數目多得多。人們可以預料,弱的源在平均上講應是較遙遠的。這樣就存在兩種可能性:或許我們正位於宇宙中的一個強源不如平均源頻繁的區域;或者過去的源的密度更高,光線在離開這些源向我們傳播時旅行了更遙遠的距離。這兩種可能性沒有一種和穩恆態理論相協調,因為該理論預言射電源密度不僅在空間上而且在時間上必須為常數。1964年阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜發現了從比我們的銀河系遙遠得多的地方起源的微波輻射背景,這是對該理論的致命打擊。它具有從一個熱體發射出的輻射的特徵譜,儘管在這種情形下熱這個字根本不適合,因為其溫度只不過比絕對零度高2.7度而已。宇宙是一個既寒冷又黑暗的地方!穩恆態理論中沒有一種產生具有這種譜的微波的合理機制,所以穩恆態理論難逃被拋棄的命運。
  1963年兩位俄國科學家歐格尼·利弗席茲和伊薩克·哈拉尼科夫提出另一種思想,企圖用來避免大爆炸奇性。他們說,只有當星系直接相互接近或離開時,它們才會在過去的一個單獨的點上相重疊,才導致無限密度狀態。可惜的是,星系還多少具有一些側向速度,宇宙早斯就可能存在過這樣的一種收縮相,這時,星系雖然曾經非常靠近過,卻能設法避免互相撞擊。然後宇宙會繼續重新膨脹,而不必通過一種無限的密度的狀態。
  當利弗席茲和哈拉尼科夫提出其設想時,我正是一名研究生,亟需一個問題以完成博士論文。因為是否有過大爆炸奇點的問題對於理解宇宙的起源關係重大,所以它引起了我的興趣。我和羅傑·彭羅斯一道發展了一套數學工具,用以處理這個以及類似的問題。我們指出,如果廣義相對論是正確的,任何合理的宇宙模型都必須起始於一個奇點。這就表明,科學能夠預言,宇宙必須有一個開端,但是它不能夠預言宇宙應如何啟始的:正因為如此,人們必需求助於上帝。
  審察人們對奇性看法的變化是十分有趣的。當我還是一名研究生時,幾乎沒人認真地看待之。現在,作為奇性定理的一個結果,幾乎無人不信宇宙是從一個奇點起始的,物理定律在該處失效。然而,現在我認為,雖然存在奇點,物理定律仍能確定宇宙是如何起始的。
  廣義相對論是一種被稱為經典的理論。也就是說,它沒有顧及這個事實,即粒子不具備精確定義的位置和速度,由於過於力學的不確定性原理位置和速度在小範圍內被「抹平」,不確定性原理不允許我們同時既測量位置又測量速度。因為在正常情形下時空的曲率在和粒子位置的不確定性相比較時非常大,這些對我們沒什麼影響。然而奇性定理指出,在現在的宇宙膨脹相的開端,時空被高度地畸變,並且具有很小的曲率半徑。不確定原理在這種情形下變成非常重要。這樣,廣義相對論因預言奇性而導致自身的垮台。為了討論宇宙的開端,我們需要一種結合廣義相對論和量子力學的理論。
  那種理論便是量子引力論。我們尚未知道正確的量子引力論應採取的準確形式。我們此刻所擁有的最佳候選者是超弦理論,但它仍有許多未解決的困難。然而,人們可以期望,任何有前途的理論都應具有的某些特徵。其中之一便是愛因斯坦的思想,引力效應由被物質和能量所彎曲甚至捲曲的時空來體現。物體在彎曲空間中沿著最接近於直線的軌跡運行。然而,由於時空是彎曲的,所以它們的路徑就顯得是彎折的,正如同被引力場所彎折了似的。
  另一種在這個終極理論中可以預料的要素是裡查德·費因曼的設想,即量子理論可以表達成「對歷史的求和」。該思想可以最簡單的形式表達成,每顆粒子在時間中走過任何可能的路徑或歷史。每一路徑或歷史具有依其形狀而定的概率。為了使這種思想可行,人們必須考慮在虛時間裡發生的歷史,而不是在我們感覺生活於其中的實時間裡發生的歷史。虛時間聽起來有點像是科學幻想的東西,其實它是定義得很好的數學概念。它在某種意義上可被認為是和實時間成直角的時間方向。人們把所有具有某種性質的粒子歷史,譬如講在某些時刻通過某些點的歷史的概率加起來。然後應把這結果延拓到我們在其中生活的實的時空中去。這不是量子力學的最熟知的手段,但它給出和其他方法得到的相同結果。
  在量子引力的情形下,費因曼的對歷史求和的思想牽涉到對宇宙的不同的可能的歷史,也就是對不同的彎曲時空的求和。這些代表了宇宙和它之中的任何東西的歷史。人們必須指明,在對歷史的求和中,應包括哪些種類的彎曲空間。這種空間種類的選取確定了宇宙處於什麼狀態。如果定義宇宙狀態的彎曲空間種類包括具有奇性的空間,則該理論就不能確定這類空間的概率。相反的,它們必須以某種任意的方法被賦予概率。這意味著科學不能預言時空的這類奇性歷史的概率。這樣,它就不能預言宇宙應如何運行。然而,宇宙可能處於由只包括非奇性彎曲空間的求和所定義的狀態。在這種情形下,科學定律就把宇宙完全確定,人們就不必吁求宇宙之外的某物來確定宇宙如何啟始。由只對非奇性歷史的求和確定宇宙的狀態有點像一名醉漢在燈柱之下找他的鑰匙:這兒也許不是他遺失之處,但是這兒是他可能找到的僅有的地方。類似的,宇宙也許不處於由對非奇性歷史求和定義的狀態,但這是科學能預言宇宙應當什麼樣子的僅有的狀態。
  1983年詹姆·哈特爾和我提出,宇宙的狀態應由對一定種類歷史的求和給出。這類歷史由沒有奇性的,而且具有有限尺度卻沒有邊界或邊緣的彎曲空間組成。它們像是地球的表面,只不過多了兩維。地球的表面具有有限的面積,但是它不具有任何奇性、邊界或邊緣。我曾經用實驗驗證過這一點。我作過環球旅行,而沒有落到外面去。
  哈特爾和我所做的設想可以被重新表達成:宇宙的邊界條件是它沒有邊界。只有當宇宙處於這個無邊界狀態時,科學定律自身才能確定每種可能歷史的概率。因此,只有在這種情形下,已知的定律才會確定宇宙應如何運行。如果宇宙處於任何其他的狀態,則歷史求和中的彎曲空間的種類就要包括具有奇性的空間。人們必需求助於已知科學定律以外的某種原理,才能確定這種奇性歷史的概率。這種原理就會是外在於我們宇宙的某種東西。我們不能從我們宇宙之中將其推導出來。而另一方面,如果宇宙是處於無邊界狀態,在原則上,我們就能在不確定性原理容忍的限制之內完全確定宇宙應如何運行。
  如果宇宙處於無邊界狀態,那對於科學而言就太好了,但是我們如何才能知道事情究竟是否如此呢?其答案是,無邊界設想對宇宙應如何運行作出了明確的預言。如果這些預言不與觀測相符合,則我們就能得出結論說,宇宙不處於無邊界狀態。這樣,在哲學家卡爾·波普定義的意義上說,無邊界設想是一種好的科學理論:它可被觀測證偽。
  如果觀測不與預言相符合,我們就知道在可能歷史的種類中必須有奇性。然而,這就大致上是我們知道的一切。我們不能計算出這種奇性歷史的概率,因此我們不能預言宇宙應如何運行。有人也許會認為,如果不可預見性只發生在大爆炸處,那不會太礙事,那畢竟是一百億或二百億年以前的事。但是,如果可預言性在大爆炸的非常強引力場中失效,那麼只要恆星坍縮它也會失效。這種事件僅在我們的銀河系中每週就會發生幾次。我們的預言能力甚至按照天氣預報的標準來說也是非常差勁的。
  當然,人們還會說,我們根本不必在乎發生在一顆遙遠恆星處的可預言性的失效。然而,在量子理論中任何不被實際上禁止的東西都能夠並將要發生。這樣,如果可能歷史的種類中包括奇性空間的話,這些奇性可在任何地方發生,而不僅在大爆炸處以及坍縮星之中。這意味著,我們不能預言任何東西。反過來說,我們能夠預言事件的這一事實是反對奇性並贊同無邊界設想的實驗證據。
  那麼無邊界設想為宇宙做出什麼預言呢?第一個預言是,因為宇宙的所有可能的歷史在廣延上都是有限的,所以人們用來作為時間測度的任何量都必須有一個最大值和一個最小值。這樣宇宙就有一個開端和一個終結。在實時間中的開端即是大爆炸奇點。然而在虛時間中這個開端就不再是奇點。相反的,它有點像地球的北極。如果人們把地球表面的緯度當作時間的類似物,則可以說地球的表面從北極開始。然而,北極是地球上完全普通的一點。它沒有任何特殊之處,同樣的定律在北極正如同在地球上的其他地方同樣地成立。類似的,我們用來標誌作「在虛時間內宇宙的啟始」的事件是時空中的一個通常的點,正如其他的點那樣。科學定律在開端處正如在其他地方一樣成立。
  人們從和地球表面的類比,也許會預料到,正如北極和南極相似一樣,宇宙的終結會和開端相類似。然而,北南二極是對應於虛時間中的宇宙歷史的開端和終結。如果人們把對歷史求和的結果從虛時間向實時間延拓,就會發現宇宙在實時間中的開端和它的終結可以非常不同。
  約納遜·哈里威爾和我對無邊界條件的含義作過一個近似計算。我們把宇宙當作一個完全光滑和均勻的背景來處理,在這個背景上存在密度的小微擾。宇宙在實時間中從非常小的半徑開始膨脹。最初的這種膨脹被稱作暴漲,也就是說,宇宙尺度在比一秒還要短暫非常多的每一時間間隔中得到加倍,這正如在某些國家中每一年價格都要加倍一樣。第一次世界大戰後的德國也許創下了通貨膨脹的世界紀錄,一捆麵包的價格在幾個月的時間內從一個馬克漲到一百萬馬克。但是沒有任何東西可與似乎在極早期宇宙發生過的暴漲相比擬,宇宙尺度在一秒的極微小的部分時間內至少增加了一百萬億乙乙倍。這當然是發生在當局政府之前的事。
  暴漲在如下意義上來說,是件好事,它產生了一個在大尺度上光滑而均勻的宇宙,而且這個宇宙以剛好避免坍縮的臨界速度膨脹。它還能在相當嚴格的意義上把宇宙的所有內容從無中創生出來,這是暴漲的又一好處。當宇宙像北極那樣的一個單獨點時,它不包含有任何東西。然而,在我們可觀測到的宇宙部分至少有十的八十次方顆粒子。所有這些粒子從何而來呢?其答案是,相對論和量子力學允許物質從能量中以粒子反粒子對的形式創生出來。那麼能量又是從何而來以創生物質呢?其答案是,它是從宇宙的引力能中借來的。宇宙虧欠了極大數量的負引力能的債務,它剛好和物質的正能量相平衡。其結果便是凱恩斯經濟學的勝利:一個充滿物質的、充滿活力的正在膨脹的宇宙。引力能的債務只有在宇宙終結時才能償付清。
  早期宇宙不能是完全均勻一致的,因為否則的話就會違反量子力學的不確定性原理。相反的,必須存在對均勻密度的一些偏差。無邊界設想意味著,這些密度差別是從它們的基態開始,也就是說,它們是和不確定性原理相一致的盡可能的小。然而,這些差別在暴漲時被放大了。在暴漲時期結束之後,留下的宇宙是一些地方比另一些地方膨脹得稍快一些。在膨脹稍慢的區域,物質的引力吸引使膨脹進一步減慢。該區域最終會停止膨脹,並且收縮形成星系和恆星。這樣,無邊界設想可以解釋我們四周看到的所有複雜結構。然而,它沒有給宇宙作出單獨的預言。相反地,它預言整整一族可能的歷史,每一個歷史都具有自己的概率。也許可能有這樣的歷史,工黨在上次英國競選中取勝,雖然這種概率很小。
  無邊界設想對於上帝在宇宙事務中的作用含義極其深遠。人們現在廣泛接受,宇宙按照定義很好的定律演化。這些定律可能是上帝欽定的,但是他似乎不去干涉宇宙去違反這些定律。然而,直到不久以前,人們都認為這些定律不能適用於宇宙的開初。那就要依賴上帝去旋緊發條,並讓宇宙順著他的意願的方式去運行。這樣,宇宙的現狀是上帝對初始條件選擇的結果。
  然而,如果某種像無邊界設想的東西是正確的話,則情況就會大大改觀。在那種情形下,物理定律甚至也適用於宇宙的開端,這樣上帝就沒有選取初始條件的自由。當然他在選取宇宙要服從的定律上仍然具有自由。然而,這裡並沒有許多選擇的餘地。也許只存在很少數目的定律,這些定律是自洽的,並能導致像我們自己這麼複雜的生物的存在,他能詢問什麼是上帝的性質。
  甚至即使只存在唯一的一族可能的定律,它也只不過是一族方程。究竟是什麼東西將生命之火賦予這些方程,使之產生一個受它們制約的宇宙呢?難道終極的統一理論是如此之咄咄逼人,以至於其自身的實現成為不可避免?雖然科學能解決宇宙如何啟始的課題,它仍然無法回答這個問題:為何宇宙必須存在?我對此沒有答案。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 十、黑洞的量子力學「15」
