前沿科學(xué)家對(duì)宇宙的探索

時(shí)間簡(jiǎn)史

英. 史蒂芬·霍金

譯者序

宇宙論是一門既古老又年輕的學(xué)科。作為宇宙里高等生物的人類不會(huì)滿足于自身的生存和種族的綿延，還一代代不懈地探索著存在和生命的意義。但是，人類理念的進(jìn)化是極其緩慢和艱苦的。從亞里士多德--托勒密的地心說(shuō)到哥白尼--伽利略的日心說(shuō)的演化就花了2000年的時(shí)間。令人吃驚的是，盡管人們知道世間的一切都在運(yùn)動(dòng)，只是到了本世紀(jì)20年代因哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移定律后，宇宙演化的觀念才進(jìn)入人類的意識(shí)。人們甚至從來(lái)沒(méi)有想到過(guò)宇宙還會(huì)演化。牛頓的萬(wàn)有引力定律表明，宇宙的物質(zhì)在引力作用下不可能處于穩(wěn)定的狀態(tài)。即使在愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論中，情況也好不到哪兒去，為了得到一個(gè)穩(wěn)定的宇宙模型，他曾將宇宙常數(shù)引進(jìn)理論中。他們都希望在自己的理論中找到穩(wěn)定的宇宙模型?？梢?jiàn)，宇宙演化的觀念并不是產(chǎn)生于這些天才的頭腦之中。

將哈勃的發(fā)現(xiàn)當(dāng)成現(xiàn)代宇宙論的誕生是公平的。哈勃發(fā)現(xiàn)，從星系光譜的紅移可以推斷，越遠(yuǎn)的星系以越快的速度離開我們而去，這表明整個(gè)宇宙處于膨脹的狀態(tài)。從時(shí)間上倒溯到過(guò)去，估計(jì)在100億到200億年前曾經(jīng)發(fā)生過(guò)一樁開天辟地的大事件，即宇宙從一個(gè)極其緊致、極熱的狀態(tài)中大爆炸而產(chǎn)生。伽莫夫在1948年發(fā)表的一篇關(guān)于熱大爆炸模型的文章中作出了一個(gè)驚人的預(yù)言，早期大爆炸的輻射仍殘存在我們周圍，不過(guò)由于宇宙膨脹引起的紅移，其絕對(duì)溫度只余下幾度左右，在這種溫度下，輻射是處于微波的波段。但在1965年彭齊亞斯和威爾遜觀測(cè)到宇宙微波背景輻射之前，人們并不認(rèn)真對(duì)待此預(yù)言。

一般認(rèn)為，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是用于描述宇宙演化的正確的理論。在經(jīng)典廣義相對(duì)論的框架里，霍金和彭羅斯證明了，在很一般的條件下，空間--時(shí)間一定存在奇點(diǎn)，最著名的奇點(diǎn)即是黑洞里的奇點(diǎn)以及宇宙大爆炸處的奇點(diǎn)。在奇點(diǎn)處，所有定律以及可預(yù)見(jiàn)性都失效。奇點(diǎn)可以看成空間時(shí)間的邊緣或邊界。只有給定了奇點(diǎn)處的邊界條件，才能由愛(ài)因斯坦方程得到宇宙的演化。由于邊界條件只能由宇宙外的造物主所給定，所以宇宙的命運(yùn)就操縱在造物主的手中。這就是從牛頓時(shí)代起一直困擾人類智慧的第一推動(dòng)問(wèn)題。

如果空間--時(shí)間沒(méi)有邊界，則就不必勞駕上帝進(jìn)行第一推動(dòng)了。這只有在量子引力論中才能做到?；艚鹫J(rèn)為宇宙的量子態(tài)是處于一種基態(tài)，空間--時(shí)間可看成一有限無(wú)界的四維面，正如地球的表面一樣，只不過(guò)多了兩個(gè)維數(shù)而已。宇宙中的所有結(jié)構(gòu)都可歸結(jié)于量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理所允許的最小起伏。從一些簡(jiǎn)單的模型計(jì)算可得出和天文觀測(cè)相一致的推論，如星系、恒星等等的成團(tuán)結(jié)構(gòu)，大尺度的各向同性和均勻性，空間--時(shí)間的平性，即空間-- 時(shí)間基本上是平坦的，并因此才使得星系乃至生命的發(fā)展成為可能，還有時(shí)間的方向箭頭等等。霍金的量子宇宙論的意義在于它真正使宇宙論成為一門成熟的科學(xué)，它是一個(gè)自足的理論，即在原則上，單憑科學(xué)定律我們便可以將宇宙中的一切都預(yù)言出來(lái)。

本書作者是當(dāng)代最重要的廣義相對(duì)論家和宇宙論家。 70年代他和彭羅斯一道證明了著名的奇性定理，為此他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎(jiǎng)。他還證明了黑洞的面積定理，即隨著時(shí)間的增加黑洞的面積不減。這很自然使人將黑洞的面積和熱力學(xué)的熵聯(lián)系在一起。1973年，他考慮黑洞附近的量子效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)黑洞會(huì)像黑體一樣發(fā)出輻射，其輻射的溫度和黑洞質(zhì)量成反比，這樣黑洞就會(huì)因?yàn)檩椛涠冃。鴾囟葏s越變?cè)礁?，它以最后一刻的爆炸而告終。黑洞輻射的發(fā)現(xiàn)具有板其基本的意義，它將引力、量子力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)一在一起。

1974年以后，他的研究轉(zhuǎn)向量子引力論。雖然人們還沒(méi)有得到一個(gè)成功的理論，但它的一些特征已被發(fā)現(xiàn)。例如，空間--時(shí)間在普郎克尺度（10＾-33厘米）下不是平坦的，而是處于一種泡沫的狀態(tài)。在量子引力中不存在純態(tài)，因果性受到破壞，因此使不可知性從經(jīng)典統(tǒng)計(jì)物理、量子統(tǒng)計(jì)物理提高到了量子引力的第三個(gè)層次。

1980年以后，他的興趣轉(zhuǎn)向量子宇宙論。

本書的副題是從大爆炸到黑洞?；艚鹫J(rèn)為他一生的貢獻(xiàn)是，在經(jīng)典物理的框架里，證明了黑洞和大爆炸奇點(diǎn)的不可避免性，黑洞越變?cè)酱?；但在量子物理的框架里，他指出，黑洞因輻射而越變?cè)叫?，大爆炸的奇點(diǎn)不但被量子效應(yīng)所抹平，而且整個(gè)宇宙正是起始于此。

理論物理學(xué)的細(xì)節(jié)在未來(lái)的20年中還會(huì)有變化，但就觀念而言，現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)完備了。

霍金的生平是非常富有傳奇性的，在科學(xué)成就上，他是有史以來(lái)最杰出的科學(xué)家之一，他的貢獻(xiàn)是在他20年之久被盧伽雷病禁錮在輪椅上的情況下做出的，這真正是空前的。因?yàn)樗呢暙I(xiàn)對(duì)于人類的觀念有深遠(yuǎn)的影響，所以媒介早已有許多關(guān)于他如何與全身癱瘓作搏斗的描述。盡管如此，譯者之一于1979年第一回見(jiàn)到他時(shí)的情景至今還歷歷在目。那是第一次參加劍橋霍金廣義相對(duì)論小組的討論班時(shí)，門打開后，忽然腦后響起一種非常微弱的電器的聲音，回頭一看，只見(jiàn)一個(gè)骨瘦如柴的人斜躺在電動(dòng)輪椅上，他自己驅(qū)動(dòng)著電開關(guān)。譯者盡量保持禮貌而不顯出過(guò)分吃驚，但是他對(duì)首次見(jiàn)到他的人對(duì)其殘廢程度的吃驚早已習(xí)慣。他要用很大努力才能舉起頭來(lái)。在失聲之前，只能用非常微弱的變形的語(yǔ)言交談，這種語(yǔ)言只有在陪他工作、生活幾個(gè)月后才能通曉。他不能寫字，看書必須依賴于一種翻書頁(yè)的機(jī)器，讀文獻(xiàn)時(shí)必須讓人將每一頁(yè)攤平在一張大辦公桌上，然后他驅(qū)動(dòng)輪椅如蠶吃桑葉般地逐頁(yè)閱讀。人們不得不對(duì)人類中居然有以這般堅(jiān)強(qiáng)意志追求終極真理的靈魂從內(nèi)心產(chǎn)生深深的敬意。從他對(duì)譯者私事的幫助可以體會(huì)到，他是一位富有人情味的人。每天他必須驅(qū)動(dòng)輪椅從他的家--劍橋西路5號(hào)，經(jīng)過(guò)美麗的劍河、古老的國(guó)王學(xué)院駛到銀街的應(yīng)用數(shù)學(xué)和理論物理系的辦公室。該系為了他的輪椅行走便利特地修了一段斜坡。

在富有學(xué)術(shù)傳統(tǒng)的劍橋大學(xué)，他目前擔(dān)任著也許是有史以來(lái)最為崇高的教授職務(wù)，那是牛頓和狄拉克擔(dān)任過(guò)的盧卡遜數(shù)學(xué)教授。

本書譯者之一曾受教于霍金達(dá)四年之久，并在他的指導(dǎo)下完成了博士論文。此書即是受霍金之托而譯成中文，以供占人類五分之一的人口了解他的學(xué)說(shuō)。

--許明賢　　吳忠超

感　謝

1982年我在哈佛作過(guò)洛伊伯（Loeb）演講之后，決定嘗試寫一本關(guān)于空間和時(shí)間的通俗讀物。從像史蒂芬·溫伯格《最初三分鐘》那么好的，到那些甚至我都不想點(diǎn)名的差勁的，關(guān)于早期宇宙和黑洞的書已經(jīng)出版了可觀的數(shù)量。然而，我覺(jué)得它們之中的任何一本都未真正提到那些導(dǎo)致我研究宇宙學(xué)和量子理論的動(dòng)機(jī)的問(wèn)題：宇宙從何而來(lái)？它為什么，井怎么樣開始的？它會(huì)有末日嗎？如果有的話，會(huì)發(fā)生什么？這些是我們大家都感興趣的問(wèn)題。但是現(xiàn)代科學(xué)變得如此之技術(shù)化，以至于僅有極少數(shù)的專家能掌握解釋這些問(wèn)題所用到的數(shù)學(xué)。不過(guò)關(guān)于宇宙的起源和命運(yùn)的基本概念則可以離開數(shù)學(xué)，以一種沒(méi)有受過(guò)科學(xué)訓(xùn)練的人也能理解的形式來(lái)加以陳述。這就是我在這本書里試圖要做的，是否成功則要由讀者判斷了。

