霍金和《時間簡史》

本世紀(jì)初，物理學(xué)經(jīng)過了劇烈的掙扎以后以一種嶄新的面目出現(xiàn)，其主要成果是量子力學(xué)和相對論。近一個世紀(jì)以來人類正充分地體驗著這種變革帶來的幸福和災(zāi)難。半導(dǎo)體、計算機(jī)、激光、原子彈即是明顯的例證。量子力學(xué)的哲學(xué)含義迄今還很不清楚，而相對論尤其是廣義相對論對時間、空間甚至人們居住的宇宙的觀念的變革的影響既深又遠(yuǎn)。要想對這些觀念有淺顯而正確的了解，必須艱苦地克服許許多多常識的和直覺的錯誤。

愛因斯坦曾經(jīng)設(shè)想過我們的宇宙空間也許正如一個三維的球面，它雖然體積有限，卻沒有邊界。我們?nèi)绻恢蓖斑M(jìn)，最后又會從后面回到出發(fā)點，正如繞著地球作環(huán)球旅行，并不會到達(dá)所謂的宇宙邊緣。當(dāng)然地球的表面是二維的，而宇宙空間是三維的。

愛因斯坦設(shè)想的這種旅游可在靜態(tài)的宇宙中實現(xiàn)。宇宙是靜態(tài)的還是演化的，這個問題只有在哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移定律以后才清楚。他在二十年代發(fā)現(xiàn)，從遠(yuǎn)處星系來的光譜都有紅移的效應(yīng)，而且其紅移量和星系的遙遠(yuǎn)程度成正比，這可以解釋成整個宇宙正在膨脹。若在時間上倒溯回去，就可以估計出宇宙在一百五十億年前處于一種極其緊致的狀態(tài)，并具有極高的溫度。這就是所謂的大爆炸奇點?，F(xiàn)在的宇宙的太空中具有絕對溫度為三度的背景輻射即是大爆炸的殘余。這么低的溫度下的輻射處于微波波段，所以稱為宇宙背景微波輻射，它是在非常偶然的情形下于一九六五年被發(fā)現(xiàn)的。

人們對大爆炸奇點又驚又喜，喜的是整個宇宙發(fā)韌于此，驚的是在奇點處物理定律、空間時間甚至因果律都不成立。人們對它真是束手無策，因為誰也不知道會從奇點冒出什么東西來，而宇宙恰恰是從這里演化而來的。

人們也許會說，這都是現(xiàn)代宇宙論造的孽。其實不然。在哈勃紅移定律發(fā)現(xiàn)之前，人們以為宇宙是靜止的，那些棲息其中的蕓蕓眾生在津津有味地進(jìn)行著物競天擇，而無動于衷的宇宙總是慷慨地為之提供永恒的背景舞臺。即便如此，牛頓在奠定了經(jīng)典力學(xué)和微積分基礎(chǔ)之后，就曾經(jīng)思考過宇宙的初始態(tài)問題。他堅信宇宙在上緊了發(fā)條之后即嚴(yán)格地遵循著他的定律演化，但究竟是誰在太初給宇宙上緊發(fā)條的呢？這大概只能是造物主吧！我們的確是被造物主玩弄于股掌之上。這就是所謂的第一推動問題。而熱大爆炸宇宙論中的奇點只不過是將以為是無限久以前的太初移到了有限的過去，使問題變得更尖銳而已！

本世紀(jì)六十年代在天文學(xué)上積累了許多新觀測，如類星體和中子星的發(fā)現(xiàn)，興起了相對論性天體物理研究的熱潮，并刺激了廣義相對論本身的研究。廣義相對論被認(rèn)為是最美麗的物理理論，愛因斯坦曾解釋和預(yù)言了三大驗證，即水星近日點進(jìn)動，光線折射以及大質(zhì)量附近原子光譜的紅移。愛因斯坦方程是非線性的，這樣它就把物質(zhì)之間的引力作用也包容進(jìn)去。這在理論上是簡單，而簡單即是美。任何嘗試求解它的人都會體驗到該方程的內(nèi)在協(xié)調(diào)以及數(shù)學(xué)上的艱深。實際上，在六十年代一批有才識的青年被吸引到這個領(lǐng)域之前，廣義相對論的研究從愛因斯坦的成果后進(jìn)展甚微。它基本上成為一個應(yīng)用數(shù)學(xué)而不是理論物理的分支。