  本世紀的最初三十年出現了三種理論,它們激烈地改變人們對物理和實在本身的觀點。物理學家們仍然在探討它們的含義以及嘗試把它們調適在一起。這三種理論是狹義相對論(1905年)、廣義相對論(1915年)以及量子力學理論(大約1926年)。阿爾伯特·愛因斯坦是第一種理論的主要創建者,是第二種理論的單獨創建者,並且在第三種理論的發展中起過重要的作用。因為量子力學具有隨機的和不可確定性的因素,所以愛因斯坦從未接受它。他的態度可用他經常被引用的「上帝不玩弄骰子」的陳述來總結。然而,由於不管是狹義相對論還是過子力學都能夠描述可被直接觀察的效應,所以絕大多數物理學家欣然同意,接受它們。而另一方面,由於廣義相對論似乎在數學上過於複雜,不能在實驗室中得到檢驗,而且是似乎不能和量子力學相協調的純粹經典的理論,所以它在大部分場合沒有受到理會。這樣,在幾乎半個世紀的歲月裡,廣義相對論一直處於沉悶的狀態。      「15」作者註:此文於1977年1月發表在《科學美國人》上。
  從本世紀六十年代初開始的天文觀測的偉大擴展,發現了許多新現象,諸如類星體、脈衝星和緊致的X射線源。這一切表明非常強大的引力場的存在,這種引力場只能由廣義相對論來描述,所以對廣義相對論的經典理論的興趣又被重新喚起。類星體是和恆星相似的物體,如果它們處於由它們的光譜的紅化所標誌的那麼遙遠的地方,則必須比整個星系還要亮好幾倍。脈衝星是超新星爆發後快速閃耀的殘餘物,它被認為是超密度的中子星。緊致的X射線源是由外空飛行器上的儀器所揭示的,也可能還是中子星或者是具有更高密度的假想的物體,也就是黑洞。
  物理學家在把廣義相對論應用到這些新發現的或者假想的物體時,所要面臨的一個問題是,要使它和量子力學相協調。在過去的幾年中有了一些發展,使人們產生了一些希望,也就是不必等太久的時間我們將獲得一種完全協調的量子引力論,這種理論對於宏觀物體和廣義相對論相一致,而且可望避免那種長期折磨其他量子場論的數學上的無窮大。這些發展就是最近發現的和黑洞相關的某些量子效應,它們為在黑洞和熱力學定律之間提供了令人注目的聯結。
  讓我簡述一下黑洞是如何產生的。想像一顆具有十倍太陽質量的恆星。在它的大約十億年壽命的大部分時間裡,該恆星在其中心把氫轉化成氦而產生熱。釋放出的能量會產生足夠的壓力,以支持該恆星去抵抗自身的引力,這就產生了半徑約為太陽半徑五倍的物體。從這種恆星表面的逃逸速度大約是每秒一千公里。也就是說,一個以小於每秒一千公里的速度從該恆星表面點火垂直上升的物體,會被恆星的引力場拖曳回到表面上來,而具有更大速度的物體會逃逸到無窮遠去。
  當恆星耗盡其核能,那就沒有東西可維持其向外的壓力,恆星就由於自身的引力開始坍縮。隨著恆星收縮,表面上的引力場就變得越來越強大,而逃逸速度就會增加。當它的半徑縮小到三十公里,其逃逸速度就增加到每秒三十萬公里,也就是光的速度。從此以後,任何從該恆星發出的光都不能逃逸到無窮遠,而只能被引力場拖曳回來。根據狹義相對論,沒有東西可能比光旅行得更迅速。這樣,如果光都不能逃逸,別的東西就更不可能。
  其結果就是一顆黑洞:這是時空的一個區域,從這個區域不可能逃逸到無窮遠。黑洞的邊界被稱作事件視界。它對應於從恆星發出的剛好不能逃逸到無窮遠的,而只能停留在施瓦茲席爾德半徑處徘徊的光線的波前。施瓦茲席爾德半徑為2GM/√c,這裡G是牛頓引力常數,M是恆星質量,而c是光速。對於具有大約十倍太陽質量的恆星,其施瓦茲席爾德半徑大約為二十公里。
  現在有了相當好的觀測證據暗示,在諸如稱為天鵝X-1的雙星系統中存在大約這個尺度的黑洞。也許還有相當數目的比這小得多的黑洞散落在宇宙之中。它們不是由恆星坍縮形成的,而是在熾熱的高密度的介質的被高度壓縮區域的坍縮中產生的。人們相信在宇宙啟始的大爆炸之後不久存在這樣的介質。這種「太初」黑洞對我將在這裡描述的量子效應具有最大的興趣。一顆重十億噸(大約一座山的質量)的黑洞具有10↑-13厘米的半徑(一顆中子或質子的尺度)。它也許正繞著太陽或者繞著銀河系中心公轉。
  1970年的數學發現是在黑洞和熱力學之間可能有聯接的第一個暗示。它是說事件視界,也就是黑洞邊界的表面積具有這樣的性質,當附加的物質或者輻射落進黑洞時它總是增加。此外,如果兩顆黑洞碰撞並且合併成一顆單獨的黑洞,圍繞形成黑洞的事件視界的面積比分別圍繞原先兩顆黑洞的事件視界的面積的和更大。這些性質暗示,在一顆黑洞的事件視界面積和熱力學的熵概念之間存在一種類似。熵可被認為是系統的無序度,或等價地講是對它精確狀態的知識的缺失。熱力學著名的第二定律說,熵總是隨時間而增加。
  華盛頓大學的詹姆斯·巴丁,現在任職於莫爾頓天文台的布蘭登·卡特和我推廣了黑洞性質和熱力學定律之間的相似性。熱力學第一定律說,一個系統的熵的微小改變是伴隨著該系統的能量的成比例的改變。這個比例因子被叫做系統的溫度。巴丁、卡特和我發現了把黑洞質量改變和事件視界面積改變相聯繫的一個類似的定律。這裡的比例常數牽涉到稱為表面引力的一個量,它是引力場在事件視界的強度的測度。如果人們接受事件視界的面積和熵相類似,那麼表面引力似乎就和溫度相類似。可以證明,在事件視界上所有點的表面引力都是相等的,正如同處於熱平衡的物體上的所有地方具有相同的溫度。這個事實更加強了這種類比。
  雖然在熵和事件視界面積之間很明顯地存在著相似性,對於我們來說,如何把面積認定為黑洞的熵仍然不是顯然的。黑洞的熵是什麼含義呢?1972年雅各布·伯肯斯坦提出了關鍵的建議。他那時是普林斯頓大學的一名研究生,現在任職於以色列的涅吉夫大學。可以這麼進行論證。由於引力坍縮而形成一顆黑洞,這顆黑洞迅速地趨向於一種穩定態,這種態只由三個參數來表徵:質量、角動量和電荷。這個結論即是著名的「黑洞無毛定理」。它是由卡特、阿爾伯特大學的外奈·伊斯雷爾、倫敦國王學院的大衛·C·羅賓遜和我共同證明的。
  無毛定理表明,在引力坍縮中大量的信息被損失了。例如,最後的黑洞和坍縮物體是否由物質或者反物質組成,以及它在形狀上是球形的還是高度不規則的都沒有關係。換言之,一顆給定質量、角動量以及電荷的黑洞可由物質的大量不同形態中的任何一種坍縮形成。的確,如果忽略量子效應的話,由於黑洞可由無限大數目的具有無限小質量的粒子雲的坍縮形成,所以形態的數目是無限的。
  然而,量子力學的不確定性原理表明,一顆質量為m的粒子的行為正像一束波長為h/mc的波,這裡h是普郎克常數(一個值為6.62×10↑-27爾格·秒的小數),而c是光速。為了使一堆粒子雲能夠坍縮形成一顆黑洞,該波長似乎必須比它所形成黑洞的尺度更小。這樣,能夠形成給定質量、角動量和電荷的黑洞的形態數目雖然非常巨大,卻可以是有限的。伯肯斯坦建議說,人們可把這個數的對數解釋成黑洞的熵。這個數目的對數是在黑洞誕生時在通過事件視界坍縮之際的不可挽回的信息喪失的量的測度。
  伯肯斯坦的建議中含有一個致命的毛病,如果黑洞具有和它的事件視界面積成比例的熵,它就還應該具有有限的溫度,該溫度必須和它的表面引力成比例。這就意味著黑洞能和具有不為零溫度的熱輻射處於平衡。然而,根據經典概念,黑洞會吸收落到它上面的任何熱輻射,而不能發射任何東西作為回報,所以這樣的平衡是不可能的。
  直到1974年初,當我根據量子力學研究物質在黑洞鄰近的行為時,這個迷惑才得到解決。我非常驚訝地發現,黑洞似乎以恆定的速率發射出粒子。正如那時候的任何其他人一樣,我接受黑洞不能發射任何東西的正統說法。所以我花了相當大的努力試圖擺脫這個令人難堪的效應。它拒不退卻,所以我最終只好接受之。最後使我信服它是一個真正的物理過程的是,飛出的粒子具有準確的熱譜,黑洞正如同通常的熱體那樣產生和發射粒子,這熱體的溫度和黑洞的表面引力成比例並且和質量成反比。這就使得柏肯斯坦關於黑洞具有有限的熵的建議完全協調,因為它意味著能以某個不為零的溫度處於熱平衡。
  從此以後,其他許多人用各種不同的方法確證了黑洞能熱發射的數學證據。以下便是理解這種輻射的一種方法。量子力學表明,整個空間充滿了「虛的」粒子反粒子對,它們不斷地成對產生、分開,然而又聚到一塊並互相湮滅。因為這些粒子不像「實的」粒子那樣,不能用粒子加速器直接觀測到,所以被稱作虛的。儘管如此,可以測量到它們的間接效應。由它們在受激氫原子發射的光譜上產生的很小位移(藍姆位移)證實了虛粒子的存在。現在,在黑洞存在的情形,虛粒子對中的一個成員可以落到黑洞中去,留下來的另一個成員就失去可以與之相湮滅的配偶。這被背棄的粒子或者反粒子,可以跟隨其配偶落到黑洞中去,但是它也可以逃逸到無窮遠去,在那裡作為從黑洞發射出的輻射而出現。
  另一種看待這個過程的方法是,把落到黑洞中去的粒子對的成員,譬如講反粒子,考慮成真正地在向時間的過去方向旅行的一顆粒子。這樣,這顆落入黑洞的反粒子可被認為是從黑洞跑出來但向時間過去旅行的一顆粒子。當該粒子到達原先該粒子反粒子對產生的地方,它就被引力場散射,這樣就使它在時間前進的方向旅行。
  因此,量子力學允許粒子從黑洞中逃逸出來,這是經典力學不允許的事。然而,在原子和核子物理學中存在許多其他的場合,有一些按照經典原理粒子不能逾越的壁壘,按照量子力學原理的隧道效應可讓粒子通過。
  圍繞一顆黑洞的壁壘厚度和黑洞的尺度成比例。這表明非常少粒子能從一顆像假想在天鵝X-1中存在的那麼大的黑洞中逃逸出來,但是粒子可以從更小的黑洞迅速地漏出來。仔細的計算表明,發射出的粒子具有一個熱譜,其溫度隨著黑洞質量的減小而迅速增高。對於一顆太陽質量的黑洞,其溫度大約只有絕對溫度的千萬分之一度。宇宙中的輻射的一般背景把從黑洞出來具有那種溫度的熱輻射完全淹沒了。另一方面,質量只有十億噸的黑洞,也就是尺度大約和質子差不多的太初黑洞,會有大約一千二百億度開文芬的溫度,這相當於一千萬電子伏的能量。處於這等溫度下的黑洞會產生電子正電子對以及諸如光子、中微子和引力子(引力能量的假想的攜帶者)的零質量粒子。太初黑洞以六十億瓦的速率釋放能量,這相當於六個大型核電廠的輸出。
  隨著黑洞發射粒子,它的質量和尺度就穩恆地減小。這使得更多粒子更容易穿透出來,這樣發射就以不斷增加的速度繼續下去,直到黑洞最終把自己發射殆盡。從長遠地看,宇宙中的每個黑洞都將以這個方法蒸發掉。然而對於大的黑洞它需要的時間實在是太長了,具有太陽質量的黑洞會存活10↑66年左右。另一方面,太初黑洞應在大爆炸迄今的一百億年間幾乎完全蒸發光,正如我們所知的,大爆炸是宇宙的起始。這種黑洞現在應發射出能量大約為一億電子伏的硬伽瑪射線。
  當·佩奇和我在SAS-2衛星測量伽瑪輻射宇宙背景的基礎上計算出,宇宙中的太初黑洞的平均密度必須小於大約每立方光年兩百顆。那時當·佩奇是在加州理工學院。如果太初黑洞集中於星系的「暈」中,它在銀河系中的局部密度可以比這個數目高一百萬倍,而不是在整個宇宙中均勻地分佈。暈是每個星系都要嵌在其中的稀薄的快速運動恆星的薄雲。這意味著最鄰近地球的太初黑洞可能至少在冥王星那麼遠。
  黑洞蒸發的最後階段會進行得如此快速,以至於它會在一次極其猛烈的爆發中終結。這個爆發的激烈程度依存於有多少不同種類的基本粒子而定。如果正如現在廣為相信的,所有粒子都是由也許六種不同的夸克構成,則最終的爆炸會具有和大約一千萬顆百萬噸氫彈相等的能量。另一方面,日內瓦歐洲核子中心的H·哈格登提出了另一種理論。他論斷道,存在質量越來越大的無限數目的基本粒子。隨著黑洞變得越小越熱,它就會發射出越來越多不同種類的粒子,也許會產生比按照夸克假定計算的能量大1    0倍的爆炸。因此,觀測黑洞爆發可為基本粒子物理提供非常重要的信息,這也許是用任何其他方式不能得到的信息。
  一次黑洞爆發會傾注出大量的高能伽瑪射線。雖然可以用衛星或者氣球上的伽瑪射線探測器觀測它們,但要送上一台足夠大的探測器,使之有相當的機會攔截到來自於一次爆炸的不少數量的伽瑪射線光子,是很困難的。使用航天飛機在軌道上建立一個大的伽瑪射線探測器是一種可能性。把地球的上層大氣當成一台探測器是另外一種更容易也更便宜的做法。穿透到大氣的高能伽瑪射線會產生電子正電子爆,它們在大氣中旅行的初速度比大氣中的光速還快。(光由於和空氣分子相互作用而減慢下來。)這樣,電子和正電子將建立起一種音爆,或者是電磁場中的衝擊波。這種衝擊波叫作切倫科夫輻射,可以可見光閃爍的形式從地面上觀測到它。
