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跟随《时间简史》缅怀霍金

他被誉为继爱因斯坦之后,世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。他提出的黑洞理论、奇性理论、无边界宇宙理论,以及所撰写的《时间简史》等,彻底革新了人们对于广阔宇宙的认知。

他就是史蒂芬·霍金。3月14日,他与世长辞,享年76岁。

《时间简史》

作者:[英]史蒂芬·霍金

出版社:湖南科学技术出版社

出版时间:1992年2月

《时间简史》是史蒂芬·霍金在1988年的愚人节那天送给世人的一件特殊礼物。它回答了人们最感兴趣的问题:时间有初始吗?它又将在何地终结呢?宇宙是无限的还是有限的?

这本关于宇宙本性的最前沿知识科普著作于1988年首版荣登《星期日时报》畅销书榜237周,被翻译成40种文字,已成为全球科学著作的里程碑。本书是湖南科学技术出版社出版的中文译本。

宇宙学是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙中高等生物的人类不满足于自身的生存和种族的绵延,还一代又一代地探索着存在和生命的意义。但是,人类理念的进化是极其缓慢和艰苦的。从亚里士多德、托勒密的地心说到哥白尼、伽利略的日心说的演化就花了大约2000年时间。

令人吃惊的是,尽管人们知道世间的一切都在运动,可只有到了20世纪20年代哈勃发现了红移定律后,宇宙演化的观念才进入人类的意识。在此之前,人们甚至从未想到宇宙还会演化。无论是牛顿的万有引力理论,还是爱因斯坦的广义相对论都不能得到稳态的宇宙模型。为了得到一个这样的模型,爱因斯坦将宇宙常数引进他的方程。可见,宇宙演化的观念并非产生于这些天才的头脑之中。

哈勃的科学发现标志着现代宇宙学的诞生。他的红移定律说从星系光谱的红移可以推断,越远的星系以越快的速度飞离我们,这表明整个宇宙处于膨胀的状态。从时间上倒溯到过去,估计在100亿到200亿年之前发生过一次开天辟地的大爆炸,宇宙就从这个极其致密、极热的状态中诞生。伽莫夫在1948年发表的关于热大爆炸模型的文章中作出了一个惊人的预言,早期大爆炸的辐射仍残存在我们的周围,不过由于宇宙膨胀引起的红移,其绝对温度只余下几度了。在这种温度下,辐射处于微波的波段。然而,在1965年彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前,人们并不认真对待这个预言。

一般认为,爱因斯坦的广义相对论是描述宇宙的正确理论。在经典广义相对论的框架中,霍金和彭罗斯在很一般的条件下,证明了时空一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞里的奇点和宇宙大爆炸处的奇点。所有定律和可预见性都在奇点处失效。奇点可以看作时空的边缘或边界。只有给定了奇点处的边界条件,才能从爱因斯坦的方程中得出宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主给定,所以宇宙的命运就操纵在造物主手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题。

本书作者是当代最重要的广义相对论家和宇宙学家。他的生平是非常富有传奇性的。在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之一,而他的贡献是在他20年之久被肌萎缩性(脊椎)侧索硬化症禁锢在轮椅上的情形下做出的。因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响,所以媒体对他早已广为报道。

在富有学术传统的剑桥大学,他曾担任也许是有史以来最为崇高的教授职务,那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡斯数学教授。(本文节选自《时间简史》译者序,作者许明贤、吴忠超)

书评

“迷人而清澈……光辉四射的巨著。”

——《纽约客》

“童真好奇与天才智慧的结合。当我们领略霍金宇宙之际,为他精神的瑰丽所惊异。”

——《伦敦星期日时报》

“既生动活泼,又发人深省……霍金无疑具有教师天赋。”

——《纽约时报》

“当代物理学家关于宇宙构成以及演化理论的权威性总结。”

——《华尔街日报》

节选

时间和空间

我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛顿。在他们之前,人们相信亚里士多德,他说物体的自然状态是静止的,并且只有在受到力或冲击的推动时才运动。这样,重的物体比轻的物体下落得更快,因为它受到更大的将其拉向地球的力。

亚里士多德的传统观点还认为,人们依靠纯粹思维即可以找出所有制约宇宙的定律:不必要用观测去检验之。这样,在伽利略之前,没有一个人想看看不同重量的物体是否确实以不同速度下落。据说,伽利略将重物从比萨斜塔上落下,从而证明了亚里士多德的信念是错的。这个故事几乎不足以为信,但是伽利略的确做了一些等效的事——让不同重量的球沿光滑的斜面上滚下。这情况类似于重物的垂直下落,只是因为速度小而更容易观察而已。伽利略的测量指出,不管物体的重量多少,其速度增加的速率是一样的。例如,你在一个沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上释放1个球,则1秒钟后球的速度为每秒1米,2秒钟后为每秒2米等,而不管这个球有多重。

牛顿把伽利略的测量当作他的运动定律基础。在伽利略的实验中,当物体从斜坡上滚下时,它一直受到不变外力(它的重量)的作用,其效应是使它恒定地加速。这表明,力的真正效应总是改变物体的速度,而不是像原先想像的那样,仅仅使之运动。同时,它还意味着,只要物体没有受到外力,它就会以同样的速度保持直线运动。这一思想首次在牛顿于1687年出版的《数学原理》一书中清晰地陈述出来,并被称为牛顿第一定律。

牛顿第二定律给出物体在受力时发生的现象:物体在被加速或改变其速度时,其改变率与所受的外力成比例。小汽车可提供一个熟知的例子,其发动机的功率越大,则加速度越大;但是小汽车越重,对于同样的发动机,则加速度越小。除了他的运动定律,牛顿还发现了描述引力的定律:任何两个物体都相互吸引,其引力大小与每个物体的质量成比例。

牛顿引力定律讲,一个恒星的引力只是一个类似恒星在距离小一半时的引力的1/4。这个定律极其精确地预言了地球、月亮和其他行星的轨道。如果这个定律中恒星的万有引力随距离减小或者增大得快一些,则行星轨道不再是椭圆的了,它们就会以螺旋线的形状要么盘旋到太阳上去,要么从太阳逃逸。

霍金与他的那些作品

除了《时间简史》,霍金还撰写过《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》《大设计》和《果壳中的宇宙》等,给整个物理学界带来了新的曙光。

《果壳中的宇宙》

《果壳中的宇宙》是一本图文并茂的科普著作。其书名颇有“来头”,源自莎士比亚戏剧《哈姆雷特》中的台词:“我即使被关在果壳之中,仍自以为无限空间之王。”

作者霍金把广阔的宇宙隐喻成一颗果壳,果壳上的量子皱纹包含着宇宙中的所有密码。他认为,从广义上说,粒子、生命和星体的处境都和果壳相似。同时,对于因疾病被困于轮椅,依然思考宇宙学前沿问题的他来说,这个书名也很贴切。

《霍金讲演录——黑洞、婴儿宇宙及其他》

这是一本有关宇宙和它的一位探索者的书。这位探索者正是作者本人。他彻底改变了人类的宇宙观。

宇宙的演化孕育出生命、思维和智慧,宇宙之于生命,犹如母亲之于婴儿。只要我们生活得稍微抽象一些,暂且忘却一下世界的无聊,就能从“宇宙”这本大书中读到真善美。

《大设计》

该书是2011年湖南科学技术出版社出版的图书。

霍金的《时间简史》是他于1988年之前对理论物理与宇宙学的总结。当历史的车轮又转过了20多年后,人类对宇宙有了新的发现和理解,霍金自己对宇宙和统一理论也有了许多新的思考,对于未来的发展有许多预言和展望。

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