在這個歷史背景下，出現(xiàn)了一位物理學(xué)奇才霍金。霍金是自愛因斯坦以來最杰出的理論物理學(xué)家。他的黑洞蒸發(fā)理論和量子宇宙論不僅震動了自然科學(xué)界，而且對宗教和哲學(xué)也有深遠(yuǎn)影響。霍金生于一九四二年，生日剛好是伽利略三百年祭日，這似乎注定了他一生的使命。他出生于英國牛津，在牛津受完大學(xué)本科教育后，即轉(zhuǎn)到劍橋念研究院。這位人物正是出現(xiàn)于六十年代和劍橋這個歷史和地理的時空交匯點上。劍橋是經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)的發(fā)韌之地。電磁場理論的創(chuàng)始人馬克斯韋即是在劍橋卡文迪許實驗室度過他的科學(xué)生涯的。這里曾出現(xiàn)過無數(shù)文化巨人，如詩人彌爾頓、拜倫，科學(xué)家達(dá)爾文、盧瑟福、湯姆遜，哲學(xué)家羅素，經(jīng)濟(jì)學(xué)家凱恩斯……一九七九年底當(dāng)我第一次從倫敦乘火車去劍橋時，在英格蘭多變的陰霾的天空下，遠(yuǎn)眺開闊的牧場、鄉(xiāng)村和森林盡頭出現(xiàn)的劍橋國王學(xué)院建筑群的剪影，不禁涌上緬懷前賢的悠思：此處是科學(xué)的麥加。

霍金在大學(xué)本科畢業(yè)時即患了不治之癥：盧伽雷病。在劍橋初期尚能拄拐杖行走，后來就只能被禁錮在輪椅上了。我第一回在系里見到他時真是大吃一驚，他斜躺在輪椅上，絕大多數(shù)時間都低垂著頭，要用很大的努力才能把頭舉起，時時需要別人為之調(diào)整一下輪椅上的姿式。他用幾根指頭操縱輪椅的電開關(guān)。他的變形的聲音常人聽不明白。他說要是到中國講演的話，先要把他的語言翻成英文，再從英文翻成中文。他一九八五年時去了一趟中國，也的確是這么做的。

就是這樣的一位殘疾人，當(dāng)時即已被世界公認(rèn)為引力物理的巨人。他是被選進(jìn)皇家學(xué)會的最年輕的會員之一。他和埃利斯合著的專著《大尺度時空結(jié)構(gòu)》是引力物理的經(jīng)典。這本書的前半部證明了彭羅斯和他合作的奇性定理，即是在非常一般的物理條件下，廣義相對論會導(dǎo)致時空的奇點，典型的例子便是黑洞中的奇點以及大爆炸奇點。該書的后半部即是著名的黑洞面積定理，黑洞的表面積只增不減，如果兩顆黑洞合并在一起，合并后的黑洞表面積比原先兩個黑洞表面積之和更大。人們發(fā)現(xiàn)這種性質(zhì)和熵相類似，后來果然證明了黑洞表面積即是它的熵的量度。

霍金劃時代的貢獻(xiàn)是一九七四年發(fā)現(xiàn)了黑洞輻射機(jī)制。黑洞的表面在經(jīng)典物理中是一種單向膜，任何物體一旦越過這表面就再也不可能返回。也許人們在越過巨大黑洞的表面時并沒有覺得有什么異樣，但一旦進(jìn)入就難逃撞上奇點粉身碎骨的命運(yùn)?；艚鹂紤]了黑洞表面附近的量子起伏，發(fā)現(xiàn)起伏產(chǎn)生的粒子對中的一個會逃逸到遠(yuǎn)處，這些粒子流就像是從熾熱黑體輻射出來似的。這種輻射的溫度和黑洞質(zhì)量成反比，所以在輻射的晚期，黑洞質(zhì)量變得非常小，溫度也就變得非常高，黑洞就在爆炸中結(jié)束。黑洞輻射機(jī)制把引力論、量子論和統(tǒng)計力學(xué)統(tǒng)一到一起。它是量子引力論的前兆。二十年來全世界多少最優(yōu)秀的頭腦都為實現(xiàn)量子引力論而奮斗，提出了形形色色的奇思異想，但人們只能絕望地承認(rèn)，霍金輻射是迄今為止唯一的堅實的預(yù)言?；艚疠椛湟咽顾拿衷诳茖W(xué)史上不朽。

他在一九八0年四月二十九日被選為盧卡遜教授。他因此在劍橋的老卡文迪許實驗室發(fā)表演講(這篇講演已被收入最近出版的《霍金講演錄》中)。我記得他在輪椅上用那種無人通曉的語言說：“今天我不打算自己講，讓我的助手宣讀講稿。”這種儀式并無任何新奇之處。但是，如果我們知道他的一些前任，就知道這是他生涯的顛峰了。牛頓是第二位擔(dān)任這一教席的，他的前任還包括拉摩、愛丁頓和狄拉克，后者是量子力學(xué)的奠基者之一。