  都柏林大學學院的奈爾·A·波特和特勒伏·C·威克斯的一個初步實驗指出,如果黑洞按照哈格登理論預言的方式爆炸,則在銀河系的我們區域中只有少於每世紀每立方光年兩次的黑洞爆發。這表明太初黑洞的密度小於每立方光年一億顆。我們有可能極大地提高這類觀測的靈敏度。即便它們沒有得到太初黑洞的任何肯定的證據,它們仍然是非常有價值的。觀測結果在這種黑洞的密度上設下一個低的高限,表明早期宇宙必須是光滑和安寧的。
  大爆炸和黑洞爆炸相類似,只不過是在一個極大的尺度範圍內而已。所以人們希望,理解黑洞如何創生粒子將導致類似地理解大爆炸如何創生宇宙中的萬物。在一顆黑洞中,物質坍縮並且永遠地損失掉,但是新物質在該處創生。所以事情也許是這樣的,存在宇宙更早的一個相,物質在大爆炸處坍縮並且重新創生出來。
  如果坍縮並形成黑洞的物質具有淨電荷,則產生的黑洞將攜帶同樣的電荷。這意味著該黑洞喜歡吸引虛粒子反粒子對中帶相反電荷的那個成員,而排斥帶相同電荷的成員。因此,黑洞優先地發射和它同性的帶電粒子,並且從而迅速地喪失其電荷。類似地,如果坍縮物質具有淨角動量,產生的黑洞便是旋轉的,並且優先地發射攜帶走它角動量的粒子。由於坍縮物質的電荷、角動量和質量和長程場相耦合:在電荷的情形和電磁場耦合,在角動量和質量的情形和引力場耦合,所以黑洞「記住」了這些參數,而「忘記」了其他的一切。
  普林斯頓大學的羅伯特·H·狄克和莫斯科國立大學的弗拉基米爾·布拉津斯基進行的實驗指出,不存在和命名為重子數的量子性質相關的長程場。(重子是包括質子和中子在內的粒子族。)因此由一群重子坍縮形成的黑洞會忘掉它的重子數,並且發射出等量的重子和反重子。所以,當黑洞消失時,它就違反了粒子物理的最珍貴定律之一,重子守恆定律。
  雖然為了和伯肯斯坦關於黑洞具有有限熵的假設協調,黑洞必須以熱的方式輻射,但是粒子產生的仔細量子力學計算引起帶有熱譜的發射,初看起來似乎完全是一樁奇跡。這可以解釋成,發射的粒子從黑洞的一個外界觀測者除了它的質量、角動量和電荷之外對之毫無所知的區域穿透出來。這意味著具有相同能量、角動量和電荷的發射粒子的所有組合或形態都是同等可能的。的確,黑洞可能發射出一台電視機或者十卷皮面包裝的蒲魯斯特「16」全集,但是對應於這些古怪可能性的粒子形態的數目極端接近於零。迄今最大數目的形態是對應於幾乎具有熱譜的發射。      「16」譯者註:蒲魯斯特(Marcel Proust)是法國上世紀和本世紀之交的小說家。
  黑洞發射具有超越通常和量子力學相關的額外的不確定性或不可預言性。在經典力學中人們既可以預言粒子位置,又可以預言粒子速度的測量結果。量子力學的不確定性原理講,只能預言這些測量中的一個,觀察者能預言要麼位置要麼速度的測量結果,不能同時預言兩者。或者他能預言位置和速度的一個組合的測量結果。這樣,觀察者作明確預言的能力實際上被減半了。有了黑洞情形就變得更壞。由於被黑洞發射出的粒子來自於觀察者只有非常有限知識的區域,他不能明確預言粒子的位置或者速度或者兩者的任何組合,他所能預言的一切是某些粒子被發射的概率。所以這樣看來,愛國斯坦在說「上帝不玩弄骰子」時,他是雙重地錯了。考慮到從黑洞發射粒子,似乎暗示著上帝不僅玩弄骰子,而且有時把它們扔到看不見的地方去。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 十一、黑洞和嬰兒宇宙「17」
  落到黑洞中去已成為科學幻想中的恐怖一幕。現在黑洞已在事實上被說成是科學的現實,而非科學的幻想。正如我所要描述的,我們已有很強的理由預言黑洞必然存在。觀測證據強烈地顯示,在我們自身的銀河系中有些黑洞,而在其他星系中則更多。      「17」作者註:這是1988年4月在伯克萊的加利福尼亞大學希奇科克的講演。
  當然,科學幻想作家真正做到家的是,他們為你描述如果你真的掉到一顆黑洞中去將會發生什麼。不少人認為,如果黑洞在旋轉的話,你便可穿過時空的一個小洞而到宇宙的另一個區域去。這顯然產生了空間旅行的可能性。如果我們要想到別的恆星,且不說到別的星系去的旅行在未來成為現實,這的確是我們夢寐以求的東西。否則的話,沒有東西可比光旅行得更快的這一事實意味著,到最鄰近的恆星的來回路途至少需要花八年時間。這就是到α一半人馬座度週末所需要的時間!另一方面,如果人們能穿過一顆黑洞,就可在宇宙中的任何地方重新出現。怎麼選取你的目的地還不很清楚,最初你也許想到處女座度假,而結果卻到了蟹狀星雲。
  我要非常遺憾地告訴未來的星系旅行家們,這個場景是行不通的。如果你跳進一顆黑洞,就會被撕成粉碎。然而,在某種意義上,構成你身體的粒子會繼續跑到另一個宇宙中去。我不清楚,某個在黑洞中被壓成意大利麵條的人,如果得知他的粒子也許能存活的話,是否對他是很大的安慰,儘管我在這裡採用了稍微輕率的語氣,這篇講演卻是基於可靠的科學作根據。我在這裡講的大部分現在已得到在這個領域作研究的其他科學家的贊同,儘管這是發生在新近的事。然而,這篇講演的最後部分是根據還沒有達成共識的最近的工作。它引起了巨大的興趣和激動。
  雖然我們現在稱作黑洞的概念可以回溯到二百多年前,但是「黑洞」這個名字是晚到1967年才由美國物理學家約翰·惠勒提出來的。這真是一項天才之舉:這個名字本身就保證黑洞進入科學幻想的神秘王國。為原先沒有滿意名字的某種東西提供確切的名字也刺激了科學研究。在科學中不可低估好名字的重要性。
  盡我所知,首先討論黑洞的是一位名叫約翰·米歇爾的劍橋人,他在1783年寫了一篇有關的論文。他的思想如下:假設你在地球表面上向上點燃一顆炮彈。在它上升的過程中,其速度由於引力效應而減慢。它最終會停止上升而落回到地球上。然而,如果它的初速度大於某個臨界值,它將永遠不會停止上升並落回來,而是繼續向外運動。這個臨界速度稱為逃逸速度。地球的逃逸速度大約為每秒七英里,太陽的逃逸速度大約為每秒一百英里。這兩個速度都比實際炮彈的速度大,但是它們比起光速來就太小了,光速是每秒186000英里。這表明引力對光的影響甚微,光可以毫無困難地從地球或太陽逃逸。可是,米歇爾推論道,也許可能有這樣的一顆恆星,它的質量足夠大而尺度足夠小,這樣它的逃逸速度就比光速還大。因為從該恆星表面發出的光會被恆星的引力場拉曳回去,所以它不能到達我們這裡,因此我們不能看到這顆恆星。然而,我們可以根據它的引力場作用到附近物體上的效應檢測到它的存在。
  把光當作炮彈處理是不自洽的。根據在1897年進行的一項實驗,光線總是以恆常速度旅行。那麼引力怎麼能把光線減慢呢?直到1915年愛因斯坦提出廣義相對論後,人們才有了引力對光線效應的自洽理論。儘管如此,直到本世紀六十年代,人們才廣泛意識到這個理論對老的恆星和其他重質量物體的含義。
  根據廣義相對論,空間和時間一起被認為形成稱作時空的四維空間。這個空間不是平坦的,它被在它當中的物質和能量所畸變或者彎曲。在向我們傳來的光線或者無線電波於太陽附近受到的彎折中可以觀測到這種曲率。在光線通過太陽鄰近的情形時,這種彎折非常微小。然而,如果太陽被收縮到只有幾英里的尺度,這種彎折就會厲害到這種程度,即從太陽表面發出的光線不能逃逸出來,它被太陽的引力場拉曳回去。根據相對論,沒有東西可以比光旅行得更快,這樣就存在一個任何東西都不能逃逸的區域。這個區域就叫做黑洞。它的邊界稱為事件視界。它是由剛好不能從黑洞逃出而只能停留在邊緣上徘徊的光線形成的。
  假定太陽能收縮到只有幾英里的尺度,聽起來似乎是不可思議的。人們也許認為物質不可能被壓縮到這種程度。但是在實際上這是可能的。
  太陽具有現有的尺度是因為它是熱的。它正在把氫燃燒成氦,如同一顆受控的氫彈。這個過程中釋放出的熱量產生了壓力,這種壓力使太陽能抵抗得住自身引力的吸引,正是這種引力使得太陽尺度變小。
  然而,太陽最終會耗盡它的燃料。這要發生也是在冉過大約五十億年以後的事,所以不必焦急訂票飛到其他恆星去。然而,具有比太陽更大質量的恆星會更迅速地耗盡其燃料。在燃料用盡後就開始失去熱量並且收縮。如果它們質量比大約太陽質量的兩倍還小,就最終會停止收縮,並且趨向於一種穩定的狀態。這樣的狀態之一叫作白矮星。它們具有幾千英里的半徑和每立方英吋幾百噸的密度。另一種這樣的狀態是中子星。它們具有大約十英里的半徑和每立方英吋幾百萬噸的密度。
  在銀河系我們緊鄰的區域觀察到大量的白矮星。然而,直到1967年約瑟琳·貝爾和安東尼·赫維許在劍橋才首次觀測到中子星。那時他們發現了稱作脈衝星的發出射電波規則脈衝的物體。最初,他們驚訝是否和外星文明進行了接觸。我的確記得,在他們要宣佈其發現的房間裡裝飾了「小綠人」的圖樣。然而,他們和所有其他人最後只能得出不太浪漫的結論,這些物體原來是旋轉的中子星。對於寫太空西部人的作家,這是個壞消息,而對於我們這些當時相信黑洞的少數人,卻是個好消息。如果恆星能縮小到十至二十英里的尺度,而變成中子星,人們便可以預料,其他恆星能進一步收縮而變成黑洞。
  質量比大約太陽質量兩倍更大的恆星不能穩定成為一顆白矮星或中子星。在某種情形下,該恆星可以爆炸,並拋出足夠的質量,使餘下的質量低於這個極限。但是總有例外。有些恆星會變得這麼小,它們的引力場會把光線彎折到這種程度,使它折回到恆星本身上去。不管是光線還是別的任何東西部不能逃逸出來。該恆星已經變成為一顆黑洞。
  物理定律是時間對稱的。如果存在東西能落進去而不能跑出來的叫作黑洞的物體,那就還應該存在東西能跑出來而不能落進去的其他物體。人們可以把這些物體叫做白洞。人們可以猜測,一個人可以在一處跳進一顆黑洞,而在另一處從一顆白洞跑出來。這應是早先提到長距離空間旅行的理想手段。你所需要做的一切是去尋找一顆鄰近的黑洞。
  這種形式的空間旅行初看起來是可能的。愛因斯坦的廣義相對論中存在這類解,它允許人往一顆黑洞落進再從一顆白洞跑出來。然而,後來的研究表明,所有這些解都是非常不穩定的:最為微小的擾動,譬如講空間飛船的存在都會把這個「蟲洞」,或者從該黑洞到該白洞的通道消滅。該空間飛船會被無限強大的力量撕得粉碎。這正如同躲藏在大桶裡從尼亞加拉瀑布漂下去一樣。
  事情似乎已經絕望。黑洞也許可以用來擺脫垃圾甚至人們的某些朋友。但是它們是「旅行者有去無歸的國度」。然而,我到此為止所說的一切都是根據利用愛因斯坦的廣義相對論所進行的計算。這個理論和我們迄今的一切觀測都吻合得極好。但是,由於它不能和量子力學的不確定性原理合併,所以我們知道它不可能完全正確。不確定性原理是說,粒子不能同時把位置和速度都很好地定義。你把一顆粒子的位置測量得越精確,則對它的速度就測量得越不精確,反之亦然。
  1973年我開始研究不確定性原理會對黑洞有什麼改變。使我和其他所有人大吃一驚的是,我發現它意味著黑洞不是完全黑的。它們以恆定的速率發射出輻射和粒子。當我在牛津附近的一次會議上宣佈這些結果時,大家都不相信。該分會主席說,這些是沒有意義的,而且他還寫了一篇論文重申。然而,在其他人重複我的計算時,他們發現了相同的效應。這樣,甚至連該主席都同意說我是正確的。
  輻射是如何從黑洞的引力場中逃逸出來的呢?我們有好幾種辦法來理解。雖然它們顯得非常不同,其實是完全等效的。一種方法是,不確定性原理允許粒子在短距離內旅行得比光還快。這就使得粒子和輻射能穿過事件視界從黑洞逃逸。然而,從黑洞出來的東西和落進去的東西不同。只有能量是相同的。
  隨著黑洞釋放粒子和輻射,它將損失質量。這將使黑洞變得越來越小,並更迅速地發射粒子。它最終會達到零質量並完全消失。對於那些落入黑洞的物體,還可能包括空間飛船都會發生什麼呢?根據我的一些最新的研究,其答案是,它們會出發到它們自身的微小的嬰兒宇宙中去。一個小的自足的宇宙從宇宙中我們的區域分叉開來。這個嬰兒宇宙可以重新連接到時空的我們的區域。如果發生這種情形的話,它在我們看來顯得是另外一個黑洞形成並隨後蒸發掉。落進一個黑洞的粒子會作為從另一個黑洞發射的粒子而出現,反之亦然。
  這聽起來似乎正是允許通過黑洞進行空間旅行所需要的。你只要駕駛你的空間飛船進入適當的黑洞,最好是相當巨大的黑洞。否則的話,在你進入黑洞之前引力就已經把你撕成意大利麵條。你可望在另外一顆黑洞外面重新出現,雖然你不能選擇在什麼地方。