有人告訴我，我放在書中的每一個(gè)方程都會(huì)使本書的銷售量減半，為此我決定一個(gè)方程也不用。然而，在最后我確實(shí)用了一個(gè)方程，即愛(ài)因斯坦著名的方程E＝mc＾2，我希望這個(gè)方程不會(huì)嚇跑一半我的潛在讀者。

除了夠倒霉地得了盧伽雷即運(yùn)動(dòng)神經(jīng)細(xì)胞的病外，我?guī)缀踉谄渌總€(gè)方面都是幸運(yùn)兒。我從我的妻子筒、我的孩子羅伯特、露西和梯米那兒得到的幫助和支持，使我能有一個(gè)相當(dāng)正常的生活和成功的事業(yè)。我選擇了理論物理是又一大幸，因?yàn)樗钦麄€(gè)用腦進(jìn)行的。所以我的癱瘓并沒(méi)有成為一個(gè)嚴(yán)重的障礙。我的科學(xué)同事無(wú)一例外地都是非常樂(lè)于助人的。

在我生涯的第一個(gè)"經(jīng)典"相期間，我主要的合作者及助手有羅杰·彭羅斯、羅伯特·格羅許、布蘭登·卡特和喬治·埃里斯。我對(duì)他們給予我的幫助以及我們一起做的工作深表感謝。這一相被概括為我和埃里斯合寫于1973年的《空間時(shí)間的大尺度結(jié)構(gòu)》一書中。我并不主張本書的讀者去啃那本書來(lái)獲得進(jìn)一步的了解：它是高度技術(shù)性的，很難讀通。我希望從寫了那本書之后我懂得了用何種寫法才能容易被理解。

在我的工作的第二個(gè)"量子"相期間，從1974年起我主要的合作者是蓋瑞·吉朋斯、當(dāng)·佩奇和詹姆·哈特爾。我欠了他們和我的學(xué)生們很多情。他們不僅在身體上，而且在理論上都給了我極大的幫助。保持和我的學(xué)生相處在一起是一個(gè)巨大的激勵(lì)，同時(shí)我希望這能幫助我免于因循守舊。

就這本書而言，我從我的一個(gè)學(xué)生布里安·維特那兒得到許多幫助。1985年我在完成了第一稿后得了肺炎。我不得不接受穿氣管的手術(shù)。這個(gè)手術(shù)使我喪失了說(shuō)話的能力，從而使我?guī)缀鯚o(wú)法和人交談。我想可能完成不了這本書了。然而，布里安不僅幫助我修改，還使我學(xué)會(huì)使用一個(gè)叫做"生活中心"的通訊程序。這是由加利福尼亞太陽(yáng)谷峨而茲·帕拉斯公司的瓦特·沃爾托茲捐贈(zèng)的，我可以用它寫書和寫論文，并用語(yǔ)言合成器對(duì)人講話。這合成器也是由加利福尼亞太陽(yáng)谷的語(yǔ)言及其他公司捐贈(zèng)的。語(yǔ)言合成器和一個(gè)小型的個(gè)人計(jì)算機(jī)由大衛(wèi)·梅森裝在我的輪椅上。這個(gè)系統(tǒng)使我有了巨大的變化：實(shí)際上我現(xiàn)在能夠通訊得比我失聲之前還要好。

我從大量看過(guò)最初稿的人那兒得到如何改進(jìn)此書的建議，特別是我的拜泰姆書社的編輯彼得·古查底送給我厚厚的一迭關(guān)于他覺(jué)得我還沒(méi)有適當(dāng)說(shuō)清楚的地方的評(píng)語(yǔ)和疑問(wèn)。我必須承認(rèn)。當(dāng)我收到他長(zhǎng)長(zhǎng)的要修改的地方的清單時(shí)相當(dāng)惱火?？墒?，他是完全對(duì)的。我相信在他的酷使下，最終使這本書變得更好。

我非常感謝我的助手柯林·威廉斯、大衛(wèi)·托瑪斯和雷蒙·拉夫勒蒙；我的秘書朱迪·費(fèi)拉、安·若爾夫、謝銳爾·比林頓和舒·馬賽以及我的護(hù)士班。若沒(méi)有龔維爾和凱爾斯學(xué)院、科學(xué)工程研究協(xié)會(huì)、賴佛荷爾姆、馬克阿瑟、納菲爾德及若爾夫·斯密斯基金會(huì)所提供的我的研究和醫(yī)藥費(fèi)用，所有這一切都是不可能的。對(duì)此謹(jǐn)表謝意。

——史蒂芬·霍金
1987年10月20日

導(dǎo)　言

我們?cè)趲缀鯇?duì)世界毫無(wú)了解的情形下進(jìn)行日常生活。我們對(duì)于使生命得以實(shí)現(xiàn)的陽(yáng)光的產(chǎn)生機(jī)制，對(duì)于將我們束縛在地球上，否則我們就會(huì)以渦旋的軌道被拋到太空去的重力，對(duì)于我們由之構(gòu)成并依賴其穩(wěn)定性的原子思考得很少。除了小孩（他們知道太少，會(huì)不知輕重地問(wèn)重要的問(wèn)題），我們中很少人會(huì)用大量時(shí)間驚訝自然界為何這個(gè)樣子；宇宙從何而來(lái)或它是否總在這兒；時(shí)間會(huì)不會(huì)有朝一日倒流，并因此導(dǎo)致果先于因；或者人類認(rèn)識(shí)是否有一最終的權(quán)限。甚至我曾遇到一些小孩，他們想要知道黑洞是什么樣的？物質(zhì)的最小的部份是什么？為何我們記住過(guò)去而不是將來(lái)；如果早先是紊亂的，則今天顯然是有序的，這究竟是怎么回事？為何存在一個(gè)宇宙？

在我們社會(huì)里，父母或老師仍然依慣例用聳肩膀或借助模糊回想起的宗教格言去回答這些問(wèn)題的大部份。有一些人則對(duì)這一類的問(wèn)題感到不舒服，因?yàn)樗鼈內(nèi)绱松鷦?dòng)地暴露了人類理解的局限性。

但是，哲學(xué)和科學(xué)的大部份即是由這種好奇心所驅(qū)動(dòng)的。越來(lái)越多的成年人愿意問(wèn)這類問(wèn)題，并且他們偶爾得到一些使其驚奇的答案。我們這些離開原子和恒星同樣遠(yuǎn)的人類，正在擴(kuò)大自己探索的視野去擁抱這非常小和非常大的對(duì)象。

1974年初，大約在海盜空間飛船登陸火星之前兩年，我參加在英國(guó)由倫敦皇家學(xué)會(huì)主辦的關(guān)于探索如何尋找天外生命的會(huì)議。

在會(huì)議中間休息時(shí)，我注意到在隔壁的大廳里正舉行一個(gè)更大得多的會(huì)議，出于好奇心我進(jìn)去了。我很快意識(shí)到自己見(jiàn)證了一個(gè)古代的儀式，是一個(gè)新會(huì)員參加皇家學(xué)會(huì)--這個(gè)本行星上最古老的學(xué)術(shù)組織的授職式。前排一位在輪椅中的年輕人正非常緩慢地將他的名字簽在一本書上，而這本書的最前頁(yè)是伊薩克·牛頓的簽名。當(dāng)他最后簽好時(shí)，大廳里響起了一陣響亮的掌聲。史蒂芬·霍金，甚至在那時(shí)就是一位傳說(shuō)中的人物。

現(xiàn)在霍金是劍橋大學(xué)的盧卡遜數(shù)學(xué)教授。這個(gè)職務(wù)曾為牛頓，后來(lái)又為狄拉克，這兩位非常大和非常小的世界的有名的探索者擔(dān)任過(guò)。他是他們的毫不遜色的繼承人。這本霍金首次為非專家寫的書，會(huì)給外行讀者以多種類的酬勞。和這本書的廣泛的內(nèi)容一樣有趣的是對(duì)作者智力工作的瀏覽。物理、天文、宇宙學(xué)和勇氣的前沿被清晰地呈現(xiàn)在本書之中。

這又是一本關(guān)于上帝……或許是關(guān)于上帝不存在的書。處處充滿了上帝這個(gè)字眼?；艚鹬只卮饜?ài)因斯坦著名的關(guān)于上帝在創(chuàng)生宇宙時(shí)有無(wú)選擇性的問(wèn)題。正如霍金明白聲稱的，他企圖要去理解上帝的精神。這使得迄今所有努力的結(jié)論更加出人意外：一個(gè)空間上無(wú)邊緣、時(shí)間上無(wú)始無(wú)終、并且造物主無(wú)所事事的宇宙。

——卡爾·沙岡
康奈爾大學(xué)
綺色佳，紐約州

第一章　我們的宇宙圖象

一位著名的科學(xué)家（據(jù)說(shuō)是貝特郎·羅素）曾經(jīng)作過(guò)一次關(guān)于天文學(xué)方面的講演。他描述了地球如何繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，以及太陽(yáng)又是如何繞著我們稱之為星系的巨大的恒星群的中心轉(zhuǎn)動(dòng)。演講結(jié)束之時(shí)，一位坐在房間后排的矮個(gè)老婦人站起來(lái)說(shuō)道："你說(shuō)的這些都是廢話。這個(gè)世界實(shí)際上是馱在一只大烏龜?shù)谋成系囊粔K平板。"這位科學(xué)家很有教養(yǎng)地微笑著答道："那么這只烏龜是站在什么上面的呢？""你很聰明，年輕人，的確很聰明，"老婦人說(shuō)，"不過(guò)，這是一只馱著一只一直馱下去的烏龜群啊！"

大部分人會(huì)覺(jué)得，把我們的宇宙喻為一個(gè)無(wú)限的烏龜塔相當(dāng)荒謬，可是為什么我們自以為知道得更多一些呢？我們對(duì)宇宙了解了多少？而我們又是怎樣才知道的呢？宇宙從何而來(lái)，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在這開端之前發(fā)生了什么？時(shí)間的本質(zhì)是什么？它會(huì)有一個(gè)終結(jié)嗎？在物理學(xué)上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)，從而對(duì)于回答這些長(zhǎng)期以來(lái)懸而未決問(wèn)題中的某些問(wèn)題有所啟發(fā)。也許有一天這些答案會(huì)像我們認(rèn)為地球繞著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)那樣顯而易見(jiàn)--當(dāng)然也可能像烏龜塔那般荒唐可笑。不管怎樣，唯有讓時(shí)間來(lái)判斷了。

