时间简史 时间简史 8.8分

万物理论

花古
2018-04-01 18:59:19

  牛顿运动定律、爱因斯坦相对论、量子力学

  即使霍金辐射得到了实验验证,霍金得到了诺贝尔奖,我们还是可以指出:霍金的成果主要是在已有的框架内改进,这固然很好,但比起那些提出新的框架的,还是要低至少一个层次。

  哪些人提出了新的框架?例如牛顿,提出牛顿力学。麦克斯韦,提出电磁理论。爱因斯坦,提出狭义和广义相对论。普朗克、海森堡、薛定谔、狄拉克,提出量子力学。杨振宁,提出规范场论。

  虽然如此,但最奇妙的就是,即使看不懂,大多数人也还是硬着头皮看下去了,即使不看,也还是买了一本放在书架上。即使是装点门面,但用科学来装点门面,说明读者是知道科学的伟大的。能达到这个效果,科普的作用就已经实现一大半了。正如一句格言所说:伪善,是恶对善最高的致敬!

  刘慈欣有一部短篇小说,叫做《朝闻道》,里面就出现了霍金。这部小说说的是,人类建好了一座环绕整个地球的超级加速器,叫做“爱因斯坦赤道”。正要启动这台加速器的时候,一个外星人突然出现来阻止我们。外星人告诉地球人,这部加速器能量太大,可能会导致真空衰变,毁灭整个宇宙,他的任务就是监视全宇宙的智慧生命,排除这种危险。

 

...
显示全文

  牛顿运动定律、爱因斯坦相对论、量子力学

  即使霍金辐射得到了实验验证,霍金得到了诺贝尔奖,我们还是可以指出:霍金的成果主要是在已有的框架内改进,这固然很好,但比起那些提出新的框架的,还是要低至少一个层次。

  哪些人提出了新的框架?例如牛顿,提出牛顿力学。麦克斯韦,提出电磁理论。爱因斯坦,提出狭义和广义相对论。普朗克、海森堡、薛定谔、狄拉克,提出量子力学。杨振宁,提出规范场论。

  虽然如此,但最奇妙的就是,即使看不懂,大多数人也还是硬着头皮看下去了,即使不看,也还是买了一本放在书架上。即使是装点门面,但用科学来装点门面,说明读者是知道科学的伟大的。能达到这个效果,科普的作用就已经实现一大半了。正如一句格言所说:伪善,是恶对善最高的致敬!

  刘慈欣有一部短篇小说,叫做《朝闻道》,里面就出现了霍金。这部小说说的是,人类建好了一座环绕整个地球的超级加速器,叫做“爱因斯坦赤道”。正要启动这台加速器的时候,一个外星人突然出现来阻止我们。外星人告诉地球人,这部加速器能量太大,可能会导致真空衰变,毁灭整个宇宙,他的任务就是监视全宇宙的智慧生命,排除这种危险。

  地球人问:你们是从什么时候开始注意到地球的?

  排险者的回答是:37万年前,当有10个原始人仰望星空的时间超过了预警的阈值,对宇宙表现出了充分的好奇的时候。

  地球人问:不是说,只有当有能力产生创世能级能量过程的文明出现时,预警系统才会报警吗?

  排险者的回答是:当生命意识到宇宙奥秘的存在时,距它最终解开这个奥秘就只有一步之遥了。比如地球生命,用了四十多亿年时间才第一次意识到宇宙奥秘的存在,但那一时刻距你们建成爱因斯坦赤道只有不到四十万年时间,而这一进程最关键的加速期只有不到五百年时间。如果说那个原始人对字宙的几分钟凝视是看到了一颗宝石,其后你们所谓的整个人类文明,不过是弯腰去拾它罢了。

  刘慈欣在这里讲的道理,发人深思。好奇心是人类的一种天性,而且不可遏止。通过科学这项人类最伟大的事业,即使被禁锢在果壳之内,人也仍然可以享有精神的自由。

  帕斯卡的这段名言,正是我们对霍金最恰当的纪念:

  “思想形成人的伟大”。

  人只不过是一根芦苇,是自然界最脆弱的东西;但他是一根会思想的苇草。用不着整个宇宙都拿起武器来才能毁灭他;一口气、一滴水就足以致他死命了。然而,纵使宇宙毁灭了他,人却仍然要比致他于死命的东西更高贵得多;因为他知道自己要死亡,以及宇宙对他所具有的优势,而宇宙对此却是一无所知。

  因而,我们全部的尊严就在于思想。正是由于它,而不是由于我们所无法填充的空间和时间,我们才必须提高自己。因此,我们要努力好好地思想;这就是道德的原则。”

  一般认为,爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在经典广义相对论的框架里,霍金和彭罗斯证明了,在很一般的条件下,空间——时间一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点。在奇点处,所有定律以及可预见性都失效。奇点可以看成空间时间的边缘或边界。只有给定了奇点处的边界条件,才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给定,所以宇宙的命运就操纵在造物主的手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题。

  量子力学的不确定性原理。

  他不能写字,看书必须依赖于一种翻书页的机器,读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公桌上,然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般地逐页阅读。人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬意。每天他必须驱动轮椅从他的家——剑桥西路5号,经过美丽的剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学和理论物理系的办公室。该系为了他的轮椅行走便利特地修了一段斜坡。

   在富有学术传统的剑桥大学,他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职务,那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。

  爱因斯坦的广义相对论为我们提供了创生好维持虫洞的可能性,那是连接时空中不同区域的细管。如是,我们也许可以利用它们来进行星系之间快速旅行或在时间旅行到过去。

  当对这样一个开端,有一种议论是感到必须有“第一推动”来解释宇宙的存在。(在宇宙中,你总可以将一个事件解释为由于另一个更早的事件所引起的,但是宇宙本身的存在只有当存在某个开端时才能被解释。

  哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻,当时宇宙的尺度无穷小,而且无限紧密。在这种条件下,所有科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻之前有过些事件,它们将不可能影响现在所发生的一切。所以我们可以不理它们,因为它们并没有可观测的后果。由于更早的时间根本没有定义,所以在这个意义上人们可以说,时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是,这个时间的开端是和早先考虑的非常不同。在一个不变的宇宙中,时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予;宇宙的开端并没有物理的必要性。人们可以想像上帝在过去的任何时刻创造宇宙。另一方面,如果宇宙在膨胀,何以宇宙有一个开端似乎就有了物理的原因。人们仍然可以想像,上帝是在大爆炸的瞬间创造宇宙,或者甚至在更晚的时刻,以便它看起来就像发生过大爆炸似的方式创造,但是设想在大爆炸之前创造宇宙是没有意义的。大爆炸模型并没有排斥造物主,只不过对他何时从事这工作加上时间限制而已!

  在它只是假设的意义上来讲,任何物理理论总是临时性的:你永远不可能将它证明。不管多少回实验的结果和某一理论相一致,你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方面,哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实,即可证伪之。正如科学哲学家卡尔·波普所强调的,一个好的理论的特征是,它能给出许多原则上可以被观测所否定或证伪的预言。每回观察到与这预言相符的新的实验,则这理论就幸存,并且增加了我们对它的可信度;然而若有一个新的观测与之不符,则我们只得抛弃或修正这理论。至少被认为这迟早总会发生的,问题在于人们有无才干去实现这样的观测。

  科学的终极目的提供描述整个宇宙的单一理论。

  他们会说,全能的上帝可以随心所欲地启动这个宇宙。也许是这样。但是,倘若那样,他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是,看起来他选择宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演化。所以,看来可以同样合理地假定,也存在着制约初始状态的定律。

   毕全功于一役地设计一种能描述整个宇宙的理论,看来是非常困难的。反之,我们是将这问题分成许多小块,并发明许多部分理论。每一部分理论描述和预言一定有限范围的观测,同时忽略其他量的效应或用简单的一组数来代表之。可能这方法是全错的。如果宇宙中的每一件东西都以非常基本的方式依赖于其他的任何一件东西,很可能不能用隔离法研究问题的部分去逼近其完备的答案。尽管如此,这肯定是我们在过去取得进展所用的方法。

  今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构,也就是从只有几英哩直到大至1亿亿亿(1后面跟24个0)英里,即可观测到的宇宙范围的尺度的结构。另一方面,量子力学处理极小尺度的现象,例如万亿分之一英寸(1英寸=2.54厘米)。然而,可惜的是,这两个理论不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个主要的努力,以及这本书的主题,即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没有这样的理论,要获得这个理论,我们可能还有相当长的路要走,然而我们已经知道了这个理论所应具备的许多性质。在以下几章,人们将会看到,我们已经知道了相当多的量子引力论所应有的预言。

  牛顿理论按照超距作用的力来描述引力。它在太阳系中很成功,但在强引力场下实效。

  广义相对论将引力描述成因为时空中的质量和能量而引起的时空弯曲。物体试图以直线方式运动,但是它们的路径因为时空的弯曲而被弯折。

  量子力学描述原子水平以及更微观水平的现象。

  现在,如果你相信宇宙不是任意的,而是由确定的定律所制约的,你最终必须将这些部分理论合并成一套能描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而,在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的自相矛盾。在前面概括的关于科学理论的思想中,假定我们是有理性的生物,既可以随意自由地观测宇宙,又可以从观察中得出逻辑推论。在这样的方案里可以合理地假设,我们可以越来越接近找到制约我们宇宙的定律。然而,如果真有一套完整的统一理论,则它也将决定我们的行动。这样,理论本身将决定了我们对之探索的结果!那么为什么它必须确定我们从证据得到正确的结论?它不也同样可以确定我们引出错误的结论吗?或者根本没有结论?