  然而,在這種星系際運送規劃中有一個意外的障礙。把落入黑洞的粒子取走的嬰兒宇宙是在所謂的虛時間裡發生的。在實時間裡,一位落進黑洞的航天員的結局是悲慘的。作用到他頭上和腳上的引力差會把他撕開來。甚至連構成他身體的粒子都不能倖免。它們在實時間裡的歷史會在一個奇點處終結。但是,粒子在虛時間裡的歷史將會繼續。它們將進入並通過嬰兒宇宙,而且作為從另外一顆黑洞發射出來的粒子而重現。這樣,在某種意義上可以說,航天員被運送到宇宙的另一個區域。可是,出現的粒子和航天員沒有什麼相像之處。當他在實時間中進入奇點時,也不會因得知他的粒子將在虛時間裡存活,而得到什麼安慰。對於任何落進黑洞的人的箴言是:「想想虛的」。
  是什麼東西確定粒子在何處重現呢?嬰兒宇宙中的粒子數目等於落進該黑洞的粒子數目加上在它蒸發時發射的粒子數目。這表明,落入一顆黑洞的粒子將從另一顆具有大致相等質量的黑洞出來。這樣,人們可由創造一顆與粒子所落進的黑洞相同質量的黑洞,來選擇粒子出來的地方。然而,該黑洞會同等可能地發出具有相等總能量的任何其他的粒子集合。即便該黑洞的確發射出對頭種類的粒子,人們仍然不能告知它們是否就是落進另一顆黑洞的那些粒子。粒子不攜帶身份證。給定種類的所有粒子都顯得很相像。
  這一切表明,穿越黑洞並非空間旅行的受人歡迎的可靠的辦法。首先,你必須在虛時間裡旅行才到達那裡,而不理睬你的歷史在實時間裡達到悲慘的結局。其次。你不能隨意選擇自己的日的地。這就像在我說不出名字的航線上旅行。
  雖然嬰兒宇宙對於空間旅行無甚用處;但對於我們尋求能描述宇宙中萬物的完整的統一理論的嘗試卻意義重大。我們現有理論包括一些量,譬如一顆粒子所帶電荷的大小。我們的理論不能夠預言這些量。相反地,它們必須選取得和觀測相符合。可是,許多科學家相信,存在一種基本的統一理論,它能把所有這些量都預言出來。
  很可能存在一種這樣的基本理論。所謂異型超弦是目前最有前途的候選者。其思想是時空充滿了許多像一根弦似的小圈圈。我們認為是基本粒子的實際上是這些以不同方式振動的小圈圈。這種理論不包含任何數值可以被調整的數。於是人們預料,這種統一理論應能預言出所有這些量的數值,譬如講一顆粒子所帶的電荷,那是現有理論不能確定而遺留下來的量。雖然我們還不能從超弦理論預言這些量中的任何一個,但是很多人相信,我們最終能夠做到這一點。
  然而,如果嬰兒宇宙的圖像是正確的,我們預言這些量的能力就被降低。這是因為我們不能觀察到在那裡存在多少個嬰兒宇宙,等待著和宇宙中我們的區域相連接。有的嬰兒宇宙只包含一些粒子。這些嬰兒宇宙是如此之微小,人們覺察不出它們的連接和分叉。可是,它們連接上後就改變了諸如一顆粒子所帶電荷的量的表觀的值。這樣,因為我們不知道有多少嬰兒宇宙等待在那裡,所以我們就預言不出這些量的表觀值。也可能出現嬰兒宇宙的人口爆炸。然而和人類不同的是,似乎沒有諸如食物供應和站立空間的限制因素。嬰兒宇宙存在於它們自身的實在之中。它有點像問在針尖上可容納多少個天使跳舞的問題。
  嬰兒宇宙似乎為大多數的量的預言值引進了一定的哪怕是相當小的不確定性。然而,它們可以為一個非常重要的量,即所謂宇宙常數的觀測值提供一種解釋。這是使時空具有膨脹或者收縮的內在傾向的廣義相對論方程的一項。愛因斯坦提出一個非常小的宇宙常數,原意是希望用以平衡物質使宇宙收縮的傾向。在人們發現宇宙是在膨脹後這個動機即不復存在。但是要擺脫宇宙常數決非易事。人們可以預料,量子力學隱含的起伏會給出非常大的宇宙常數。但是,我們能夠觀測宇宙的膨脹如何隨時間而變化,從而確定宇宙常數是非常小的。迄今為止,對觀察值為什麼必須這麼微小還沒有找到任何好的解釋。然而,嬰兒宇宙的分叉出去和連接回來會影響宇宙常數的表觀值。因為我們不知道有多少個嬰兒宇宙,宇宙常數就可能有不同的表觀值。然而,一個幾乎為零的值,是最有可能的。這是令人慶幸的,因為只有當宇宙常數非常微小時,宇宙才適合橡我們這樣的生物居住。
  可以總結一下:看來粒子能夠落進黑洞,然後黑洞蒸發並從宇宙中我們的區域消失。這些粒子進入嬰兒宇宙中。這些嬰兒宇宙從我們的宇宙分叉出去。這些嬰兒宇宙可以連接回到其他的什麼地方。它們對空間旅行無甚用處,但是它們的存在意味著我們預言能力比所期望的更差,即便我們真的找到了完整的統一理論。另一方面,我們現在也許能為某些像宇宙常數的量的測量值提供解釋。過去的幾年裡,好多人開始研究嬰兒宇宙。我認為沒有人把它們作為空間旅行的方法而申請專利致富,但是它們已成為非常激動人心的研究領域。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 十二、一切都是注定的嗎?「18」
  在《裘裡烏斯·凱撒》這部戲劇裡,卡修斯告訴布魯特斯說:「人們有時是他們命運的主宰。」我們真的是自己命運的主宰嗎?或者我們的所作所為無一不是被確定的,或者說是注定的?贊同宿命論的論證通常是這麼進行的,上帝是萬能的並且外在於時間,所以上帝知道將會發生什麼。但是如果這樣的話,我們怎麼還會有自由意志呢?而如果我們沒有自由意志的話,又怎麼能為我們的行動負責呢?如果一個人注定要去搶銀行,這不能算是他的過錯。那麼,為什麼他要為此而受懲罰呢?      「18」作者註:這是1990年4月在劍橋大學西格瑪俱樂部的講演。
  人們近年來根據科學來論證宿命論。事情似乎是這樣的,存在定義很好的定律,這些定律制約宇宙和其中的任何事物在時間中如何發展。雖然我們還沒找到所有這些定律的精確形式,我們卻已經知道得足夠多,能夠確定在除了最極端情形外的所有情形下,要發生什麼。我們能否在相當近的未來找到餘下的定律是見仁見智的事。我是一個樂觀主義者:我認為有對半的機會在以後的二十年內找到它們。但是即使找不到,也不會對這裡的議論有絲毫影響。其要點在於,必須存在一族能從宇宙的初始態完全確定其演化的定律。這些定律也許是由上帝頒布的。但是他不干涉宇宙去違反這些定律。
  上帝也許選取了宇宙的初始形態,或者這種形態本身是由科學定律確定的。無論是何種情形,宇宙中的任何事物似乎都是由根據科學定律的演化所確定的,所以很難看出我們何以成為自己命運的主宰。
  存在某種確定宇宙中任何事物的大統一理論的思想引起了許多困難。首先,人們假定這種大統一理論在數學上是緊湊而優雅的。關於萬物的理論必須有某種既特殊又簡單的東西。那麼一定數目的方程怎麼能解釋我們在自己周圍看到的複雜性和無聊的細節呢?人們真的會相信大統一理論確定西尼德·奧柯諾「19」會出現在本周黃金歌曲榜首,或者瑪當娜「20」會印在《大都會》的封面上?      「19」譯者註:西尼德·奧柯諾(Sinead Oconnor)是英國通俗歌星。
  「20」譯者註:瑪當娜(madonna)是美國通俗歌星。
  大統一理論確定任何事物的思想的第二個問題是,我們所說的任何事物也由該理論所確定。但是為什麼它必須被確定為正確的呢?因為對應於每一個真的陳述都可能有許多不真的陳述,它不是更可能是不真的嗎?我的每週郵件中都有大量別人寄來的理論。它們都不相同,而且大多數是相互衝突的。假定大統一理論確定了這些作者認為他們是正確的。那麼為何我說的任何東西就必須更有效呢?難道我不是同樣地由大統一理論確定的嗎?
  一切都是注定的思想的第三個問題是,我們自己覺得具有自由意志——我們有選擇是否做某事的自由。但是如果科學定律確定了一切,則自由意志就必須是幻形。而如果我們沒有自由意念,為我們行為負責的根據又是什麼?我們不會對精神病人定罪,因為我們決定說他的行為是身不由己的。但是如果大統一理論把我們完全確定,我們之中無人不是身不由己的,那麼為何要為其所作所為負責呢?
  人們對於宿命論的這些問題已經討論了幾世紀。然而,由於我們離完全掌握科學定律的知識還差得很遠,而且不知道如何確定宇宙的初始狀態,所以討論就顯得有些學究氣。因為我們可能在短到二十年的時間內找到一套完整的統一理論,這個問題現在就變得更急迫了。而且我們意識到,初始狀態本身可能是由科學定律確定的。以下便是我自己解決這些問題的嘗試。我並不宣稱具有多少的原創性或深度,但它是我此刻所能做的一切。
  從第一個問題開始:我們觀察到的宇宙是如此之複雜,還具有許多無聊和次要的細節,一套相對簡單和緊湊的理論怎麼能把這種宇宙產生出來呢?這個問題的關鍵是量子力學的不確定性原理,它是說人們不能既把粒子的速度又把粒子的位置極其精確地測量出來。你把位置測量得越精確,則你測量速度就越不精確,反之亦然。在現時刻這種不確定性不甚重要,因為東西被分隔得很開,位置上的很小不確定性不會造成很大差別。但是在極早期宇宙任何東西都靠得很近,這樣就有了大量的不確定性,宇宙有許多可能的狀態。這些不同的可能的極早的態會演化成宇宙的整個一族不同的歷史。這些歷史中的大多數在它們的大尺度特徵上都很相似。它們對應於一個均勻和光滑的並且正在膨脹的宇宙。然而,它們在諸如恆星分佈以及進而在它們雜誌封面設計等等細節上不同。(那是說,如果那些歷史包括有雜誌的話。)這樣,圍繞我們宇宙的複雜性以及細節是極早期階段的不確定原理引起的。這就給出了整整一族宇宙的可能歷史。可能存在一個納粹贏得第二次世界大戰的歷史,雖然這種概率很小。但是我們剛好生活在盟軍贏得戰爭,瑪當娜出現在《大都會》封面上的歷史之中。
  現在我轉向第二個問題:如果某種統一理論確定了我們所要做的一切,為什麼該理論必須確定我們得出關於宇宙的正確的而非錯誤的結論呢?為何我們說的任何東西必須成立?我對這個問題的答案是基於達爾文自然選擇的思想。我同意,某些非常初級的生命形式在地球上是由原子的隨機組合而自動產生的。這種生命的早期形式也許是一個大分子。由於由隨機組合形成整個DNA分子的機會很小,所以這個大分子不大可能是DNA.生命的早期形式會複製自己。量子不確定性原理和原子的隨機熱運動意味著,在複製中存在一定的誤差。這些誤差中的大多數對於機體的存活及其複製的能力是致命的。這些誤差不會傳給後代而是消失掉了。純粹出於機遇,極少數的誤差是有益的。具有這些誤差的機體更容易存活和複製。這樣,它們就趨向於取代原先的未改進的機體。
  DNA的雙螺旋結構的發展可能是早期階段的這麼一種改善。這樣的一種進展可能完全取代了更早先的生命形式,不管那種形式是什麼樣子的。隨著向前進化,導致了中心神經系統的發展。正確識別由它們感官收集到的信息的意義,並能採取適當行動的生物更容易存活和複製。人類又把這一切推向另一階段。我們和更高等的猿人之間無論是在身體還是在DNA方面都非常相似;但是在我們DNA上的一個微小的差異使我們能發展語言。這表明,我們能夠逐代地傳遞信息並積累經驗。在更早以前,經驗的結果只能通過複製時的隨機誤差被編碼到DNA中的緩慢過程來傳遞下去。這個效應大大加速了演化。演化到人類花費了比三十億年還長的歲月。但是我們僅僅在這最後的一萬年過程中發展了書寫語言。這使得我們能從山頂洞人進展到能探究宇宙終極理論的現代人類。
  人類的DNA在過去的一萬年間並沒有顯著的生物進化或改變。這樣,我們的智力,我們從感官提供的信息提取正確結論的能力必須回溯到我們山頂洞人或者更早的歲月。這必定是在我們殺死某些種類動物為食,並避免被其他動物殺害的能力的基礎上被選擇出來的能力。為了這些目的而被選擇出來的精神品質,在今天非常不同的環境下,使我們處於非常有利的地位,這一點真令人印象深刻。發現大統一理論或者解答有關宿命論的問題,也許不會給我們帶來什麼存活上的好處。儘管如此,我們由於其他原因發展而來的智力,能夠保證我們找到這些問題的正確答案。
  現在我轉向第三個問題,即自由意志和對我們行為負責的問題。我們主觀地覺得,我們有選擇我們是誰以及我們做什麼的能力。有些人自認為是耶穌基督或者拿破侖,但是他們不可能都對。我們需要的是一種客觀的檢驗,可以使用它從外面來鑒定一個機體是否具有自由意志。例如,從某個恆星有個「小綠人」來訪問我們。我們怎麼才能決定它具有自由意志,或者僅僅是一台被編入使它像我們一樣反應的程序的機器人呢?
