《时间简史》综述

《时间简史》综述【摘要】史蒂芬•霍金的《时间简史》在1988年首版以来的岁月里，已成为全球科普著作的里程碑。本书探讨了宇宙的重大问题：我们从何而来，又去向何方？宇宙为什么是这样的？作者机智而清晰地阐释了宇宙物理的奥秘，以日常生活的隐喻诠释了极端复杂的主题。本文将就此书的基本框架做一些梳理和概括，以期为读者做一个简明的介绍。【关键词】宇宙空间相对论量子力学起源我们的宇宙图像随着人类历史的发展而不断地变更着，从早期希腊人的平坦宇宙到亚里士多德的球形地球，从托勒密的地球中心宇宙模型到哥白尼的太阳中心宇宙模型，从看似理所当然的宇宙静止观念到现在大多数人相信的脉动宇宙理论，无一不是让人们的宇宙观发生了翻天覆地的变化。1时间和空间我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛顿，但在伽利略之前，人们相信亚里士多德。他们的区别在于其对空间的理解，前者相信存在优越的静止状态，而后者认为没有静止的唯一标准；但是，他们对于时间的理解是相同的，即都相信绝对时间，而且时间对于空间是完全分开并独立的。这种似乎显而易见的常识却在光速是相对于何物而言的争论中受到了质疑。爱因斯坦狭义相对论和广义相对论的提出就突破了这种绝对时空观。爱因斯坦相对论揭示了同时性的相对性以及时间和空间的不可分离。虽然爱因斯坦大大地变革了人们传统的时间观念，使时间和空间相互联系，但是并没有将时间真正地空间化，从而最终导致了宇宙奇点，使得自身垮台。为了解决奇点的疑难，霍金引入了虚时间的概念，并将其和人们常指的实时间相区别。根据广义相对论，物质和能量会使时间和空间向其自身弯曲，在实时间方向就不可避免地导致奇点，时间和空间在奇点处到达尽头。但在虚时间中，情况就不一样。在虚时空中，时间与空间形成一个犹如地球表面的闭合四维面。地球的表面面积虽然有限，但是它没有任何奇点、边界或边缘。同样道理，这三个空间方向和虚时间形成的闭合时空，也不会有任何边界或者边缘。因此，在虚时间里，宇宙是处于无边界状态的，科学定律处处有效，人们能够确定每种可能历史的概率，并能确定宇宙应该如何运行。虽然在虚时间中时间无所谓始终，但在实时间中至少存在三种不同的时间箭头：热力学时间箭头，心理学时间箭头和宇宙学时间箭头，而且三个时间箭头是同向的。由于总存在着比有序状态更多得多的无序状态的这一事实，故热力学时间箭头得以存在，即在这个时间方向上无序度或熵增加。而对于心理学时间箭头，我们的大脑产生记忆就像计算机记忆器的工作一样，需要使用一定的能量，这种能量以热的形式耗散之后增加了宇宙的无序度的量，因此我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头,是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。至于宇宙学时间箭头,根据量子引力理论,必须满足无边界条件的要求去讨论宇宙历史的开端,即宇宙开始时尺度上有限,但是没有边界或边缘。在这种情形下,时间的开端就会是规则的、光滑的空间一时间的点,并且宇宙在一个非常光滑和有序的状态下开始它的膨胀。这样,宇宙开始时处于一个光滑有序的状态,随时间演化成波浪起伏的无序的状态。而且，人类为了生存下去，必须消耗能量的一种有序形式——食物，并将其转化成能量的一种无序形式——热量，所以智慧生命不能在宇宙的收缩相中存在，因为那里没有强的热力学箭头。因此，我们看到热力学箭头和宇宙学箭头的一致。2基本粒子和自然的力亚里士多德相信宇宙中的所有物质是由四种基本元素即土、空气、火和水组成，而且物质是连续的。但有几个希腊人，如德谟克里特，则坚持物质的固有的颗粒性。经过多年的试验研究，人们先后发现了分子、原子、电子、中子、质子。直到30年前，人们还以为质子和中子是“基本”粒子。但是，实验表明他们事实上是由更小的粒子组成——夸克。问题在于什么是真正的基本粒子。对于这个问题的最好回答取决于我们设想中所能得到多高的粒子能量，这决定了我们所能看到的多小的尺度。对于自然的力的认识也同样经过了漫长的阶段。