  对于这个问题,我所能给出的回答是基于达尔文的自然选择原理。这思想是说,在任何自繁殖的群体中,存在有不同个体在遗传物质和发育上的变异。这些差异表明,某些个体比其他个体对周围的世界更能引出正确的结论,并去适应它。这些个体更可能存活、繁殖,因此它们的行为和思维的模式将越来越起主导作用。这一点在过去肯定是真的,即我们称之为智慧和科学发现的东西给我们带来了存活的好处。这种情况是否仍会如此不是很清楚:我们的科学发现也可以将我们的一切都毁灭。即使不是这样,一个完整的统一理论对于我们存活的机会不会有很大影响。然而,假定宇宙已经以规则的方式演化至今,我们可以预期,自然选择赋予我们的推理能力在探索完整统一理论时仍然有效,并因此不会导致我们得到错误的结论。

  牛顿第一定律:力的真正效应总是改变物体的速度,而不是像原先想像的那样,仅仅使之运动。只要一个物体没有受到外力,它就会以同样的速度保持直线运动。

  牛顿第二定律:物体被加速或改变其速度,其改变率与所受外力成比例。(例如,如果力加倍,则加速度也将加倍。)物体的质量(或物质的量)越大,则加速度越小,(以同样的力作用于具有两倍质量的物体则只产生一半的加速度。)

  除了他的运动定律,牛顿还发现了描述引力的定律:任何两个物体都相互吸引,其引力大小与每个物体的质量成正比。这样,如果其中一个物体(例如A)的质量加倍,则两个物体之间的引力加倍。这是你能预料得到的,因为新的物体A可看成两个具有原先质量的物体,每一个用原先的力来吸引物体B,所以A和B之间的总力加倍。其中一个物体质量大到原先的2倍,另一物体大到3倍,则引力就大到6倍。现在人们可以看到,何以落体总以同样的速率下降:具有2倍重量的物体受到将其拉下的2倍的引力,但它的质量也大到两倍。按照牛顿第二定律,这两个效应刚好互相抵消,所以在所有情形下加速度是同样的。

  牛顿引力定律还告诉我们,物体之间的距离越远,则引力越小。牛顿引力定律讲,一个恒星的引力只是一个类似恒星在距离小一半时的引力的1/4。这个定律极其精确地预言了地球、月亮和其他行星的轨道。

  亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说,他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔,只要用好的钟,不管谁去测量,这个时间都是一样的。时间相对于空间是完全分开并独立的。这就是大部份人当作常识的观点。然而,我们必须改变这种关于空间和时间的观念。虽然这种显而易见的常识可以很好地对付运动甚慢的诸如苹果、行星的问题,但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效。

  英国的物理学家詹姆士·麦克斯韦成功地将当时用以描述电力和磁力的部分理论统一起来以后,才有了光传播的真正的理论。

  这个被称之为相对论的基本假设是,不管观察者以任何速度作自由运动,相对于他们而言,科学定律都应该是一样的。这对牛顿的运动定律当然是对的,但是现在这个观念被扩展到包括马克斯韦理论和光速:不管观察者运动多快,他们应测量到一样的光速。这简单的观念有一些非凡的结论。可能最著名者莫过于质量和能量的等价,这可用爱因斯坦著名的方程E=mc2来表达(这儿E是能量,m是质量,c是光速),以及没有任何东西能运动得比光还快的定律。由于能量和质量的等价,物体由于它的运动所具的能量应该加到它的质量上面去。换言之,要加速它将变得更为困难。这个效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如,以10%光速运动的物体的质量只比原先增加了0.5%,而以90%光速运动的物体,其质量变得比正常质量的两倍还多。当一个物体接近光速时,它的质量上升得越来越快,它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速,因为那时质量会变成无限大,而由质量能量等价原理,这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因,相对论限制任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。只有光或其他没有内禀质量的波才能以光速运动。

  相对论的一个同等卓越的成果是,它变革了我们对空间和时间的观念。在牛顿理论中,如果有一光脉冲从一处发到另一处,(由于时间是绝对的)不同的观测者对这个过程所花的时间不会有异议,但是他们不会在光走过的距离这一点上取得一致的意见(因为空间不是绝对的)。由于光速等于这距离除以所花的时间,不同的观察者就测量到不同的光速。另一方面,在相对论中,所有的观察者必须在光是以多快的速度运动上取得一致意见。然而,他们在光走过多远的距离上不能取得一致意见。所以现在他们对光要花多少时间上也不会取得一致意见。(无论如何,光所花的时间正是用光速——这一点所有的观察者都是一致的——去除光所走的距离——这一点对他们来说是不一致的。)总之,相对论终结了绝对时间的观念!这样,每个观察者都有以自己所携带的钟测量的时间,而不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致。

  光线也必须沿着时空的测地线走。空间是弯曲的事实又一次意味着,在空间中光线看起来不是沿着直线走。这样,广义相对论预言光线必须被引力场所折弯。

  另一广义相对论的预言是,在像地球这样的大质量的物体附近,时间显得流逝得更慢一些。这是因为光能量和它的频率(每秒钟里光振动的次数)有一关系:能量越大,则频率越高。当光从地球的引力场往上走,它失去能量,因而其频率下降(这表明两个波峰之间的时间间隔变大)。从在上面的某个人来看,下面发生的每一件事情都显得需要更长的时间。利用一对安装在一个水塔的顶上和底下的非常准确的钟,这个预言在1962年被验证到。发现底下的那只更接近地球的钟走得更慢些,这和广义相对论完全一致。地球上的不同高度的钟的速度不同,这在目前具有相当的实用上的重要性,这是因为人们要用卫星发出的信号来作非常精确的导航。如果人们对广义相对论的预言无知,所计算的位置将会错几英里(1英里=1.609公里)!

  牛顿运动定律使空间中绝对位置的观念告终。而对论摆脱了绝对时间。考虑一对双生子,假定其中一个孩子去山顶上生活,而另一个留在海平面,第一个将比第二个老得快。这样,如果他们再次相会,一个会比另一个更老。在这种情形下,年纪的差别非常小。但是,如果有一个孩子在以近于光速运动的空间飞船中作长途旅行,这种差别就会大得多。当他回来时,他会比留在地球上另一个人年轻得多。这即是被称为双生子的佯谬。但是,只是对于头脑中仍有绝对时间观念的人而言,这才是佯谬。在相对论中并没有一个唯一的绝对时间,相反地,每个人都有他自己的时间测度,这依赖于他在何处并如何运动。

  在以后的几十年中,对空间和时间的新的理解是对我们的宇宙观的变革。古老的关于基本上不变的、已经存在并将继续存在无限久的宇宙的观念,已为运动的、膨胀的并且看来是从一个有限的过去开始并将在有限的将来终结的宇宙的观念所取代。这个变革正是下一章的内容。几年之后又正是我研究理论物理的起始点。罗杰·彭罗斯和我指出,从爱因斯坦广义相对论可推断出,宇宙必须有个开端,并可能有个终结。

  现在时间和空间被认为是每个单独粒子或者行星的动力量,根据它的位置和运动状态而具有它自己唯一的时间测度。

  决定时间快慢的因素:1.引力。2.速度。

  现在我们知道,我们的星系只是用现代望远镜可以看到的几千亿个星系中的一个,每个星系本身都包含有几千亿颗恒星。我们生活在一个宽约为10万光年并慢慢旋转着的星系中;在它的螺旋臂上的恒星绕着它的中心公转一圈大约花几亿年。我们的太阳只不过是一个平常的、平均大小的、黄色的恒星,它靠近在一个螺旋臂的内边缘。我们离开亚里士多德和托勒密的观念肯定是相当遥远了,那时我们认为地球是宇宙的中心!