  自由意志的最終客觀檢驗似乎應該是:人們能預言一個機體的行為嗎?如果能的話,則很清楚表明它沒有自由意志,而僅僅是預先確定的。另一方面,如果人們不能預言其行為,則人們可以將此當作一個操作定義,說該機體具有自由意志。
  人們可用以下的論證來反對這個自由意志的定義,即一旦我們找到了完整的統一理論,我們就能預言人們將做什麼。然而,人類頭腦也要服從不確定性原理。這樣,在人類的行為中存在和量子力學相關的隨機因素。但是在頭腦牽涉到的能量很小,所以量子力學的不確定性只有微小的效應。我們不能預言人類行為的真正原因只是它過於困難。我們已經知悉制約頭腦活動的基礎物理定律,而且它們是比較簡單的。但是在解方程時只要有稍微多的粒子參與就會解不出。即便在更簡單的牛頓引力論中,人們只能在剛好兩顆粒子的情形下解這方程。對於三顆或更多的粒子就必須借助於近似法,而且其難度隨粒子數目而急劇增加。人類頭腦大約包含10↑26也就是一百億乙乙顆粒子。在給定的初始條件和輸入的神經資料下,要去解這個方程,並從而預言頭腦的行為,這個數目是太過於龐大了。當然,我們在事實上甚至不能測量初始條件,因為要這麼做的話就得把頭腦拆散。甚至我們打算這麼做的話,粒子數也太大了以至於記錄不過來。而且頭腦可能對於初始條件非常敏感,初始態的一個小改變就會對後續行為造成非常大的差別。這樣,雖然我們知道制約頭腦的基本方程,我們根本不可能利用它們來預言人類的行為。
  由於在宏觀系統中粒子的數目總是太大,我們根本無法求解這些基本方程,所以只要我們處理這樣的系統,就會產生這種情形。我們要做的是利用有效理論。這是用少數的量來取代非常大數目粒子的近似法。流體力學便是一個例子。譬如像水這樣的流體是由億萬個分子組成的,而分子本身又是由電子、質子和中子所構成。然而,把流體處理成僅僅由速度、密度和溫度表徵的連續介質是一種好的近似。流體力學有效理論的預言不準確,人們只要聽燙天氣預報即能意識到這一點。但是它對於設計船舶和油管是足夠好的近似。
  我想提出,自由意志和對自我行為的道德責任真正是在流體力學意義上的有效理論。也許我們做的任何事情都是由某種大統一理論所確定的。如果那種理論確定我們將被吊死,我們就不會被淹斃。也就是說,即便把你在暴風雨之際放在海上的小舟上,你仍然非常肯定其目標是絞架。我曾經注意到,甚至聲稱一切都是注定的,而且我們不能對之有任何改變的人們,在他們穿越馬路時也要先看一看安全否。也許是因為那些不看路的人不能存活來告訴我們這個過程。
  因為人們不知道什麼是確定的,所以不能把自己的行為基於一切都是注定的思想之上。相反地,人們必須採取有效理論,也就是人們具有自由意志以及必須為自己的行為負責。這個理論在預言人類行為方面不很有效。因為我們無法求解從基本定律推出的方程,所以只好採用它。我們相信自由意志還有達爾文主義的原因:一個其成員對於他或她的行為負責的社會更容易合作、存活並擴散其價值。螞蟻當然合作得很好,但是這樣的社會是靜止的。它不能應付陌生的挑戰或者發展新的機遇。然而,一些懷有某些共同目標的自由個體集合能在共同目標上合作,而且還有創新的靈活性。因此,這樣的社會更容易繁榮並且擴散其價值系統。
  自由意志的概念和科學的基本定律是屬於不同的範疇。如果人們想從科學定律推出人類行為的話,他就會在自參考系統的邏輯二律背反中陷入困境。如果可以從基本定律預言出一個人的所作所為,則做這預言本身這個事實就可以改變所要發生的。這正如時間旅行若可能的話人們會遇到的麻煩,我認為永遠不可能作時間旅行。如果你能看到未來將要發生什麼,你就能改變之。如果你知道在全國大賽中哪匹馬會贏,你就可以為它下賭金而發財。但是那個行動會改變勝算。人們只有看《返回將來》的電影就會意識到會發生什麼問題。
  關於能否預言人們行為的二律背反和我早先提及的問題緊密相關:終極理論是否確定我們在有關終極理論的問題上得到正確的結論?在那種情形下,我論證道達爾文的自然選擇思想會使我們得到正確的答案。正確的答案也許不是描述它的正確方法,但是自然選擇至少使我們獲得一套相當有效的物理定律。然而,我們因為兩個原因不能應用那些物理定律去推導出人類行為。首先,我們不能求解這些方程。其次,即使我們能解,做預言的這一事實會擾動該系統。相反地,自然選擇看來導致我們採用自由意志的有效理論。如果人們接受一個人的行為是自由選擇的,那麼他就不能爭辯道,在某種情形下這些行動是由外界的力量所確定的。「幾乎自由意志」的概念是沒有意義的。但是人們容易把人們可以猜出另一個人很可能選擇什麼和這種選擇不是自由的概念相混淆。我猜想你們中的大多數今晚要吃飯,但是你完全有選擇餓肚子上床的自由。開脫責任的教條即是這類混淆的一個例子:因為人們處於緊張狀態,所以不應該因他的行為得到懲罰。也許某人在緊張時容易犯刑事罪。但是那不意味著,我們應該減輕懲罰使他或她更容易犯罪。
  人們必須把科學基本定律的研究和人類行為的研究分開來。由於我已經解釋的原因,人們不能利用基本定律推導出人類行為。但是人們期望使用邏輯思維的智慧和威力,這是我們通過自然選擇發展來的。可惜的是,自然選擇也發展了諸如侵略性的其他特徵。在山頂洞人或更早的時代侵略性具有存活的優勢,所以自然選擇對它有利。然而,現代科學技術極大地提高了我們的破壞力,使得侵略性變成非常危險的品質,這是一種威脅到全人類生存的危險性。麻煩在於,我們的侵略本性似乎被編碼到我們的DNA之中。生物進化只有在幾百萬年的時間尺度上才改變DNA,但是我們的破壞力以信息演化的時間尺度為尺度而增加,這種尺度在目前只有二三十年。除非我們能夠用智慧來控制侵略性,人類的未來就非常不妙。我仍然要說,只要有生命就會有希望。如果我們能再存活一個世紀左右,我們就能擴散至其他行星,甚至其他恆星上去。這就使得全人類被諸如核戰爭的災難抹平的可能性大為減少。
  小結一下:我討論了,如果人們相信宇宙中的一切都是注定的話,會引起的一些問題。這種宿命論究竟是因為一位萬能的上帝還是科學定律引起的,並不具有任何差別。的確,人們總可以說,科學的定律是上帝意願的表達。
  我考慮了三個問題:首先,一族簡單的方程何以確定宇宙的複雜性以及它所有無聊的細節?換言之,人們會真正地相信,上帝選擇了所有無聊的細節,譬如講誰應該被印在《大都會》的封面上嗎?其答案似乎應該是,量子力學的不確定性原理意味著,宇宙不是僅有一個單獨的歷史,而是有整族可能的歷史。這些歷史在大尺度下也許是類似的,但在正常的日常的尺度下它們具有極大的差異。我們剛好生活在一個具有一定性質和細節的特定歷史中。但是存在非常類似的智慧生物,他們生活在誰贏得戰爭和誰是頂尖通俗歌手上不同的歷史中。因此,我們宇宙的無聊細節之所以產生,是因為基本定律和具有不確定性或隨機性的量子力學相結合。
  第二個問題是:如果某種基本理論確定了一切,那麼我們關於該理論所說的一切也應該由該理論所確定——為什麼它必須被確定為是正確的,而非全錯的或無關的?我對此的答案是借助於達爾文的自然選擇理論:只有那些關於圍繞他們的宇宙得出合適結論的個體才容易存活和繁殖。
  第三個問題是:如果一切都是注定的,那麼自由意志和我們對自己行為的責任又從何而來?但是對一個機體是否具有自由意志的唯一客觀的檢驗是它的行為是否可被預言。在人類的情形下,由於兩個原因,我們無法利用基本定律去預言人們將要做什麼。首先,我們不能求解涉及非常大量粒子的方程。其次,即便我們能解這些方程,做預言的事實會干擾系統並會導致不同的結果。這樣,由於我們不能預言人類的行為,我們也可以採用這樣的有效理論,說人類是可以自作自劃的自由個體。相信自由意志並為自己行為負責看來肯定具有存活的優勢。這意味著自然選擇應加強這種信念。由語言傳遞的責任心是否足以控制DNA傳遞的侵略本性還有待觀察。如果不能的話,人類將成為自然選擇的一個死亡終點。也許銀河系其他地方的某種其他智慧生物在責任心和侵略性上得到更好的平衡。但是,如果事情果真如此,我們可以預料被他們接觸過,或者至少檢測過他們的無線電信號。也許他們知悉我們的存在,但是不想把自己暴露給我們。回顧一下我們過去的記錄,這樣做也許是明智的。
  總之,這篇文章的題目是一個問題:一切都是注定的嗎?答案是「是」,的確是「是」。但是其答案也可以為「不是」,因為我們永遠不能知道什麼是被確定的。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 十三、宇宙的未來「21」
  這篇講演的主題是宇宙的未來,或者不如說,科學家認為將來是什麼樣子的。預言將來當然是非常困難的。我曾經起過一個念頭,要寫一本題為《昨天之明天:未來歷史》的書。它會是一部對未來預言的歷史,幾乎所有這些預言都是大錯特錯的。但是儘管這些失敗,科學家仍然認為他們能預言未來。      「21」作者註:1991年4月在劍橋大學的達爾文講演。
  在非常早的時代,預言未來是先知或者女巫的職責。這些通常是被毒藥或火山隙溢出的氣體弄得精神恍惚的女人。周圍的牧師把她們的咒語翻譯出來。而真正的技巧在於解釋。古希臘的德勒菲的著名巫師以模稜兩可而臭名昭著。當這些斯巴達人問道,在波斯人攻擊希臘時會發生什麼,這巫帥回答道:要麼斯巴達會被消滅,要麼其國王會被殺害。我想這些牧師盤算,如果這些最終都沒有發生,則斯巴達就會對阿波羅太陽神如此之感恩戴德,以至忽視其巫師作錯預言的這個事實。實際上,國王在捍衛特莫皮拉隘道的一次拯救斯巴達並最終擊敗波斯人的行動中喪生了。
  另一次事件,利迪亞的國王克羅修斯,這位世界上最富裕的人有一次問道:如果他侵略波斯的話會發生什麼。其回答是:一個偉大的王國將會崩潰。克羅修斯以為這是指波斯帝國,殊不知正是他自己的王國要陷落,而他自己的下場是活活地在柴堆上受火刑。
  近代的末日預言者為了避免尷尬,不為世界的末日設定日期。這些日期使股票市場下瀉。雖然它使我百思不解,為何世界的終結會使人願意用股票來換錢,假定你在世界末日什麼也帶不走的話。
  迄今為止,所有為世界末日設定的日期都無聲無息地過去了。但是這些預言家經常為他們顯然的失敗找借口解釋。例如,第七日回歸的創建者威廉·米勒預言,耶穌的第二次到來會在1843年3月21日至1844年3月21日間發生。在沒有發生這件事後,這個日期就修正為1844年10月22日。當這個日期通過又沒有發生什麼事後,又提出了一種新的解釋。據說,1844年是第二次回歸的開始,但是首先要數出獲救者名單。只有數完了名單,審判日才降臨到那些不列在名單上的人。幸運的是,數人名看來要花很長的時間。
  當然,科學預言也許並不比那些巫師或預言家的更可靠些。人們只要想到天氣預報就可以了。但是在某些情形下,我們認為可以做可靠的預言。宇宙在非常大的尺度下的未來,便是其中一個例子。
  我們在過去的三百年間發現了制約在所有正常情形下物體的科學定律。我們仍然不知道制約在極端條件下物體的精確的定律。那些定律在理解宇宙如何啟始方面很重要,但是它不影響宇宙的未來演化,除非直到宇宙坍縮成一種高密度的狀態。事實上,我們必須花費大量金錢建造巨大粒子加速器去檢驗這些高能定律,便是這些定律對現在宇宙的形響是多麼微不足道的一個標誌。
  即便我們知道了制約宇宙的有關定律,我們仍然不能利用它們去預言遙遠的未來。這是因為物理方程的解會呈現出一種稱作混沌的性質。這表明方程可能是不穩定的:在某一時刻對系統作非常微小的改變,系統的未來行為很快會變得完全不同。例如,如果你稍微改變一下你旋轉輪賭盤的方式,就會改變出來的數字。你在實際上不可能預言出來的數字,否則的話,物理學家就會在賭場發財。
  在不穩定或混沌的系統中,一般地存在一個時間尺度,初始狀態下的小改變在這個時間尺度將增長到兩倍。在地球大氣的情形下,這個時間尺度是五天的數量級,大約為空氣繞地球吹一圈的時間。人們可以在五天之內作相當準確的天氣預報,但是要做更長遠得多的天氣預報,就既需要大氣現狀的準確知識,又需要一種不可逾越的複雜計算。我們除了給出季度平均值以外,沒有辦法對六個月以後作具體的天氣預報。
  我們還知道制約化學和生物的基本定律,這樣在原則上,我們應能確定大腦如何工作。但是制約大腦的方程幾乎肯定具有混沌行為,初始態的非常小的改變會導致非常不同的結果。這樣,儘管我們知道制約人類行為的方程,但在實際上我們不能預言它。科學不能預言人類社會的未來或者甚至它有沒有未來。其危險在於,我們毀壞或消滅環境的能力的增長比利用這種能力的智慧的增長快得太多了。
  宇宙的其他地方對於地球上發生的任何事物根本不在乎。繞著太陽公轉的行星的運動似乎最終會變成混沌,儘管其時間尺度很長。這表明隨著時間流逝,任何預言的誤差將越來越大。在一段時間之後,就不可能預言運動的細節。我們能相當地肯定,地球在相當長的時間內不會和金星相撞。但是我們不能肯定,在軌道上的微小擾動會不會積累起來,引起在十幾億年後發生這種碰撞。太陽和其他恆星繞著銀河系的運動,以及銀河系統著其局部星系團的運動也是混沌的。我們觀測到,其他星系正離開我們運動而去,而且它們離開我們越遠,就離開得越快。這意味著我們周圍的宇宙正在膨脹:不同星系間的距離隨時間而增加。
