过眼•物影天狼

转载自《香港文汇报》

      蜚声国际、被视为当今最具有影响力的著名天体物理学家霍金教授，昨天（2006-06-15）下午在香港科技大学主持讲座，讲题为《宇宙的起源》。这位有「现代爱因斯坦」之称的科学者宣告：宇宙学是一个非常激动人心和活跃的学科。我们正接近回答这古老的问题：我们为何在此？我们从何而来？一千八百多名现场观众和数以十万计的香港人在电视机屏幕前倾听了霍金透过语音合成器的演说。

霍金的演讲全文如下：

      根据中非 Boshongo 人的传说，世界太初只有黑暗、水和伟大的 Bumba 上帝。一天，Bumba 胃痛发作，呕吐出太阳。太阳灼干了一些水，留下土地。他仍然胃痛不止，又吐出了月亮和星辰，然后吐出一些动物，豹、鳄鱼、乌龟、最后是人。

      这个创世纪的神话，和其他许多神话一样，试图回答我们大家都想诘问的问题：为何我们在此？我们从何而来？一般的答案是，人类的起源是发生在比较近期的事。人类正在知识上和技术上不断地取得进步。这样，它不可能存在那么久，否则的话，它应该取得更大的进步。这一点甚至在更早的时候就应该很清楚了。

亚里士多德：宇宙无开端

      宇宙已经存在了无限久的时间

      例如，按照 Usher 主教《创世纪》把世界的创生定于西元前 4004 年 10 月 23 日上午 9 时。另一方面，诸如山岳和河流的自然环境，在人的生命周期里改变甚微。所以人们通常把它们当作不变的背景。要么作为空洞的风景已经存在了无限久，要么是和人类在相同的时刻被创生出来。

      但是并非所有人都喜欢宇宙有个开端的思想。例如，希腊最著名的哲学家亚里士多德，相信宇宙已经存在了无限久的时间。某种永恒的东西比某种创生的东西更完美。他提出我们之所以看到发展处于这个情形，那是因为洪水或者其他自然灾害，不断重复地让文明回复到萌芽阶段。信仰永恒宇宙的动机是想避免求助于神意的干涉，以创生宇宙并启始运行。相反地，那些相信宇宙具有开端的人，将开端当作上帝存在的论据，把上帝当作宇宙的第一原因或者原动力。

宇宙开端前 时间无意义

      时间是绝对的，时间从无限的过去向无限的将来流逝

      如果人们相信宇宙有一个开端，那么很明显的问题是，在开端之前发生了甚么？上帝在创造宇宙之前，他在做甚么？他是在为那些诘问这类问题的人准备地狱吗？德国哲学家伊曼努尔·康德十分关心宇宙有无开端的问题。他觉得，不管宇宙有无开端，都会引起逻辑矛盾或者二律背反。如果宇宙有一个开端，为何在它起始之前要等待无限久。他将此称为正题。另一方面，如果宇宙已经存在无限久，为甚么它要花费无限长的时间才达到现在这个阶段。他把此称为反题。无论正题还是反题，都是基于康德的假设，几乎所有人也是这么办的，那就是，时间是绝对的，也就是说，时间从无限的过去向无限的将来流逝。时间独立于宇宙，在这个背景中，宇宙可以存在，也可以不存在。

      直至今天，在许多科学家的心中，仍然保持这样的图景。然而，1915 年爱因斯坦提出他的革命性的广义相对论。在该理论中，空间和时间不再是绝对的，不再是事件的固定背景。相反地，它们是动力量，宇宙中的物质和能量确定其形状。它们只有在宇宙之中才能够定义。这样谈论宇宙开端之前的时间是毫无意义的。这有点儿像去寻找比南极还南的一点没有意义一样。它是没有定义的。