早在公元前340年，希臘哲學(xué)家亞里士多德在他的《論天》一書中，就已經(jīng)能夠?qū)τ诘厍蚴且粋€(gè)圓球而不是一塊平板這一論點(diǎn)提出兩個(gè)很好的論據(jù)。第一，他認(rèn)為月食是由于地球運(yùn)行到太陽(yáng)與月亮之間而造成的。地球在月亮上的影子總是圓的，這只有在地球本身為球形的前提下才成立。如果地球是一塊平坦的圓盤，除非月食總是發(fā)生在太陽(yáng)正好位于這個(gè)圓盤中心之下的時(shí)候，否則地球的影子就會(huì)被拉長(zhǎng)而成為橢圓。第二，希臘人從旅行中知道，在越往南的地區(qū)看星空，北極星則顯得越靠近地平線。（因?yàn)楸睒O星位于北極的正上方，所以它出現(xiàn)在處于北極的觀察者的頭頂上，而對(duì)于赤道上的觀察者，北極星顯得剛好在地平線上。）根據(jù)北極星在埃及和在希臘呈現(xiàn)出來(lái)的位置的差別，亞里士多德甚至估計(jì)地球大圓長(zhǎng)度為 400斯特迪亞。現(xiàn)在不能準(zhǔn)確地知道，一個(gè)斯特迪亞的長(zhǎng)度究竟是多少，但也許是200碼左右，這樣就使得亞里士多德的估計(jì)為現(xiàn)在所接受數(shù)值的兩倍。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個(gè)論據(jù)，否則何以從地平線外駛來(lái)的船總是先露出船帆，然后才是船身？

亞里士多德認(rèn)為地球是不動(dòng)的，太陽(yáng)、月亮、行星和恒星都以圓周為軌道圍繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)。他相信這些，是由于神秘的原因，他感到地球是宇宙的中心，而且圓周運(yùn)動(dòng)最為完美。在公元后兩世紀(jì)，這個(gè)思想被托勒密精制成一個(gè)完整的宇宙學(xué)模型。地球處于正中心，包圍著它的是八個(gè)天球，這八個(gè)天球分別負(fù)載著月亮、太陽(yáng)、恒星和五個(gè)當(dāng)時(shí)已知的行星：水星、金星、火星、木星和土星（圖1.1）。這些行星被認(rèn)為是沿著附在相應(yīng)天球上的更小的圓周運(yùn)動(dòng)，以說(shuō)明它們?cè)谔炜罩斜挥^察到的相當(dāng)復(fù)雜的軌跡。最外層的天球被鑲上固定的恒星，它們總是停在不變的相對(duì)位置，但是總體繞著天空旋轉(zhuǎn)。最后一層天球之外為何物一直不清楚，但有一點(diǎn)是肯定的，它不是人類所能觀測(cè)到的宇宙的部分。

圖1.1從最里面往最外面順序?yàn)樵铝燎?、水星球、金星球、太?yáng)球、火星球、木星球、土星球和固定恒星球。最中心為地球。

托勒密模型為預(yù)言天體在天空的位置提供了相當(dāng)精密的系統(tǒng)。但為了正確地預(yù)言這些位置，托勒密必須假定月亮軌道有時(shí)離地球比其他時(shí)候要近一倍，這意味著月亮有時(shí)看起來(lái)要比其他時(shí)候大一倍。托勒密承認(rèn)這個(gè)瑕疵，盡管如此，他的模型雖然不是普遍地、卻是廣泛地被接受。它被基督教接納為與《圣經(jīng)》相一致的宇宙圖象。這是因?yàn)樗哂芯薮蟮膬?yōu)點(diǎn)，即在固定恒星天球之外為天堂和地獄留下了很多地方。

然而，1514年一位名叫尼古拉·哥白尼的教士提出了一個(gè)更簡(jiǎn)單的模型。（起初，可能由于害怕教會(huì)對(duì)異端的迫害，哥白尼只能將他的模型匿名地流傳。）他的觀念是，太陽(yáng)是靜止地位于中心，而地球和其他行星繞著太陽(yáng)作圓周運(yùn)動(dòng)。將近一個(gè)世紀(jì)以后，他的觀念才被認(rèn)真地接受。后來(lái)，兩位天文學(xué)家--德國(guó)的約翰斯·開普勒和意大利的伽利雷·伽利略開始公開支持哥白尼的理論，盡管它所預(yù)言的軌道還不能完全與觀測(cè)相符合。直到1609年，亞里士多德--托勒密的理論才宣告死亡。那一年，伽利略用剛發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡來(lái)觀測(cè)夜空。當(dāng)他觀測(cè)木星時(shí)，發(fā)現(xiàn)有幾個(gè)小衛(wèi)星或月亮繞著它轉(zhuǎn)動(dòng)。這表明不象亞里士多德和托勒密所設(shè)想的，并不是所有的東西都必須直接圍繞著地球轉(zhuǎn)。（當(dāng)然，仍然可能相信地球是靜止地處于宇宙的中心，而木星的衛(wèi)星沿著一種極其復(fù)雜的軌道繞地球運(yùn)動(dòng)，表觀上看來(lái)它們是繞著木星轉(zhuǎn)動(dòng)。然而哥白尼理論是簡(jiǎn)單得多了。）同時(shí)，開普勒修正了哥白尼理論，認(rèn)為行星不是沿圓周而是沿橢圓（橢圓是被拉長(zhǎng)的圓）運(yùn)動(dòng)，從而使預(yù)言最終和觀察相互一致了。

就開普勒而言，橢圓軌道僅僅是想當(dāng)然的，并且是相當(dāng)討厭的假設(shè)，因?yàn)闄E圓明顯地不如圓那么完美。雖然他幾乎是偶然地發(fā)現(xiàn)橢圓軌道能很好地和觀測(cè)相符合，但卻不能把它和他的行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)是由于磁力引起的另一思想相互調(diào)和起來(lái)。對(duì)這一切提供解釋是晚得多的事，那是由于1687年伊薩克·牛頓爵士出版了他的《數(shù)學(xué)的自然哲學(xué)原理》，這部也許是有史以來(lái)物理科學(xué)上最重要的單獨(dú)的著作。在這本書中，牛頓不但提出物體如何在空間和時(shí)間中運(yùn)動(dòng)的理論，并且發(fā)展了為分析這些運(yùn)動(dòng)所需的復(fù)雜的數(shù)學(xué)。此外，牛頓提出了萬(wàn)有引力定律，根據(jù)這定律，宇宙中的任一物體都被另外物體所吸引，物體質(zhì)量越大，相互距離越近，則相互之間的吸引力越大。這也就是使物體落到地面上的力。（由于一個(gè)蘋果落到牛頓的頭上而使他得到靈感的故事，幾乎肯定是不足憑信的。所有牛頓自己說(shuō)過(guò)的只是，當(dāng)他陷入沉思之時(shí)，一顆蘋果的落下使他得到了萬(wàn)有引力的思想。）牛頓繼而指出，根據(jù)他的定律，引力使月亮沿著橢圓軌道繞著地球運(yùn)行，而地球和其他行星沿著橢圓軌道繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)。

哥白尼的模型擺脫了托勒密的天球，以及與其相關(guān)的宇宙存在著自然邊界的觀念。"固定恒星"除了由于地球繞著自身的軸自轉(zhuǎn)引起的穿越天空的轉(zhuǎn)動(dòng)外，不改變它們的位置，很自然會(huì)使人設(shè)想到固定恒星是和我們的太陽(yáng)類似的物體，只是比太陽(yáng)離開我們遠(yuǎn)得多了。

按照他的引力理論，牛頓意識(shí)到恒星應(yīng)該相互吸引，看來(lái)它們不能保持基本上不動(dòng)。那么它們會(huì)一起落到某處去嗎？在1691年寫給當(dāng)時(shí)另一位最重要的思想家里查德·本特里的一封信中，他論證道，如果只有有限顆恒星分布在一個(gè)有限的空間區(qū)域里，這確實(shí)是會(huì)發(fā)生的。但是另一方面，他推斷如果存在無(wú)限多顆恒星，多少均勻地分布于無(wú)限的空間，這種情形就不會(huì)發(fā)生，因?yàn)檫@時(shí)不存在任何一個(gè)它們落去的中心點(diǎn)。

當(dāng)人們議論到無(wú)窮時(shí)，這種論證是你會(huì)遭遇到的一種陷阱。在一個(gè)無(wú)限的宇宙，每一點(diǎn)都可以認(rèn)為是中心，因?yàn)樵谒拿恳贿叾加袩o(wú)限顆恒星。正確的方法是很久以后才被意識(shí)到的，即是先考慮有限的情形，這時(shí)所有恒星都相互落到一起，然后在這個(gè)區(qū)域以外，大體均勻地加上更多的恒星，看情況會(huì)如何改變。按照牛頓定律，這額外的恒星平均地講對(duì)原先的那些根本沒(méi)有什么影響，所以這些恒星還是同樣快地落到一起。我們?cè)敢饧由隙嗌俸阈蔷涂梢约由隙嗌?，但是它們?nèi)匀豢偸翘s在一起。現(xiàn)在我們知道，由于引力總是吸引的，不可能存在一個(gè)無(wú)限的靜態(tài)的宇宙模型。

在20世紀(jì)之前從未有人暗示過(guò)，宇宙是在膨脹或是在收縮，這有趣地反映了當(dāng)時(shí)的思維風(fēng)氣。一般認(rèn)為，宇宙或是以一種不變的狀態(tài)已存在了無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間，或以多多少少正如我們今天所看的樣子被創(chuàng)生于有限久的過(guò)去。其部分的原因可能是，人們傾向于相信永恒的真理，也由于雖然人會(huì)生老病死，但宇宙必須是不朽的、不變的這種觀念才能給人以安慰。

