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第22章 《时间简史》

一、概述

有着“继爱因斯坦以后世界上最杰出的理论物理学家”美誉的史蒂芬·霍金,从21岁起身患卢伽雷氏症,除了思想,只能支配三根手指、必须依靠机器才能与人交流。然而这位科学巨人,1974年当选为英国皇家学会最年轻的会员,1979年任剑桥大学卢卡逊讲座教授——这是牛顿曾经担任过的职位。霍金不仅是一个充满传奇色彩的物理天才,还是一个令人折服的生活强者。他的身体无力地蜷缩在轮椅里,思想却在宇宙的最深处飞扬,穿越时间与空间,追寻宇宙的尽头,探索黑洞的隐秘。

宇宙,星光灿烂,其中深藏着物质运动的伟大力量,它开始于一个大爆炸,正由于大爆炸和引力的抗衡,物质才被和谐地分布在宇宙的各个角落。对自己存身于其中的字宙的神秘感却永远潜存在我们每一个人的心中。因此,1988年霍金的《时间简史》出版后即在全世界造成巨大影响。在他之前,没有人能解释在宇宙“大爆炸”之前发生过什么事情。霍金以他的研究解释了形成行星和星系的物质如何被创造,以及宇宙为何能够永远膨胀下去、而不会在“大坍塌”中崩溃,从而创立了“开放性膨胀”理论。这是目前对广义相对论和量子理论所不能解释的宇宙现象最好的解答。

霍金的《时间简史》,可谓纯科学追求者的“圣经”,在全世界至今累计发行量达2000多万册,被翻译成近数十种语言文字。在西方,没有读过《时间简史》甚至会被认为是没受过教育。它之所以在出版发行以来在全世界范围内受到了读者极为热烈的欢迎,除了因为它概括了当代物理学中最尖端、人们最为关注的问题之外,还在于它的语言通俗易懂,整本书几乎没有数学符号和方程式。霍金的《时间简史》对人们的影响是相当强烈和深刻的,以至于使人们对宇宙的兴趣达到了有史以来空前的程度。

二、内容简介

你是不是在几乎对世界毫无所知的情形下进行日常生活呢?如果你想进一步了解自己所生活的宇宙,就打开史蒂芬·霍金的《时间简史》吧!在本书中,霍金教授以未受科学教育的普通人能理解的方式叙述关于“宇宙的起源和命运”的基础思想,将我们带进了一个神奇而又熟悉的世界。

《时间简史——从大爆炸到黑洞》简明扼要地论述了人类对宇宙认识和探索的历史,将现代物理学的两大理论——量子理论和广义相对论结合起来,提出了关于时间、空间、大爆炸和黑洞的具有创新性的认识,为探索完整的统一理论而迈出了坚实的一步。这本书既概括了人类历史上伟大的思想家、科学家对宇宙奥秘的艰辛探索和伟大贡献,也集中介绍了霍金本人几十年来在天文物理学研究中的突破和进展。

从宇宙大爆炸的奇点到黑洞辐射机制,霍金对量子宇宙论的发展做出了杰出的贡献。他提出的无边界条件的量子宇宙论解决了自牛顿以来一直困扰人类的“第一推力”问题。霍金认为宇宙模型是一个封闭的无边界的有限的四维时空,宇宙的诞生过程是从一个欧氏空间向洛氏时空的量子转变过程——不需要上帝的第一推力,宇宙的演化完全取决于物理定律。霍金研究关于爆炸黑洞的理论将相对论和量子力学联系起来。早在1971年他就提出:在宇宙大爆炸之后,可能形成数以百万计的微小黑洞,这个如质子般大小的空间内容集了10亿吨物质的现象。它们质量极大必须用相对论的规律来解释,而体积极小又必须用量子力学的规律来分析。1974年,霍金宣布:根据量子论的预言,这种黑洞实际上不断产生物质,释放出亚原子粒子并在最后能量耗尽时发生爆炸。这种从大爆炸到黑洞的周而复始的过程,便是宇宙创生与毁灭并再创生的过程。这无疑宣布了上帝对宇宙的贡献消失殆尽。

《时间简史》是一部将高深的理论物理通俗化的科普范本,这也是它拥有如此众多读者的原因,尽管如此,它依然是一本读起来并不轻松的书。正是了解这一点,霍金在书中充分运用了他的想像和智慧。对于喜用言语表达甚于方程式表达的读者而言,本书无疑是一本更易接受的科普巨作。

《时间简史》是一本对知识无限追求之作,是对时空本质之谜不懈探讨之作。这本创下吉尼斯世界纪录的畅销书,探讨了我们对天体物理学以及时空本质的认识的外在局限性,发人深省,阐述了当今有关宇宙的最重要的科学思想,从中我们可以领略到当代一个最富有想像力、影响深远的思想家的博大智慧。

三、大师传奇

1916年,爱因斯坦发表了广义相对论,不久,德国物理学家史瓦西得到了广义相对论方程的一个精确解。他预言存在5种不旋转、不带电的“黑洞”,并算出若要成为“黑洞”,一个质量如太阳的星体,其半径必须缩到2.96公里,而地球则需压缩到半径为0.89厘米。史瓦西提出“黑洞”概念在当时未受到人们的普遍重视。直到20世纪70年代,有一位科学奇才,把量子力学与广义相对论结合起来,进行“黑洞”表面量子效应的研究,使“黑洞”理论研究向前推进了一大步,他就是世界著名的物理学家霍金。