实证主义方法研究宇宙问题

      我们按照我们构造世界的模型来解释自己感官的输入

      如果宇宙随时间本质上不变，正如 20 世纪 20 年代之前一般认为的那样，就没有理由阻止在过去任意早的时刻定义时间。人们总可以将历史往更早的时刻延展，在这个意义上，任何所谓的宇宙开端都是人为的。于是，情形可以是这样，这个宇宙是去年创生的，但是所有记忆和物理证据都显得它要古老得多。这就产生了有关存在意义的高深哲学问题。我将采用所谓的实证主义方法来对付这些问题。在这个方法中，其思想是，我们按照我们构造世界的模型来解释自己感官的输入。人们不能询问这个模型是否代表实在，只能问它能否行得通。首先，如果按照一个简单而优雅的模型可以解释大量的观测；其次，如果这个模型作出可能被观察检验，也可能被证伪的明确预言，这个模型即是一个好模型。

      根据实证主义方法，人们可以比较宇宙的两个模型。第一个模型，宇宙是去年创生的，而另一个是宇宙已经存在了远为长久的时间。一对孪生子在比一年前更早的时刻诞生，已经存在了久于一年的宇宙的模型能够解释像孪生子这样的事物。

哈勃发现星系飞离我们

      恒星并非均匀地分布于整个空间

      另一方面，宇宙去年创生的模型不能解释这类事件，因此第二个模型更好。人们不能诘问宇宙是否在一年前确实存在过，或者仅仅显得是那样。在实证主义的方法中，它们没有区别。

      在一个不变的宇宙中，不存在一个自然的起始之点。然而，20 世纪 20 年代当埃德温·哈勃在威尔逊山上开始利用 100 英寸的望远镜进行观测时，情形发生了根本的改变。哈勃发现，恒星并非均匀地分布于整个空间，而是大量地聚集在称为星系的集团之中。

      哈勃测量来自星系的光，进而能够确定它们的速度。他预料向我们飞来的星系和离我们飞去的星系一样多。这是在一个随时间不变的宇宙中应有的。但是令哈勃惊讶的是，他发现几乎所有的星系都飞离我们而去。此外，星系离开我们越远，则飞离得越快。宇宙不随时间不变，不像原先所有人以为的那样。它正在膨胀。星系之间的距离随时间而增大。

最重要发现：宇宙在膨胀

      宇宙膨胀是 20 世纪或者任何世纪最重要的智力发现之一

      宇宙膨胀是 20 世纪或者任何世纪最重要的智力发现之一。它转变了宇宙是否有一个开端的争论。如果星系现在正分开运动，那么，它们在过去一定更加靠近。如果它们过去的速度一直不变，则大约 150 亿年之前，所有星系应该一个落在另一个上。这个时刻是宇宙的开端吗？

      许多科学家仍然不喜欢宇宙具有开端。因为这似乎意味著物理学崩溃了。人们就不得不去求助于外界的作用，为方便起见，可以把它称作上帝，去确定宇宙如何起始。因此他们提出一些理论。在这些理论中，宇宙此刻正在膨胀，但是没有开端。其中之一便是邦迪、高尔德和霍伊尔于 1948 年提出的稳恒态理论。

      在稳恒态理论中，其思想是，随著星系离开，由假设中的在整个空间连续创生的物质形成新的星系。宇宙会永远存在，而且在所有时间中都显得一样。这最后的性质从实证主义的观点来看，作为一个可以用观测来检验的明确预言，具有巨大的优点。在马丁·赖尔领导下的剑桥射电观测天文小组，在 20 世纪 60 年代早期对弱射电源进行了调查。这些源在天空分布得相当均匀，表明大部分源位于银河系之外。平均而言，较弱的源离得较远。

稳恒态理论与观测冲突

      微弱的源比预言的更多，这表明在过去源的密度较高

      稳恒态理论预言了源的数目对应于源强度的图的形状。但是观测表明，微弱的源比预言的更多，这表明在过去源的密度较高。这就和稳恒态理论的任何东西在时间中都是不变的基本假设相冲突。由于这个，也由于其他原因，稳恒态理论被抛弃了。

      还有另一种避免宇宙有一开端的企图是，建议存在一个早先的收缩相，但是由于旋转和局部的无规性，物质不会落到同一点。相反，物质的不同部分会相互错开，宇宙会重新膨胀，这时密度保持有限。两位俄国人利弗席和哈拉尼科夫实际上声称，他们证明了，没有严格对称的一般收缩总会引起反弹，而密度保持有限。这个结果对于马克思主义列宁主义的唯物辩证法十分便利，因为它避免了有关宇宙创生的难以应付的问题。因此，这对于苏联科学家而言成为一篇信仰的文章。