甚至那些意識(shí)到牛頓的引力理論導(dǎo)致宇宙不可能靜止的人，也沒(méi)有想到提出宇宙可能是在膨脹。相反的，他們?cè)噲D修正理論，使引力在非常大距離時(shí)成為斥力。這不會(huì)對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的預(yù)言有重大的影響，然而卻允許無(wú)限顆恒星的分布保持平衡--鄰近恒星之間的吸引力被遠(yuǎn)隔恒星之間的斥力所平衡。然而，現(xiàn)在我們知道，這樣的平衡是不穩(wěn)定的：如果某一區(qū)域內(nèi)的恒星稍微互相靠近一些，引力就增強(qiáng)，并超過(guò)斥力的作用，這樣這些恒星就會(huì)繼續(xù)落到一起。反之，如果某一區(qū)域內(nèi)的恒星稍微互相遠(yuǎn)離一些，斥力就起主導(dǎo)作用，并驅(qū)使它們離得更開。

另一個(gè)反對(duì)無(wú)限靜止宇宙的異見(jiàn)通常是歸功于德國(guó)哲學(xué)家亨利?！W勃斯，1823年他發(fā)表了這個(gè)理論。事實(shí)上，牛頓的同時(shí)代的一些人已經(jīng)提出過(guò)這個(gè)問(wèn)題。甚至奧勃斯的文章也不是貌似有理地反駁這模型的第一篇。不管怎么說(shuō)，這是第一篇被廣泛注意的文章。這無(wú)限靜止模型的困難，在于幾乎每一道視線必須終結(jié)于某一恒星的表面。這樣，人們可以預(yù)料，整個(gè)天空甚至在夜晚都會(huì)像太陽(yáng)那么明亮。奧勃斯反駁說(shuō)，遠(yuǎn)處恒星的光線由于被它所穿過(guò)的物質(zhì)吸收所減弱。然而如果真是如此，這相干的物質(zhì)將會(huì)最終被加熱到發(fā)出和恒星一樣強(qiáng)的光為止。唯一的能避免整個(gè)天空像太陽(yáng)那么亮的結(jié)論的方法是，假定恒星并不是永遠(yuǎn)那么亮，而是在有限久的過(guò)去才開始發(fā)光。這種情況下，吸光物質(zhì)還沒(méi)加熱，或者遠(yuǎn)處恒星的光線尚未到達(dá)我們這兒。這使我們面臨著是什么首次使恒星發(fā)光的問(wèn)題。

當(dāng)然，宇宙開端的問(wèn)題在這之前很久就被討論過(guò)。根據(jù)一些早先的宇宙論和猶太人／基督教／穆斯林傳統(tǒng)，宇宙開端于有限的、并且不是非常遠(yuǎn)的過(guò)去的某一時(shí)刻。對(duì)這樣一個(gè)開端，有一種議論是感到必須有"第一原因"來(lái)解釋宇宙的存在。（在宇宙中，你總可以將一個(gè)事件解釋為由于另一個(gè)更早的事件所引起的，但是宇宙本身的存在只有當(dāng)存在某個(gè)開端時(shí)才能被解釋。）另一種論證是圣·奧古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出的。他指出，文明在進(jìn)步，我們將記住創(chuàng)造這些業(yè)績(jī)和發(fā)展技術(shù)的人們。這樣人，也許宇宙，不可能已經(jīng)存在了太長(zhǎng)的時(shí)間。圣·奧古斯丁根據(jù)《創(chuàng)世紀(jì)》一書，接受公元前5000年作為宇宙的被創(chuàng)生的時(shí)間。（有趣的是，這和上一次的冰河時(shí)間的結(jié)束，大約公元前1 年相距不遠(yuǎn)?？脊艑W(xué)家告訴我們，文明實(shí)際上是從那時(shí)開始的。）

另一方面，亞里士多德和大多數(shù)其他希臘哲學(xué)家不喜歡創(chuàng)生的思想，因?yàn)樗鼛в刑嗟纳駥W(xué)干涉的味道。所以他們相信，人類及其周圍的世界已經(jīng)并且將繼續(xù)永遠(yuǎn)存在。古代的人們已經(jīng)考慮到上述的文明進(jìn)步的論點(diǎn)，用周期性洪水或其他災(zāi)難的重復(fù)出現(xiàn)，使人類回到文明的開初，來(lái)回答上面的話難。

1781年，哲學(xué)家伊曼努爾·康德發(fā)表了里程碑般的（也是非常模糊的）著作--《純粹理性批判》，在這本書中，他深入地考察了關(guān)于宇宙在時(shí)間上是否有開端、空間上是否有極限的問(wèn)題。他稱這些問(wèn)題為純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因?yàn)樗械酱嬖谕瑯恿钊诵欧恼摀?jù)，來(lái)證明宇宙有開端的正命題，以及宇宙已經(jīng)存在無(wú)限久的反命題。他對(duì)正命題的論證是：如果宇宙沒(méi)有一個(gè)開端，則任何事件之前必有無(wú)限的時(shí)間。他認(rèn)為這是荒謬的。他對(duì)反命題的論證是：如果宇宙有一開端，在它之前必有無(wú)限的時(shí)間，為何宇宙必須在某一特定的時(shí)刻開始呢？事實(shí)上，他對(duì)正命題和反命題用了同樣的論證。它們都是基于他的隱含的假設(shè)，即不管宇宙是否存在了無(wú)限久，時(shí)間均可無(wú)限地倒溯回去。我們將會(huì)看到，在宇宙開端之前時(shí)間概念是沒(méi)有意義的。這一點(diǎn)是圣·奧古斯丁首先指出的。當(dāng)他被問(wèn)及：上帝在創(chuàng)造宇宙之前做什么？奧古斯丁沒(méi)有這樣地回答：他正為問(wèn)這類問(wèn)題的人準(zhǔn)備地獄。而是說(shuō)：時(shí)間是上帝所創(chuàng)造的宇宙的一個(gè)性質(zhì)，在宇宙開端之前不存在。

當(dāng)大部分人相信一個(gè)本質(zhì)上靜止不變的宇宙時(shí)，關(guān)于它有無(wú)開端的問(wèn)題，實(shí)在是一個(gè)形而上學(xué)或神學(xué)的問(wèn)題。按照宇宙存在無(wú)限久的理論，或者按照宇宙在某一個(gè)有限時(shí)刻，以給人的印象似乎是已經(jīng)存在了無(wú)限久的樣子啟動(dòng)的理論，我們可以同樣很好地解釋所觀察到的事實(shí)。但在1929年，埃德溫·哈勃作出了一個(gè)具有里程碑意義的觀測(cè)，即是不管你往那個(gè)方向看，遠(yuǎn)處的星系正急速地遠(yuǎn)離我們而去。換言之，宇宙正在膨脹。這意味著，在早先星體相互之間更加靠近。事實(shí)上，似乎在大約100億至200億年之前的某一時(shí)刻，它們剛好在同一地方，所以那時(shí)候宇宙的密度無(wú)限大。這個(gè)發(fā)現(xiàn)最終將宇宙開端的問(wèn)題帶進(jìn)了科學(xué)的王國(guó)。

哈勃的發(fā)現(xiàn)暗示存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻，當(dāng)時(shí)宇宙的尺度無(wú)窮小，而且無(wú)限緊密。在這種條件下，所有科學(xué)定律并因此所有預(yù)見(jiàn)將來(lái)的能力都失效了。如果在此時(shí)刻之前有過(guò)些事件，它們將不可能影響現(xiàn)在所發(fā)生的一切。所以我們可以不理它們，因?yàn)樗鼈儾](méi)有可觀測(cè)的后果。由于更早的時(shí)間根本沒(méi)有定義，所以在這個(gè)意義上人們可以說(shuō)，時(shí)間在大爆炸時(shí)有一開端。必須強(qiáng)調(diào)的是，這個(gè)時(shí)間的開端是和早先考慮的非常不同。在一個(gè)不變的宇宙中，時(shí)間的端點(diǎn)必須由宇宙之外的存在物所賦予；宇宙的開端并沒(méi)有物理的必要性。人們可以想像上帝在過(guò)去的任何時(shí)刻創(chuàng)造宇宙。另一方面，如果宇宙在膨脹，何以宇宙有一個(gè)開端似乎就有了物理的原因。人們?nèi)匀豢梢韵胂?，上帝是在大爆炸的瞬間創(chuàng)造宇宙，或者甚至在更晚的時(shí)刻，以便它看起來(lái)就像發(fā)生過(guò)大爆炸似的方式創(chuàng)造，但是設(shè)想在大爆炸之前創(chuàng)造宇宙是沒(méi)有意義的。大爆炸模型并沒(méi)有排斥造物主，只不過(guò)對(duì)他何時(shí)從事這工作加上時(shí)間限制而已！

為了談?wù)撚钪娴男再|(zhì)和討論諸如它是否存在開端或終結(jié)的問(wèn)題，你必須清楚什么是科學(xué)理論。我將采用頭腦簡(jiǎn)單的觀點(diǎn)，即理論只不過(guò)是宇宙或它的受限制的一部分的模型，一些聯(lián)結(jié)這模型和我們所觀察的量的規(guī)則。它只存在于我們的頭腦中，（不管在任何意義上）不再具有任何其他的實(shí)在性。如果它滿足以下兩個(gè)要求，就算是好的理論：它必須在只包含一些任意元素的一個(gè)模型的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確地描述大批的觀測(cè)，并對(duì)未來(lái)觀測(cè)的結(jié)果作出確定的預(yù)言。例如，亞里士多德關(guān)于任何東西是由四元素，土、空氣、火和水組成的理論是足夠簡(jiǎn)單的了，但它沒(méi)有做出任何確定的預(yù)言。另一方面，牛頓的引力理論是基于甚至更為簡(jiǎn)單的模型，在此模型中兩物體之間的相互吸引力和它們稱之為質(zhì)量的量成正比，并和它們之間的距離的平方成反比。然而，它以很高的精確性預(yù)言了太陽(yáng)、月亮和行星的運(yùn)動(dòng)。

在它只是假設(shè)的意義上來(lái)講，任何物理理論總是臨時(shí)性的：你永遠(yuǎn)不可能將它證明。不管多少回實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和某一理論相一致，你永遠(yuǎn)不可能斷定下一次結(jié)果不會(huì)和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一個(gè)和理論預(yù)言不一致的觀測(cè)事實(shí)，即可證偽之。正如科學(xué)哲學(xué)家卡爾·波帕所強(qiáng)調(diào)的，一個(gè)好的理論的特征是，它能給出許多原則上可以被觀測(cè)所否定或證偽的預(yù)言。每回觀察到與這預(yù)言相符的新的實(shí)驗(yàn)，則這理論就幸存，并且增加了我們對(duì)它的可信度；然而若有一個(gè)新的觀測(cè)與之不符，則我們只得拋棄或修正這理論。至少被認(rèn)為這遲早總會(huì)發(fā)生的，問(wèn)題在于人們有無(wú)才干去實(shí)現(xiàn)這樣的觀測(cè)。

