下篇 霍金到底知道什麼 第一章 宇宙的起源和演化
我們身處的宇宙圖像
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毋庸置疑的是，我們每個人對宇宙會感到十分好奇，曾經就有一位十分著名的科學家舉行過一次很著名的講演，在那次演講中，他十分詳細地描述了我們居住的地球是怎樣圍繞著太陽而進行著公轉的，也講述了太陽是怎樣圍繞著被我們稱之為銀河係的一個巨大的恒星集團的中心進行著公轉的。
也許大多數人都會覺得這樣的一個說法十分荒謬：我們的宇宙就像是一個無限的烏龜塔那樣。可是我們又能憑借什麼自認為自己能知道得更好？而我們對這個宇宙究竟了解了多少？還有哪些是我們所不知道的？而我們了解宇宙的過程又是怎樣的？到底宇宙是從何而來？它的未來又將向何處去？我們的宇宙存在著一個開端嗎？如果有的話，那麼在宇宙誕生之前的那些時間裏又發生了些什麼？時間是一種什麼東西？時間會存在一個盡頭嗎？而最近物理學中的一些突破有可能就會為這樣一些長久以來一直困擾著我們的問題提供正確的答案，也許在未來，這些問題的答案就會像是在今天我們知道的地球圍繞著太陽公轉那樣的顯而易見，也許也會變得和烏龜塔一樣的荒謬，而這一切都隻有在時間（不管其含義如何）的裁決下才會有最後的結果。
早在公元前340年，古希臘的哲學家亞裏士多德就曾在他的著作《論天》一書中提到，他能夠提出兩個強而有力的論證來證明地球其實是一個圓球而並非人們所認為的一塊平板。第一個論證，亞裏士多德提出，由於月食是地球運行到太陽與月亮之間而產生的一種現象，而從月食中可以發現地球在月亮上的投影始終都是圓的，地球的投影是圓的，那麼地球也就隻能是圓的。再假設一下，如果地球是一塊平坦的圓盤的話，那麼除非月食總是碰巧發生在太陽正好位於地球這個圓盤中心的正下方的時刻，不然的話，地球的影子就會被拉長而在月球上成為橢圓形的投影。第二個論證，有古希臘人從旅行中得知，我們在南方地區觀測到的北極星會比我們在較北地區觀測到的北極星在天空中的位置相對來說較低一些。（正是由於北極星位於北極的正上方，所以它出現在北極的觀察者的頭頂上，而對於赤道上的觀察者來說，北極星則剛好出現在地平線上。）
亞裏士多德甚至曾根據北極星在埃及和在希臘這兩個不同地方觀測到的位置上的差別來進行估計，他得出的結論是地球這個大圓的長度為400000斯特迪亞。由於我們現在並不能準確地知道，在當時1斯特迪亞的長度究竟是多少，有人估計是200碼（1碼=0．9144米）左右，如果是這樣的話，那麼亞裏士多德當時的估計大約是現在我們得到的數值的兩倍。古希臘人甚至還為地球是球形的這一理論提供出了第三個論證：如果地球不是圓形的話，那為什麼從遠處地平線上駛來的船總是要先露出船帆，然後才能露出船身？
在亞裏士多德的認知中，我們所處的地球並不是運動感的。亞裏士多德相信地球就是宇宙的中心，太陽、月亮、行星和恒星等都以圓周為軌道圍繞著地球進行公轉，直到公元2世紀，托勒密依據這個思想將其精製，成為一個非常完整的宇宙學模型。在托勒密的模型中，地球處於正中心的位置，在它的外圍有8個天球圍繞著它，這8個天球分別是月亮、太陽、恒星和其他5個當時已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星。為了說明為什麼我們在天空中觀察到的這些行星具有著相當複雜的軌道，人們認為星體本身沿著附在相應天球上作更小的圓周運動。而最外層的天球攜帶著所謂的固定恒星，因此它們的相對位置雖然保持不變，但是總體都是在圍繞著天空旋轉。而最後一層天球之外為何物在當時沒人清楚，但是當時的人們肯定那決不是人類所能夠觀測到的宇宙的部分。