电视雪花竟因宇宙微波

      在荧幕上看到的雪花的百分之几就归因于这个微波背景

      当利弗席和哈拉尼科夫发表其断言时，我是一名 21 岁的研究生，为了完成博士论文，我正在寻找一个问题。我不相信他们所谓的证明，于是就著手和罗杰·彭罗斯一起发展新的数学方法去研究这个问题。我们证明了宇宙不能反弹。如果爱因斯坦的广义相对论是正确的，就存在一个奇点，这是具有无限密度和无限时空曲率的点，时间在那里有一个开端。

      在我得到第一个奇点结果数月之后，即 1965 年 10 月，人们得到了确认宇宙有一个非常密集开端的思想的观察证据，那是发现了贯穿整个空间的微弱的微波背景。这些微波和你使用的微波炉的微波是一样的，但是比它微弱多了。它们只能将匹萨加热到摄氏负 270.4 度，甚至无法将匹萨化冻，更不用说烤熟它。实际上你自己就可以观察到这些微波。把你的电视调到一个空的频道去，在荧幕上看到的雪花的百分之几就归因于这个微波背景。早期非常热和密集状态遗留下的辐射是对这个背景的仅有的合理解释。随著宇宙膨胀，辐射一直冷却下来，直至我们今天观察到它的微弱的残余。

      虽然彭罗斯和我自己的奇性定理预言，宇宙有一个开端，这些定理并没有告诉宇宙如何起始。广义相对论方程在奇点处崩溃了。这样，爱因斯坦理论不能预言宇宙如何起始，它只能预言一旦起始后如何演化。人们对彭罗斯和我的结果可有两种态度。一种是上帝由于我们不能理解的原因，选择宇宙的启始方式。这是约翰·保罗教的观点。在梵蒂冈的一次宇宙论会议上，这位教皇告诉代表们，在宇宙起始之后，研究它是可以的。但是他们不应该探究起始的本身，因为这是创生的时刻，这是上帝的事情。我暗自庆幸，他没有意识到，我在会议上发表了一篇论文，刚好提出宇宙如何起始。我可不想像伽利略那样被递交给宗教裁判厅。

研宇宙起源 需量子理论

      当宇宙处于普朗克尺度，必须考虑量子理论

      对我们结果的另外解释，这也是得到大多数科学家赞同的解释。这个结果显示，在早期宇宙中的非常强大的引力场中，广义相对论崩溃了，必须用一个更完备的理论来取代它。因为广义相对论没有注意到物质小尺度结构，而后者是由量子理论制约的，所以人们预料总要进行这种取代。在通常情况下，因为宇宙的尺度和量子理论的微观尺度相比较极为巨大，所以是否取代无所谓。但是当宇宙处于普朗克尺度，也就是 1 千亿亿亿亿分之一米时，这两个尺度变成相同，必须考虑量子理论。

      为了理解宇宙的起源，我们必须把广义相对论和量子理论相结合。里查德·费恩曼对历史求和的思想似乎是实现这个目标的最佳方法。里查德·费恩曼是一位多姿多彩的人物。他在帕沙迪那的脱衣舞酒吧里敲小鼓，又是加州理工学院卓越的物理学家。他提议一个系统从状态 A 到状态 B 经过所有可能的路径或历史。

环球旅行证明世界非平板

      我环球旅行过，我并没有掉下去

      每个路径或者历史都有一定的振幅和强度。而系统从 A 到 B 的概率是将每个路径的振幅加起来。存在一个由兰干酪制成月亮的历史。但是其振幅很低。这对于老鼠来说不是一个好消息。

      宇宙现在状态的概率可将结局为这个状态的所有历史叠加得到。但是这些历史如何起始的呢？这是一个改头换面的起源问题。是否需要一个造物主下达命令，宇宙如此这般起始呢？还是由科学定律来确定宇宙的初始条件呢？