實(shí)際上經(jīng)常發(fā)生的是，所設(shè)計(jì)的新理論確實(shí)是原先理論的推廣。例如，對(duì)水星的非常精確的觀測(cè)揭露了它的運(yùn)動(dòng)和牛頓理論預(yù)言之間的很小差異。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論所預(yù)言的運(yùn)動(dòng)和牛頓理論略有不同。愛(ài)因斯坦的預(yù)言和觀測(cè)相符，而牛頓的預(yù)言與觀測(cè)不相符，這一事實(shí)是這個(gè)新理論的一個(gè)關(guān)鍵證據(jù)。然而我們?cè)诖蟛糠謱?shí)際情況下仍用牛頓理論，因?yàn)樵谖覀兺ǔＬ幚淼那樾蜗拢瑑烧卟顒e非常小。（牛頓理論的另一個(gè)巨大的優(yōu)點(diǎn)在于，它比愛(ài)因斯坦理論容易處理得多?。?/span>

科學(xué)的終極目的在于提供一個(gè)簡(jiǎn)單的理論去描述整個(gè)宇宙。然而，大部分科學(xué)家遵循的方法是將這問(wèn)題分成兩部分。首先，是一些告訴我們宇宙如何隨時(shí)間變化的定律；（如果我們知道在任一時(shí)刻宇宙是什么樣子的，則這些定律即能告訴我們以后的任一時(shí)刻宇宙是什么樣子的。）第二，關(guān)于宇宙初始狀態(tài)的問(wèn)題。有些人認(rèn)為科學(xué)只應(yīng)過(guò)問(wèn)第一部分，他們認(rèn)為初始狀態(tài)的問(wèn)題應(yīng)是形而上學(xué)或宗教的范疇。他們會(huì)說(shuō)，全能的上帝可以隨心所欲地啟動(dòng)這個(gè)宇宙。也許是這樣。但是，倘若那樣，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化?？墒牵雌饋?lái)他選擇宇宙以一種非常規(guī)則的、按照一定規(guī)律的方式演化。所以，看來(lái)可以同樣合理地假定，也存在著制約初始狀態(tài)的定律。

畢全功于一役地設(shè)計(jì)一種能描述整個(gè)宇宙的理論，看來(lái)是非常困難的。反之，我們是將這問(wèn)題分成許多小塊，并發(fā)明許多部分理論。每一部分理論描述和預(yù)言一定有限范圍的觀測(cè)，同時(shí)忽略其他量的效應(yīng)或用簡(jiǎn)單的一組數(shù)來(lái)代表之?？赡苓@方法是全錯(cuò)的。如果宇宙中的每一件東西都以非?；镜姆绞揭蕾囉谄渌娜魏我患|西，很可能不能用隔離法研究問(wèn)題的部分去逼近其完備的答案。盡管如此，這肯定是我們?cè)谶^(guò)去取得進(jìn)展所用的方法。牛頓引力理論又是一個(gè)經(jīng)典的例子，它告訴我們兩個(gè)物體之間的引力只決定于與每個(gè)物體相關(guān)的一個(gè)數(shù)--它的質(zhì)量；而與物體由何物組成無(wú)關(guān)。這樣，人們不需要太陽(yáng)和行星結(jié)構(gòu)和成份的理論就可以計(jì)算它們的軌道。

今天科學(xué)家按照兩個(gè)基本的部分理論--廣義相對(duì)論和量子力學(xué)來(lái)描述宇宙。它們是本世紀(jì)上半葉的偉大的智慧成就。廣義相對(duì)論是描述引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，也就是從只有幾英哩直到大至1億億億（1后面跟24個(gè)0）英哩，即可觀測(cè)到的宇宙范圍的尺度的結(jié)構(gòu)。另一方面，量子力學(xué)處理極小尺度的現(xiàn)象，例如萬(wàn)億分之一英寸。然而，可惜的是，這兩個(gè)理論不是互相協(xié)調(diào)的--它們不可能都對(duì)。當(dāng)代物理學(xué)的一個(gè)主要的努力，以及這本書的主題，即是尋求一個(gè)能將其合并在一起的理論--量子引力論。我們還沒(méi)有這樣的理論，要獲得這個(gè)理論，我們可能還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走，然而我們已經(jīng)知道了這個(gè)理論所應(yīng)具備的許多性質(zhì)。在以下幾章，人們將會(huì)看到，我們已經(jīng)知道了相當(dāng)多的量子引力論所應(yīng)有的預(yù)言。

現(xiàn)在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由確定的定律所制約的，你最終必須將這些部分理論合并成一套能描述宇宙中任何東西的完整統(tǒng)一理論。然而，在尋求這樣的完整統(tǒng)一理論中有一個(gè)基本的自相矛盾。在前面概括的關(guān)于科學(xué)理論的思想中，假定我們是有理性的生物，既可以隨意自由地觀測(cè)宇宙，又可以從觀察中得出邏輯推論。在這樣的方案里可以合理地假設(shè)，我們可以越來(lái)越接近找到制約我們宇宙的定律。然而，如果真有一套完整的統(tǒng)一理論，則它也將決定我們的行動(dòng)。這樣，理論本身將決定了我們對(duì)之探索的結(jié)果！那么為什么它必須確定我們從證據(jù)得到正確的結(jié)論？它不也同樣可以確定我們引出錯(cuò)誤的結(jié)論嗎？或者根本沒(méi)有結(jié)論？

對(duì)于這個(gè)問(wèn)題，我所能給出的回答是基于達(dá)爾文的自然選擇原理。這思想是說(shuō)，在任何自繁殖的群體中，存在有不同個(gè)體在遺傳物質(zhì)和發(fā)育上的變異。這些差異表明，某些個(gè)體比其他個(gè)體對(duì)周圍的世界更能引出正確的結(jié)論，并去適應(yīng)它。這些個(gè)體更可能存活、繁殖，因此它們的行為和思維的模式將越來(lái)越起主導(dǎo)作用。這一點(diǎn)在過(guò)去肯定是真的，即我們稱之為智慧和科學(xué)發(fā)現(xiàn)的東西給我們帶來(lái)了存活的好處。這種情況是否仍會(huì)如此不是很清楚：我們的科學(xué)發(fā)現(xiàn)也可以將我們的一切都?xì)?。即使不是這樣，一個(gè)完整的統(tǒng)一理論對(duì)于我們存活的機(jī)會(huì)不會(huì)有很大影響。然而，假定宇宙已經(jīng)以規(guī)則的方式演化至今，我們可以預(yù)期，自然選擇賦予我們的推理能力在探索完整統(tǒng)一理論時(shí)仍然有效，并因此不會(huì)導(dǎo)致我們得到錯(cuò)誤的結(jié)論。

因?yàn)槌俗顦O端的情況外，我們已有了對(duì)所有一切都足夠給出精確的預(yù)言的部分理論，看來(lái)很難以現(xiàn)實(shí)的理由為探索宇宙的終極理論辯護(hù)。（值得指出，雖然可用類似的論點(diǎn)來(lái)攻擊相對(duì)論和量子力學(xué)，但這些理論已給我們帶來(lái)了核能和微電子學(xué)的革命?。┧裕惶淄暾慕y(tǒng)一理論的發(fā)現(xiàn)可能對(duì)我們種族的存活無(wú)助，甚至也不會(huì)影響我們的生活方式。然而自從文明開始，人們即不甘心于將事件看作互不相關(guān)而不可理解的。他們渴求理解世界的根本秩序。今天我們?nèi)匀豢释?，我們?yōu)楹卧诖耍课覀儚暮味鴣?lái)？人類求知的最深切的意愿足以為我們所從事的不斷的探索提供正當(dāng)?shù)睦碛?。而我們的目?biāo)恰恰正是對(duì)于我們生存其中的宇宙作完整的描述。

第二章　空間和時(shí)間

我們現(xiàn)在關(guān)于物體運(yùn)動(dòng)的觀念來(lái)自于伽利略和牛頓。在他們之前，人們相信亞里士多德，他說(shuō)物體的自然狀態(tài)是靜止的，并且只在受到力或沖擊作用時(shí)才運(yùn)動(dòng)。這樣，重的物體比輕的物體下落得更快，因?yàn)樗艿礁蟮牧⑵淅虻厍颉?/span>

亞里士多德的傳統(tǒng)觀點(diǎn)還以為，人們用純粹思維可以找出制約宇宙的定律：不必要用觀測(cè)去檢驗(yàn)它。所以，伽利略是第一個(gè)想看看不同重量的物體是否確實(shí)以不同速度下落的人。據(jù)說(shuō)，伽利略從比薩斜塔上將重物落下，從而證明了亞里士多德的信念是錯(cuò)的。這故事幾乎不可能是真的，但是伽利略的確做了一些等同的事--將不同重量的球從光滑的斜面上滾下。這情況類似于重物的垂直下落，只是因?yàn)樗俣刃《菀子^察而已。伽利略的測(cè)量指出，不管物體的重量是多少，其速度增加的速率是一樣的。例如，在一個(gè)沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你釋放一個(gè)球，則1秒鐘后球的速度為每秒1米，2秒鐘后為每秒2米等等，而不管這個(gè)球有多重。當(dāng)然，一個(gè)鉛錘比一片羽毛下落得更快，那是因?yàn)榭諝鈱?duì)羽毛的阻力引起的。如果一個(gè)人釋放兩個(gè)不遭受任何空氣阻力的物體，例如兩個(gè)不同的鉛錘，它們則以同樣速度下降。