這個模型的係統雖然可以用來相當精確地預言天體在天空之中的位置。但為了能夠正確地預言好這些位置，托勒密不得不做出了一個假定：月亮所遵循的軌道有時會使其距離地球的距離是其他時候的一半。這一假定即表明月亮竟然在有時會顯得要比在其他時候大一倍。就連托勒密自己都承認這是個瑕疵，可是盡管如此，托勒密的模型在當時雖然並不是普適的，但也被廣泛地接受了。其模型甚至還被基督教會采納，使其成為了與《聖經》相一致的宇宙圖像，這是因為這個模型本身具有著巨大優勢：它在固定的恒星天球之外為天堂和地獄留下了大量的空間，上帝會喜歡這個理論的。
然而，在1514年，一位波蘭的傳教士尼古拉·哥白尼卻提出了一個更為簡單的模型：太陽位於宇宙的中心並且靜止，而地球和行星們則都圍繞著其做圓周運動。盡管哥白尼的理論所預言的軌道還不能完全和人們的觀測相吻合，但依然得到了兩位天文學家約翰斯·開普勒和伽利略·伽利雷的支持。
1609年，亞裏士多德和托勒密二人的理論正式被宣告死亡。與此同時，約翰斯·開普勒修正了哥白尼的理論，他提出，行星並不是按照圓周而是沿著橢圓（橢圓是拉長的圓）來運動的，從而最終使哥白尼理論的預言和人們的觀測相互吻合。
約翰斯·開普勒提出的橢圓軌道在當時受到很多質疑，雖然橢圓軌道能夠很好地使預言和觀測相吻合，但卻並不能和磁力是引起行星圍繞太陽運動的原因相互調和起來。這個理論讓開普勒本人很討厭，但是他仍然相信是橢圓軌道而不是完美的圓形軌道。直到1687年，艾薩克·牛頓爵士出版了他的著作——《自然哲學的數學原理》，將這所有的一切問題都解釋了。牛頓不但提出了物體是如何在空間和時間中運動的理論，並且還以此發展了為分析這些運動所要用到的複雜的數學。另外，牛頓還提出了著名的萬有引力定律。根據這條定律，在宇宙中的任一物體都會被另外的物體所吸引。物體的質量越大，其相互之間距離越近，則吸引力也就會越大。也正是同樣的一種力，使得物體是下落到地而不是漂浮到空中。（一個蘋果落到牛頓的頭上使他得到靈感的故事，幾乎肯定是不足憑信的。牛頓自己說過的是，當他坐著陷入沉思的時候，一個蘋果的下落使他獲得了萬有引力的思想。）牛頓接著加以證明了，依據他的定律，引力使月亮沿著橢圓軌道圍繞著地球運行，而地球和其他行星也是沿著橢圓的軌道圍繞著太陽公轉。
哥白尼的模型摒棄了托勒密模型中的天球以及與其相關的宇宙存在著自然邊界的這些觀念。因為除了地球圍繞著自身的軸自轉引起的穿越天空的轉動外，“固定恒星”的位置顯得固定不變，於是很自然地就會使人聯想到固定恒星是一種和太陽相類似的物體，隻不過比起太陽，它們離我們實在是太遠了。
根據他本人所提出的引力理論，牛頓很快地意識到恒星應該是相互吸引的，在這樣的情況下，它們似乎不能夠保持著基本上不運動。在一封於1691年寫給當時另一位最重要的思想家理查德·本特裏的信中，牛頓論證道，如果隻有有限數目的恒星分布在一個有限的空間區域裏，這種情況確實是會發生的，於是他從另一方麵推斷說，如果存在著無限數目的恒星，並且大體均勻地分布於一個無限的空間中，對這些恒星而言，因為這時候並不存在著一個中心落點，因此就不會發生這種情況。
在20世紀之前，竟然從來沒有人提出過宇宙是在膨脹或是在收縮，這一有趣的現象反映了當時的思維風氣，一般都認為，宇宙要麼就是以一種不變的狀態存在了無限長的時間，要麼以就正如我們今天所觀察到的樣子誕生在有限久的過去。而產生這種觀念一部分的原因可能是因為人們傾向於相信永恒的真理，也有可能由於能夠從下麵的這個觀念之中得到安慰：雖然他們自己就會生老病死，但宇宙卻必須是不朽、不變的。
就連那些意識到牛頓提出引力理論會導致宇宙不可能靜止的人們也都沒有想到提出宇宙有可能正在膨脹。相反地，他們還試圖去修正牛頓的理論，使引力在非常大距離之下變成一種斥力，這並沒有影響他們對於行星運動的預言，然而卻允許恒星的無限分布保持平衡狀態——鄰近恒星之間的吸引力被遠距離外的恒星來的斥力平衡。但是，現在我們相信，這樣的平衡其實是非常不穩定的，如果在某一區域內的恒星相互稍微地靠近了一些，它們之間的引力就會增強，並且超過斥力的作用，這些恒星因此而落到一起。相反地，如果在某一區域內的恒星相互稍微地遠離了一些，那麼斥力就會起到主導作用，並繼續驅使它們離得更加遙遠。