  (实际上,从一个不透明的灼热的物体发出的光,有一个只依赖于它的温度的特征光谱——热谱。这意味着可以从恒星的光谱得知它的温度。)并且,我们发现,某些非常特定的颜色在恒星光谱里找不到,这些失去的谱线可以因不同的恒星而异。既然我们知道,每一化学元素都有非常独特的吸收光谱线族,将它们和恒星光谱中失去的谱线相比较,我们就可以准确地确定恒星大气中存在什么元素。

  在哈勃证明了其他星系存在之后的几年里,他花时间为它们的距离以及观察到的光谱分类。那时候大部份人相信,这些星系的运动相当紊乱,所以预料会发现和红移光谱一样多的蓝移光谱。但是,十分令人惊异的是,他发现大部份星系是红移的——几乎所有都远离我们而去!更惊异的是1929年哈勃发表的结果:甚至星系红移的大小也不是杂乱无章的,而是和星系离开我们的距离成正比。换句话讲,星系越远,则它离开我们运动得越快!这表明宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态,而实际上是在膨胀;不同星系之间的距离一直在增加着。

  第一类弗利德曼模型的奇异特点是,宇宙在空间上不是无限的,并且是没有边界的。引力是如此之强,以至于空间被折弯而又绕回到自身,使之相当像地球的表面。如果一个人在地球的表面上沿着一定的方向不停地旅行,他将永远不会遇到一个不可超越的障碍或从边缘掉下去,而是最终走到他出发的那一点。第一类弗利德曼模型中的空间正与此非常相像,只不过地球表面是二维的,而它是三维的罢了。第四维时间的范围也是有限的,然而它像一根有两个端点或边界即开端和终端的线。以后我们会看到,当人们将广义相对论和量子力学的不确定性原理结合在一起时,就可能使空间和时间都成为有限的、但却没有任何边缘或边界。

  但是究竟可用何种弗利德曼模型来描述我们的宇宙呢?宇宙最终会停止膨胀并开始收缩或将永远膨胀吗?要回答这个问题,我们必须知道现在的宇宙膨胀速度和它现在的平均密度。如果密度比一个由膨胀率决定的某临界值还小,则引力太弱不足于将膨胀停住;如果密度比这临界值大,则引力会在未来的某一时刻将膨胀停止并使宇宙坍缩。

  利用多普勒效应,可由测量星系离开我们的速度来确定现在的宇宙膨胀速度。这可以非常精确地实现。然而,因为我们不是直接地测量星系的距离,所以它们的距离知道得不是非常清楚。所有我们知道的是,宇宙在每10亿年里膨胀5%至10%。然而,我们对现在宇宙的平均密度测量得更不准。我们如果将银河系和其他所有能看到的星系的恒星的质量加起来,甚至是按对膨胀率的最低的估值而言,其质量总量比用以阻止膨胀的临界值的1%还少。然而,在我们以及其他的星系里应该有大量的“暗物质”,那是我们不能直接看到的,但由于它的引力对星系中恒星轨道的影响,我们知道它必定存在。况且人们发现,大多数星系是成团的。类似地,由其对星系运动的效应,我们能推断出还有更多的暗物质存在于这些成团的星系之间。将所有这些暗物质加在一起,我们仍只能获得必须用以停止膨胀的密度的1/10。然而,我们不能排除这样的可能性,可能还有我们未能探测到的其他的物质形式几乎均匀地分布于整个宇宙,它仍可以使得宇宙的平均密度达到停止膨胀所必要的临界值。所以,现在的证据暗示,宇宙可能会无限地膨胀。但是,所有我们能真正了解的是,既然它已经膨胀了100亿年,即便如果宇宙还要坍缩,则至少要再过这么久才有可能。这不应使我们过度忧虑——到那时候。除非我们到太阳系以外开拓殖民地,人们早由于太阳的熄灭而死亡殆尽!

  所有的弗利德曼解都具有一个特点,即在过去的某一时刻(约100到200亿年之前)邻近星系之间的距离为零。在这被我们称之为大爆炸的那一时刻,宇宙的密度和空间——时间曲率都是无穷大。因为数学不能处理无穷大的数,这表明广义相对论(弗利德曼解以此为基础)预言,在宇宙中存在一点,在该处理论自身失效。这正是数学中称为奇点的一个例子。事实上,我们所有的科学理论都是基于空间——时间是光滑的和几乎平坦的基础上被表述的,所以它们在空间——时间曲率为无穷大的大爆炸奇点处失效。这表明,即使在大爆炸前存在事件,人们也不可能用之去确定之后所要发生的事件,因为可预见性在大爆炸处失效了。

  正是这样,与之相应的,如果我们只知道在大爆炸后发生的事件,我们也不能确定在这之前发生的事件。就我们而言,发生于大爆炸之前的事件不能有后果,所以并不构成我们宇宙的科学模型的一部分。因此,我们应将它们从我们模型中割除掉,并宣称时间是从大爆炸开始的。

  他指出,坍缩的恒星在自己的引力作用下被陷入到一个区域之中,其表面最终缩小到零。并且由于这区域的表面缩小到零,它的体积也应如此。恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里,所以物质的密度和空间——时间的曲率变成无限大。换言之,人们得到了一个奇点,它被包含在叫做黑洞的空间——时间的一个区域中。

  恒星坍缩成一个黑洞奇点,一个奇点膨胀为宇宙

  彭罗斯定理已经指出,任何坍缩星体必定终结于一个奇点,其时间点到的论则是,任何类弗里德曼膨胀宇宙一定是从一个奇点开始。

  假定广义相对论是正确的,而且宇宙包含着我们观测到的这么多物质,则过去一定有过一个大爆炸奇点。

  时间不能完全脱离于空间,而必须和空间结合在一起形成所谓的时空的客体。

  麦克斯韦方程语言,不管光源的速度如何,光速应该是一样的。

  从这一章我们看到,在不到半个世纪的时间里,人们几千年来形成的关于宇宙的观点被改变了。哈勃关于宇宙膨胀的发现,并意识到我们的行星在茫茫的宇宙中的微不足道,只不过是起点而已。随着实验和理论证据的积累,人们越来越清楚地认识到,宇宙在时间上必须有个开端。直到1970年,在爱因斯坦的广义相对论的基础上,这才被彭罗斯和我所证明。这个证明显示,广义相对论只是一个不完全的理论,它不能告诉我们宇宙是如何开始的。因为它预言,所有包括它自己在内的物理理论都在宇宙的开端失效。然而,广义相对论宣称自己只是一个部分理论,所以奇点定理真正所显示的是,在极早期宇宙中有过一个时刻,那时宇宙是如此之小,以至于人们不能再不管20世纪另一个伟大的部分理论——量子力学的小尺度效应。

  用来观测粒子的光的波长越长,则粒子的不确定性越大,而粒子速度的确定性越大。

  用来观测粒子的光的波长越短,则粒子位置的确定性越大,而粒子速度的不确定性越大。

  不确定性原理是讲不能同时精确地确定一个粒子的位置和速度。

  为了预言一个粒子未来的位置和速度,人们必须能准确地测量它现在的位置和速度。显而易见的办法是将光照到这粒子上,一部分光波被此粒子散射开来,由此指明它的位置。然而,人们不可能将粒子的位置确定到比光的两个波峰之间距离更小的程度,所以必须用短波长的光来测量粒子的位置。现在,由普郎克的量子假设,人们不能用任意少的光的数量,至少要用一个光量子。这量子会扰动这粒子,并以一种不能预见的方式改变粒子的速度。而且,位置测量得越准确,所需的波长就越短,单独量子的能量就越大,这样粒子的速度就被扰动得越厉害。换言之,你对粒子的位置测量得越准确,你对速度的测量就越不准确,反之亦然。海森堡指出,粒子位置的不确定性乘上粒子质量再乘以速度的不确定性不能小于一个确定量——普郎克常数。并且,这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法,也不依赖于粒子的种类。海森堡不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质。

  在不确定性原理的基础上,海森堡、厄文·薛定谔和保尔·狄拉克运用这种手段将力学重新表达成称为量子力学的新理论。在此理论中,粒子不再有分别被很好定义的、能被同时观测的位置和速度,而代之以位置和速度的结合物的量子态。

  一般而言,量子力学并不对一次观测预言一个单独的确定结果。代之,它预言一组不同的可能发生的结果,并告诉我们每个结果出现的概率。也就是说,如果我们对大量的类似的系统作同样的测量,每一个系统以同样的方式起始,我们将会找到测量的结果为A出现一定的次数,为B出现另一不同的次数等等。人们可以预言结果为A或B的出现的次数的近似值,但不能对个别测量的特定结果作出预言。因而量子力学为科学引进了不可避免的非预见性或偶然性。尽管爱因斯坦在发展这些观念时起了很大作用,但他非常强烈地反对这些。他之所以得到诺贝尔奖就是因为对量子理论的贡献。即使这样,他也从不接受宇宙受机遇控制的观点;他的感觉可表达成他著名的断言:“上帝不玩弄骰子。”然而,大多数其他科学家愿意接受量子力学,因为它和实验符合得很完美。它的的确确成为一个极其成功的理论,并成为几乎所有现代科学技术的基础。它制约着晶体管和集成电路的行为,而这些正是电子设备诸如电视、计算机的基本元件。它并且是现代化学和生物学的基础。物理科学未让量子力学进入的唯一领域是引力和宇宙的大尺度结构。