      事实上，即便宇宙的历史回到无限的过去，这个问题仍然存在。但是如果宇宙只在150亿年前起始，这个问题就更加急切。询问在时间的开端会发生甚么，有点像当人们认为世界是平坦的，询问在世界的边缘会发生甚么一样。世界是一块平板吗？海洋从它边缘上倾泻下去吗？我已经用实验对此验证过。我环球旅行过，我并没有掉下去。

      正如大家知道的，当人们意识到世界不是一块平板，而是一个弯曲的面时，在宇宙的边缘发生甚么的问题就被解决了。然而，时间似乎不同。它显得和空间相分离。像是一个铁轨模型。如果它有一个开端，就必须有人去启动火车运行。

再无法反对宇宙有开端

      宇宙的开端由科学定律来制约

      爱因斯坦的广义相对论将时间和空间统一成时空。但是时间仍然和空间不同，它正像一个通道，要么有开端和终结，要么无限地伸展出去。然而，詹姆·哈特尔和我意识到，当广义相对论和量子论相结合时，在极端情形下，时间可以像空间中另一方向那样行为。这意味著，和我们摆脱世界边缘的方法类似，可以摆脱时间具有开端的问题。

      假定宇宙的开端正如地球的南极，其纬度取时间的角色。宇宙就在南极作为一个起始点。随著往北运动，代表宇宙尺度的常纬度的圆就膨胀。诘问在宇宙开端之前发生了甚么是没有意义的问题。因为在南极的南边没有任何东西。

      时间，用纬度来测量，在南极处有一个开端。但是南极和其他的点非常相像。至少我听别人这么讲的。我去过南极洲，没有去过南极。

      同样的自然定律正如在其他地方一样，在南极成立。长期以来，人们说宇宙的开端是正常定律失效之处，所以宇宙不应该有开端。而现在，宇宙的开端由科学定律来制约，所以反对宇宙有开端的论证不再成立。

宇宙膨胀有如沸水泡泡

      宇宙最可能的历史像是泡泡的表面。许多小泡泡出现，然后再消失

      詹姆·哈特尔和我发展宇宙自发创生的图景有一点像泡泡在沸腾的水中形成。

      其思想是，宇宙最可能的历史像是泡泡的表面。许多小泡泡出现，然后再消失。这些对应于微小的宇宙，它们膨胀，但在仍然处于微观尺度时再次坍缩。它们是另外可能的宇宙，由于不能维持足够长的时间，来不及发展星系和恒星，更不用说智慧生命了，所以我们对它们没有多大兴趣。然而，这些小泡泡中的一些会膨胀到一定的尺度，到那时可以安全地逃避坍缩。它们会继续以不断增大的速率膨胀，形成我们看到的泡泡。它们对应于开始以不断增加的速率膨胀的宇宙。这就是所谓的暴胀，正如每年的价格上涨一样。

      通货膨胀的世界纪录应归一战以后的德国。在 18 月期间价格增大了一千万倍。但是，它和早期宇宙中的暴胀相比实在微不足道。宇宙在比一秒还微小得多的时间里膨胀了十的 30 次方倍。和通货膨胀不同，早期宇宙的暴胀是非常好的事情。它产生了一个非常巨大的均匀的宇宙，正如我们观察到的。然而，它不是完全均匀的。在对历史求和中，稍微具有无规性的历史和完全均匀和规则历史的概率几乎相同。因此，理论预言早期宇宙很可能是稍微不均匀的。这些无规性在从不同方向来的微波背景强度上引起小的变化。利用 MAP（微波各向异性）卫星已经观察到微波背景，发现了和预言完全一致的变化。这样，我们知道自己正在正确的道路上前进。

「上帝的确在掷骰子」

      我们是极早期宇宙的量子起伏的产物

      早期宇宙中的无规性，意味著在有些区域的密度，比其他地方的稍高。这些额外密度的引力吸引使这个区域的膨胀减缓，而且最终能够使这些区域坍缩形成星系和恒星。请仔细看这张微波天图。它是宇宙中一切结构的蓝图。我们是极早期宇宙的量子起伏的产物。上帝的确在掷骰子。