而通常將另一個反對無限靜止宇宙的異見歸功於一位德國的哲學家亨利希·奧勃斯，他在1823年撰寫了這個理論。事實上，和牛頓同一時代的人也有些已經提出過這個問題。其實，第一篇看起來有理地反駁了這個模型的文章並不是奧勃斯的文章。這個問題的困難在於，在一個無限靜止的宇宙之中，幾乎所有的視線都必須終結於某一顆恒星的表麵。根據這個，人們可以預料，整個天空甚至在夜晚都會像太陽那樣的明亮。奧勃斯的反駁顯得十分蒼白，他曾說，遠處恒星的光線會被它穿越過的物質吸收而減弱。可是如果真的是這樣的話，介於這中間的物質最終也會被加熱到發出和恒星一樣強的光為止，而唯一可以避免整個天空都會像太陽那麼明亮的結論的方法就是，假定恒星是在有限的過去才開始發光的，其並不是永遠都那麼明亮的。在上述的情況下，吸光物質都還沒有加熱，或者遠處恒星的散發互光線還沒有到達我們這裏。可這個假定就又使我們麵臨著一個問題：是什麼首次引起了恒星的發光？
關於宇宙開端的這個問題在這很久之前就曾被熱烈地討論過。根據一些早先的宇宙論和猶太教、基督教、穆斯林等宗教的看法，宇宙是於過去的某個時刻啟始的，而那個時刻是有限的，並且不是非常的遙遠。對於這樣的一個起點，有一種論證感到必須要有一種“第一推動”來解釋宇宙的存在。聖·奧古斯丁曾在他的著作《上帝之城》中提出過另一種論證。奧古斯丁指出，文明在進步，而我們將會記住創造出這些功績或不懈地在發展技術的人們。這樣，人和宇宙都不可能存在非常長的時間。聖·奧古斯丁根據《創世紀》一書提出，公元前5000年就是宇宙誕生的時刻。（有趣的是，這和大約公元前10000年的最近一個冰河時代的結束相距並不遙遠，而考古學家告訴我們，我們的文明實際正是從那時候開始的。）
1781年，哲學家伊曼努爾·康德發表了一部裏程碑般的（同時也是非常晦澀難懂）的著作——《純粹理性批判》。在《純粹理性批判》中，康德深入地思索了關於宇宙在時間上是不是有開端、在空間上是不是存在界限的問題。他將這些問題稱為純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因為康德察覺到同時存在著都能夠令人信服的論據來證明宇宙有開端的正命題，以及宇宙已經存在無限久的反命題。康德對於正命題所提出的論證是：假如宇宙並沒有一個開端，那麼任何事件在發生之前都必定存在了無限的時間，康德覺得這無疑是十分荒謬的。而康德對反命題所提出的論證則是：假如宇宙有一個開端，那麼在它之前必定存在著無限的時間，為什麼宇宙必須要在某一個特定的時刻開始呢？事實上，康德對正命題和反命題都采用了同樣的論證來辯護，這都是基於他隱含的假設，即不管宇宙是否擁有一個開端，時間都可以被我們無限地倒溯回去。而在下麵我們將會看到，時間這一概念在宇宙開端之前是沒有任何意義的。這一點首先是由聖·奧古斯丁指出的。當在被問及：“上帝在他創造宇宙之前做什麼？”時，奧古斯丁沒有回答“他正為詰問這類問題的人準備地獄”。而是說明時間也是上帝創造的宇宙的一個性質，因此時間在宇宙開端之前並不存在。
其實，當大部分人都深信我們所處的宇宙本質上是靜止不變的宇宙的時候，關於宇宙有沒有一個開端的問題，實際上就是一個形而上學或神學的問題。不管是按照宇宙存在無限久的理論，抑或宇宙是以它似乎已經存在了無限久的樣子而在某一個有限時刻起始的理論，其實都可以很好地解釋到我們所觀察到的事實。但在1929年，埃德溫·哈勃做出了一個裏程碑式的觀測，即不管我們往哪個方向觀測，遠處的星係都正急速地飛離我們而去。換言之，就是宇宙正在膨脹。而這就意味著，在更早的時候，星體們其實更加靠近。而事實上，似乎是至今大約100億至200億年之間的某一時刻，所有的星體們剛好都處在相同的地方，因而在那時候，宇宙的密度為無限大，而體積則為無限小。哈勃的這一個發現最終將宇宙開端的問題帶進了科學的王國之中。