  虽然光是由波组成的,普郎克的量子假设告诉我们,在某些方面,它的行为似乎显现出它是由粒子组成的——它只能以量子的形式被发射或吸收。同样地,海森堡的不确定性原理意味着,粒子在某些方面的行为像波一样:它们没有确定的位置,而是被“抹平”成一定的几率分布。量子力学的理论是基于一个全新的数学基础之上,不再按照粒子和波动来描述实际的世界;而只不过利用这些术语,来描述对世界的观测而已。所以,在量子力学中存在着波动和粒子的二重性:为了某些目的将波动想像成为粒子是有助的,反之亦然。

  看来,爱因斯坦广义相对论制约了宇宙的大尺度结构,它仅能称为经典理论,因其中并没有考虑量子力学的不确定性原理,而为了和其他理论一致这是必须考虑的。这个理论并没导致和观测的偏离是因为我们通常经验到的引力场非常弱。然而,前面讨论的奇点定理指出,至少在两种情形下引力场会变得非常强——黑洞和大爆炸。在这样强的场里,量子力学效应应该是非常重要的。因此,在某种意义上,经典广义相对论由于预言无限大密度的点而预示了自身的垮台,正如同经典(也就是非量子)力学由于隐含着原子必须坍缩成无限的密度,而预言自身的垮台一样。我们还没有一个完整、协调的统一广义相对论和量子力学的理论。

1.相对速度公式:△v=|v1-v2|/√(1-v1v2/c^2)

  两物体速度是v1,v2,它们之间速度的差是△v,过去我们认为△v=|v1-v2|,这个公式决定了,没有物体可以超过光速。

2.相对长度公式L=Lo*√(1-v^2/c^2)

Lo是物体静止是的长度,L是物体的运动时的长度,v是物体速度,c是光速。由此可知速度越大,物体长度越压缩,当物体以光速运动,物体的运动方向长度为0.

3.相对质量公式M=Mo/√(1-v^2/c^2)

Mo是物体静止时的质量,M是物体的运动时的质量,v是物体速度,c是光速。由此可知速度越大,物体质量越大,当物体以光速运动,物体的质量为正无穷

4.相对时间公式t=to*√(1-v^2/c^2)

to是物体静止时的时间流逝的快慢,t是物体的运动时的时间流逝快慢,v是物体速度,c是光速。由此可知速度越大,物体时间走得越慢,当物体以光速运动,物体的时间就不再流逝,从而时间停止。

5。质能方程E=mc^2

  质量和能量本质相同。

  将宇宙的内容分割 成物质和力的这种做法一直沿袭至今。

  由于光波波长比原子的尺度大得多,我们不能期望以通常的方法去“看”一个原子的部分,而必须用某些波长短得多的东西。正如我们在上一章所看到的,量子力学告诉我们,实际上所有粒子都是波动,粒子的能量越高,J则其对应的波动的波长越短。所以,我们能对这个问题给出的最好的回答,取决于我们的设想中所能得到多高的粒子能量,因为这决定了我们所能看到的多小的尺度。这些粒子的能量通常是以称为电子伏特的单位来测量。

  现在我们知道,任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。(对于携带力的粒子,反粒子即为其自身。)也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。然而,如果你遇到了反你,注意不要握手!否则,你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。为何我们周围的粒子比反粒子多得多?这是一个极端重要的问题,我将会在本章的后部分回到这问题上来。

  湮灭:物质与其所对应的反物质碰撞后消失并产生高能光子(γ射线)等能量的过程,例如电子与正电子的碰撞,称之为湮灭。

  物质和它的反物质相遇时,会发生完全的物质-能量转换,产生光子等的能量形式,此过程即为湮灭(英文:annihilation),又称互毁、相消、对消灭。宇宙中存在着我们看不见摸不着的“反物质世界”,它的基本属性同我们周围的世界正好相反。反物质的原子核是由反质子和反中子构成的“反核”,外有正电子环绕。反物质一旦同我们世界的“正物质”接触,便会在瞬间发生爆炸,物质和反物质变为光子或介子,产生“湮灭”现象。

  携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出,将力划分成四种是种人为的方法;它仅仅是为了便于建立部分理论,而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理论,该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。确实,许多人认为这是当代物理学的首要目标。最近,将四种力中的三种统一起来已经有了成功的端倪——我将在这章描述这些内容。而关于统一余下的另一种力即引力的问题将留到以后再讨论。

  第一种力是引力,这种力是万有的,也就是说,每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多。它是如此之弱,以致于若不是它具有两个特别的性质,我们根本就不可能注意到它。这就是,它会作用到非常大的距离去,并且总是吸引的。这表明,在像地球和太阳这样两个巨大的物体中,所有的粒子之间的非常弱的引力能迭加起来而产生相当大的力量。另外三种力或者由于是短程的,或者时而吸引时而排斥,所以它们倾向于互相抵消。

  另一种力是电磁力。它作用于带电荷的粒子(例如电子和夸克)之间,但不和不带电荷的粒子(例如引力子)相互作用。它比引力强得多:两个电子之间的电磁力比引力大约大100亿亿亿亿亿(在1后面有42个0)倍。然而,共有两种电荷——正电荷和负电荷。同种电荷之间的力是互相排斥的,而异种电荷则互相吸引。一个大的物体,譬如地球或太阳,包含了几乎等量的正电荷和负电荷。由于单独粒子之间的吸引力和排斥力几乎全抵消了,因此两个物体之间纯粹的电磁力非常小。然而,电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在带负电的电子和带正电的核中的质子之间的电磁力使得电子绕着原子的核作公转,正如同引力使得地球绕着太阳旋转一样。

  第三种力称为弱核力。它制约着放射性现象,并只作用于自旋为1/2的物质粒子,而对诸如光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。直到1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出了弱作用和电磁作用的统一理论后,弱作用才被很好地理解。此举在物理学界所引起的震动,可与100年前麦克斯韦统一了电学和磁学并驾齐驱。

  第四种力是强作用力。它将质子和中子中的夸克束缚在一起,并将原子中的质子和中子束缚在一起。

  如果在我们星系中有很大区域的反物质,则可以预料,在正反物质的边界会观测到大量的辐射,该处许多粒子和它们的反粒子相碰撞、互相湮灭并释放出高能辐射。

  大统一理论并不包括引力。这关系不大,因为引力是如此之弱,以至于我们处理基本粒子或原子问题时,通常可以忽略它的效应。然而,它的作用既是长程的,又总是吸引的,表明它的所有效应是迭加的。所以,对于足够大量的物质粒子,引力会比其他所有的力都更重要。这就是为什么正是引力决定了宇宙的演化的缘故。甚至对于恒星大小的物体,引力的吸引会超过所有其他的力,并使恒星自身坍缩。70年代我的工作是集中于研究黑洞。黑洞就是由这种恒星的坍缩和围绕它们的强大的引力场所产生的。正是黑洞研究给出了量子力学和广义相对论如何相互影响的第一个暗示——亦即尚未成功的量子引力论的一瞥。

  他指出,一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场,以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光,还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。

  这对大质量恒星的最终归宿具有重大的意义。如果一颗恒星的质量比强德拉塞卡极限小,它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英里和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。我们观察到大量这样的白矮星。第一颗被观察到的是绕着夜空中最亮的恒星——天狼星转动的那一颗。

  兰道指出,对于恒星还存在另一可能的终态。其极限质量大约也为太阳质量的一倍或二倍,但是其体积甚至比白矮星还小得多。这些恒星是由中子和质子之间,而不是电子之间的不相容原理排斥力所支持。所以它们被叫做中子星。它们的半径只有10英里左右,密度为每立方英寸几亿吨。在中子星被第一次预言时,并没有任何方法去观察它。实际上,很久以后它们才被观察到。

  另一方面,质量比强德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时,会出现一个很大的问题:在某种情形下,它们会爆炸或抛出足够的物质,使自己的质量减少到极限之下,以避免灾难性的引力坍缩。但是很难令人相信,不管恒星有多大,这总会发生。怎么知道它必须损失重量呢?即使每个恒星都设法失去足够多的重量以避免坍缩,如果你把更多的质量加在白矮星或中子星上,使之超过极限将会发生什么?它会坍缩到无限密度吗?爱丁顿为此感到震惊,他拒绝相信强德拉塞卡的结果。爱丁顿认为,一颗恒星不可能坍缩成一点。这是大多数科学家的观点:爱因斯坦自己写了一篇论文,宣布恒星的体积不会收缩为零。其他科学家,尤其是他以前的老师、恒星结构的主要权威——爱丁顿的敌意使强德拉塞卡抛弃了这方面的工作,转去研究诸如恒星团运动等其他天文学问题。然而,他获得1983年诺贝尔奖,至少部分原因在于他早年所做的关于冷恒星的质量极限的工作。