亚里士多德认为有两种自然力：引力，水和土下沉的趋势；浮力，空气和火上升的趋势。到现在，我们将自然力分为四种：引力，电磁力，弱核力和强核力。在大一统理论中，电磁力、弱核力和强核力被统一起来：在非常高的叫做大一统能量的强度下，这三种力都具有相同的强度，可以看成一个单独的力的不同方面。3黑洞存在一个事件的集合或时空区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞。1967年，加拿大科学家威纳•伊斯雷尔指出，根据广义相对论，非旋转的黑洞必须是非常简单的完美的球形。1963年，新西兰人罗伊•克尔找到了广义相对论方程描述旋转黑洞的一族解。这些“克尔”黑洞以恒常速度旋转，其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。在国王学院任教的大卫•罗宾逊利用卡特和霍金关于稳态旋转黑洞的结论进而证明了在引力坍缩之后，一个黑洞必须最终演变成一种能够旋转，但是不能搏动的态。然而，黑洞并没有人们想象的那么黑。黑洞事件视界面积的非减性质给黑洞的可能行为加上了重要的限制，人们非常容易从此联想到被叫做熵的物理量行为。如果黑洞具有熵，它也应该有温度，必须以一定的速率发出辐射。但是，任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来，所以粒子不是从黑洞里面出来的，而是从紧靠事件视界的外面的“空”的空间来的。“空”的空间充满虚粒子反粒子对，如果黑洞存在，虚对的一个成员会落入黑洞并且成为实粒子，另一成员会从黑洞邻近逃逸。黑洞越小，负能粒子在变成实粒子之前必须走的距离越短，这样黑洞发射率和表观温度越大，从而更容易被观测到。4宇宙的起源“热大爆炸模型”是人们最广泛接受的宇宙历史。它是假定从早到大爆炸时刻起宇宙就可用弗里德曼模型来描述。宇宙在膨胀时，其中任何物体或辐射都变得更凉，这和我们今天观测证据相一致，但是，还有很多诸如“为何早期宇宙如此热”和“为何宇宙在大尺度上是如此一致”等的问题未被解答。广义相对论本身不能解释这些特征或回答这些问题。麻省理工学院科学家阿伦•固斯提出，早期宇宙可能存在过一个非常快速膨胀的时期——暴胀。在这样一个其膨胀由宇宙常数加速，而不由物质的引力吸引使之减速的宇宙中，早期宇宙中的光线就有足够的时间从一个地方传到另一个地方，可以解答为何宇宙在大尺度上如此一致的问题。但是，今天的宇宙不是以暴胀的方式膨胀，这就要求有一种打破各种力之间对成的机制。对此，林德先后提出了“新暴胀模型”和“混沌暴胀模型”。然而，量子引力论开辟了一种新的可能性，在这里时空没有边界，所以没有必要指定边界上的行为。宇宙是完全自足的，而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被创生，也不被消灭。它就是存在。霍金的科学理论及其科学思想是否完全正确，还有待于宇宙学和物理学的进一步发展，需要依靠科学事实和科学观测的进一步验证。但是，至少霍金的科学成就和科学思想给予人们许多有益的启迪，为科学的进步提供了前进的阶梯，同时也提出了一系列值得研究的哲学问题。【参考文献】[1]史蒂芬•霍金：《时间简史（插图本）》，许明贤、吴忠超译，湖南科学技术出版社2002年版[2]文有仁：《从“证伪”到“去伪”》，《科学与无神论》，2007年第1期[3]艾凉琼：《宗教裁判所为什么迫害自然科学家》，《科学与无神论》，2007年第1期[4]王耀华：《对于“技术”本质的现象学反思及可能的未来》，《北京大学研究生学志》，2006年第1期[5]刘明：《李政道杨振宁发现与获奖的科学文化意义》，中共浙江省委党校学报，2007年第1期[6]陈嘉映：《从希腊天学到哥白尼革命》，《云南大学学报》，第六卷第1期[7]申先甲：《“时间之箭”的历史探讨》，《首都师范大学学报》，1997年第18期[8]王仕佐：《统一场论的历史背景》，《六盘水师专学报》，1991年第1期[9]肖广岭：《20世纪重大基础自然科学进展所体现的系统观念》，2000年第1期[10]江光华：《霍金的科学思想研究（学位论文）》，摘自中国期刊网优秀博硕士学位论文全文数据库