下篇 霍金到底知道什麼 第七章 未來是什麼樣的
對未來的勾畫
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有時候，人類真的很奇怪，總想著要控製一些他們控製不了的東西，比如說未來，這是我們誰也無法預測、無法控製的，在很久以前，人們通常用占星術來預測自己的未來，這就是為什麼那時候那麼流行占星術的原因。他們總說占星術是和地球上的事件和某個行星劃過天穹的運動有著直接的聯係，但那些占星家們卻不敢明確地說出確定的預言的話來，如果真是這樣，將會是科學上可以檢驗的假設。他們總把自己假設的話說得很模糊，對任何結果都模棱兩可、無關緊要，比如“你最近將會晉升、你將會出現個人的資金緊張”等等諸多這樣的話，但是有很多的科學家不信他們口中所言的占星術的真正原因卻不是因為缺乏科學證據，而是他們實驗過的檢驗的理論相互不協調，在哥白尼和伽利略以及牛頓發現他們發現的運動定律是受製約的，行星圍繞太陽而非地球公轉。占星術變得讓人不能自圓其說了，那麼我們從地球上看到的其他的行星相對於天空背景位置和較小行星上的自稱為智慧生命的巨分子有何關聯呢？在這本書裏所有描述的這些理論並不比占星術擁有更多的科學家的實驗證據，但是因為這些理論和迄今經受住檢驗的理論相協調，所以我們才對它深信不疑。
在玩棒球的時候，如果我們能知道棒球在何處以什麼速度拋出，你便能預言它會落到何處。就像我們在行走的時候看到車會根據它的車速來判斷它什麼時候能到自己的身邊，而牛頓定律和其他科學家的所有理論是科學決定論的觀念，它是在19世紀初由法國科學家拉普拉斯侯爵首次表述的。拉普拉斯還提出，如果我們人類能知道在某一個時刻在宇宙中的粒子將有什麼樣的速度和位置，我們就能按照物理定律來預言我們浩瀚的宇宙的過去和將來是什麼樣子的。
換句話說，我們在科學決定論成立的基礎上便能夠預言將來，從而就不用再借助於占星術。實際上，即使像牛頓引力論那樣的理論性的東西也可能會導出對於多於兩個粒子的情形都不能得到準確解的方程。何況這種方程經常是具有一定的混沌的性質，這樣的話，那些微小的粒子的一點點微小的變化都會讓我們預測出它的不同的現象，歐美的史前大片《侏羅紀公園》想必我們都不陌生，就是那麼一處很小的擾動會在另一處引起一場我們無法預測的巨變。一隻蝴蝶在東京揮動它的翅膀會在紐約中央公園引起大雨。對於這樣的事件的序列是不可重複的。蝴蝶揮動一下翅膀時，一些我們不能預知的因素將會不同並且也影響天氣。這就是所謂的蝴蝶效應，我們常說天氣預告不準確，而這就是其中的真正原因。
雖然在原則上，我們所研究的量子電動力學定律允許我們去計算化學和生物學中的一切可能性，但我們在數學方程預言人類行為這一方麵卻沒有一點點的進步。盡管這些是我們現實生活中的困難，大多數科學家仍然自我安慰地認為在某種原則上，將來是我們可以預言的。
現在乍一看起來，決定論似乎還受到了一些我們沒有確定下來的原理的威脅。我們不能在同一時間裏準確地測量一個粒子的位置和速度。我們把位置測定得越準確，就把速度測定得越不準確，而相反地，拉普拉斯在他的科學決定論裏堅持，如果人類知道在宇宙裏的某一粒子位置和速度，就能確定它在過去或者將來任何時候的位置和速度。但是，如果不確定性原理阻止我們同時準確知悉該粒子在一個時刻的位置和速度，我們甚至就不能再進行其他的研究。無論我們有多麼先進的計算機，如果我們輸入一些我們無法證實的數據，我們將得到一些最無科學依據的預言。
可是，在新的理論中，某些合並了的不確定性原理的稱作量子力學的理論以一種修改的方式存在著，它的任務就是把這些決定論進行恢複。一般來講，我們可以在量子力學中預言科學家拉普拉斯的觀點隻說對了一半，一個粒子在量子力學中不具有意義明確的位置或速度，然而它的狀態是由我們稱之為波函數的函數來代表的。
在空間的每一點上的一個數就叫做波函數，是它把這些處在不同位置的粒子找到了屬於它們的位置，波函數從粒子的變化率就可以告訴我們粒子是有著不同的速度的。這些固定的高點也就是有些波函數在空間的特定點。在這樣的情形之下，粒子在屬於它的位置上隻有一些微小的不確定性，於是我們在圖中可以清楚地看到，波函數在這點發生了我們想象不到的變化，隻見它一邊上升一邊下降，這就意味著速度的概率在大範圍驅散開來，這就說明它的速度有著很大的不確定性。另一方麵，考慮到這一連續的波段。現在就是在位置上也同樣存在很大的不確定性，但是在速度上，我們卻看到它隻存在小的不確定性。這樣，由波函數描述的粒子不具有意義明確的位置或速度，它滿足不確定性原理。現在我們意識到波函數就是我們能夠清楚定義的一切。現在我們甚至不必去設想粒子隻能在上帝知曉的位置和速度之上了，我們再不必這樣的迷信於其中了。這種“隱變量”理論預言的結果和觀察不相符。甚至上帝都不能判斷這個不確定性原理，他也受這種不確定性原理的限製，而不能知悉位置和速度，他隻能知道波函數。