而這個關於時間的開端的想法和之前早先所有的考慮都顯得非常不同。如果我們是在一個一成不變的宇宙之中，那麼時間的端點就是必須由存在宇宙之外的事物賦予的，那麼宇宙的開端就沒有任何物理的必然性，且人們可以在腦海中想象上帝是在過去的任何時刻創造出了宇宙，但如果宇宙正在膨脹的話，那麼為什麼會擁有一個開端就似乎擁有了物理的原因？可是人們仍然可以在腦海中想象，上帝是在大爆炸發生的瞬間創造了宇宙，還有可能是在更晚的時刻，以至於是宇宙看起來就像是以發生過大爆炸的方式誕生而設想在大爆炸之前創造了宇宙都是沒有意義的。大爆炸宇宙其實並沒有排斥造物主的存在，隻不過對其何時從事自己的工作加了一點兒限製罷了。
為了能繼續談論關於宇宙的性質和諸如宇宙是否存在著起始或終結的問題，我們必須清楚地知道什麼是科學理論。下麵我們采用的是素樸的觀點，即理論不過隻是宇宙或宇宙受到限製的部分的模型，以及相關的一套將這個模型中的量和我們做的觀測相聯係起來的規則，它隻需要存在於我們的腦海裏，並不要求再具有任何其他（不管在任何意義上）的實在性。而好的理論一定要滿足下麵這兩點：首先，這個理論要能準確地描述大量的觀測，要求這些觀測還要都是根據那些隻包含了少數的任選元素的模型而做出的；其次，這個理論要能夠對未來所觀測到的結果作出明確的預言。在一方麵上，牛頓的引力理論是基於這樣的一種模型，兩物體用一種力相互吸引，這個力的大小和兩個物體的質量成正比，並和物體之間的距離的平方成反比，同時，它還以很高的精準性正確地預言了太陽、月亮和行星的運動。
從一個隻是假設的意義上來講，任何的物理理論都是存在著臨時性的，我們永遠不可能證明它，不管有過多少次實驗的結果和某個理論相一致，我們永遠不可能斷定下一次結果就一定不和該理論矛盾。正如科學哲學家卡爾·波普所強調的那樣，一個好的理論所具有的特征是：許多在原則上就可以被觀測否定和證偽的預言它都能夠給出。每當我們觀察到有新的實驗和這個預言相符，那麼這個理論就存在，同時我們還增加了對它的信任度；而若是有一個新的實驗和預言不符，那麼我們隻能選擇拋棄或去修正這一理論。
在現實世界中，經常發生的事是，往往設計出的新理論實際上就是原先存在的某理論的一個擴展。愛因斯坦的預言能夠和觀測到的相符合，而牛頓的理論卻做不到這一點，對著一個新理論，一個關鍵的證實便是這個事實。但是，在我們所處的通常的情形下，牛頓的理論和愛因斯坦的廣義相對論的預言之間的差異是非常小的，所以，因為實用的原因，我們至今仍然在使用牛頓理論。（使用牛頓理論還有一個巨大的優點：用其來進行計算要比用愛因斯坦的簡單得多了）
科學的終極目的就是提供一個能夠描述整個宇宙的單一的理論。可將這一問題分割成兩部分來看待卻是目前現在大多數的科學家們所遵循的方法。首先，存在著一些定律，這些定律能解釋宇宙是如何隨時間變化的；其次，存在著宇宙初始狀態的問題。有些人覺得科學應該隻關心第一部分，這些人將初始狀態的問題歸結於玄學或宗教。他們會說，無所不能的上帝可以隨心所欲地啟始宇宙。也許他們是對的，但是，如果真的是那樣，上帝也可以將宇宙以他想要的任意的方式去演化，可是他似乎選擇了使宇宙以一種非常規則的、按照一定規律的方式演化。這樣看來，也可以同樣合理地假定，同時也存在著製約初始狀態的定律。
一蹴而就地設計一種能描述整個宇宙的理論無疑是非常困難的。但是相反地，如果我們將這個問題分成了許多小塊並發明許多部分的理論，每一部分理論描述和預言都具有一定的有限範圍，同時忽略其他量的效應，並用簡單的一組數來代表，這樣的方法也可能會全錯。如果宇宙中的每一件東西都能以非常基本的方式去依賴於其他任何一件東西，那麼使用隔離法來研究問題的一部分也許永遠都不可能逼近其完全的答案。但盡管如此，這肯定是一種讓我們在過去取得過進展的方法，一個經典的例子便是牛頓的引力理論，這告訴了我們兩個物體之間的引力隻取決於與每個物體相關的一個數——它的質量，而與物體由何物組成無關。
