百部人文经典之《时间简史》

索书号：P159-49/H969

馆藏地址：三楼综合书库

摘要：

我们将永远不能完全肯定，我们是否确实找到了正确的理论，因为理论不能被证明。

当他被问及：“上帝在他创造宇宙之前做了什么？”奥古斯丁并没有这样回答：“他正为诘问这类问题的人准备地狱。” 而是说时间是上帝创造的宇宙的一个性质，在宇宙开端之前不存在。

人存原理可以解释为：“我们看到的宇宙之所以如此，乃是因为我们的存在。”

宇宙从何而来，又将向何处去？宇宙有开端吗？如果有的话，在开端之前发生了什么？时间的本质是什么？它会有终结吗？

至少存在三个时间箭头，将过去和将来区分开来。它们是热力学箭头，这就是无序度增加的时间方向；心理学箭头，即是在这个时间方向上，我们能记住过去而不是将来；还有宇宙学箭头，也即宇宙膨胀的方向而不是收缩的方向。

“大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们自以为知道得更多一些呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是怎样才知道的呢？宇宙从何而来，又将向何处去？宇宙有开端吗？如果有的话，在这开端之前发生了什么？时间的本质是什么？它会有一个终结吗？在物理学上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技术得以实现，从而对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有所启发。“大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们自以为知道得更多一些呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是怎样才知道的呢？宇宙从何而来，又将向何处去？宇宙有开端吗？如果有的话，在这开端之前发生了什么？时间的本质是什么？它会有一个终结吗？在物理学上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技术得以实现，从而对于回答这些长期以来悬而未决问题中的某些问题有所启发。”

在相对论中并没有一个唯一的绝对时间，相反地，每个人都有他自己的时间测度，这依赖于他在何处并如何运动。

一位著名的科学家曾经作过一次天文学演讲。他描述了地球如何围绕着太阳公转，而太阳又是如何围绕着称之为我们星系的巨大的恒星集团的中心公转。演讲结束之际，坐在房间后排的一位小个老妇人起立说道：“你讲的是一派胡言。实际上，世界是驮在一只巨大乌龟背上的平板。”这位科学家露出高傲地微笑，然后答道：“那么这只乌龟是站在什么上面的呢？”“你很聪明，年轻人，的确很聪明，”老妇人说，“不过，这是一只驮着一只，一直驮下去的乌龟塔啊！” 大多数人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬。但是我们凭什么就自认为知道得更好呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是如何知道的呢？宇宙从何而来，又将向何处去？

我们生活在一个宽约为10万光年并慢慢旋转着的星系中；在它的螺旋臂上的恒星围绕着它的中心公转一圈大约花费几亿年。

实际上，从任何不透明的灼热的物体发出的光，有一个只依赖于它的温度的特征光谱——热谱。这意味着可以从恒星的光谱得知它的温度。此外，我们发现，某些非常特定的颜色在恒星光谱里丢失，这些失去的颜色可依不同的恒星而异。由于我们知道，每一化学元素吸收非常独特的颜色族系，将它们和恒星光谱中失去的颜色相比较，我们就可以准确地确定恒星大气中存在哪种元素。

量子力学的理论是基于一个全新的数学基础之上，不再按照粒子和波来描述实际的世界；而只不过利用这些术语，来描述对世界的观测而已。这样，在量子力学中存在着波和粒子的二重性：为了某些目的将考虑粒子成波是有用的，而为了其他目的最好将波考虑成粒子。

类似地，在宇宙的情形下，是否我们可能刚好生活在一个光滑和均匀的区域离呢？初看起来，这是非常不可能的，因为这样光滑的区域比混沌的无序的区域稀罕得多。然而，假定只有在光滑的区域里星系、恒星才能形成，才能有合适的条件，让像我们这样复杂的，能自然复制的机体得以发展，这种机体能够质疑宇宙为什么如此光滑的问题。这就是应用称为人存原理的一个例子。人存原理可以解释为：我们看到的宇宙之所以如此，乃是因为我们存在的。

在1929年，埃德温.哈勃做出了一个里程碑式的观测，远程的星系都正急速地飞离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀。这意味着，在早先的时刻星系更加相互靠近。事实上，似乎在100亿至200亿年之前的某一时刻，它们刚好在同一方向，所以那个时候宇宙的密度为无限大。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。 哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无限小，而且无限紧密。在这种情况下，所有科学定律并因此所有预见将来的能力都奔溃了。如果在此时此刻之前有过一些事情，它们将不可能影响现在发生的东西。因为他们没有任何观测的后果，所以可不理睬其存在。由于更早的时间根本没有定义，所以在这个意义上，人们可以说，时间在大爆炸时有一开端。 一个好的理论必须满足以下两个要求：首先，这个理论必须能准确地描述大量的观测--这些观测是根据只包含少数任选的元素的模型所做出的；其次，这个理论能对未来观测的结果做出明确的语言。