      在过去的百年间，我们在宇宙学中取得了惊人的进步。广义相对论和宇宙膨胀的发现，粉碎了永远存在并将永远继续存在的宇宙的古老图像。取而代之，广义相对论预言，宇宙和时间本身都在大爆炸处起始。它还预言时间在黑洞里终结。宇宙微波背景的发现，以及黑洞的观测，支持这些结论。这是我们的宇宙图像和实在本身的一个深刻的改变。

      虽然广义相对论预言了，宇宙来自于过去一个高曲率的时期，但它不能预言宇宙如何从大爆炸形成。这样，广义相对论自身不能回答宇宙学的核心问题，为何宇宙如此这般。然而，如果广义相对论和量子论相合并，就可能预言宇宙是如何起始的。它开始以不断增大的速率膨胀。这两个理论的结合预言，在这个称作暴胀的时期，微小的起伏会发展，导致星系、恒星以及宇宙中所有其他结构的形成。对宇宙微波背景中的小的非均匀性的观测，完全证实了预言的性质。这样，我们似乎正朝著理解宇宙起源的正确方向前进，尽管还有许多工作要做。当我们通过精密测量空间航空器之间距离，进而能够检测到引力波，就会打开极早期宇宙的新窗口。引力波从最早的时刻自由地向我们传播，所有介入的物质都无法阻碍它。与此相比较，自由电子多次地散射光。这种散射一直进行到 30 万年后电子被凝结之前。

宇宙最终会再次坍缩吗？

      我们正接近回答这古老的问题：我们为何在此？我们从何而来？

      尽管我们已经取得了一些伟大成功，并非一切都已解决。我们观察到，宇宙的膨胀在长期的变缓之后，再次加速。对此理论还不能理解清楚。缺乏这种理解，对宇宙的未来还无法确定。它会继续地无限地膨胀下去吗？暴胀是一个自然定律吗？或者宇宙最终会再次坍缩吗？新的观测结果，理论的进步正迅速涌来。宇宙学是一个非常激动人心和活跃的学科。我们正接近回答这古老的问题：我们为何在此？我们从何而来？

      谢谢各位。

      此文版权属霍金教授所有。

      本文译者吴忠超，为霍金教授的中国博士生，1984 年获剑桥大学博士学位。亦是《时间简史》中译本译者。

      一直都想写一些关于相对论的文章，来表达一下我对这位伟人的景仰之情，但始终没找到什么时间。其实现在也没什么时间，不过想想最好还是写一写：一来将我对这个偶像的崇拜进行到底；二来确实想说一说相对论，其实它也不是那么难理解的，甚至是一种常识，只是我们谁都没有注意罢了，虽然真正深层次的挖掘还是非常之深奥的。但是，就像爱因斯坦本人说过的一句名言——也是迄今我喜欢的名言之一——一样，这个宇宙最不可理解的就是她是可以被理解的。

      本来这件事情最好是在去年完成，因为 2005 年是爱因斯坦逝世 50 周年和狭义相对论诞生 100 周年的年头，可惜错过了这样的机会。不过百年之后，这也算是一个新的起点，就此补偿一下。

      废话就不说了，不过还有一点就是，跟我在俱乐部里呆过的人都会知道一个经典的密码，同时也就不会忘记爱因斯坦和他的诞辰及忌日了：Einstein18791955。

声明：

1. 本文观点虽借鉴自诸多科普读物，但系作者自行归纳而成，且作者非物理学专业，因此水平有限，如有错误，欢迎指正。所以是否接受与传播、使用本观点属读者自主行为，与作者无关，由此引发的任何后果作者概不负责。
2. 如不特别声明，文章中的物理学名词解释引用自维基百科。
3. 在本文中如不特指，“相对论”就代表“狭义相对论”。
4. 假设读者应该至少具有中国高中物理知识水平，因此对一些基本物理学名词不做解释。
5. 欢迎转载，转载请注明作者及出处，或给与反向链接。