由于八十年代初在粒子物理方面的進(jìn)展，使得極早期宇宙的研究得到人們的青睞，這就是暴漲宇宙模型研究論文數(shù)目暴漲的緣由?；艚鹪趧蚪M織召開了一次會議，邀請全世界專家參加并編成一本《極早期宇宙》的文集，這本文集已成為極早期宇宙研究最重要的文獻(xiàn)。一九八三年夏天他帶了一本到威尼斯附近的帕多瓦的世界引力會議上。帕多瓦大學(xué)是伽利略任教過的古老大學(xué)。會議設(shè)在市政廳，這本書就供與會者賞玩，會后卻不翼而飛?；艚鹬ず蠓浅８吲d，因為這表明該書很受歡迎。

他對極早期宇宙的興趣是醉翁之意不在酒。他的最大野心是要一勞永逸地解決從牛頓以來就一直困擾人類的第一推動問題。他早年證明的廣義相對論的奇性定理表明，奇點也就是時空的邊界是不可避免的，而第一推動問題正是和時空邊界相依存的。所以為了排除第一推動問題，就必須尋求一種無邊界宇宙的模型，這只有在量子力學(xué)的框架中才能實現(xiàn)。他的這種思想孕育于一九八二年參加梵帝岡宇宙論會議之時。他和教皇保羅二世，兩次戲劇性會面的令人感動的場面在他的著作和傳記中都有生動的記載。

由于宇宙是包容一切的，在宇宙之外不應(yīng)該存在任何東西。所以要詢問宇宙從何而來的問題，其答案只能是，宇宙是無中產(chǎn)生出來的，無的威力是無敵的。順便提及，在閉合的宇宙中總能量就是零，這個事實和無中生有的思想是相符的。但是宇宙的無中生有的思想比這要深刻得多，無不僅是沒有物質(zhì)沒有能量，甚至連時間空間都沒有。根據(jù)這種觀念，霍金認(rèn)為宇宙是沒有邊界的，不管在空間的意義上，還是在時間的意義上來講。宇宙的邊界條件是它沒有邊界。這樣甚至上帝也沒有存身之所了?？磥硭亲顝氐椎臒o神論者了。

他認(rèn)為時空可以用四維的球面來描述，只比愛因斯坦三維空間的球面模型多一維。人們經(jīng)常要問的問題是，在大爆炸之前宇宙是什么樣子的？他講在臨近大爆炸奇點處量子引力的效應(yīng)非常顯著，時間變成虛的，從而和空間不可區(qū)分?？梢哉f宇宙成為既沒有開初也沒有終結(jié)的四維球面。如果要問在此之前發(fā)生了什么，正如同有人要問在地球表面上比南極更南一百公里處在什么地方一樣，是沒有意義的。他說他雖然沒有到過南極，但他堅信，在南極之處不會有什么異常發(fā)生。他的模型只是比地球表面多二維罷了。這樣，在經(jīng)典模型中的大爆炸奇點在量子宇宙學(xué)中就被抹平了。這個無邊界宇宙模型能做出許多預(yù)言，比如空間必須是均勻的和各向同性的；時空是平性的，即宇宙可演化足夠長的時間，它的演化不應(yīng)太激烈以使我們的星系乃至生命有足夠演化的時期，并使智慧得以成熟到能詢問這些宇宙學(xué)的問題；宇宙的成團(tuán)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)起源于這個背景下的量子起伏；太空中存在著可被檢測到的太初引力波；宇宙常數(shù)為零；宇宙是宏觀四維的，一維時間，三維空間；宇宙的無序度即熵隨時間增加，這就決定了時間箭頭的方向……其實在摒除了第一推動之后，在原則上，宇宙中的一切都可僅僅由物理定律而預(yù)言出來。

霍金的量子宇宙論對宗教和哲學(xué)的沖擊是顯而易見的，它以極其鮮明的形式掃清了沉積在人們觀念中的陳腐觀點。它的哲學(xué)和美學(xué)魅力吸引了千千萬萬有教養(yǎng)的人士，這正是他的通俗著作《時間簡史》能夠家喻戶曉的原因。