在牛顿时代，一个受教育的人至少可能在梗概上掌握整个人类知识。但从那以后，科学发展的节奏使之 不再可能。因为理论总是被改变以解释新的观察结果，它们从未被消化或简化到使常人能够理解。你必 须是一个专家，即使如此，你只能有望正确地掌握科学理论的一小部分。另外，其发展的速度如此之 快，在中学和大学所学的总是有点过时。只有少数人可以跟得上知识快速进步的前沿，但他们必须贡献 毕生的精力，并局限在一个小的领域里。其余的人对于正在进行的发展或者它们产生的激动只有很少的 概念。

在这本书中，他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、在空间上是否有限的问题。他称这些间题为纯粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因为他感到存在同样令人信服的论据，来证明宇宙有开端的正命题，以及宇宙已经存在无限久的反命题。 他对正命题的论证是：如果宇宙没有一个开端，则任何事件之前必有无限的时间。他认为这是荒谬的。 他对反命题的论证是：如果宇宙有 开端，在它之前必有无限的时间，为何宇宙必须在某一特定的时刻开始呢？事实上，他对正命题和反命题用同样的论证来辩护。它们都是基于他隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间均可无限地倒溯回去。我们将会看到，在宇宙开端之前时间概念是没有意义的。这一点是圣·奥古斯丁首先指出的。当他被问及：“上帝在他创造宇宙之前做什么？”奥古斯丁并没有这样回答：“他正为诘问这类问题的人准备地狱。"而是说时间是上帝创造的宇宙的一个性质，在宇宙开端之前不存在。

一个好的理论必须满足以下两个要求：首先，这个理论必须能准确地描述大量的观测一一这些观测是根据只包含少数任选的元素的模型所做出的；其次，这个理论能对未来观测的结果作出明确的预言。

在现实中经常发生的是，设计出的新理论实际上是原先理论的一个扩展。例如，非常精确地观测水星，发现它的运动和牛顿引力理论预言之间有一个微小的差异。爱因斯坦的广义相对论预言了和牛顿理论略微不同的运动。爱因斯坦的预言和观测到的相符合，而牛顿理论做不到，这个事实是对这个新理论的一个关键的证实。然而在我们正常处理的情形下，牛顿理论和广义相对论的预言之间差异非常小，所以为了所有实用的目的，我们仍然使用牛顿理论。（牛顿理论还有一个巨大的优点，用它计算比用爱因斯坦理论简单多了！

类似地，我们也不知道这一时刻发生在宇시宙中更远处的事：我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前发出的，至于我们看到的最远物体，光是在大约80亿年前发出的。这样，当我们看宇宙时，我们是在看它的过去。

广义相对论的另一个预言是，在像地球这样的大质量的物体附近，时间显得流逝得更慢一些。这是因为光能量和它的频率（光在每秒钟里波动的次数）有一种关系：能量越大，则频率越高。当光从地球的引力场往上行进，它失去能量，因而其频率下降（这表明两个相邻波峰之间的时间间隔变大）。在上面的某个人看来，下面发生的每一件事情都显得需要更长的时间。1962年，人们利用一对安装在水塔顶上和底下的非常准确的钟，验证了这个预言（图2。17）。发现底下的那只更接近地球的钟走得较慢，这和广义相对论正好相符。

现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是被明确的定律制约的，你最终必须把部分理论结合成一个完备的统一理论，它描述宇宙中的万物。但是，在寻找这样一个完备的统一理论时，存在一个基本矛盾。在上述有关科学理论的思想中，假定我们是理性的生物，可以随心所欲地观测宇宙，并且从看到的事物中得出逻辑结论。在这样的方案中可以合理地假定，我们可能不断地趋近制约我们宇宙的定律。然而，如果的确存在一个完备的统一理论，它也很可能决定我们的行动——于是，理论本身会决定我们寻求它的结果！而为什么它必须决定我们从这些证据得到正确的结论？难道它不会同样地决定我们得出错误的结论吗？或者根本没有结论？

时间的本质是什么？ 我们将会看到，在宇宙开端之前时间概念是没有意义的。这一点是圣.奥古斯丁首先指出的。当他被问及：上帝再创造宇宙之前做什么？奥古斯丁说：“时间是上帝所创造的宇宙的一个性质，在宇宙开端之前不存在。” 在1929年埃德温.哈勃做出了一耳光具有里程碑意义的观测，即是不管你往哪个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀。这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之间的某个时刻，他们刚好在同一地方，所以那时候宇宙的密度无限大。这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。 哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧密。在这种条件下，所有科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻之前有过这些事件，他们将不可能影响现在所有发生的一切。所以我们可以不理它们，因为他们并没有可观测的后果。由于更早的时间根本没有定义，所以在这个意义上人们可以说，时间在大爆炸时有一开端。 在一个不变的宇宙中，时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予；宇宙的开端并没有物体的必要性。 大爆炸模型并没有排斥造物主。 “科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。”

在20世纪之前从未有人暗示过，宇宙是在膨胀或是在收缩，这有趣地反映了当时的思维风气。一般认为，宇宙或是以一种不变的状态已存在了无限长的时间，或以多多少少正如我们今天所看的样子被创生于有限久的过去。其部分的原因可能是，人们倾向于相信永恒的真理，也由于虽然人会生老病死，但宇宙必须是不朽的、不变的这种观念才能给人以安慰。

任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否则，你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。

科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判。