  根据相对论,没有东西会走得比光还快。这样,如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能逃逸,都会被引力拉回去。也就是说,存在一个事件的集合或空间——时间区域,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,将其边界称作事件视界,它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。

  事件视界(events horizon),也叫事象地平面,是一种时空的曲隔界线,指的是在事件视界以外的观察者无法利用任何物理方法获得事件视界以内的任何事件的信息,或者受到事件视界以内事件的影响。事件视界是从黑洞中发出的光所能到达的最远距离,也就是黑洞最外层的边界。

  当你观察一个恒星坍缩并形成黑洞时,为了理解你所看到的情况,切记在相对论中没有绝对时间。每个观测者都有自己的时间测量。由于恒星的引力场,在恒星上某人的时间将和在远处某人的时间不同。假定在坍缩星表面有一无畏的航天员和恒星一起向内坍缩,按照他的表,每一秒钟发一信号到一个绕着该恒星转动的空间飞船上去。在他的表的某一时刻,譬如11点钟,恒星刚好收缩到它的临界半径,此时引力场强到没有任何东西可以逃逸出去,他的信号再也不能传到空间飞船了。当11点到达时,他在空间飞船中的伙伴发现,航天员发来的一串信号的时间间隔越变越长。但是这个效应在10点59分59秒之前是非常微小的。在收到10点59分58秒和10点59分59秒发出的两个信号之间,他们只需等待比一秒钟稍长一点的时间,然而他们必须为11点发出的信号等待无限长的时间。按照航天员的手表,光波是在10点59分59秒和11点之间由恒星表面发出;从空间飞船上看,那光波被散开到无限长的时间间隔里。在空间飞船上收到这一串光波的时间间隔变得越来越长,所以恒星来的光显得越来越红、越来越淡,最后,该恒星变得如此之朦胧,以至于从空间飞船上再也看不见它,所余下的只是空间中的一个黑洞。然而,此恒星继续以同样的引力作用到空间飞船上,使飞船继续绕着所形成的黑洞旋转。

  但是由于以下的问题,使得上述情景不是完全现实的。你离开恒星越远则引力越弱,所以作用在这位无畏的航天员脚上的引力总比作用到他头上的大。在恒星还未收缩到临界半径而形成事件视界之前,这力的差就已经将我们的航天员拉成意大利面条那样,甚至将他撕裂!然而,我们相信,在宇宙中存在质量大得多的天体,譬如星系的中心区域,它们遭受到引力坍缩而产生黑洞;一位在这样的物体上面的航天员在黑洞形成之前不会被撕开。事实上,当他到达临界半径时,不会有任何异样的感觉,甚至在通过永不回返的那一点时,都没注意到。但是,随着这区域继续坍缩,只要在几个钟头之内,作用到他头上和脚上的引力之差会变得如此之大,以至于再将其撕裂。

  根据广义相对论,在黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似,只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。在此奇点,科学定律和我们预言将来的能力都失效了。然而,任何留在黑洞之外的观察者,将不会受到可预见性失效的影响,因为从奇点出发的不管是光还是任何其他信号都不能到达他那儿。这令人惊奇的事实导致罗杰·彭罗斯提出了宇宙监督猜测,它可以被意译为:“上帝憎恶裸奇点。”换言之,由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方,在那儿它被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲,这是所谓弱的宇宙监督猜测:它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性失效的影响,但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。

  事件视界,也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界,正如同围绕着黑洞的单向膜:物体,譬如不谨慎的航天员,能通过事件视界落到黑洞里去,但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。(记住事件视界是企图逃离黑洞的光的空间——时间轨道,没有任何东西可以比光运动得更快。)人们可以将诗人但丁针对地狱入口所说的话恰到好处地用于事件视界:“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”任何东西或任何人一旦进入事件视界,就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。

  我们知道,任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来,何以黑洞会发射粒子呢?量子理论给我们的回答是,粒子不是从黑洞里面出来的,而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的“空”的空间来的!我们可以用以下的方法去理解它:我们以为是“真空”的空间不能是完全空的,因为那就会意味着诸如引力场和电磁场的所有场都必须刚好是零。然而场的数值和它的时间变化率如同不确定性原理所表明的粒子位置和速度那样,对一个量知道得越准确,则对另一个量知道得越不准确。所以在空的空间里场不可能严格地被固定为零,因为那样它就既有准确的值(零)又有准确的变化率(也是零)。场的值必须有一定的最小的不准确量或量子起伏。人们可以将这些起伏理解为光或引力的粒子对,它们在某一时刻同时出现、互相离开、然后又互相靠近而且互相湮灭。这些粒子正如同携带太阳引力的虚粒子:它们不像真的粒子那样能用粒子加速器直接探测到。然而,可以测量出它们的间接效应。例如,测出绕着原子运动的电子能量发生的微小变化和理论预言是如此相一致,以至于达到了令人惊讶的地步。不确定性原理还预言了类似的虚的物质粒子对的存在,例如电子对和夸克对。然而在这种情形下,粒子对的一个成员为粒子而另一成员为反粒子(光和引力的反粒子正是其自身)。

  因为能量不能无中生有,所以粒子反粒子对中的一个参与者有正的能量,而另一个有负的能量。由于在正常情况下实粒子总是具有正能量,所以具有负能量的那一个粒子注定是短命的虚粒子。它必须找到它的伴侣并与之相湮灭。然而,一颗接近大质量物体的实粒子比它远离此物体时能量更小,因为要花费能量抵抗物体的引力吸引才能将其推到远处。正常情况下,这粒子的能量仍然是正的。但是黑洞里的引力是如此之强,甚至在那儿一个实粒子的能量都会是负的。所以,如果存在黑洞,带有负能量的虚粒子落到黑洞里变成实粒子或实反粒子是可能的。这种情形下,它不再需要和它的伴侣相湮灭了,它被抛弃的伴侣也可以落到黑洞中去。啊,具有正能量的它也可以作为实粒子或实反粒子从黑洞的邻近逃走。对于一个远处的观察者而言,这看起来就像粒子是从黑洞发射出来一样。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也就越大。

  “空”的空间充满虚粒子反粒子对。它们被异同创生,相互离开,然后再回到一起并且湮灭。

  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。另一成员会从黑洞临近逃逸。

  还有,黑洞的质量越小,则其温度越高。这样当黑洞损失质量时,它的温度和发射率增加,因而它的质量损失得更快。人们并不很清楚,当黑洞的质量最后变得极小时会发生什么。但最合理的猜想是,它最终将会在一个巨大的、相当于几百万颗氢弹爆炸的发射爆中消失殆尽。

   一个落入黑洞的航天员将要最终被再循环为当黑洞蒸发时发射出来的粒子和辐射。

  黑洞辐射:

  黑洞有巨大的引力,连光都被它吸引。黑洞中隐匿着巨大的引力场,这种引力大到任何东西,甚至连光,都难逃黑洞的手掌心。黑洞不让任何其边界以内的任何事物被外界看见,这就是这种物体被称为“黑洞”的缘故。我们无法通过光的反射观察它,只能通过受其影响的周围物体来间接了解黑洞。据猜测,黑洞是死亡恒星或爆炸气团的剩余物,是在特殊的大质量超巨星坍塌收缩时产生的。

  黑洞其实也是个星球(类似星球),只不过它的密度和质量都非常非常大,这样一来很大的质量被包含在一个半径很小的球体中,物体在与它的某个距离上受到的引力也就比那些等质量但半径大的星球大得多了(物体受到的引力与距离的平方成反比)。靠近它的物体都被它的引力所约束,不管用多大的速度都无法脱离。对于地球来说,以第二宇宙速度(11.2km/s)来飞行就可以逃离地球,但是对于黑洞来说,它的第三宇宙速度之大,竟然超越了光速,所以连光都跑不出来,于是射进去的光没有反射回来,我们的眼睛就看不到任何东西,只是黑色一片。

  黑洞的产生过程类似于中子星的产生过程;恒星的核心在自身重量的作用下迅速地收缩,发生强力爆炸。当核心中所有的物质都变成中子时收缩过程立即停止,被压缩成一个密实的星球。但在黑洞情况下,由于恒星核心的质量大到使收缩过程无休止地进行下去,中子本身在挤压引力自身的吸引下被碾为粉末,剩下来的是一个密度高到难以想象的物质。任何靠近它的物体都会被它吸进去,黑洞就变得像真空吸尘器一样。