史蒂芬·霍金是英国理论物理学家,世界公认的引力物理科学巨人,是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。1942年1月8日他生于英格兰的牛津,其父母都在牛津城接受过高等教育。父亲法兰克·霍金是一位有名的医生和生物学家。母亲伊莎贝尔研究哲学、政治和经济学。霍金有两个妹妹和一个弟弟。霍金的父母非常注意从小培养孩子对科学的兴趣。根据几个孩子兴趣的不同而实行不同的教育方式。霍金从小非常富有想像力,他曾想出进入自己屋子的11种办法。但是,他的语言不能同他的思维同步,有时讲话还结巴。

霍金在五年级的时候,曾与几个同学一起找了许多零件制造了一台电脑,当时许多人到学校参观,引起了一场不小的轰动。1959年,霍金中学毕业并考入了牛津大学,这时他才17岁。在牛津大学霍金选学了他所喜欢的物理学,当时他在班上表现极为突出。有一次,教师布置了13道题,其他同学做了一星期,只解出一两道题,而他只用一个上午,便做了10道。他的同学说:“与他同行并进是不可能的,我们就像来自不同的星球。”

然而在大学的第三年,霍金的身体出现了麻烦,他的手已不像过去那样灵活了,腿脚也不便利,并且几次从楼梯上跌下去。但他当时并没有意识到这一征兆的严重性。当年秋天,霍金申请到剑桥大学做研究生,攻读宇宙学博士。在他进入剑桥大学后不久,21岁生日刚刚过完,他就住进了医院,后经过专家的多次会诊,被诊断为患了肌肉萎缩性侧面硬化症,无方可医。出院后不久的一个晚上,他做了一个被处死的噩梦。梦醒后,他忽然意识到:“如果被缓刑的话,还有事情值得做。”于是,他重新振作起来,开始了天文学研究生涯。随着时间的流逝,霍金的病情缓和下来,但只能依靠轮椅活动。1965年,霍金开始有关黑洞问题的研究。1974年,32岁的霍金发现,“只进不出”的黑洞具有一种完全出乎意料的特性,即由于量子力学的“隧道效应”,它会稳定地向外发射粒子,考虑了这种“蒸发”,黑洞就不再是绝对“黑”的了。他的这个惊人的创见发表几星期后,英国皇家学会就宣布他当选为该会会员,霍金成了这个世界闻名的学会有史以来最年轻的会员之一。

霍金提出“黑洞蒸发理论”的同时,他又把量子力学和引力理论结合在一起,创造了“量子宇宙论”。他说,根据量子力学,空间中充满了粒子和反粒子。黑洞存在时,一个粒子可以掉到黑洞里面去,留下它的伴侣就是黑洞发射的辐射。这就是霍金提出的被人们称为“霍金辐射”的黑洞辐射论。霍金的名字也因此在科学史上不朽。霍金还证明每个黑洞都有一定的温度,而且温度的高低与它的质量成反比。也就是说,质量大的大黑洞温度低,加上引力强,“蒸发”慢,寿命可能非常漫长;相反,质量小的小黑洞温度高,加上引力弱,“蒸发”快,寿命可能只有短暂的一瞬间。更有意思的结果是,黑洞的“蒸发”使它的质量减少,质量减少使它的温度升高,温度升高使它“蒸发”更快,“蒸发”更快使它质量更少,质量更少(这个“质量更少”是相对的)使它温度更高……如此循环反复越演越烈,最后终于以一场猛烈的爆发而告终。他的同事为他的理论欢呼。但是也有不少学者不相信霍金的黑洞辐射理论。当时苏联的天文学家也不相信,但是半年多以后,他们主动改变了态度,认可了霍金的观点。

由于其不同寻常的遭遇及在天文学上的杰出成就,霍金获得了许多荣誉。1975年,梵蒂冈授予霍金“有杰出成就的年轻科学家”称号。1978年,他又获理论物理学领域的最高荣誉“爱因斯坦奖”。1980年霍金被选为卢卡逊教授。这是一个十分崇高的职位,历史上只有牛顿等几位大科学家担任过这一教席。1982年霍金接受了圣母大学、芝加哥大学、普林斯顿大学和纽约大学的荣誉学位。伊丽莎白女王还封他为英国的荣誉骑士。1988年,霍金出版了《时间简史》后,被广泛尊崇为继爱因斯坦后最伟大的理论物理学家。

霍金以重病之身躯克服人们无法体会的病痛折磨,奋力拼搏,取得了令世人瞩目的成就。但是祸不单行,1984年他在一次访问日内瓦时得了肺炎,进行了气管切除手术,使他完全失去了讲话能力。在这一段时间里,他惟一与人沟通的方法就是由别人指着拼写板上的一个个字母,当指的是他要的字母时,他就扬起眉毛,如此一个字母一个字母地把词拼出来,交谈十分困难,更不用说写科学论文了。美国一位电脑专家得知霍金的不幸遭遇后,给他寄来了一套电脑软件。他用手或眼睛的运动来控制和选择所需要的字母拼成词,然后由语言合成器说出来。

霍金面对随时可能死亡的威胁,丝毫没有退缩。相反地,他意识到对他来说时间可能是短促的,他必须非常快速和专心致志地从事研究工作。从20世纪70年代到今天,他先是被禁锢到轮椅上,后来又失去说话的能力,但他那枯槁的躯体里却有一个出类拔萃的头脑和一颗不屈不挠的心。他每活一天都是在创造一个新的医学纪录。直到今天,他还在艰难地活着、战斗着。