伽利略的測(cè)量被牛頓用來(lái)作為他的運(yùn)動(dòng)定律的基礎(chǔ)。在伽利略的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)物體從斜坡上滾下時(shí)，它一直受到不變的外力（它的重量），其效應(yīng)是它被恒定地加速。這表明，力的真正效應(yīng)總是改變物體的速度，而不是像原先想像的那樣，僅僅使之運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，它還意味著，只要一個(gè)物體沒(méi)有受到外力，它就會(huì)以同樣的速度保持直線運(yùn)動(dòng)。這個(gè)思想是第一次被牛頓在1687年出版的《數(shù)學(xué)原理》一書中明白地?cái)⑹龀鰜?lái)，并被稱為牛頓第一定律。物體受力時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象則由牛頓第二定律所給出：物體被加速或改變其速度時(shí)，其改變率與所受外力成比例。（例如，如果力加倍，則加速度也將加倍。）物體的質(zhì)量（或物質(zhì)的量）越大，則加速度越小，（以同樣的力作用于具有兩倍質(zhì)量的物體則只產(chǎn)生一半的加速度。）小汽車可提供一個(gè)熟知的例子，發(fā)動(dòng)機(jī)的功率越大，則加速度越大，但是小汽車越重，則對(duì)同樣的發(fā)動(dòng)機(jī)加速度越小。

除了他的運(yùn)動(dòng)定律，牛頓還發(fā)現(xiàn)了描述引力的定律：任何兩個(gè)物體都相互吸引，其引力大小與每個(gè)物體的質(zhì)量成正比。這樣，如果其中一個(gè)物體（例如A）的質(zhì)量加倍，則兩個(gè)物體之間的引力加倍。這是你能預(yù)料得到的，因?yàn)樾碌奈矬wA可看成兩個(gè)具有原先質(zhì)量的物體，每一個(gè)用原先的力來(lái)吸引物體B，所以A和B之間的總力加倍。其中一個(gè)物體質(zhì)量大到原先的2倍，另一物體大到3倍，則引力就大到6 倍。現(xiàn)在人們可以看到，何以落體總以同樣的速率下降：具有2倍重量的物體受到將其拉下的2倍的引力，但它的質(zhì)量也大到兩倍。按照牛頓第二定律，這兩個(gè)效應(yīng)剛好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同樣的。

牛頓引力定律還告訴我們，物體之間的距離越遠(yuǎn)，則引力越小。牛頓引力定律講，一個(gè)恒星的引力只是一個(gè)類似恒星在距離小一半時(shí)的引力的4分之1。這個(gè)定律極其精確地預(yù)言了地球、月亮和其他行星的軌道。如果這定律變?yōu)楹阈堑娜f(wàn)有引力隨距離減小得比這還快，則行星軌道不再是橢圓的，它們就會(huì)以螺旋線的形狀盤旋到太陽(yáng)上去。如果引力減小得更慢，則遠(yuǎn)處恒星的引力將會(huì)超過(guò)地球的引力。

亞里士多德和伽利略--牛頓觀念的巨大差別在于，亞里士多德相信存在一個(gè)優(yōu)越的靜止?fàn)顟B(tài)，任何沒(méi)有受到外力和沖擊的物體都采取這種狀態(tài)。特別是他以為地球是靜止的。但是從牛頓定律引出，并不存在一個(gè)靜止的唯一標(biāo)準(zhǔn)。人們可以講，物體A靜止而物體B以不變的速度相對(duì)于物體A運(yùn)動(dòng)，或物體B靜止而物體A運(yùn)動(dòng)，這兩種講法是等價(jià)的。例如，我們暫時(shí)將地球的自轉(zhuǎn)和它繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)置之一旁，則可以講地球是靜止的，一列火車以每小時(shí)90英哩的速度向北前進(jìn)，或火車是靜止的，而地球以每小時(shí)90英哩的速度向南運(yùn)動(dòng)。如果一個(gè)人在火車上以運(yùn)動(dòng)的物體做實(shí)驗(yàn)，所有牛頓定律都成立。例如，在火車上打乓乒球，將會(huì)發(fā)現(xiàn)，正如在鐵軌邊上一張臺(tái)桌上一樣，乓乒球服從牛頓定律，所以無(wú)法得知是火車還是地球在運(yùn)動(dòng)。

缺乏靜止的絕對(duì)的標(biāo)準(zhǔn)表明，人們不能決定在不同時(shí)間發(fā)生的兩個(gè)事件是否發(fā)生在空間的同一位置。例如，假定在火車上我們的乓乒球直上直下地彈跳，在一秒鐘前后兩次撞到桌面上的同一處。在鐵軌上的人來(lái)看，這兩次彈跳發(fā)生在大約相距100米的不同的位置，因?yàn)樵谶@兩回彈跳的間隔時(shí)間里，火車已在鐵軌上走了這么遠(yuǎn)。這樣，絕對(duì)靜止的不存在意味著，不能像亞里士多德相信的那樣，給事件指定一個(gè)絕對(duì)的空間的位置。事件的位置以及它們之間的距離對(duì)于在火車上和鐵軌上的人來(lái)講是不同的，所以沒(méi)有理由以為一個(gè)人的處境比他人更優(yōu)越。

牛頓對(duì)絕對(duì)位置或被稱為絕對(duì)空間的不存在感到非常憂慮，因?yàn)檫@和他的絕對(duì)上帝的觀念不一致。事實(shí)上，即使絕對(duì)空間的不存在被隱含在他的定律中，他也拒絕接受。因?yàn)檫@個(gè)非理性的信仰，他受到許多人的嚴(yán)厲批評(píng)，最有名的是貝克萊主教，他是一個(gè)相信所有的物質(zhì)實(shí)體、空間和時(shí)間都是虛妄的哲學(xué)家。當(dāng)人們將貝克萊的見(jiàn)解告訴著名的約翰遜博士時(shí)，他用腳尖踢到一塊大石頭上，并大聲地說(shuō)："我要這樣駁斥它！"

亞里士多德和牛頓都相信絕對(duì)時(shí)間。也就是說(shuō)，他們相信人們可以毫不含糊地測(cè)量?jī)蓚€(gè)事件之間的時(shí)間間隔，只要用好的鐘，不管誰(shuí)去測(cè)量，這個(gè)時(shí)間都是一樣的。時(shí)間相對(duì)于空間是完全分開并獨(dú)立的。這就是大部份人當(dāng)作常識(shí)的觀點(diǎn)。然而，我們必須改變這種關(guān)于空間和時(shí)間的觀念。雖然這種顯而易見(jiàn)的常識(shí)可以很好地對(duì)付運(yùn)動(dòng)甚慢的諸如蘋果、行星的問(wèn)題，但在處理以光速或接近光速運(yùn)動(dòng)的物體時(shí)卻根本無(wú)效。

光以有限但非常高的速度傳播的這一事實(shí)，由丹麥的天文學(xué)家歐爾·克里斯琴森·羅麥于1676年第一次發(fā)現(xiàn)。他觀察到，木星的月亮不是以等時(shí)間間隔從木星背后出來(lái)，不像如果月亮以不變速度繞木星運(yùn)動(dòng)時(shí)人們所預(yù)料的那樣。當(dāng)?shù)厍蚝湍拘嵌祭@著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，它們之間的距離在變化著。羅麥注意到我們離木星越'遠(yuǎn)則木星的月食出現(xiàn)得越晚。他的論點(diǎn)是，因?yàn)楫?dāng)我們離開更遠(yuǎn)時(shí)，光從木星月亮那兒要花更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到我們這兒。然而，他測(cè)量到的木星到地球的距離變化不是非常準(zhǔn)確，所以他的光速的數(shù)值為每秒14 英哩，而現(xiàn)在的值為每秒186000英哩。盡管如此，羅麥不僅證明了光以有限速度運(yùn)動(dòng)，并且測(cè)量了光速，他的成就是卓越的--要知道，這一切都是在牛頓發(fā)表《數(shù)學(xué)原理》之前11年進(jìn)行的。

直到1865年，當(dāng)英國(guó)的物理學(xué)家詹姆士·馬克斯韋成功地將當(dāng)時(shí)用以描述電力和磁力的部分理論統(tǒng)一起來(lái)以后，才有了光傳播的真正的理論。馬克斯韋方程預(yù)言，在合并的電磁場(chǎng)中可以存在波動(dòng)的微擾，它們以固定的速度，正如池塘水面上的漣漪那樣運(yùn)動(dòng)。如果這些波的波長(zhǎng)（兩個(gè)波峰之間的距離）為1米或更長(zhǎng)一些，這就是我們所謂的無(wú)線電波。更短波長(zhǎng)的波被稱做微波（幾個(gè)厘米）或紅外線（長(zhǎng)于萬(wàn)分之一厘米）。可見(jiàn)光的波長(zhǎng)在百萬(wàn)分之40到百萬(wàn)分之80厘米之間。更短的波長(zhǎng)被稱為紫外線、X射線和伽瑪射線。

馬克斯韋理論預(yù)言，無(wú)線電波或光波應(yīng)以某一固定的速度運(yùn)動(dòng)。但是牛頓理論已經(jīng)擺脫了絕對(duì)靜止的觀念，所以如果假定光是以固定的速度傳播，人們必須說(shuō)清這固定的速度是相對(duì)于何物來(lái)測(cè)量的。這樣人們提出，甚至在"真空"中也存在著一種無(wú)所不在的稱為"以太"的物體。正如聲波在空氣中一樣，光波應(yīng)該通過(guò)這以太傳播，所以光速應(yīng)是相對(duì)于以太而言。相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的不同觀察者，應(yīng)看到光以不同的速度沖他們而來(lái)，但是光對(duì)以太的速度是不變的。特別是當(dāng)?shù)厍虼┻^(guò)以太繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)時(shí)，在地球通過(guò)以太運(yùn)動(dòng)的方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）應(yīng)該大于在與運(yùn)動(dòng)垂直方向測(cè)量的光速（當(dāng)我們不對(duì)光源運(yùn)動(dòng)時(shí)）。1887年，阿爾貝特·麥克爾遜（后來(lái)成為美國(guó)第一個(gè)物理諾貝爾獎(jiǎng)獲得者）和愛(ài)德華·莫雷在克里夫蘭的卡思應(yīng)用科學(xué)學(xué)堂進(jìn)行了非常仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)。他們將在地球運(yùn)動(dòng)方向以及垂直于此方向的光速進(jìn)行比較，使他們大為驚奇的是，他們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)光速完全一樣！