  为了理解黑洞的动力学和理解它们是怎样使内部的所有事物逃不出边界,我们需要讨论广义相对论。广义相对论是爱因斯坦创建的引力学说,适用于行星、恒星,也适用于黑洞。爱因斯坦在1916年提出来的这一学说,说明空间和时间是怎样因大质量物体的存在而发生畸变。简言之,广义相对论说物质弯曲了空间,而空间的弯曲又反过来影响穿越空间的物体的运动。

  让我们看一看爱因斯坦的模型是怎样工作的。首先,考虑时间(空间的三维是长、宽、高)是现实世界中的第四维(虽然难于在平常的三个方向之外再画出一个方向,但我们可以尽力去想象)。其次,考虑时空是一张巨大的绷紧了的体操表演用的弹簧床的床面。

  爱因斯坦的学说认为质量使时空弯曲。我们不妨在弹簧床的床面上放一块大石头来说明这一情景:石头的重量使得绷紧了的床面稍微下沉了一些,虽然弹簧床面基本上仍旧是平整的,但其中央仍稍有下凹。如果在弹簧床中央放置更多的石块,则将产生更大的效果,使床面下沉得更多。事实上,石头越多,弹簧床面弯曲得越厉害。

  同样的道理,宇宙中的大质量物体会使宇宙结构发生畸变。正如10块石头比1块石头使弹簧床面弯曲得更厉害一样,质量比太阳大得多的天体比等于或小于一个太阳质量的天体使空间弯曲得厉害得多。

  如果一个网球在一张绷紧了的平坦的弹簧床上滚动,它将沿直线前进。反之,如果它经过一个下凹的地方 ,则它的路径呈弧形。同理,天体穿行时空的平坦区域时继续沿直线前进,而那些穿越弯曲区域的天体将沿弯曲的轨迹前进。

  再来看看黑洞对于其周围的时空区域的影响。设想在弹簧床面上放置一块质量非常大的石头代表密度极大的黑洞。自然,石头将大大地影响床面,不仅会使其表面弯曲下陷,还可能使床面发生断裂。类似的情形同样可以宇宙出现,若宇宙中存在黑洞,则该处的宇宙结构将被撕裂。这种时空结构的破裂叫做时空的奇异性或奇点。

  我们来看看为什么任何东西都不能从黑洞逃逸出去。正如一个滚过弹簧床面的网球,会掉进大石头形成的深洞一样,一个经过黑洞的物体也会被其引力陷阱所捕获。而且,若要挽救运气不佳的物体需要无穷大的能量。

  我们已经说过,没有任何能进入黑洞而再逃离它的东西。但科学家认为黑洞会缓慢地释放其能量。著名的英国物理学家霍金在1974年证明黑洞有一个不为零的温度,有一个比其周围环境要高一些的温度。依照物理学原理,一切比其周围温度高的物体都要释放出热量,同样黑洞也不例外。一个黑洞会持续几百万万亿年散发能量,黑洞释放能量称为:霍金辐射。黑洞散尽所有能量就会消失。

  处于时间与空间之间的黑洞,使时间放慢脚步,使空间变得有弹性,同时吞进所有经过它的一切。1969年,美国物理学家约翰·阿提·惠勒将这种贪得无厌的空间命名为“黑洞”。

  我们都知道因为黑洞不能反射光,霍金指出黑洞的放射性物质来源是一种实粒子,这些粒子在太空中成对产生,不遵从通常的物理定律。而且这些粒子发生碰撞后,有的就会消失在茫茫太空中。一般说来,可能直到这些粒子消失时,我们都未曾有机会看到它们。

  霍金还指出,黑洞产生的同时,实粒子就会相应成对出现。其中一个实粒子会被吸进黑洞中,另一个则会逃逸,一束逃逸的实粒子看起来就像光子一样。对观察者而言,看到逃逸的实粒子就感觉是看到来自黑洞中的射线一样。

  所以,引用霍金的话就是“黑洞并没有想象中的那样黑”,它实际上还发散出大量的光子。

  根据爱因斯坦的能量与质量守恒定律。当物体失去能量时,同时也会失去质量。黑洞同样遵从能量与质量守恒定律,当黑洞失去能量时,黑洞也就不存在了。霍金预言,黑洞消失的一瞬间会产生剧烈的爆炸,释放出的能量相当于数百万颗氢弹的能量。

  但你不要满怀期望地抬起头,以为会看到一场烟花表演。事实上,黑洞爆炸后,释放的能量非常大,很有可能对身体是有害的。而且,能量释放的时间也非常长,有的会超过100亿至200亿年,比我们宇宙的历史还长,而彻底散尽能量则需要数万亿年的时间。

  “黑洞”很容易让人望文生义地想象成一个“大黑窟窿”,其实不然。所谓“黑洞”,就是这样一种天体:它的引力场是如此之强,就连光也不能逃脱出来。

  根据广义相对论,引力场将使时空弯曲。当恒星的体积很大时,它的引力场对时空几乎没什么影响,从恒星表面上某一点发的光可以朝任何方向沿直线射出。而恒星的半径越小,它对周围的时空弯曲作用就越大,朝某些角度发出的光就将沿弯曲空间返回恒星表面。

  等恒星的半径小于一特定值(天文学上叫“史瓦西半径”)时,就连垂直表面发射的光都被捕获了。到这时,恒星就变成了黑洞。说它“黑”,是指任何物质一旦掉进去,就再不能逃出,包括光。实际上黑洞真正是“隐形”的,等一会儿我们会讲到。

  那么,黑洞是怎样形成的呢?其实,跟白矮星和中子星一样,黑洞很可能也是由恒星演化而来的。

  当一颗恒星衰老时,它的热核反应已经耗尽了中心的燃料(氢),由中心产生的能量已经不多了。这样,它再也没有足够的力量来承担起外壳巨大的重量。所以在外壳的重压之下,核心开始坍缩,直到最后形成体积小、密度大的星体,重新有能力与压力平衡。

  质量小一些的恒星主要演化成白矮星,质量比较大的恒星则有可能形成中子星。而根据科学家的计算,中子星的总质量不能大于三倍太阳的质量。如果超过了这个值,那么将再没有什么力能与自身重力相抗衡了,从而引发另一次大坍缩。

  这次,根据科学家的猜想,物质将不可阻挡地向着中心点进军,直至成为一个体积很小、密度趋向很大。而当它的半径一旦收缩到一定程度(一定小于史瓦西半径),正像我们上面介绍的那样,巨大的引力就使得即使光也无法向外射出,从而切断了恒星与外界的一切联系——“黑洞”诞生了。

  与别的天体相比,黑洞是显得太特殊了。例如,黑洞有“隐身术”,人们无法直接观察到它,连科学家都只能对它内部结构提出各种猜想。那么,黑洞是怎么把自己隐藏起来的呢?答案就是——弯曲的空间。我们都知道,光在同中均匀介质中是沿直线传播的。这是一个最基本的常识。可是根据广义相对论,空间会在引力场作用下弯曲。这时候,光虽然仍然沿任意两点间的最短距离传播,但走的已经不是直线,而是曲线。形象地讲,好像光本来是要走直线的,只不过强大的引力把它拉得偏离了原来的方向。

  在地球上,由于引力场作用很小,这种弯曲是微乎其微的。而在黑洞周围,空间的这种变形非常大。这样,即使是被黑洞挡着的恒星发出的光,虽然有一部分会落入黑洞中消失,可另一部分光线会通过弯曲的空间中绕过黑洞而到达地球。所以,我们可以毫不费力地观察到黑洞背面的星空,就像黑洞不存在一样,这就是黑洞的隐身术。

  更有趣的是,有些恒星不仅是朝着地球发出的光能直接到达地球,它朝其它方向发射的光也可能被附近的黑洞的强引力折射而能到达地球。这样我们不仅能看见这颗恒星的“脸”,还同时看到它的侧面、甚至后背!

  霍金辐射:

  在“真空”的宇宙中,根据海森堡不确定性原理,会在瞬间凭空产生一对正反虚粒子,然后瞬间消失,以符合能量守恒。在黑洞视界之外也不例外。斯蒂芬·威廉·霍金推想,如果在黑洞外产生的虚粒子对,其中一个被吸引进去,而另一个逃逸的情况。如果是这样,那个逃逸的粒子获得了能量,也不需要跟其相反的粒子湮灭,可以逃逸到无限远。在外界看就像黑洞发射粒子一样。这个猜想中的辐射被命名为“霍金辐射”。由于它是向外带去能量,所以它是吸收了一部分黑洞的能量,黑洞的质量也会渐渐变小,消失;它也向外带去信息,所以不违反信息定律。

  爱因斯坦广义相对论本身预言了:时空在大爆炸奇点处开始,并会在大挤压奇点处(如果整个宇宙坍缩的话)或在黑洞中的一个奇点处(如果一个局部区域,譬如恒星要坍缩的话)结束。任何抛进黑洞的东西都会在奇点处被毁灭,只有它的质量的引力效应能继续在外面被感觉得到。另一方面,当计入量子效应时,物体的质量和能量会最终回到宇宙的其余部分,黑洞和在它当中的任何奇点一道被蒸发掉并最终消失。量子力学对大爆炸和大挤压奇点也能有同样戏剧性的效应吗?在宇宙的极早或极晚期,当引力场是如此之强,以至于量子效应不能不考虑时,究竟会发生什么?宇宙究竟是否有一个开端或终结?如果有的话,它们是什么样子的?