薛定諤方程給出我們這樣一個結論，那就是波函數隨時間的變化而改變。如果我們知道某一時刻的波函數，我們就能利用薛定諤給我們的方程去計算在過去和將來任何一段時間的波函數。我們既然能預言波函數，那麼就意味著它將允許我們準確地預言粒子的位置和相關的速度，可是這兩樣卻是不能同時進行的。這樣，科學家拉普拉斯的世界觀對於在量子理論中進行準確預言的能力隻說對了一半。盡管如此，在這種限製的意義上來講依然存在決定論。
然而，在時間不斷向前移動的今天利用薛定諤方程去演化波函數，無論我們預測到未來將發生什麼，在假定的時間裏，所有的一切都將會永遠地從我們身邊流逝掉，時間被假定之後就意味著我們在曆史中發生的任何一件事都會被時間鎖定，這種時間上的標識是從我們未知的過去自然而然地過渡到我們的將來，它可以被稱為時間的常識觀，這就是大多數科學家所說的下意識時間觀，這是絕對的也是有標誌的。然而今天，我們看到的，在1905年的狹義相對論裏，他不但廢棄了時間也廢棄了絕對的時間概念，在這種定義裏，時間觀是不能自己單獨地存在的，它沒有自身能獨立的量，而隻能被稱為時空中的一個連續的方向而已，在這個定義中，每一個觀察者以不同的速度、不同的途徑來穿越這樣的時空，他隻要遵循自己的途徑、自己的時間，測度所得到的時間間隔肯定是不同的。
而這樣的話，我們所說的這樣的在狹義相對論中就不存在可用以把某個曆史事件加上它的標簽來作為它的唯一絕對時間。因為在狹義相對論裏的時空是平坦的，在觀察者測量的時間和時空裏，這些都是可以無限地流逝掉的，我們可以在薛定諤方程中使用它來做任何時間的測度或者去演化波函數。這就是我們所說的，我們仍然擁有決定論的量子版本。
可是在廣義相對論中，情形卻恰恰相反，在這裏，時空是彎曲的，不是狹義裏所說的非常的平坦，並且這種彎曲是因為在宇宙中一些小小的物質和能量都可以使它發生變化。時空的曲率在浩瀚的太陽係中非常微小，至少在宏觀的角度上是這樣的，因此它和我們的時間觀念並不發生任何的衝突。因此在這種情形下，我們仍然可用這種時間在薛定諤方程中去得到波函數的決定性的演算。就像上麵所說，我們一旦允許了時空是可以彎曲的，那麼另外一種可能性就會隨之而發生，那就是時空具有一種不允許對於每一個觀察者都光滑增長的時間結構，而這一切正是我們所希望的，因為這些合理的時間測量才是我們所期望的性質。例如，假設時空像一個垂直的圓柱麵，時間測度是圓柱麵的垂直往上的方向，對於一個觀察者來說，他就是從一個負的無限流逝到了一個正的無限流逝，可是當我們把這個時空想象成一個圓柱麵是個帶把手的，那麼這個把手從主圓柱麵分開之後再把它合並起來，那麼這個主圓柱麵接合處有一停滯點就是時間測量，因為時間因它而靜止不前了，這就是所謂的時間靜止點。對於任何觀察者來說，這個點的時間是不能流逝的，因此在這樣的一個靜止的時空中，我們不能單純用薛定諤方程去得到波函數的決定性的演化，因為我們永遠不知道哪個帶把手的“蟲洞”什麼時候就會從哪裏冒出來了。
這就是我們所認為的時間對任何的觀察者都並非是總是增加的一個很重要的原因，1783年，人們還是第一次來公開地討論黑洞。一位劍橋的學監約翰·米歇爾進行了一些相關的論證。如果我們垂直向上發射出一個粒子，比如炮彈，它的上升將會因地球的引力而有所減緩，直到這個粒子最後在上方某個點停住並返回到地麵。但是，如果一開始粒子往上行走的速度比逃逸速度要快很多，這就是一個臨界值，這時候的地球引力就沒有那麼強大了，它將再也不能阻止粒子向上飛離，因為對於地球來說，它能控製的逃逸速度隻有大約為每秒12千米，而太陽則大約為每秒100千米。這兩個都要比我們所發射的粒子速度高出很多倍，雖然它和光速相差不是一點半點，一般來說，光的速度是每秒300000千米。因此我們可以肯定地說，如果光想逃逸出地球或者太陽，那將是輕而易舉的事了。可是，米歇爾理論斷言說，恒星比太陽質量更大，它的逃逸速度要比光速快很多。因為恒星可以把任何時間內所發出的光用它的引力給拖曳回去，所以我們是看不到它們的。正是因為這樣，它們也就被米歇爾叫做暗星，被我們現在叫做黑洞的東西。
牛頓的物理學讓米歇爾有了暗星的思想，在牛頓理論中說時間是完全絕對的，不管它發生了什麼，它都會正常地流逝掉，而這一定論是影響不了我們預言將來的能力的，可是在廣義相對論中，這種情況卻恰恰相反，他說時空的彎曲是因為有了大質量的物體存在。
1916年，在愛因斯坦提出廣義相對論之後不久，卡爾·施瓦茲席爾德找到廣義相對論中場方程的代表——黑洞的一個解，可是施瓦茲·席爾德找到的這些東西卻不被人們所理解和認可，甚至是很多年都不能理解，就是愛因斯坦也從來不相信他所說的黑洞，他的意見是被很多的廣義相對論的元老都認可的。在之前，在巴黎沒有幾個人相信黑洞是存在的。它不完全是黑的，甚至是法國人所翻譯的trounoir都具有一定的懷疑性，它應該被取而代之為astreocclu或“隱星”這一類的說辭。可是，無論是哪一種名字都沒有辦法像黑洞這個名詞這樣深入人心，能抓住公眾的想象力，這激發了美國物理學家約翰·阿契巴爾德·惠勒激發了對黑洞這個領域做的大量的研究熱情。