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时间简史 

    是先有鸡,还是先有蛋?宇宙有开端吗?如果宇宙有开端的话,在此之前还发生过什么事情?宇宙从何处来,又向何处去?

    时间的本质是什么?它会有终结吗?过去与将来之间的差别从何而来?为什么我们记住的是过去而不是将来?

    我出生的那天刚好是伽利略逝世300周年。我估计,大约20万个婴儿是与我同一天出生。我不知道他们当中还有没有后来对天文学感兴趣的。

    我记得我哥哥曾经计算过,说有11条路径可以进我们家,但我只找到了10条,到现在我也没弄清最后一条是哪个。我家房子的北边是一个自行车棚,车棚的前后各有一个门。车棚上面有一扇窗户,对着一个L形的房间。从我们家的前面,你可以绕过拐角爬到房顶上去,然后从那儿你可以爬到主楼的房项。我想我哥哥进我家的最后一条路可能就这从那儿进去,因为他攀爬能力很强,但是不是就这一条我还不能肯定。

    在20世纪之前,人们认为宇宙已经存在了很久很久,或者认为它是在过去的某个时间创造的,创造时的情形与我们今天想象的情况大致相同。虽然人会变老死去,但宇宙是永恒的——每当人们一想到这,就感到莫大安慰。

    在上中学时,从书上就知道,从遥远的星系发出的光会发生红色偏移,即光谱线会向红色端偏移。这意味着这些星系正离我们越来越远,宇宙正在膨胀。但我不太相信,我想静态的宇宙似乎更合乎常理。它可能已经存在了无限长的时间,并将继续无限期地存在下去。

    宇宙的不断膨胀表明,宇宙在存在之前有一个诞生的起点,宇宙诞生的那一刻叫做“宇宙大爆炸”。

    在剑桥学习理论物理学时,我有两个领域可以选择。一是研究非常大的东西,即宇宙学;另一个是研究非常小的东西,即基本粒子。我觉得基本粒子研究没什么意思,因为在这方面没有适当的理论。他们能做的事情仅仅是对粒子分门别类,像植物学研究一样,而在宇宙学中,有一个明确的理论,这就是爱因斯坦的广义相对论。

    我21岁生日后不久因病去医院做了检查。他们从我胳膊上提取肌肉样本,还把电极插进我的身体,把一些不透明的放射性液体注入我的脊椎里,将床倾斜,然后用X光机观察上下流动的液体。后来我的病被诊断为肌肉萎缩性脊髓侧索硬化。医生当时说对这种病没有治疗办法,说我只能再活两年半。

    开始时我觉得做研究工作没有多大意义,因为我的生命有限,恐怕完不成博士论文了。然而,随着时间的流逝,病情恶化似乎慢了下来。我开始钻研广义相对论,研究工作取得了进展,但是真正使我生活翻开新的一页的是我与一位叫做简·怀尔德的姑娘订了婚。这使我生活有了动力,但它也意味着,如果我们要成家的话,我必须找一份工作。

    霍金知道自己的病,但他交了好运。在他最痛苦的时刻他遇到了像简这样一个他最需要的人。因为医生告诉他说只能再活两年半,霍金当时很受打击,不想再从事他的研究工作了。这也可以理解,因为在这种情况下你还能有什么作为呢?但是与简的结识使他精神焕发,他开始从新振作起来。

    我想弄明白宇宙是怎样开始的,根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙确实正在膨胀。但它对关键的问题却没有做出回答:就是肯定有过大爆炸,它是时间的开始?在剑桥读书的第三年,罗杰·彭罗斯发现了恒星殒灭的现象。

    我记得当时正在与一位朋友艾弗·罗宾逊交谈。我们边走边谈,谈得非常热烈,然后要过一条马路,在过马路时,我脑子里闪出了一种想法。但过了马路后,我们又开始谈别的,而那个想法也就被抛到脑后了。后来,等我的朋友们都回家后,我才开始有了一种莫名其妙的兴奋感,一种非常令人愉快的感觉。我弄不明白为什么会产生那种感觉,于是我就回想这一天的活动,看看可能是哪些事情使我这样高兴。渐渐地,在过马路时产生的那种想法又浮现在我的脑海里。

    罗杰·彭罗斯证明,在自己的重力下坍缩的一颗要死去的恒星,最终要缩成一个奇点,即密度无限大、体积为零的一点。我意识到,如果我把时间的方向倒过来,使坍缩变成膨胀,我就可以证明宇宙有一个起点。但是,根据爱因斯坦的广义相对论提出的证据表明,一切科学理论,包括爱因斯坦的广义相对论,都在宇宙的起点处失效。