  广义相对论本身不能解释这些特征或回答这些问题,因为它预言,在大爆炸奇点宇宙是从无限密度开始的。在奇点处,广义相对论和所有其他物理定律都失效:人们不能预言从奇点会出来什么。正如以前解释的,这表明我们可以从这理论中除去大爆炸奇点和任何先于它的事件,因为它们对我们没有任何观测效应。空间一时间就会有边界——大爆炸处的开端。

  我们现在知道,科学定律包含许多基本的数,如电子电荷的大小以及质子和电子的质量比。至少现在,我们不能从理论上预言这些数值——我们必须由观察找到它们。也许有一天,我们会发现一个将它们所有都预言出来的一个完整的统一理论,但是还可能它们之中的一些或全部,在不同的宇宙或在一个宇宙之中是变化的。令人吃惊的事实是,这些数值看来是被非常细致地调整到使得生命的发展成为可能。例如,如果电子的电荷只要稍微有点不同,则要么恒星不能够燃烧氢和氦,要么它们没有爆炸过。当然,也许存在其他形式的、甚至还没被科学幻想作家梦想过的智慧生命。它并不需要像太阳这样恒星的光,或在恒星中制造出并在它爆炸时被抛到空间去的更重的化学元素。尽管如此,看来很清楚,允许任何智慧生命形式的发展的数值范围是比较小的。对于大部份数值的集合,宇宙也会产生,虽然它们可以是非常美的,但不包含任何一个能为如此美丽而惊讶的人。人们既可以认为这是在创生和科学定律选择中的神意的证据,也可以认为是对强人择原理的支持。

  人们预料在这么高的温度下,强和弱核力及电磁力都被统一成一个单独的力。

  暴涨的思想还能解释为何宇宙存在这么多物质。在我们能观察到的宇宙里大体有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿(1后面跟80个0)个粒子。它们从何而来?答案是,在量子理论中,粒子可以从粒子/反粒子对的形式由能量中创生出来。但这只不过引起了能量从何而来的问题。答案是,宇宙的总能量刚好是零。宇宙的物质是由正能量构成的;然而,所有物质都由引力互相吸引。两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量,因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开。这样,在一定意义上,引力场具有负能量。在空间上大体一致的宇宙的情形中,人们可以证明,这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量,所以宇宙的总能量为零。

  为了预言宇宙应该是如何开始的,人们需要在时间开端处有效的定律。罗杰·彭罗斯和我证明的奇点定理指出,如果广义相对论的经典理论是正确的,则时间的开端是具有无限密度和无限空间——时间曲率的一点,在这一点上所有已知的科学定律都失效。人们可以设想存在在奇点处成立的新定律,但是在如此不守规矩的点处,甚至连表述这样的定律都是非常困难的,而且从观察中我们没有得到关于这些定律应是什么样子的任何提示。然而,奇点定理真正表明的是,该处引力场变得如此之强,以至于量子引力效应变得重要:经典理论不再能很好地描述宇宙。所以,人们必须用量子引力论去讨论宇宙的极早期阶段。我们将会看到,在量子力学中,通常的科学定律有可能在任何地方都有效,包括时间开端这一点在内:不必针对奇点提出新的定律,因为在量子理论中不须有任何奇点。

  在以实的时空为基础的经典引力论中,宇宙可能的行为只有两种方式:或者它已存在了无限长时间,或者它在有限的过去的某一时刻的奇点上有一个开端。而在量子引力论中,还存在第三种可能性。因为人们是用欧几里德时空,在这儿时间方向和空间方向是同等的,所以时空只有有限的尺度,却没有奇点作为它的边界或边缘是可能的。时空就像是地球的表面,只不过多了两维。地球的表面积是有限的,但它没有边界或边缘:如果你朝着落日的方向驾船,你不会掉到边缘外面或陷入奇点中去。

  如果欧几里德时空延伸到无限的虚时间,或者在一个虚时间奇点处开始,我们就有了和在经典理论中指定宇宙初态的同样问题,即上帝可以知道宇宙如何开始,但是我们提不出任何特别原因,认为它应以这种而不是那种方式开始。另一方面,量子引力论开辟了另一种新的可能性,在这儿时空没有边界,所以没有必要指定边界上的行为。这儿就没有使科学定律失效的奇点,也就是不存在在该处必须祈求上帝或某些新的定律给空间一时间设定边界条件的时空边缘。人们可以说:“宇宙的边界条件是它没有边界。”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。

  空间和时间可以形成一个没有边界的闭曲面的思想,对于上帝在宇宙事务中的作用还有一个深远的含义。随着科学理论在描述事件的成功,大部分人进而相信上帝允许宇宙按照一套定律来演化,而不介入其间促使宇宙触犯这些定律。然而,定律并没有告诉我们,字宙的太初应该像什么样子——它依然要靠上帝去卷紧发条,并选择如何去启动它。只要宇宙有一个开端,我们就可以设想存在一个造物主。但是,如果宇宙确实是完全自足的,没有边界或边缘,它就既没有开端也没有终结——它就是存在。那么,还会有造物主存身之处吗?

  时空曲率是一种科学理论。按照广义相对论的解释,在引力场中,时空的性质是由物体的“质量”分布决定的,物体“质量”的分布状况使时空性质变得不均匀,引起了时空的弯曲。

  大致上讲,物质密度越大的地方,曲率也就越大。也就是说,“时空曲率”产生了引力,当光线经过一些“大质量”的天体时,它的路线是弯曲的,它将沿着“大质量”物体所形成的“时空曲面”前进。就像放在软床上的重球使床面弯曲一样。

  位处时空中的物体其一旦知道时空曲率,位处时空中的物体其运动轨迹也就可以计算出来;也就是说,物体运动得遵循曲率的指示。以地球绕太阳来说,太阳的质量决定它附近时空的曲率,地球受此曲率的影响就会以近乎椭圆形的轨道绕日运行。曲率如果不大,爱因斯坦理论与古典牛顿重力论的结果大致相同。两者若有差异,观测数据都站在广义相对论这一边。尤其是当曲率很大时,牛顿理论就完全不适用。广义相对论的一项重要预测就是时空曲率的振动会造成重力波的存在,牛顿理论就没有这项概念。

  直到本世纪初,人们还相信绝对时间。也就是说,每一事件可由一个称为“时间”的数以唯一的方式来标记,所有好的钟在测量两个事件之间的时间间隔上都是一致的。然而,对于任何正在运动的观察者光速总是一样的这一发现,导致了相对论;而在相对论中,人们必须抛弃存在一个唯一的绝对时间的观念。代之以每个观察者携带的钟所记录的他自己的时间测量——不同观察者携带的钟不必要读数一样。这样,对于进行测量的观察者而言,时间变成一个更主观的概念。

  对于其他行星上的居民,若他们是我们的镜像并且由反物质而不是物质构成,则生活会刚好是同样的。

  为何我们从未看到碎杯子集合起来,离开地面并跳回到桌子上,通常的解释是这违背了热力学第二定律所表述的在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加。换言之,它是穆菲定律的一种形式:事情总是趋向于越变越糟:桌面上一个完整的杯子是一个高度有序的状态,而地板上破碎的杯子是一个无序的状态。人们很容易从早先桌子上的杯子变成后来地面上的碎杯子,而不是相反。

  无序度或熵随着时间增加是一个所谓的时间箭头的例子。时间箭头将过去和将来区别开来,使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头:第一个,是热力学时间箭头,即是在这个时间方向上无序度或熵增加;然后是心理学时间箭头,这就是我们感觉时间流逝的方向,在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来;最后,是宇宙学时间箭头,在这个方向上宇宙在膨胀,而不是收缩。