一、简介——爱因斯坦的宇宙就是我们的宇宙
      提到相对论，我想应该还是有很多人能够说出狭义和广义之分。有人说过爱因斯坦连给他的理论起名字都是那么的吸引人，当一个陌生人第一次看到这几个字的时候，会被一种莫大的神秘感所包围，而且他的巨大力量是惊人的，让你忍不住想要弄个究竟。而在你浅尝之后更会把仰慕的目光投向一个人，这个人却好像是一个神。“爱因斯坦的宇宙就是我们的宇宙”，而“我们对于物理学所研究的就是我们对于这个世界所能够说的”，我通常喜欢用这两句话来总结爱因斯坦的成就，或许有些夸张，但是当你面对，“如果速度接近光速”（或许大多数人听到的版本应该是“如果速度超过光速”，但是至少在狭义相对论体系范畴内，这个是不可能发生的。）的假设之后，你将不会再有任何抵抗的来接受这个评价，因为他创造了一个跟你的想象完全不一样的世界。

      但是我个人觉得，爱因斯坦的最大成就并不在于推导出了著名的质能方程或者给与洛仑兹变换以正确的解释，而是他率先意识到，或者说注意到了构成狭义相对论的两条基本原理：相对性原理和光速不变原理，有了这两个基础，狭义相对论就会变得那么自然。

      相对性原理，或者确切的说狭义相对性原理（因为显然还有广义相对性原理）是指：物理定律在任何惯性参考系中具有相同的形式[1]。这个或许我们大家都能够想得到，但貌似你要真是把它说出口，还真的不足为证。你如何才能证明自己感受到的世界，和一个电子感受到的世界是一样的呢？无法证明，因此这是一个基础，或者说假设。

      光速不变原理：在狭义相对论中，无论在何种惯性参照系中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是 299,792,458 米/秒。[2]这就开始和我们的常识有所冲突了，明明相遇速度等于速度之和，追击速度等于速度之差，连小学生都知道的原则，在这里，对于光速，却变得完全的不一样了。然而事实就是如此，麦克斯韦方程组可以给与理论证明，而麦克尔逊莫雷实验是最好的实验证明。而且狭义相对论还可以在此基础上证明，光速是我们所在的这个世界里的极限速度，没有任何物体或信息运动的速度可以超过光速。[3]（因为本文不是严谨的学术论文，因此下文会使用这个结论帮助理解。

二、相对论来源于一个基本生活常识——对表
      也许你无法相信，博大精深的相对论竟然可以用简单的对表来解释。事实确实如此，我们来看。这里我们用到了先前提到的光速是极限速度的结论。

      当你发现自己的表不准想要对表的时候，如果手头有电视或者收音机的话你通常可能会选择它们来作为对时标准；如果没有，你可能会在路上找一个人文问一下，然后调整自己的手表或手机。我们假设前者，你打开电视，看到了一个时间，然后你把你的表调整为这个时间。那么好，我问你，你表上的时间准吗？这个显然，连小学生都知道，不准：因为你先看到了时间，然后把它记住，再去对表，当你对表完毕的时候，已经有至少几秒钟过去了。那么显然我们会采取另一种更有效的办法，给你的表设定一个稍微整一点的时间，例如 9:00，然后等待电视或收音机发出一个信号，你确认这个时间，按下按钮。此时我再问你，你会很有底气地说准，一分都不差。是呀，但是请你仔细想一想，你的表确实准吗？你看到的这个时间是从一个时间发生装置发出，经过电磁波的传送，再经过收放装置的接收，把画面或声音呈现给你，你接受到这个信号，大脑经过思考，决定应该发出指令去让手指按一下按钮，然后指令通过神经传导到肌肉，肌肉收缩，触发按钮，按纽连通电子线路，时间被确认。好大一串！显然每个环节都是需要时间的，只是这些环节都实在太短暂了，对于日常生活而言，完全可以忽略。但是，如果我继续追问，如果我不忽略这些延迟，那么你的这个时间仍然是不准的，还能给我再准确一点的时间吗？也许真的不那么好办了，那我们换一种讨论方法，忽略所有可能的延迟，也就是说，有两个地点 A 和 B，时间从 A 点发出，B 点如何才能得到最准确的时间，准确的时间是多少？这个问题或许已经开始出现问题了，难道 A 点和 B 点不可能有相同的时间吗？答案是 B 点会有相同的时间，但是这个时间其实并不相同。

（哈哈，就写到这里，还有个扣，好玩，有时间继续写，我要回家了！）