在今天，科學家們描述著宇宙都是按照兩個基本的部分理論——廣義相對論和量子力學。這兩個理論都是本世紀上半葉的偉大的物理成就。其中，廣義相對論描述的是引力和宇宙的大尺度結構，也就是從隻有幾英裏一直到大至1億億億（1後麵跟24個0）英裏（1英裏=1．609千米），即可觀測到的宇宙的尺度的結構。而在一方麵，極小的尺度則由量子力學來處理，例如萬億分之1英寸（1英寸=2．54厘米）的現象。但是遺憾的是，這兩個理論並不是相互協調的——它們不可能都同時成立。而當代物理學的一個主要的努力方向以及我們本書的主題就是尋求能將其合並在一起的一個新理論——量子引力論。目前，我們並沒有這樣的理論，並且想要獲得這個理論，我們可能還要走上相當長的一段路，可是現在我們已經知道了這個理論應該所應具備的許多性質。在以下幾章裏麵，其實可以看到，對於量子引力論所應有的預言，我們已經知道得非常多。
對於為何要探索出這樣的一個理論，下麵的回答是基於達爾文的自然選擇原理。自然選擇原理說明，在任何自有繁殖的群體之中總是存在著有差異的不同個體。這些差異表明，某些個體會比其他的個體對於周圍的世界更能去適應它，因此這些個體就更有可能存活、繁殖下去，而它們的行為和思維的模式將越來越會在群體中起到主導作用。智慧和科學所發現的東西的確給我們帶來了存活的好處，這點是毋庸置疑的。同時，我們擁有的科學發現在現在可以輕易地毀滅掉我們擁有的一切，這個顯然是十分清楚的。就算不是這樣，在對於我們能否存活下來的機會上，一個完整的統一理論是不是也有著影響也是值得懷疑的。但是，假如整個宇宙都已經用一種規則的方式演化到了現在，那麼可以預期的便是：在探索完整統一理論的時候，自然選擇所賦予我們人類的推理能力仍然在發揮著效用，同時，並因此不會導致我們最後得到錯誤的結論。
但是，除了少數的最極端的情況之外，我們現有的這一部分理論已經足以對所有的一切都能作出精確的預言，於是，想要為探索宇宙的終極理論來尋找到一個實用的理由，在現在看來就是非常困難的。可是，雖然能否發現一個完整的統一理論可能對我們種族的存活毫無幫助，甚至也不會對我們的生活方式產生任何影響，但是今天我們仍然想知道，我們是因為什麼而在這裏？我們因何而來？人類最深切的意願——求知，已經足夠為我們現在所進行的積極探索提供了充足的理由，隻是我們現在的目標恰好就是對我們生存在其中的宇宙作出一個完整的描述罷了。
空間和時間
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現在，關於物體運動的所有觀念都來自於伽利略和牛頓。而在他們之前，人們則是相信亞裏士多德，亞裏士多德說物體的自然狀態是靜止的，隻有在受到力或衝擊的推動時才會發生運動。依據亞裏士多德的說法，很明顯，質量較重的物體比質量較輕的物體下落得會更快，因為它受到的將其拉向地球的力比質量較輕的物體所受到的力要大。
而亞裏士多德的傳統觀點還認為，人們是能夠依靠純粹的思維就可以找出所有製約宇宙的定律的，並沒有必要用觀測去檢驗。據說，為了證明亞裏士多德的信念是錯的，伽利略曾在比薩斜塔上做過將重物落下的實驗。這個故事當然不足以為信，不過伽利略的確做過一些類似的實驗——讓質量不同的球分別沿著光滑的斜麵滾下。這種情況很類似於重物的垂直下落，隻不過相對來說，這樣的速度更小，因而更加容易被我們所觀察。而伽利略的測量指出，不管物體本身的重量多少，其速度增加的速率是一樣的。例如，我們在一個沿水平方向每10米即下降1米的斜麵上釋放1個球，則1秒鍾後球的速度就為每秒1米，2秒鍾後為每秒2米……而這些和這個球自身有多重並沒有關係。當然，在生活中，一個鉛錘當然比一片羽毛下落得要更快些，不過那隻是因為空氣阻力將羽毛的速度降低了。如果我們能夠釋放兩個不受任何空氣阻力作用的物體，那麼它們就會以同樣的速度下降。