  大体来说,计算机的记忆器是一个包含可存在于两种状态中的任一种状态的元件的设备,算盘是一个简单的例子。其最简单的形式是由许多铁条组成;每一根铁条上有一念珠,此念珠可呆在两个位置之中的一个。在计算机记忆器进行存储之前,其记忆器处于无序态,念珠等几率地处于两个可能的状态中。(算盘珠杂乱无章地散布在算盘的铁条上)。在记忆器和所要记忆的系统相互作用后,根据系统的状态,它肯定处于这种或那种状态(每个算盘珠将位于铁条的左边或右边。)这样,记忆器就从无序态转变成有序态。然而,为了保证记忆器处于正确的状态,需要使用一定的能量(例如,移动算盘珠或给计算机接通电源)。这能量以热的形式耗散了,从而增加了宇宙的无序度的量。人们可以证明,这个无序度增量总比记忆器本身有序度的增量大。这样,由计算机冷却风扇排出的热量表明计算机将一个项目记录在它的记忆器中时,宇宙的无序度的总量仍然增加。计算机记忆过去的时间方向和无序度增加的方向是一致的。

  它是说宇宙不仅仅有一个单独历史,它有所有可能的历史,每一个历史都有自己的概率。

  因此产生这样的问题:量子理论在宏观尺度上允许人们可以利用的时间旅行吗?初看起来应该是可以的。费因曼历史求和的设想是指对所有的历史进行的。这样,它应包括被卷曲成允许旅行到过去的时空。

  那么,为什么我们并没有受到历史的骚扰?例如,假定有人回到过去,并把原子弹秘密提供给纳粹? 如果我称作时序防卫猜测成立的话,这些问题便可以避免。它是讲,物理学定律防止宏观物体将信息传递到过去。它正如宇宙监督猜测一样,还未被证明,但是有理由相信它是成立的。

  正如在第一章中所解释的,一下子建立一个包括宇宙中每一件东西的完整的统一理论是非常困难的。取而代之,我们在寻求描述发生在有限范围的部分理论方面取得了进步。我们忽略了其他效应,或者将它们用一定的数字来近似。(例如,当我们用化学来计算原子间的相互作用时,可以不管原子核内部的结构。)然而,最终人们希望找到一个完整的、协调的、将所有这些部分理论当作它的近似的统一理论。在这理论中不需要选取特定的任意数值去符合事实。寻找这样的一个理论被称之为“物理学的统一”。爱因斯坦用他晚年的大部分时间去寻求一个统一理论,但是没有成功,因为尽管已有了引力和电磁力的部份理论,但关于核力还知道得非常少,所以时间还没成熟。并且,尽管他本人对量子力学的发展起过重要作用,但他拒绝相信它的真实性。看来,不确定性原理还是我们在其中生活的宇宙的一个基本特征。所以,一个成功的统一理论必须将这个原理合并进去。

  从数学的观点看,地球的表面不能只用一副地图将其覆盖,人们至少需要两幅部分相重叠的地图。类似地,人们也许不可能为理论物理提供单一的基本表述,在不同情形下必须使用不同的表述。

  但是,确实存在这样的一个统一理论吗?或者我们也许仅仅是在追求海市屋楼。看来存在三种可能性: (1)确实存在一个完整的统一理论,如果我们足够聪明的话,总有一天将会找到它。 (2)并不存在宇宙的最终理论,仅仅存在一个越来越精确地描述宇宙的无限的理论序列。 (3)并不存在宇宙的理论;事件在一定程度之外不可能被预言,仅仅是以一种紊乱或任意的方式发生。

  随着量子力学的发现,我们认识到,由于总存在一定程度的不确定性,不可能去完全精确地预言事件。如果有人愿意,他可以将此紊乱性归结为上帝的干涉。但这是一种非常奇怪的干涉:没有任何证据表明它具有任何目的。的确,如果它有目的,则按定义就不会是紊乱的。现代由于我们重新定义科学的目标,所以已经有效地排除了上述的第三种可能性:我们的目的只在于表达一套定律,这些定律能使我们在不确定性原理的极限内预言事件。

  如果我们确实发现了宇宙的终极理论,这意味着什么?正如第一章所解释的,我们将永远不能肯定我们是否确实找到了正确的理论,因为理论不能被证明。但是如果理论是数学上协调的并且总是给出与观察一致的预言,我们便可以适度地有信心认为它是正确的。它将给人类为理解宇宙的智力斗争历史长期的光辉篇章打上一个休止符。但是,它还会改变常人对制约宇宙定律的理解。在牛顿时代,一个受教育的人至少在梗概上掌握整个人类知识。但从那以后,科学发展的节奏使之不再可能。因为理论总是被改变以囊括新的观察结果,它们从未被消化或简化到使常人能理解。你必须是一个专家,即使如此,你只能希望适当地掌握科学理论的一小部分。另外,其发展的速度是如此之快,以至于在中学和大学所学的总是有点过时。只有少数人可以跟得上知识快速进步的前沿,但他们必须贡献他们的毕生,并局限在一个小的领域里。其余的人对于正在进行的发展和它们产生的激动只有很少的概念。70年以前,如果爱丁顿的话是真的,那么只有两个人理解广义相对论。今天,成千上万的大学研究生能理解、并且几百万人至少熟悉这种思想。如果发现了一套完整的统一理论,以同样方法将其消化并简化,以及在学校里至少讲授其梗概,这只是时间的迟早问题。我们那时就都能够对制约宇宙的定律有所理解,并对我们的存在负责。

  即使我们发现了一套完整的统一理论,由于两个原因,这并不表明我们能一般地预言事件。第一是我们无法避免不确定性原理给我们的预言能力设立的极限。然而,更为严厉的是第二个限制。它是说,除了非常简单的情形,我们不能准确解出这理论的方程。(在牛顿引力论中,我们甚至连三体运动问题都不能准确地解出,而且随着物体的数目和理论复杂性的增加,困难愈来愈大。)除了在最极端状态下,我们已经知道规范物体行为的定律。特别是,我们知道作为所有化学和生物基础的基本定律。我们肯定还没有将这些学科归结为可解问题的状态;我们在从数学方程来预言人类行为上只取得了很少的成功!所以,即使我们确实找到了基本定律的完整集合,在未来的岁月里,仍存在着发展得更好的近似方法,使得我们在复杂而现实的情形下,能完成对可能结果的有用预言的、这一智慧的、富有挑战性的任务。一个完全的、协调的统一理论只是第一步,我们的目标是完全理解发生在我们周围的事件以及我们自身的存在。

  他提议只要给定宇宙在某一时刻的结构,由给定的一组定律即能精确地决定它的演化。

  拉普拉斯的宿命论在两个方面是不完整的。它没讲定律应该如何选择,也没指定宇宙的初始结构。这些都留给了上帝。上帝会选择让宇宙如何开始并要服从什么定律,但是一旦开始之后它将不再干涉。事实上,上帝是被限制于19世纪科学不能理解的领域里。

  我们现在知道,拉普拉斯的宿命论的希望,至少在按照他头脑中的方式,是不能实现的。量子力学不确定性原理表明,某些诸如粒子的位置和速度的对偶的量,不能同时以完全的精确度去预言。

  量子力学通过一族量子理论来处理这种情形,粒子没有很好定义的位置和速度,而是由一个波来代表。它们给出了这波随时间演化的定律,在这种意义上,这些量子理论从属于宿命论。这样,如果某一时刻这个波是已知的,便可以将任一时刻的波算出。只是当我们试图按照粒子的位置和速度对波作解释之时,不可预见性的紊乱的要素才出现。但这也许是我们的错误:也许不存在粒子的位置和速度,只有波。只不过是我们企图将波硬套到我们预想的位置和速度的观念之中而己。由此导致的不一致乃是表面上不可预见性的原因。 事实上,我们已经重新将科学的任务定义为发现能使我们在由不确定性原理设定的极限内预言事件的定律。然而,还存在如下问题:宇宙的定律和初始条件是如何及为何选取的?

  即使只存在一个可能的统一理论,那只不过是一组规则或方程。是什么赋予这些方程以生命去制造一个为它们所描述的宇宙?通常建立一个数学模型的科学方法不能回答,为何必须存在一个为此模型所描述的宇宙这样的问题。为何宇宙陷入其存在性的错综复杂之中?是否统一理论是如此之咄咄逼人,以至于其自身之实现成为不可避免?或者它需要一个造物主?若是这样,它还有其他的宇宙效应吗?又是谁创造了造物主?

  拉普拉斯理论认为,上帝选择宇宙起始的方式和宇宙将服从的定律,但此后他不再干涉。

  贯穿爱因斯坦一生,他致力于和平的努力可能成效甚微——肯定只说服了很少的朋友。然而,他对犹太复国主义事业的口头支持在1952年被及时承认,其时他被推荐为以色列的总统。但他谢绝了。他说他认为自己在政治上太天真。可是,也许其真正的原因却并非如此,再次引用他自己的话:“方程对我而言更重要些,因为政治是为当前,而一个方程却是一种永恒的东西。”

0
0

查看更多豆瓣高分好书

回应(0)

添加回应

时间简史的更多书评

推荐时间简史的豆列

提到这本书的日记

了解更多图书信息

豆瓣
免费下载 iOS / Android 版客户端