在1887年到1905年之間，人們?cè)?jīng)好幾次企圖去解釋麥克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)。最著名者為荷蘭物理學(xué)家亨得利克·羅洛茲，他是依據(jù)相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的物體的收縮和鐘變慢的機(jī)制。然而，一位迄至當(dāng)時(shí)還不知名的瑞士專利局的職員阿爾貝特·愛(ài)因斯坦，在 1905年的一篇著名的論文中指出，只要人們?cè)敢鈷仐壗^對(duì)時(shí)間的觀念的話，整個(gè)以太的觀念則是多余的。幾個(gè)星期之后，一位法國(guó)最重要的數(shù)學(xué)家亨利·彭加勒也提出類似的觀點(diǎn)。愛(ài)因斯坦的論證比彭加勒的論證更接近物理，因?yàn)楹笳邔⒋丝紤]為數(shù)學(xué)問(wèn)題。通常這個(gè)新理論是歸功于愛(ài)因斯坦，但彭加勒的名字在其中起了重要的作用。

這個(gè)被稱之為相對(duì)論的基本假設(shè)是，不管觀察者以任何速度作自由運(yùn)動(dòng)，相對(duì)于他們而言，科學(xué)定律都應(yīng)該是一樣的。這對(duì)牛頓的運(yùn)動(dòng)定律當(dāng)然是對(duì)的，但是現(xiàn)在這個(gè)觀念被擴(kuò)展到包括馬克斯韋理論和光速：不管觀察者運(yùn)動(dòng)多快，他們應(yīng)測(cè)量到一樣的光速。這簡(jiǎn)單的觀念有一些非凡的結(jié)論。可能最著名者莫過(guò)于質(zhì)量和能量的等價(jià)，這可用愛(ài)因斯坦著名的方程E＝mc＾2來(lái)表達(dá)（這兒E是能量，m是質(zhì)量，c是光速），以及沒(méi)有任何東西能運(yùn)動(dòng)得比光還快的定律。由于能量和質(zhì)量的等價(jià)，物體由于它的運(yùn)動(dòng)所具的能量應(yīng)該加到它的質(zhì)量上面去。換言之，要加速它將變得更為困難。這個(gè)效應(yīng)只有當(dāng)物體以接近于光速的速度運(yùn)動(dòng)時(shí)才有實(shí)際的意義。例如，以10％光速運(yùn)動(dòng)的物體的質(zhì)量只比原先增加了0.5％，而以90％光速運(yùn)動(dòng)的物體，其質(zhì)量變得比正常質(zhì)量的2倍還多。當(dāng)一個(gè)物體接近光速時(shí)，它的質(zhì)量上升得越來(lái)越快，它需要越來(lái)越多的能量才能進(jìn)一步加速上去。實(shí)際上它永遠(yuǎn)不可能達(dá)到光速，因?yàn)槟菚r(shí)質(zhì)量會(huì)變成無(wú)限大，而由質(zhì)量能量等價(jià)原理，這就需要無(wú)限大的能量才能做到。由于這個(gè)原因，相對(duì)論限制任何正常的物體永遠(yuǎn)以低于光速的速度運(yùn)動(dòng)。只有光或其他沒(méi)有內(nèi)稟質(zhì)量的波才能以光速運(yùn)動(dòng)。

相對(duì)論的一個(gè)同等卓越的成果是，它變革了我們對(duì)空間和時(shí)間的觀念。在牛頓理論中，如果有一光脈沖從一處發(fā)到另一處，（由于時(shí)間是絕對(duì)的）不同的觀測(cè)者對(duì)這個(gè)過(guò)程所花的時(shí)間不會(huì)有異議，但是他們不會(huì)在光走過(guò)的距離這一點(diǎn)上取得一致的意見(jiàn)（因?yàn)榭臻g不是絕對(duì)的）。由于光速等于這距離除以所花的時(shí)間，不同的觀察者就測(cè)量到不同的光速。另一方面，在相對(duì)論中，所有的觀察者必須在光是以多快的速度運(yùn)動(dòng)上取得一致意見(jiàn)。然而，他們?cè)诠庾哌^(guò)多遠(yuǎn)的距離上不能取得一致意見(jiàn)。所以現(xiàn)在他們對(duì)光要花多少時(shí)間上也不會(huì)取得一致意見(jiàn)。（無(wú)論如何，光所花的時(shí)間正是用光速--這一點(diǎn)所有的觀察者都是一致的--去除光所走的距離--這一點(diǎn)對(duì)他們來(lái)說(shuō)是不一致的。）總之，相對(duì)論終結(jié)了絕對(duì)時(shí)間的觀念！這樣，每個(gè)觀察者都有以自己所攜帶的鐘測(cè)量的時(shí)間，而不同觀察者攜帶的同樣的鐘的讀數(shù)不必要一致。

圖2.1時(shí)間用垂直坐標(biāo)測(cè)量，離開觀察者的距離用水平坐標(biāo)測(cè)量。觀察者在空間和時(shí)間里的途徑用左邊的垂線表示。到事件去和從事件來(lái)的光線的途徑用對(duì)角線表示。

每個(gè)觀察者都可以用雷達(dá)去發(fā)出光脈沖或無(wú)線電波來(lái)測(cè)定一個(gè)事件在何處何時(shí)發(fā)生。脈沖的一部分由事件反射回來(lái)后，觀察者可在他接收到回波時(shí)測(cè)量時(shí)間。事件的時(shí)間可認(rèn)為是發(fā)出脈沖和脈沖反射回來(lái)被接收的兩個(gè)時(shí)刻的中點(diǎn)；而事件的距離可取這來(lái)回過(guò)程時(shí)間的一半乘以光速。（在這意義上，一個(gè)事件是發(fā)生在指定空間的一點(diǎn)以及指定時(shí)間的一點(diǎn)的某件事。）這個(gè)意思已顯示在圖2.1上。這是空間--時(shí)間圖的一個(gè)例子。利用這個(gè)步驟，作相互運(yùn)動(dòng)的觀察者對(duì)同一事件可賦予不同的時(shí)間和位置。沒(méi)有一個(gè)特別的觀察者的測(cè)量比任何其他人更正確，但所有這些測(cè)量都是相關(guān)的。只要一個(gè)觀察者知道其他人的相對(duì)速度，他就能準(zhǔn)確算出其他人該賦予同一事件的時(shí)間和位置。

現(xiàn)在我們正是用這種方法來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)量距離，因?yàn)槲覀兛梢员葴y(cè)量長(zhǎng)度更為準(zhǔn)確地測(cè)量時(shí)間。實(shí)際上，米是被定義為光在以鉑原子鐘測(cè)量的O. 3335640952秒內(nèi)走過(guò)的距離（取這個(gè)特別的數(shù)字的原因是，因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)于歷史上的米的定義--按照保存在巴黎的特定鉑棒上的兩個(gè)刻度之間的距離）。同樣，我們可以用叫做光秒的更方便更新的長(zhǎng)度單位，這就是簡(jiǎn)單地定義為光在一秒走過(guò)的距離?，F(xiàn)在，我們?cè)谙鄬?duì)論中按照時(shí)間和光速來(lái)定義距離，這樣每個(gè)觀察者都自動(dòng)地測(cè)量出同樣的光速（按照定義為每0.3335640952秒之1米）。沒(méi)有必要引入以太的觀念，正如麥克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)顯示的那樣，以太的存在是無(wú)論如何檢測(cè)不到的。然而，相對(duì)論迫使我們從根本上改變了對(duì)時(shí)間和空間的觀念。我們必須接受的觀念是：時(shí)間不能完全脫離和獨(dú)立于空間，而必須和空間結(jié)合在一起形成所謂的空間--時(shí)間的客體。

我們通常的經(jīng)驗(yàn)是可以用三個(gè)數(shù)或座標(biāo)去描述空間中的一點(diǎn)的位置。譬如，人們可以說(shuō)屋子里的一點(diǎn)是離開一堵墻7英尺，離開另一堵墻3英尺，并且比地面高5英尺。人們也可以用一定的緯度、經(jīng)度和海拔來(lái)指定該點(diǎn)。人們可以自由地選用任何三個(gè)合適的坐標(biāo)，雖然它們只在有限的范圍內(nèi)有效。人們不是按照在倫敦皮卡迪里圓環(huán)以北和以西多少英哩以及高于海平面多少英尺來(lái)指明月亮的位置，而是用離開太陽(yáng)、離開行星軌道面的距離以及月亮與太陽(yáng)的連線和太陽(yáng)與臨近的一個(gè)恒星--例如α－半人馬座--連線之夾角來(lái)描述之。甚至這些座標(biāo)對(duì)于描寫太陽(yáng)在我們星系中的位置，或我們星系在局部星系群中的位置也沒(méi)有太多用處。事實(shí)上，人們可以用一族互相交迭的坐標(biāo)碎片來(lái)描寫整個(gè)宇宙。在每一碎片中，人們可用不同的三個(gè)座標(biāo)的集合來(lái)指明點(diǎn)的位置。圖2.2

一個(gè)事件是發(fā)生于特定時(shí)刻和空間中特定的一點(diǎn)的某種東西。這樣，人們可以用四個(gè)數(shù)或座標(biāo)來(lái)確定它，并且座標(biāo)系的選擇是任意的；人們可以用任何定義好的空間座標(biāo)和一個(gè)任意的時(shí)間測(cè)量。在相對(duì)論中，時(shí)間和空間座標(biāo)沒(méi)有真正的差別，猶如任何兩個(gè)空間座標(biāo)沒(méi)有真正的差別一樣。譬如可以選擇一族新的座標(biāo)，使得第一個(gè)空間座標(biāo)是舊的第一和第二空間座標(biāo)的組合。例如，測(cè)量地球上一點(diǎn)位置不用在倫敦皮卡迪里圓環(huán)以北和以西的哩數(shù)，而是用在它的東北和西北的哩數(shù)。類似地，人們?cè)谙鄬?duì)論中可以用新的時(shí)間座標(biāo)，它是舊的時(shí)間（以秒作單位）加上往北離開皮卡迪里的距離（以光秒為單位）。圖2.3

將一個(gè)事件的四座標(biāo)作為在所謂的空間--時(shí)間的四維空間中指定其位置的手段經(jīng)常是有助的。對(duì)我來(lái)說(shuō)，摹想三維空間已經(jīng)足夠困難！然而很容易畫出二維空間圖，例如地球的表面。（地球的表面是兩維的，因?yàn)樗厦娴狞c(diǎn)的位置可以用兩個(gè)座標(biāo)，例如緯度和經(jīng)度來(lái)確定。）通常我將使用二維圖，向上增加的方向是時(shí)間，水平方向是其中的一個(gè)空間座標(biāo)。不管另外兩個(gè)空間座標(biāo)，或者有時(shí)用透視法將其中一個(gè)表示出來(lái)。（這些被稱為空間 --時(shí)間圖，如圖2.1所示。）例如，在圖2.2中時(shí)間是向上的，并以年作單位，而沿著從太陽(yáng)到α-半人馬座連線的距離在水平方向上以英哩來(lái)測(cè)量。太陽(yáng)和 α-半人馬座通過(guò)空間--時(shí)間的途徑是由圖中的左邊和右邊的垂直線來(lái)表示。從太陽(yáng)發(fā)出的光線沿著對(duì)角線走，并且要花4年的時(shí)間才能從太陽(yáng)走到α-半人馬座。