中國的《道德經(jīng)》中早就有宇宙是無中生有的天才思想，二千多年后人類才得到這種思想的科學(xué)描述。只有掃除許許多多想當(dāng)然的偏見，科學(xué)才能前進(jìn)，我們只要回顧一下從托勒密系統(tǒng)到哥白尼系統(tǒng)的進(jìn)展，就可領(lǐng)會到這一點。

宇宙論是新思想和新觀念的搖籃，它要服從物理定律，而物理定律又在宇宙論中得到超越和升華。這是因為宇宙這種研究對象的唯一性引起的，又由于研究者根本不可能站在宇宙外面去審視它，這是一種自我反饋的過程。另一種類似的情形是思維科學(xué)，人們研究思維科學(xué)時必須用思維。這里很難將主體和客體相分離，這也正是科學(xué)成熟的標(biāo)志。自然，科學(xué)家還任重而道遠(yuǎn)得很。

我在受霍金指導(dǎo)作博士論文時，正是他發(fā)展這一理論的時期。我記得有一年圣誕節(jié)前夕，他約我去討論研究。討論結(jié)束后天既黑又下雪——英國處于高緯度地區(qū)，下午三四點天就黑了。他已不可能驅(qū)動輪椅回家了。大家只能用小車把他載回家。他平時要駛過皇后學(xué)院、國王學(xué)院并跨越劍河才能回到西路五號的家。有一回他的輪椅在穿越馬路時被小汽車撞倒，我是在美國的飛機(jī)上讀到這個事故的報道的。

霍金雖然身患痼疾，但十分關(guān)心別人。在我愛人胡小明赴英之前，他表示要寫信給英國外交部以加速簽證的批準(zhǔn)，并說官僚主義古今中外皆然，也許他的去信可以幫助。當(dāng)胡首次在應(yīng)用數(shù)學(xué)系的走廊里遇上他時，他盡心盡力地對胡講：“對你的到來我非常非常高興?！彼蠛鸀樗恼撐淖鲌D以供發(fā)表之用。我們是在一九八四年二月離開劍橋的，之前和他在他的辦公室里拍了一些照片。據(jù)說這些照片是他少有的露出童稚笑容的幾張。照片背景的黑板上是我們論文的一些圖。由于他的疾病，他的表情通常是沉郁的，你不能猜出他內(nèi)心的喜怒哀樂，這倒真是十分安全。

我是在和霍金閑談中得知他有寫一本宇宙論通俗讀物的打算。那時候他連書名都沒想好。我們當(dāng)時就商談將其譯成中文的事。在我離開劍橋時他還沒完稿。一九八八年二月我收到他有關(guān)將此稿譯成中文的信件，以及定名為《時間簡史》的首版贈書。許明賢和我花幾個月的時間將它譯完，并在一九八八年下半年將手稿交湖南科技出版社。這個中文版本來可以在全世界最早以非英文的文字出版。但是不管怎么說，終于在一九九三年問世了。這書的出版耗費(fèi)了李永平和吳忠國的大量心血。在這期間該書已在全世界用三十三種文字發(fā)售了五百五十萬冊，即平均每千人即有一冊。在西方自稱受教育的人若沒有看過這本書的會被人瞧不起。這本書的海外中文版在一九八九年推出。海外出版社通過原作者和原出版社得到我們的譯稿，并承受了巨大的物質(zhì)和精神損失才出了這本書，其中艱辛不足與外人道。我謹(jǐn)記于此，以表示對這些文化有心人的謝意。這版本在臺灣是十年來的暢售書之一，已經(jīng)出了第六版，成為莘莘學(xué)子的必讀之書。

《時間簡史》出版之后，霍金更成為明星人物。美國、英國和加拿大三家電影制片商聯(lián)合制作了一部《時間簡史》的文獻(xiàn)片，把霍金的生平和學(xué)說搬上銀幕。這部電影很快就進(jìn)入奧斯卡文獻(xiàn)片的決賽。影片容納不下的素材被編到《時間簡史續(xù)編》之中?；艚疬€在一九九三年六月二十一日出現(xiàn)在美國《星球旅行》的系列片中，并同用時間機(jī)器召來的牛頓和愛因斯坦打撲克。在這短短的鏡頭中，我們可以充分體會到牛頓的不可一世的傲氣和愛因斯坦的溫文爾雅的風(fēng)度?；艚疬€將他的一些演講和短文編成一部《霍金講演錄——黑洞、嬰兒宇宙及其他》。所有這些著作的中文版即將由湖南科技出版社在國內(nèi)全權(quán)發(fā)行。，

(《時間簡史》，[英]史蒂芬·霍金著，許明賢、吳忠超譯，湖南科學(xué)技術(shù)出版社一九九二年版，4.30元)