    我们在纽约太空物理研究所召开了一次会议。我在会上说,“在我们得出最后结论之前,我们还应当考虑另一个问题。这就是如何给“因为内引力而完全坍缩的物体”起个名字,因为每次用“因为内引力完全坍缩的物体”这一冗长的名字后,你就会觉得必须它太长了,就是在那时我把它的名字改成了“黑洞”。

    从那次会议起,约翰·惠勒造的“黑洞”这个词突然在世界开始流行起来。全世界的学者,无论是俄罗斯,美国,英国,还是其他地方的学者,都知道用这个名词时它所指的是同一个东西。不仅如此,有关概念也开始在普通民众之中开始传播,甚至科幻作家也开始谈论起“黑洞”来。

    当巨星收缩时,它的引力变得极为强大,连光线也无法逃逸。任何东西都无法逃逸的区域叫做“黑洞”,黑洞的边界叫做“事件视界”。诗人但丁在谈到地狱入口时曾说过,“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”这句话用于事件视界也非常合适。

    在宇宙的漫长历史中,一定有许多恒星燃尽了自己的核燃料后坍缩了。单单在我们的这个星系里,就可以看见大约1000亿颗恒星,但是黑洞的数量可能远比这个数量要多!还有证据表明,在我们自己的这个星系中央就有一个非常大的黑洞。

    朋友们问我,“如果黑洞是黑的,你怎么会看到它呢?”我回答说,“你去过舞厅吗?在那里你是否看到过那些穿着黑色晚礼服的男士与那些穿着白裙子姑娘们在起翩翩起舞的情景?当灯光变暗时,你只能看到姑娘们,假设姑娘就是普通的星星,而男青年就是黑洞。你看不见黑洞,就像你看不见男青年一样。但是姑娘们旋转的舞姿使你确信那里一定有什么东西使她们在旋转。”

    1973年前我的工作是从事广义相对论的研究,在我与乔治·埃利斯合著的《时空的大尺度结构》一书中对研究成果作了总结。甚至在当时我都已经感觉到写字很困难。所以往往在头脑中形成图像,通过这些图像进行思维。

    我记得有一次我到霍金和简夫妇在剑桥的家去做客。晚饭后该是霍金上床睡觉的时候,简坚持要他爬上楼梯,霍金也默然同意。我想他们每天都是如此。我忘记了那是几层楼梯,当时霍金已经不能行走,他上楼梯的办法是用手使劲抓住楼梯扶手,用胳膊的力量把自己拽上去。他从一层爬到二层要用很长的时间,非常艰难。简向我解释说,这是他锻炼身体的重要一项,为的是尽可能地保持他动作的协调性和体力。开始时看着他那样痛苦的样子真是令人难受,后来我明白了,用他自己的双手上楼是他生活的一部分。

    他自己说,如果不是因为生病,他不会有今天的成就,我觉得这话也对。萨缪尔·约翰逊曾经说过,“如果知道明天上午你就被吊死,你头天晚上的思维会极为专注。”如果他不生病,他可能不会这么专注,因为一个健康的人兴趣是广泛的。如果像他健康那样安静不下来,我认为他是不可能这样从事研究工作的。当然,即使如此,我也不能说谁得这种病就是一种运气,但是这种病给他带来的不幸可能比其他人要少些,因为这使他在有限的生命中有更多的时间去思考科学上的问题。

    有一年霍金全家带我一起去威尔士瓦伊河附近的一座别墅。这座别墅在一个小山丘上,有一小路通向那里。我从来没有上去过,当然我想尽量少走几趟就能把所有的东西全部搬上去。所以我们把霍金的备用蓄电池也放在他轮椅下面。可是史蒂芬不知道我这样做,没有意识到现在他的轮椅的负荷比平时增大了。霍金的轮椅走在我的前面,离我有一大段路,当他转弯准备进入别墅时,正好遇到一个上坡,我抬头一看,发现史蒂芬轮椅正在向后倾斜,马上就要倒下去,我赶紧跑过去,但我离他有10米远,没来得及,他翻到灌木丛里。看到这位研究宇宙引力的大师竟然招架不住小小地球的微弱引力,真是让人感受颇深。

    1979年我被选为剑桥大学卢卡逊数学讲座教授。当年伊萨克·牛顿曾在此执教。他们有一本很厚的签名册,每一位大学教授都要在上面签字。我担任卢卡逊数学讲座教授约一年之后,他们发现我还没有在这本签名册上签名。于是他们把签名册带到了我的办公室,我费了很在的力气才在上面签上字,那是我最后一次用手签名。