  我們觀察到的從外空間來的微波輻射背景給出這種膨脹是平滑而非混沌的證據。你只要把你的電視調到一個空的頻道就能實際觀測到這個輻射。你在屏幕上看到的斑點的小部分是由太陽系外的微波引起的。這就是從微波爐得到的同類的輻射,但是要更微弱得多。它只能把食物加熱到絕對溫度的2.7度,所以不能用來溫熱你的外賣皮薩。人們認為這種輻射是熱的早期宇宙的殘餘。但是它最使人印象深刻的是,從任何方向來的輻射量幾乎完全相同。宇宙背景探索者衛星已經非常精確地測量了這種輻射。從這些觀測繪出的天空圖可以顯示輻射的不同溫度。在不同方向上這些溫度不同,但是差別非常微小,只有十萬分之一。因為宇宙不是完全光滑的,存在諸如恆星、星系和星系團的局部無規性,所以從不同方向來的微波必須有些不同。但是,要和我們觀測到的局部無規性相協調,微波背景的變化不可能再小了。微波背景在所有方向上能夠相等到1    0分之99999.上古時代,人們以為地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一樣的事實,對於他們而言毫不足怪。然而,從哥白尼時代開始,我們就被降級為繞著一顆非常平凡的恆星公轉的一顆行星,而該恆星又是繞著我們看得見的不過是一千億個星系中的一個典型星系的外邊緣公轉。我們現在是如此之謙和,我們不能聲稱任何在宇宙中的特殊地位。所以我們必須假定,在圍繞任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。這只有在如果宇宙的平均密度以及膨脹率處處相同時才有可能。平均密度或膨脹率的大區域的任何變化都會使微波背景在不同方向上不同。這表明,宇宙的行為在非常大尺度下是簡單的,而不是混沌的。因此我們可以預言宇宙遙遠的未來。
  因為宇宙的膨脹是如此之均勻,所以人們可按照一個單獨的數,即兩個星系間的距離來描述它。現在這個距離在增大,但是人們預料不同星系之間的引力吸引正在降低這個膨脹率。如果宇宙的密度大於某個臨界值,引力吸引將最終使膨脹停止並使宇宙開始重新收縮。宇宙就會坍縮到一個大擠壓。這和啟始宇宙的大爆炸相當相似。大擠壓是被稱作奇性的一個東西,是具有無限密度的狀態,物理定律在這種狀態下失效。這就表明即便在大擠壓之後存在事件,它們要發生什麼也是不能預言的。但是若在事件之間不存在因果的連接,就沒有合理的方法說一個事件發生於另一個事件之後。也許人們可以說,我們的宇宙在大擠壓處終結,而任何發生在「之後」的事件都是另一個相分離的宇宙的部分。這有一點像是再投胎。如果有人聲稱一個新生的嬰兒是和某一死者等同,如果該嬰兒沒從他的以前的生命遺傳到任何特徵或記憶,這種聲稱有什麼意義呢?人們可以同樣地講,它是完全不同的個體。
  如果宇宙的密度小於該臨界值,它將不會坍縮,而會繼續永遠膨脹下去。其密度在一段時間後會變得如此之低,引力吸引對於減緩膨脹沒有任何顯著的效應。星系們會繼續以恆常速度相互離開。
  這樣,對於宇宙的未來其關鍵問題在於:平均密度是多少?如果它比臨界值小,宇宙就將永遠膨脹。但是如果它比臨界值大,宇宙就會坍縮,而時間本身就會在大擠壓處終結。然而,我比其他的末日預言者更佔便宜。即使宇宙將要坍縮,我可以滿懷信心地預言,它至少在一百億年內不會停止膨脹。我預料那時自己不會留在世上被證明是錯的。
  我們可以從觀測來估計宇宙的平均密度。如果我們計算能看得見的恆星並把它們的質量相加,我們得到的,不到臨界值的百分之一左右。即使我們加上在宇宙中觀測到的氣體雲的質量,它仍然只把總數加到臨界值的百分之一。然而,我們知道,宇宙還應該包含所謂的暗物質,即是我們不能直接觀測到的東西。暗物質的一個證據來自於螺旋星系。存在恆星和氣體的巨大的餅狀聚合體。我們觀測到它們圍繞著自己的中心旋轉。但是如果它們只包含我們觀測到的恆星和氣體,則旋轉速率就高到足以把它們甩開。必須存在某種看不見的物質形式,其引力吸引足以把這些旋轉的星系牢牢抓住。
  暗物質的另一個證據來自於星系團。我們觀測到星系在整個空間中分佈得不均勻,它們成團地集中在一起,其範圍從幾個星系直至幾百個星系。假定這些星系互相吸引成一組從而形成這些星系團。然而,我們可以測量這些星系團中的個別星系的運動速度。我們發現其速度是如此之高,要不是引力吸引把星系抓到一起,這些星系團就會飛散開去。所需要的質量比所有星系總質量都要大很多。這是在這種情形下估算的,即我們認為星系己具有在它們旋轉時把自己抓在一起的所需的質量。所以,在星系團中我們觀測到的星系以外必須存在額外的暗物質。
  人們可以對我們具有確定證據的那些星系和星系團中的暗物質的量作一個相當可靠的估算。但是這個估算值仍然只達到要使宇宙重新坍縮的臨界質量的百分之十左右。這樣,如果我們僅僅依據觀測證據,則可預言宇宙會繼續無限地膨脹下去。再過五十億年左右,太陽將耗盡它的核燃料。它會腫脹成一顆所謂的紅巨星,直到它把地球和其他更鄰近的行星都吞沒。它最後會穩定成一顆只有幾千英哩尺度的白矮星。我正在預言世界的結局,但這還不是。這個預言還不至於使股票市場過於沮喪。前面還有一兩個更緊迫的問題。無論如何,假定在太陽爆炸的時刻,我們還沒有把自己毀滅的話,我們應該已經掌握了恆星際旅行的技術。
  在大約一百億年以後,宇宙中大多數恆星都已把燃料耗盡。大約具有太陽質量的恆星不是變成白矮星就是變成中子星,中子星比白矮星更小更緊致。具有更大質量的恆星會變成黑洞。黑洞還更小,並且具有強到使光線都不能逃逸的引力場。然而,這些殘留物仍然繼續繞著銀河系中心每一億年轉一圈。這些殘餘物的相撞會使一些被拋到星系外面去。餘下的會漸漸地在中心附近更近的軌道上穩定下來,並且最終會集中一起,在星系的中心形成一顆巨大的黑洞。不管星系或星系團中的暗物質是什麼,可以預料它們也會落進這些非常巨大的黑洞中去。
  因此可以假定,星系或星系團中的大部分物體最後在黑洞裡終結。然而,我在若干年以前發現,黑洞並不像被描繪的那樣黑。量子力學的不確定性原理講,粒子不可能同時具有定義很好的位置和定義很好的速度。粒子位置定義得越精確,則其速度就只能定義得越不精確,反之亦然。如果在一顆黑洞中有一顆粒子,它的位置在黑洞中被很好地定義,這意味著它的速度不能被精確地定義。所以粒子的速度就有可能超過光速,這就使得它能從黑洞逃逸出來,粒子和輻射就這麼緩慢地從黑洞中洩漏出來。在一顆星系中心的巨大黑洞可有幾百萬英里的尺度。這樣,在它之內的粒子的位置就具有很大的不確定性。因此,粒子速度的不確定性就很小,這表明一顆粒子要花非常長的時間才能逃離黑洞。但是它最終是要逃離的。在一個星系中心的巨大黑洞可能花10↑90年的時間蒸發掉並完全消失,也就是一後面跟九十個零。這比宇宙現在的年齡要長得多,它是10↑10年,也就是一後面跟十個零。如果宇宙要永遠膨脹下去的話,仍然有大量的時間可供黑洞蒸發。
  永遠膨脹下去的宇宙的未來相當乏味。但是一點也不能肯定宇宙是否會永遠膨脹。我們只有大約為使宇宙坍縮的需要密度十分之一的確定證據。然而,可能還有其他種類的暗物質,還未被我們探測到,它會使宇宙的平均密度達到或超過臨界值。這種附加的暗物質必須位於星系或星系團之外。否則的話,我們就應覺察到了它對星系旋轉或星系團中星系運動的效應。
  為什麼我們應該認為,也許存在足夠的暗物質,使宇宙最終坍縮呢?為什麼我們不能只相信我們已有確定證據的物質呢?其理由在於,那怕宇宙現在只具有十分之一的臨界密度,都需要不可思議地仔細選取初始的密度和膨脹率。如果在大爆炸後一秒鐘宇宙的密度大了一萬億分之一,宇宙就會在十年後坍縮。另一方面,如果那時宇宙的密度小了同一個量,宇宙在大約十年後就變成基本上空無一物。
  宇宙的初始密度為什麼被這麼仔細地選取呢?也許存在某種原因,使得宇宙必須剛好具有臨界密度。看來可能存在兩種解釋。一種是所謂的人擇原理,它可被重述如下:宇宙之所以是這種樣子,是因為否則的話,我們就不會在這裡觀測它。其思想是,可能存在許多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近臨界密度的能存活得足夠久並包含足夠形成恆星和行星的物質。只有在那些宇宙中才有智慧生物去訪問這樣的問題:密度為什麼這麼接近於臨界密度?如果這就是宇宙現在密度的解釋,則沒有理由去相信宇宙包含有比我們已探測到的更多物質。十分之一的臨界密度對於星系和恆星的形成已經足夠。
  然而,許多人不喜歡人擇原理,因為它似乎太倚重於我們自身的存在。這樣就有人對為何密度應這麼接近於臨界值尋求另外可能的解釋。這種探索導至極早期宇宙的暴漲理論。其思想是宇宙的尺度曾經不斷地加倍過,正如在遭受極端通貨膨脹的國家每隔幾個月價格就加倍一樣。然而,宇宙的暴漲更迅猛更極端得多:在一個微小的暴漲中尺度的至少一千億乙乙倍的增加,會使宇宙這麼接近於準確的臨界密度,以至於現在仍然非常接近於臨界密度。這樣,如果暴漲理論是正確的,宇宙就應包含足夠的暗物質,使得密度達到臨界值。這意味著,宇宙最終可能會坍縮,但是這個時間不會比迄今已經膨脹過的一百五十億年左右長太多。
  如果暴漲理論是正確的,必須存在的額外的暗物質會是什麼呢?它似乎和構成恆星和行星的正常物質不同。我們可以計算出宇宙在大爆炸後的最初三分鐘的極早期階段產生的各種輕元素的量。這些輕元素的量依賴於宇宙中的正常物質的量而定。我們可以畫一張圖,在垂直方向標出輕元素的量,沿著水平軸是宇宙中正常物質的量。如果現在正常物質的總量大約只為臨界量的十分之一,則我們可以得到和觀測很一致的丰度。這些計算也可能是錯誤的,但是我們對於幾種不同的元素得到觀測到的丰度這個事實,令人印象十分深刻。
  如果存在暗物質的臨界密度,那麼其主要候選者可能是宇宙極早階段的殘餘。基本粒子是一種可能性。存在幾種假想的候選者,那是些我們認為也許存在但還沒有實際探測到的粒子。但是最有希望的情形是中微子,我們對它已有很好的證據。它被認為自身沒有質量,但是最近一些觀測暗示,中微子可能有小質量。如果這一點得到證實並發現具有恰好的數值,中微子就能提供足夠的質量,使宇宙密度達到臨界值。
  黑洞是另一種可能性。早期宇宙可能經歷過所謂的相變。水的沸騰和凝固便是相變的例子。在相變過程中原先均勻的媒質,譬如水,會發展出無規性。在水的情形下會是一大堆冰或蒸汽泡。這些無規性會坍縮形成黑洞。如果黑洞非常微小的話,它們由於早先描述的量子力學的不確定性原理的效應,迄今已被蒸發殆盡。但是,如果它們超過幾十億噸(一座山的質量),則現在仍在周圍,並且很難被探測到。
  對於在宇宙中均勻分佈的暗物質,它對宇宙膨脹的效應是唯一探測其存在的方法。由測量遙遠星系離開我們而去的速度便可確定膨脹的減慢程度。其關鍵在於,光離開這些星系向我們傳播,所以我們是在觀測在遙遠的過去的這些星系。人們可以繪一張圖,把星系的速度和它們的表觀亮度或星等作比較,星等是它們離開我們的距離的測度。這張圖上的不同曲線對應於不同的膨脹減慢率。向上彎折的曲線對應於將要坍縮的宇宙。初看起來觀測似乎表示坍縮的情景。但是麻煩在於,星系的表觀亮度不能很好地標度離開我們的距離。不僅在星系的本征亮度存在相當大的變化,而且還有證據說明其亮度隨時間而改變。由於我們不知道允許的亮度演化是多少,所以我們還不能說減慢率是多少:它是否快到使宇宙最終坍縮,或者宇宙會繼續永遠膨脹下去。這必須等到我們發展出更好的測量星系距離的手段後才行。但是我們可以肯定,減慢率沒有快到使宇宙在今後的幾十億年內坍縮的程度。
  宇宙在一千億年左右既不永遠膨脹也不坍縮是一個非常激動人心的前景。我們是否有所作為使將來變得更加有趣呢?一種肯定可為的做法是讓我們駕駛到一顆黑洞中去。它必須是一顆相當大的黑洞,比太陽質量的一百萬倍還要大。在銀河系的中心很可能有顆這麼大的黑洞。
  在一顆黑洞中會發生什麼我們還不很清楚。廣義相對論的方程允許這樣的解,它允許人們進入一顆黑洞並從其他地方的一顆白洞裡出來。白洞是黑洞的時間反演。它是一種東西只出不進的物體。在宇宙的其他部分可能會有白洞。這似乎為星系際的快速旅行提供了可能性。麻煩在於這種旅行也許是過於迅速了。如果通過黑洞的旅行成為可能,則似乎無法阻攔你在出發之前已經返回。那時你可以做一些事,譬如講殺死你的母親,因為她一開始就不讓你進入黑洞。
  看來物理定律不允許這種時間旅行,這也許對於我們(以及我們母親們)的存活是個幸事。似乎有一種時序防禦機構,不允許旅行到以前去,使得這個世界對於歷史學家是安全的。如果一個人向以前旅行,似乎要發生的是,不確定性原理的效應會在那裡產生大量的輻射。這種輻射要麼把時空捲曲得如此之甚,以至於不可能在時間中倒退回去,要麼使時空在類似於大爆炸和大擠壓的奇性處終結。不管哪種情形,我們的過,去都不會受到居心叵測之徒的威脅。最近我和其他一些人進行的一些計算支持這個時序防禦假設。但是,我們過去不能將來永遠也不能進行時間旅行的最好證據是,我們從未遭受到從未來創的遊客的侵犯。
  現在小結如下:科學家相信宇宙受定義很好的定律制約,這些定律在原則上允許人們去預言將來。但是定律給出的運動通常是混沌的。這意味著初始狀態的微小變化會導至後續行為的快速增大的改變。這樣,人們在實際上經常只能對未來相當短的時間作準確的預言。然而,宇宙大尺度的行為似乎是簡單的,而不是混沌的。所以,人們可以預言,宇宙將永遠膨脹下去呢,還是最終將會坍縮。這要按照宇宙的現有密度而定。事實上,現在密度似乎非常接近於把坍縮和無限膨脹區分開創的臨界密度。如果暴漲理論是正確的,則宇宙實際上是處在刀鋒上。所以我正是繼承那些巫師或預言者的良好傳統,兩方下賭注,以保萬無一失。
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  黑洞、嬰兒宇宙及其他 十四、《沙漠孤島》會晤記
  英國廣播公司的《沙漠孤島》節目從1942年就開始廣播,是無線電中延續最久的節目。現在,它多少已成為英國的傳統。歷來訪談者的範圍極為廣泛。它會晤了作家、演員、音樂家、電影演員和導演、運動明星、喜劇演員、廚藝家、園丁、教師、舞蹈家、政治家、皇室成員、漫畫家以及科學家。訪客被稱作遇難者,假定他們被棄絕到一座沙漠孤島之上,讓他們選取八張隨身攜帶的唱片。還允許他們隨帶一種奢侈品(必須是無生命的)以及一本書(假定一本適當的宗教的書— 《聖經》、《可蘭經》或其他類似的已經放在那兒,還有《莎士比亞全集》)。唱機是理所當然地提供的。早先的宣佈通常還說:「……那裡有一台留聲機並有用之不竭的唱針。」現在用太陽能光碟唱機作為聽唱片的手段。
  該節目每週播一次,訪客選取的唱片在會晤時同時放出,全過程通常為四十分鐘。然而,這次和史蒂芬·霍金的會晤是一次例外,它在1992年的聖誕節播出,延續的時間更長。
  會晤者為蘇·洛雷。
  蘇:當然,史蒂芬,你在許多方面已經非常熟悉沙漠孤島的寂寞,脫離了正常的體育運動以及被剝奪了自然的交流手段。你感到有多孤單?