正如我們已經(jīng)看到的，馬克斯韋方程預(yù)言，不管光源的速度如何，光速應(yīng)該是一樣的，這已被精密的測(cè)量所證實(shí)。這樣，如果有一個(gè)光脈沖從一特定的空間的點(diǎn)在一特定的時(shí)刻發(fā)出，在時(shí)間的進(jìn)程中，它就會(huì)以光球面的形式發(fā)散開來(lái)，而光球面的形狀和大小與源的速度無(wú)關(guān)。在百萬(wàn)分之一秒后，光就散開成一個(gè)半徑為300米的球面；百萬(wàn)分之二秒后，半徑變成600米；等等。這正如同將一塊石頭扔到池塘里，水表面的漣漪向四周散開一樣，漣漪以圓周的形式散開并越變?cè)酱?。如果將三維模型設(shè)想為包括二維的池塘水面和一維時(shí)間，這些擴(kuò)大的水波的圓圈就畫出一個(gè)圓錐，其頂點(diǎn)即為石頭擊到水面的地方和時(shí)間（圖 2.3）。類似地，從一個(gè)事件散開的光在四維的空間--時(shí)間里形成了一個(gè)三維的圓錐，這個(gè)圓錐稱為事件的未來(lái)光錐。以同樣的方法可以畫出另一個(gè)稱之為過(guò)去光錐的圓錐，它表示所有可以用一光脈沖傳播到該事件的事件的集合（圖2.4）。圖2.4

一個(gè)事件P的過(guò)去和將來(lái)光錐將空間-- 時(shí)間分成三個(gè)區(qū)域（圖2.5）：這事件的絕對(duì)將來(lái)是P的將來(lái)光錐的內(nèi)部區(qū)域，這是所有可能被發(fā)生在P的事件影響的事件的集合。從P出發(fā)的信號(hào)不能傳到P光錐之外的事件去，因?yàn)闆](méi)有東西比光走得更快，所以它們不會(huì)被P發(fā)生的事情所影響。過(guò)去光錐內(nèi)部區(qū)域的點(diǎn)是P的絕對(duì)過(guò)去，它是所有這樣的事件的集合，從該事件發(fā)出的以等于或低于光速的速度傳播的信號(hào)可到達(dá)P。所以，這是可能影響事件P的所有事件的集合。如果人們知道過(guò)去某一特定時(shí)刻在事件P的過(guò)去光錐內(nèi)發(fā)生的一切，即能預(yù)言在P將會(huì)發(fā)生什么?？臻g--時(shí)間的其余部分即是除P的將來(lái)和過(guò)去光錐之外的所有事件的集合。這一部分的事件既不受P的影響，也不能影響 P。例如，假定太陽(yáng)就在此刻停止發(fā)光，它不會(huì)對(duì)此刻的地球發(fā)生影響，因?yàn)榈厍虻拇丝淌窃谔?yáng)熄滅這一事件的光錐之外（圖2.6）。我們只能在8分鐘之后才知道這一事件，這是光從太陽(yáng)到達(dá)我們所花的時(shí)間。只有到那時(shí)候，地球上的事件才在太陽(yáng)熄滅這一事件的將來(lái)光錐之內(nèi)。同理，我們也不知道這一時(shí)刻發(fā)生在宇宙中更遠(yuǎn)地方的事：我們看到的從很遠(yuǎn)星系來(lái)的光是在幾百萬(wàn)年之前發(fā)出的，在我們看到的最遠(yuǎn)的物體的情況下，光是在80億年前發(fā)出的。這樣當(dāng)我們看宇宙時(shí)，我們是在看它的過(guò)去。

圖2.6

如果人們忽略引力效應(yīng)，正如1905年愛(ài)因斯坦和彭加勒所做的那樣，人們就得到了稱為狹義相對(duì)論的理論。對(duì)于空間--時(shí)間中的每一事件我們都可以做一個(gè)光錐（所有從該事件發(fā)出的光的可能軌跡的集合），由于在每一事件處在任一方向的光的速度都一樣，所以所有光錐都是全等的，并朝著同一方向。這理論又告訴我們，沒(méi)有東西走得比光更快。這意味著，通過(guò)空間和時(shí)間的任何物體的軌跡必須由一根落在它上面的每一事件的光錐之內(nèi)的線來(lái)表示（圖2.7）。

圖2.7

狹義相對(duì)論非常成功地解釋了如下事實(shí)：對(duì)所有觀察者而言，光速都是一樣的（正如麥克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)所展示的那樣），并成功地描述了當(dāng)物體以接近于光速運(yùn)動(dòng)時(shí)的行為。然而，它和牛頓引力理論不相協(xié)調(diào)。牛頓理論說(shuō)，物體之間的吸引力依賴于它們之間的距離。這意味著，如果我們移動(dòng)一個(gè)物體，另一物體所受的力就會(huì)立即改變。或換言之，引力效應(yīng)必須以無(wú)限速度來(lái)傳遞，而不像狹義相對(duì)論所要求的那樣，只能以等于或低于光速的速度來(lái)傳遞。愛(ài)因斯坦在1908年至1914年之間進(jìn)行了多次不成功的嘗試，企圖去找一個(gè)和狹義相對(duì)論相協(xié)調(diào)的引力理論。1915年，他終于提出了今天我們稱之為廣義相對(duì)論的理論。

愛(ài)因斯坦提出了革命性的思想，即引力不像其他種類的力，而只不過(guò)是空間--時(shí)間不是平坦的這一事實(shí)的后果。正如早先他假定的那樣，空間--時(shí)間是由于在它中間的質(zhì)量和能量的分布而變彎曲或"翹曲"的。像地球這樣的物體并非由于稱為引力的力使之沿著彎曲軌道運(yùn)動(dòng)，而是它沿著彎曲空間中最接近于直線的稱之為測(cè)地線的軌跡運(yùn)動(dòng)。一根測(cè)地線是兩鄰近點(diǎn)之間最短（或最長(zhǎng)）的路徑。例如，地球的表面是一彎曲的二維空間。地球上的測(cè)地線稱為大圓，是兩點(diǎn)之間最近的路（圖2.8）。由于測(cè)地線是兩個(gè)機(jī)場(chǎng)之間的最短程，這正是領(lǐng)航員叫飛行員飛行的航線。在廣義相對(duì)論中，物體總是沿著四維空間--時(shí)間的直線走。盡管如此，在我們的三維空間看起來(lái)它是沿著彎曲的途徑（這正如同看一架在非常多山的地面上空飛行的飛機(jī)。雖然它沿著三維空間的直線飛，在二維的地面上它的影子卻是沿著一條彎曲的路徑）。圖2.8

太陽(yáng)的質(zhì)量引起空間--時(shí)間的彎曲，使得在四維的空間--時(shí)間中地球雖然沿著直線的軌跡，它卻讓我們?cè)谌S空間中看起來(lái)是沿著一個(gè)圓周運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，廣義相對(duì)論預(yù)言的行星軌道幾乎和牛頓引力理論所預(yù)言的完全一致。然而，對(duì)于水星，這顆離太陽(yáng)最近、受到引力效應(yīng)最強(qiáng)、并具有被拉得相當(dāng)長(zhǎng)的軌道的行星，廣義相對(duì)論預(yù)言其軌道橢圓的長(zhǎng)軸繞著太陽(yáng)以大約每1萬(wàn)年1度的速率進(jìn)動(dòng)。這個(gè)效應(yīng)雖然小，但在1915年前即被人們注意到了，并被作為愛(ài)因斯坦理論的第一個(gè)驗(yàn)證。近年來(lái)，其他行星的和牛頓理論預(yù)言的甚至更小的軌道偏差也已被雷達(dá)測(cè)量到，并且發(fā)現(xiàn)和廣義相對(duì)論的預(yù)言相符。

光線也必須沿著空間 --時(shí)間的測(cè)地線走?？臻g是彎曲的事實(shí)又一次意味著，在空間中光線看起來(lái)不是沿著直線走。這樣，廣義相對(duì)論預(yù)言光線必須被引力場(chǎng)所折彎。譬如，理論預(yù)言，由于太陽(yáng)的質(zhì)量的緣故，太陽(yáng)近處的點(diǎn)的光錐會(huì)向內(nèi)稍微偏折。這表明，從遠(yuǎn)處恒星發(fā)出的剛好通過(guò)太陽(yáng)附近的光線會(huì)被折彎很小的角度，對(duì)于地球上的觀察者而言，這恒星顯得是位于不同的位置（圖2.9）。當(dāng)然，如果從恒星來(lái)的光線總是在靠太陽(yáng)很近的地方穿過(guò)，則我們無(wú)從知道這光線是被偏折了，還是這恒星實(shí)際上就是在我們所看到的地方。然而，當(dāng)?shù)厍蚶@著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，不同的恒星從太陽(yáng)后面通過(guò)，并且它們的光線被偏折。所以，相對(duì)于其他恒星而言，它們改變了表觀的位置。圖2.9

在正常情況下，去觀察到這個(gè)效應(yīng)是非常困難的，這是由于太陽(yáng)的光線使得人們不可能觀看天空上出現(xiàn)在太陽(yáng)附近的恒星。然而，在日食時(shí)就可能觀察到，這時(shí)太陽(yáng)的光線被月亮遮住了。由于第一次世界大戰(zhàn)正在進(jìn)行，愛(ài)因斯坦的光偏折的預(yù)言不可能在1915年立即得到驗(yàn)證。直到1919年，一個(gè)英國(guó)的探險(xiǎn)隊(duì)從西非觀測(cè)日食，指出光線確實(shí)像理論所預(yù)言的那樣被太陽(yáng)所偏折。這次德國(guó)人的理論為英國(guó)人所證明被歡呼為戰(zhàn)后兩國(guó)和好的

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