    在时间方面过去与将来之间的差别从何而来?为什么我们记住的是过去而不是将来?科学定律没有区别过去和将来,但在日常生活中过去和将来大相径庭。你可以看到一个茶杯从桌子上掉下来在地板上摔成碎片。但是你绝对看不到这些碎片重新聚合在一起复原成一个完好的杯子,然后再跳回到桌子上。这是因为,随着时间增加的无序度或熵将过去与将来区别开来,使时间有了方向。

    他在瑞士时病倒了,回来时戴着呼吸器,一根管子插到他喉咙里,这样他就不能讲话了。那段时间大概持续了两个月,在那段时间里,我每隔三两天就要去医院,因为他在医院里无法与护士交谈,所以要有人在他身边照料他。他病情严重,护士们有时弄不清楚他想要做什么。如果霍金不舒服,她们有时弄不清他为什么不舒服。

    在我得肺炎之前我的讲话就已经很不清楚了,所以只有少数跟我很熟悉的人才能听懂我说的话。但是至少我可以与别人交流。我通过向秘书口授写科学论文,通过翻译在研讨会上发言。结果喉部手术使我完全丧失了讲话能力。

    霍金很难接受他不能再讲话的事实,他认为,如果采用语言之外的方式进行交流,那等于是屈服。我记得有一天晚上,我去他那里,那是第一次他要我扶他下床使用计算机。护士们有时让他坐起来,以免他老是躺在床上。我到病房后,他问护士他能否下床使用计算机。我记得,他在计算机上打出的第一句话是“你好!你愿意帮助我把书写完吗?”霍金在这类事情上总是非常客气的。

    加里福尼亚的一位计算机专家听说我的困难处境之后送给我一套叫做“合成器”的计算机程序。利用这套程序,我只要按一下手中的按钮,就可以在屏幕上选择我所需要的词。然后这些词可以送到在我轮椅上的语言合成器中。让我惊奇的是,我发现我能够比以前更好地与别人交流。

    我开始思考在宇宙停止膨胀并开始收缩时,将会出现什么样的情况。我们会看到杯子碎片复原成一个完整的杯子,然后从地板上跳到桌子上吗?我们能提前得到明天的价格从而在股市上发大财吗?我认为当宇宙再次坍缩时,它必然回到平滑有序的状态。如果情况果真如此,当宇宙开始坍缩时,时间将会倒流。在宇宙收缩阶段人们的生命会颠倒过来:先死而后生。随着宇宙再次变小,年龄大的人会变年轻,甚至回到子宫里去。

    我犯了一次错误。原因是我使用的一个宇宙模型过于简单。当宇宙开始收缩时,时间不会倒转。人仍将继续变老,所以不能指望等到宇宙再次坍缩时返老还童。

    在实时间之中,即在我们人类生活的时间之中,宇宙可能有两种结局。一种结局是永远膨胀下去,另一种结局是再次坍缩,在大挤压状态下终结。可以说它像大爆炸,但是反向的。现在我认为宇宙将在大挤压处终结。不过,与许多其他末日预言家相比,我有某些优势。因为我预言那将发生在十万亿年之后,不论那时发生什么事情,都不会在我活着的时候证明我是错的。

    他确实非常相信,人类的大脑几乎有无穷的能量。只有你确实弄明白了哪些事情你是无法知道的,你才知道自己哪些方面不行,是不是?所以我认为不应使思想受到任何束缚。为什么你不去想那些不可想象的事情呢?迟早总要有人去想。我是说,你想想看,有多少事情在一个世纪以前是不可想象的?然而现在却被人们想到了。他们乍看上去常常是很不切实际的。霍金所说的一切不可能都是绝对真理,他是一个探索者,在不断探索新的事物。有时他的观点也可能是谬误,人不都是如此吗?但是,重要的是,人类必须思考,必须继续不停地思考。人类必须努力拓展知识领域,但有时人们确实不知道从何处入手。我们不知道知识的边界在那儿,是不是?因为你不知道起点在哪里。

    如果我们发现了完整的宇宙理论,我们应当及时地让所有的人都能理解它的基本原理,而不仅仅只限于少数科学家。到那时,我们所有的人——哲学家,科学家,以及普通大众,都能够参与关于我们和宇宙为什么存在的问题的讨论。如果我们找到了这一问题的答案,人类理智将奏起终极胜利的凯歌,因为人类获得了最后的胜利。(来源:《环球》栏目)

责编:若轶    来源:央视国际网络

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