  史:我認為自己沒有脫離正常生活,我以為周圍的人也不這麼認為。我不覺得自己是個殘廢人,只不過我的運動神經細胞不能運作罷了,不如講我是個色盲的人。我想我的生活幾乎談不上是尋常的,但是我覺得精神上是正常的。
  蘇:儘管如此,你已經向自己證明了,不像《沙漠孤島》上的多數遇難者那樣,你在精神和智慧上是自足的。你有足夠多的理論和靈感使自己忙碌。
  史:我覺得自己天性有點害羞,而且我交流的困難迫使我依賴自己。但是小時候我是個多話的孩子。我需要和他人討論來激勵自己。我覺得向他人描述自己的思想對我的研究大有助益。即便他們沒有提供任何建議,僅僅組織我的思想使他人理解的事實,就時時將我引向新的動向。
  蘇:但是,史蒂芬,你情感上如何得到滿足呢?即便是傑出的物理學家也必須從他人處得到這些啊2史:物理學儘管美妙,卻是冷冰冰的。如果我除了物理學外一無所有,則無法活下去。正如所有人那樣。我需要溫馨和愛情。還有,我是非常幸運的,比許多患相同病的人幸運得多,我接受到大量的關愛。音樂也是我生活中的重要部分。
  蘇:請告訴我,是物理學還是音樂帶給你更多的快樂?
  史:我要說,我把物理學問題全部澄清後獲得快樂的強度,是音樂從未曾帶給我的。但那是一個人生涯中可遇不可求的現象,而你想聽音樂時只要把光碟放在唱機上即可。
  蘇:請告訴我你在沙漠孤島上首先要聽的唱片。
  史:那是帕倫克的《格羅裡亞》「22」。去年夏天在科羅拉多的阿斯平我第一次聽到它。阿斯平主要是滑雪勝地,夏天時常開物理會議。緊靠物理中心是一個巨大的帳篷,那裡正舉行著音樂節。當你坐在那裡研究黑洞蒸發會發生什麼問題時,你能同時聽到演奏。這是非常理想的,因為它把我的兩個主要快樂— 物理和音樂結合在一起了。如果我在沙漠孤島中兼有兩者,根本不想被拯救。那是說,直到我在理論物理中做出要告訴所有人的新發現為止。我設想擁有一個衛星碟,以便通過電子信箱得到物理論文應是違反規定的。      「22」譯者註:帕倫克(Poulenc)是法國本世紀初作曲家。《格羅裡亞》(Gloria)通常在作彌撒時演奏。
  蘇:無線電可以掩蓋身體上的缺陷,但是在這種情形下把別的東西也掩飾了。史蒂芬,回顧七年以前你名符其實地失聲了。能告訴我這個過程嗎?
  史:1985年的夏天,我在日內瓦的歐洲核子中心,那是一座巨大的加速器。我打算繼續往德國的貝洛伊斯去聽瓦格納的《尼伯龍根的指環》的歌劇系列。可惜我得了肺炎,並被送到醫院急診。日內瓦的醫院告知我妻子說我沒有希望了,可以撤走維生系統。但是她根本不同意。我被用飛機送回到劍橋的愛登布魯克斯醫院。那裡的一位名叫羅傑·格雷的外科醫生為我進行了穿氣管手術。這個手術救了我一命,卻從此使我失聲。
  蘇:但是,那時無論如何你的講話已經很模糊並很難聽明白,所以最終總要失去講話能力的,是嗎?
  史:儘管我的聲音不清楚並很難理解,但是和我接近的人仍能理解。我可以通過翻譯來做學術報告,我還可以對人口授論文。但在做完手術之際,我覺得受到了損害。我覺得如果我不能得到聲音,那就不值得做手術。
  蘇:後來加利福尼亞的電腦專家得知你的困況,而且給你一種聲音。你覺得如何?
  史:他名叫瓦特·沃爾托茲。他的岳母和我的境況相同,所以他發展了一種電腦程序幫助她交流。一個指示光點在屏幕上移動。當它停留在你所需要選取的詞上時,你就用頭或眼睛的動作來操作開關,在我的情形下是用手。人們用這種辦法可在屏幕下半部打印出的詞中作選擇。當他積累夠了他所要說的,便可以送進語言合成器或者存在磁碟中。
  蘇:但是這進行得很慢。
  史:它是很慢,粗略地講為正常講話速度的十分之一。但是語言合成器比我原先的語言清楚了很多。英國人說它具有美國的口音,而美國人卻說它是斯堪的納維亞或愛爾蘭口音。不管怎麼說,也不管是什麼口音,每個人都能明白了。在我的自然聲音惡化時,我的大兒子能調整適應之,可是我最小的兒子在我動穿氣管手術時才六歲,在這之前他從來就聽不懂。他現在沒有困難了。這對我而言也是件大事。
  蘇:這也意味著,你對於任何會晤者的問題都要早早得到預先通知,而且只需要回答你準備妥當的,是嗎?
  史:對於像這次這樣長的預錄的節目,提早把問題交給我會有助益,這樣可以避免花費大量時間來錄音。在某一方面也使我易於掌握。但是我寧願即席回答問題。我在學術或通俗講演之後是這麼做的。
  蘇:但是正如你所說的,這個過程表明你有主動權,我知道這對你相當重要。你的親友有時稱你為頑固或霸氣的,你服氣嗎?
  史:有主見的人時常被叫做頑固。我寧願說我是決斷的。如果我沒有相當決斷,也不至於有今天這種地步。
  蘇:你一貫如此嗎?
  史:我只要和其他人一樣地對自己的生活有同等程度的控制權。殘廢人的生活受他人控制的情形實在太多了。沒有一個正常人能忍受這個。
  蘇:請告訴我你的第二張唱片。
  史:勃朗姆斯的小提琴協奏曲。這是我買的第一張大唱片。那是1957年,每分鐘33轉的唱片剛開始在英國出售。如果我買一台唱機則會被父親責備為不顧他人的自私。但是我說服他我可以買到便宜的零件組裝一台。他讚賞這種節儉的做法。我把唱盤和放大器放在一台老的78轉的唱機盒子裡。如果我保存它的話,現在就會變得非常珍貴。
  這台唱機製成後,我需要放唱片。一位中學朋友建議放勃朗姆斯的小提琴協奏曲,因為我們的學校圈子裡誰也沒有這種唱片。我記得為它花費了三十五先令,這在當時尤其對我而言算是一大筆錢。唱片的標價變貴了,但實質上比過去便宜得多。
  當我在店裡首次聽這張唱片時,覺得有點兒奇怪,我不清楚我是否會喜愛它,但是我感到我應該說我喜愛它。然而,多年來它變得對我很重要。我願意聽徐緩調的起始部分。
  蘇:一位家庭老友說過,在你童年時,你的家庭是,我引用道:「高度智慧,非常聰明而且非常怪異的。」回顧過去,你是否認為這個描述大致不差?
  史:對我的家庭是否智慧我不便評論,但是我們肯定不自認為是怪異的。然而,我想按照聖阿爾班斯的標準也許顯得如此。我們在那裡住時,那是個相當嚴肅的地方。
  蘇:而你的父親是位熱帶病專家。
  交:我父親從事熱帶醫藥學研究。他經常去非洲,在外面試驗新的藥物。
  蘇:那麼你的母親對你的影響更大,如果是這樣的話,那是什麼樣的影響?
  史:不,我要說我的父親影響更大些。我模仿他。因為他是一位科學研究者,我覺得長大後從事科學研究是很自然的事情。僅有的差別是我對於醫學或生物學毫無興趣,因為這些學科似乎過於不精確和描述性。我要某些更基本的東西,在物理學中可以找到這些。
  蘇:你母親說過,你一貫具有她描述的強烈的好奇心。她說過:「我能看到星星使他癡迷。」你是否記得?
  史:我記得有一次深夜從倫敦回家。那時候為了省錢把路燈都關了。我從未看見過這麼美麗的銀河橫貫的夜空。在我的沙漠孤島中不會有任何街燈,所以可以盡情欣賞夜空。
  蘇:你的童年無疑是非常聰明的,在家裡和你姐妹做遊戲時非常富有進取心,但是在學校裡卻會落到班級裡最差的,而且滿不在乎,這是真的嗎?
  史:這是我在聖阿爾班斯第一年的情形。但是我必須說,這是一個尖子班,我的考試比我的作業好得多。我知道我可以做得很好——那只不過是我的書寫和不整潔把我的分數拉下來。
  蘇:第三張唱片?
  史:我在牛津讀本科時,讀過阿爾多斯·赫胥黎的《對偶》「23」。這是描繪本世紀三十年代的書,書中有大量的人物。除了一個人物是有血有肉的以外,絕大多數人物都是形式化的。這個人顯然是赫胥黎本人的寫照。他殺死了英國法西斯的頭目,這個頭目是按照奧斯瓦爾德·莫斯利爵士塑造的。然後他告訴法西斯黨徒他干了此事,並把貝多芬的絃樂四重奏第132號唱片放在留聲機上。他在放第三樂章的中間聽到了敲門聲,開門時被法西斯黨徒槍殺。      「23」譯者註:阿爾多斯·赫胥黎(Aldous Huxley)(1894-1963)是進化論者托瑪斯·赫胥黎之孫,英國小說家。《對偶》(Point Counterpoint)是他1928年發表的烏托邦式的實驗小說。
  這是一部非常差勁的小說,但是赫胥黎的唱片選對了。如果我得知潮汐正逼近並將淹沒我的沙漠孤島,就會去聽這四重奏的第三樂章。
  蘇:你上牛津的大學學院讀數學和物理,按照你計算的,在那兒你平均每天大約用功一小時。按照我讀過的,你划船、喝啤酒還以捉弄他人為樂。是什麼原因使你對學業不在乎?
  史:那是五十年代末期,大多數年輕人對所謂的成就感到幻滅。除了財富還是財富,似乎沒有別的什麼可以追求。保守黨剛剛贏得第三次競選,其口號為「你從未這麼好過」。我和我的大多數同時代人厭倦生活。
  蘇:儘管如此,你仍然在幾小時內解決你的同學在幾周不能完成的問題。從他們所說的,他們顯然知道你的才能。你認為自己意識到了嗎?
  史:牛津大學那個時期的物理課程極其簡單。人們可以不聽任何課,一周只要接受一二次輔導就能通過。你不必記許多事實,只要記住一些方程即可。
  蘇:正是在牛津,你首次注意到手腳不怎麼聽使喚了。那時候你怎麼自我解釋這個現象的?
  史:事實上,我注意到的第一件事,是我不能正常地划船。後來我在從初級公共教室出來的樓梯上摔了一大跤。我憂慮頭腦也許受到損害,所以看了學院醫生,但是他認為沒問題並讓我少喝啤酒。我在牛津的期終考後去波斯度暑假。我的身體在回來之後一定是虛弱了不少。但是我把它歸結於所經受的胃病所引起的。
  蘇:什麼時候你開始屈服,承認患了非常嚴重的病,並且決定採取醫生的勸告?
  史:那時我已在劍橋,聖誕節時回家。那是1962年到1963年的非常寒冷的冬天。儘管我自知對滑冰不在行,仍然順從母親去聖阿爾班斯的湖面去滑冰。我摔倒後要爬起來非常艱難。我母親感到出了什麼毛病。她帶我去看家庭醫生。
  蘇:然後在醫院住了三周,而他們告訴了你最壞的情形?
  史:事實上是在倫敦的巴茲醫院,因為我父親是屬於巴茲的。我住院兩周,做了檢查。但是他們除了說不是多發性硬化並且不是典型病以外,實際上從未告訴我出了什麼毛病。他們沒有告訴我前景如何,但我猜出非常糟糕,所以也不想去問。
  蘇:而且最後他們通知你說只有兩年多的時間可活。史蒂芬,讓我們暫時停頓一下,你可以挑選下一張唱片。
  史:瓦爾基莉的第一場。這是美爾基爾「24」和列曼「25」演唱的另一張早期的大唱片。它是在戰前原先錄在78轉的唱片上面,而在六十年代被轉錄到大唱片上。1963年我被診斷得了運動神經細胞病之後,就變成喜歡瓦格納的作品;因為他和我的末日黑暗的情緒相投。我的語言合成器可惜末受過良好教育,把他的名字發成軟的W的音。我必須把他拼寫成V—A—R—G—N—E—R才使之聽起來差不離。      「24」譯者註:美爾基爾(Laurity Melchior)是丹麥本世紀男歌唱家。
  「25」譯者註:列曼(Lotte Lehmann)是德國本世紀女歌唱家。
  《指環》系列的四部歌劇是瓦格納最偉大的作品。1964年我和我的妹妹費利珀一起去德國的貝洛伊斯去看這些歌劇。那時我對《指環》尚不熟悉,所以系列的第二部瓦爾基莉給我留下了極其深刻的印象。這是沃爾夫岡·瓦格納執行製作的,舞台幾乎是全暗的。這是一對孩提時代即分開的雙生子西格蒙德和西格林德的愛情故事。他們再次邂逅的場合是西格蒙德在西格林德的丈夫,也就是西格蒙德的敵人洪丁的家中避難之際。我選取的片斷是西格林德對被迫和洪丁舉行婚禮的敘述。一位老人在慶祝會之際進入大廳。此時樂隊奏起忠烈祠的旋律,這是《指環》中的最高貴的主旋律。因為他是渥當,是群神之首也是西格蒙德和西格林德的父親。他把劍插入樹幹之中。這把劍是要傳給西格蒙德的。在該幕結尾時西格蒙德把它拔出來,然後兩個人跑到樹林中去。
  蘇:史蒂芬,從你的生平得知,通知你只能再活兩年多的裁決似乎使你清醒過來,也可以說使你更專注於生命。
  史:其首先的影響是使我沮喪。病情似乎惡化得相當迅速。因為我覺得活不到結束我的博士論文,所以沒有必要做任何事或攻讀博士。後來病情得到緩解,我也開始在研究上有所進展,尤其是能夠證明,宇宙在大爆炸處必須有個開端。
  蘇:你在一次訪談中說過,你自認為現在比患病之前更快樂。
  史:我現在肯定是更快樂。在患運動神經細胞病之前,我已對生活厭倦了。但是天折的前景使我意識到生命的可貴。一個人有這麼多事可做,每一個人都有這麼多事可做。我得到一種真正的成就感,因為儘管我的病情,我對人類知識做出了適度的卻是有意義的貢獻。當然,我是幸運的,但是任何人只要足夠努力都能有所成就。
  蘇:你是否可以引申到這種程度,說如果你沒有得運動神經細胞病,你就不會得到今天所有的成就,或者這個問題過於簡單化丁?
  史:不,我認為運動神經細胞病對任何人都沒有好處。因為我是要理解宇宙如何運行,這種病無法阻止我的意願,所以對我的損害比他人小一些。
  蘇:當你開始面對疾病時,一位名叫簡·瓦爾德的女士給予你以鼓勵。你在一次酒會中和她邂逅,然後戀愛直至結婚。你願意說,你的成功中的多少應歸功於她,歸功於簡?
  史:如果沒有她我肯定不能成功。和她定婚使我從絕望的深淵中拔出來。而且如果我們要結婚,我必須有工作,這樣我就必須完成我的博士論文。我開始努力學習並且發現喜歡這樣。隨著我的病況惡化,簡一個人照顧我。在那個階段沒有人願意幫助我們,而且我們肯定沒有錢去付給助手。
  蘇:而且你們一道蔑視醫生,不僅是因為繼續生活下去而且還生育了子女。你們在1967年得到羅伯特,1970年得到露西,然後在1979年得到提莫西。醫生們是如何受到震驚的?
  史:事實上,診斷我的醫生再也不願管我了。他覺得這是不治之症,首次診斷後我再也沒去看他。我父親在實際上成為我的醫生,我聽從他的建議。他告訴我,沒有證據表明這種病是遺傳的。簡設法照顧我和兩個孩子。只有在1974年我們去加利福尼亞時需要外人的幫助,起先是一名學生,後來是護士和我們同住。
  蘇:但是現在你不再和簡在一起了。
  史:我動了穿氣管手術後需要二十四小時的護理。這使得婚姻關係越來越緊張。最後我搬出去,現在住在劍橋的一套新公寓裡。現在我們分居。
  蘇:再回到音樂上來。
  史:我挑選披頭士的《請你讓我快樂》。在我挑了四張相當嚴肅的唱片之後,需要一些輕鬆的解脫。對於我本人和許許多多其他的人而言,披頭士的問世正值其時,這是對陳腐的令人作嘔的流行樂壇吹進的大受歡迎的清新氣息。我通常在星期日晚上收聽盧森堡電台的最好的二十首歌曲。
  蘇:儘管你得到無數的榮譽,史蒂芳·霍金——我特別要提到你是劍橋的盧卡遜數學教授,這是伊薩克·牛頓的教席——你決定寫一部有關你的研究的通俗著作,我想是為了非常簡單的原因,那就是你需要錢。
  史:我想從一部通俗書可適度地賺一些錢,我寫《時間簡史》的主要原因是我喜歡它。我為在過去二十五年間所做的發現激動不已,我要讓大家分享。我從未預料到能進行得這麼成功。
  蘇:的確,它打破了所有紀錄,並因為其榮登暢銷書榜的時間之久而被列入《吉尼斯世界紀錄》,現在它仍在榜上。似乎沒人知道它在世界範圍究竟出售了多少本,但是肯定超過了一千萬本。顯而易見,人們購買它,但一直想問的問題是:他們閱讀嗎?
  史:我知道伯納德·列文看到第二十九頁就看不下去了,但是我知道許多人閱讀得更多。在世界各地,人們到我面前告訴說,他們如何地欣賞這部書。他們也許沒有看完或者不能理解其中的全部細節。但是,他們至少得到這種觀念,我們生活在由合理的定律制約的宇宙中,而且我們能夠發現和理解這些定律。
  蘇:正是黑洞的概念深蒙公眾想像力的寵愛,從而刺激了探究宇宙論的興趣。你看過《星球旅行》的所有系列嗎?「勇敢地探險前人從未涉足之處」等等。如果你看過的話,你喜歡它嗎?
  史:我在十幾歲時讀了許多科學幻想的書。而現在我自己在這領域裡作研究,我覺得大多數科學幻想書都有點過於輕而易舉。如果你不把在超空間行駛和掃瞄法運輸人當作一個協調圖像的部分的話,把它們寫進科學幻想書實在是舉手之勞的事。真正的科學是實實在在發生的事,所以也就更加激動人心。科學幻想作家從未在科學家思考到黑洞之前提示過它。我們現在對許多黑洞有了相當有力的證據。
  蘇:如果你落進黑洞的話會經受到什麼驚險?
  史:任何涉足科學幻想書的讀者都知道,你落入黑洞的話會發生什麼。你會變成意大利麵條。但是,黑洞不是完全黑的這一點是更加有趣得多。它們以恆定的速率發射出粒子和輻射。這使黑洞緩慢地蒸發,但是黑洞和它的內容最終會發生什麼仍然不很清楚。這是一個激動人心的研究領域,而科學幻想作家還未跟上來。
  蘇:而你所提到的輻射當然是霍金輻射。你並沒有發明黑洞,儘管你進一步證明了黑洞不是黑的。正是他們的發現刺激你開始更認真地思考宇宙的起源,是這樣的嗎?
  史:恆星坍縮形成黑洞在許多方面像是宇宙膨脹的時間反演。一顆恆星從較低密度的狀態坍縮成非常緊致的狀態,而宇宙是從非常緊致狀態膨脹到較低密度的狀態。存在一個重要的差別:我們處於黑洞之外,但卻在宇宙之中。可是兩者都以熱輻射為表徵。
  蘇:你說黑洞和它的內容最終會發生什麼仍然不很清楚。但是我以為在理論上,不管發生了什麼,而且包括航天員在內不管什麼進入黑洞而消失,最終都會以霍金輻射的形式而被再循環。
  史:航天員的質量能量將會變成黑洞發出的輻射而被再循環。但是航天員本人,甚至構成他的粒子不會從黑洞出來。現在的問題是,它們究竟發生了什麼?他們是被毀滅了呢,還是穿越到另一個宇宙中去?這是我亟想知道的某種東西,而我並不想跳到一顆黑洞中去。
  蘇:史蒂芬,你是否依賴直覺做研究,也就是,用直覺得到你喜愛並令你著迷的理論,然後再著手證明之?或者說,你是否總是要以邏輯方式導致結論,而不敢預先作猜測?
  史:我很依賴直覺,我試圖猜出一個結果,但是之後必須證明之。而在這一階段,我時常發現,我想過的東西不是真的,或者出現某種從未預料到的其他情形。我就是這樣發現黑洞不是完全黑的。那時我想證明一些別的東西。
  蘇:再回到音樂上來。
  史:莫扎特總是我喜愛的一位音樂家。他寫下了無數的作品。今年早先我五十歲的生日之際,我收到一套他的全集的光碟,超過二百小時長。我沒聽完,正繼續著。《安魂曲》是他最偉大的作品之一。莫扎特在完成《安魂曲》之前死去,他的一位學生從莫扎特餘下的片斷將其完成。我們就要聽的讚美詩是僅有的全部由莫扎特譜寫的部分。
  蘇:史蒂芬,請原諒我把你的理論過於簡化。你一度相信過,正如我所理解的,曾經存在過創生的一點,即大爆炸,但是你現在不再這麼認為了。你相信既沒有開端也沒有終結,而且宇宙是自足的。這是否表明,並不存在創生的行為,因此也就沒有上帝的存身之處。
  史:是的,你是過於簡化了。我仍然相信宇宙在實時間裡在大爆炸之處有一個開端。但是存在另外一種時間,即虛時間,它是和實時間垂直的。宇宙在虛時間裡既沒有開端也沒有終結。這就表明宇宙啟始的方式是由物理定律所確定的。人們也就不必說,上帝為宇宙運行選擇某種我們不能理解的任意方式。我的理論並沒有說上帝存在與否——只不過說她不是任意的。
  蘇:但是,如果上帝有可能不存在的話,你何以解釋所有那些在科學以外的東西:人們過去以及現在對你的,實際上是對你自身靈感的熱愛和信任?
  史:熱愛、信任和道德屬於和物理學不同的範疇。你不能從物理定律推導出人們應如何行為。但是人們可以希望,物理和數學涉及的邏輯思維也會指導人們的道德行為。
  蘇:但是我認為,許多人覺得你實際上已經擺脫了上帝。你想否認這一點嗎?
  史:我的研究所指出的全部是,你不必說宇宙啟始的方式是上帝的一個念頭。但是你還遺留一個問題:為什麼宇宙要在乎自身之存在?如果你願意的話,可把上帝定義為這個問題的答案。
  蘇:讓我們聽第七張唱片。
  史:我非常喜歡歌劇。我曾動過念頭,八張唱片全選歌劇。其範圍從格魯克和莫扎特起,通過瓦格納,直到威爾第和普契尼。但是我最後把它減少到兩張。一張必須是瓦格納,另一張我最後決定應屬於普契尼。《杜蘭朵》是他最偉大的歌劇,但是又是他生前未能完成的。我選取的片斷是杜蘭朵敘述古代中國的一名公主如何被蒙古人強姦並搶擄的經過。為了對此報復,杜蘭朵汀算向她的求婚者問三個問題。他們如果回答不出就會被處死。
  蘇:聖誕節對你有什麼意義?
  史:它有點像美國的感恩節。是一個全家團聚以及感謝過去一年的場合。又是展望新年的時刻,正如在馬廄中誕生的一個孩子所象徵的。
  蘇:讓我們更物質化一些,你想要什麼禮物——也許近來你已富足到擁有一切?
  史:我寧願要驚奇。如果要求某種特定的東西,他就沒有給施者留下利用他或她想像的自由或機會。但是我不介意讓人知道我喜愛夾心巧克力。
  蘇:史蒂芬,迄今你已比預料的多活了三十年。儘管人們告訴你說永遠不會生育,你卻當了父親,你完成了暢銷書,你改變了人們頭腦中的空間和時間的陳舊信仰。在你有生之年還要計劃做什麼呢?
  史:所有這一切之所以可能只是因為我足夠幸運地得到大量幫助。我對自己所取得的一切感到高興,但是在我死之前還有許多想做的事。我不願講我的私生活,但在科學上我想知道人們應如何把引力和量子力學以及其他的自然力統一在一起。我尤其想知道黑洞蒸發時會發生什麼。
  蘇:現在放最後一張唱片。
  史:我要請你發這個音。我的語言合成器是美文的,對於法文無能為力。這是依狄斯·皮阿芙「26」唱的《我不再為任何事後悔》。這剛好可用以總結我的一生。      「26」譯者註:依狄斯·皮阿芙(Edith Piaf)是法國本世紀女歌唱家,被譽為法國的麻雀。
  蘇:史蒂芬,現在如果你只能帶走一張唱片,你要選哪一張?
  史:那應是莫扎特的《安魂曲》。我可以一直把它聽到光碟唱機的電池用完為止。
  蘇:還有你想帶去的那本書呢?當然,莎士比亞全集和聖經已經預先放在那兒供你翻閱。
  史:我想我要帶喬治·愛略特「27」的《中途》。我記得有人,也許是維吉尼亞·吳爾芙「28」說過,這是一部為成熟的人寫的書。我不清楚自己是否合格,但不妨一試。      「27」譯者註:喬治·愛略特(George Eliot)是英國十九世紀女小說家。《中途》(Middlemarch)是她的一部傑作。
  「28」譯者註:維吉尼亞·吳爾芙(Virginia Woolf)是英國本世紀女小說家。
  蘇:還有你的奢侈品呢?
  史:我想要大量的劍橋奶酪,對我來說,它是我的奢侈品的縮影。
  蘇:那麼不是夾心巧克力,而是大量的劍橋奶酪。史蒂芬·霍金博士,非常謝謝你讓我聆聽你的沙漠孤島唱片,謹祝聖誕快樂。
  史:感謝你挑選我。我從沙漠孤島衷心祝願你聖誕快樂。我敢打賭說我的天氣比你的還更加怕人。
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<<黑洞、嬰兒宇宙及其他>> 〔完〕

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