初读《时间简史》

华庆富

英国伟大的物理学家史蒂芬·威廉·霍金继创立了黑洞理论和“大爆炸”理论后，又经过一番潜心研究与探索，撰写了科学经典著作《时间简史》。这是一本有关宇宙学的著作，是一部将高深的理论物理通俗化的科普范本。

《时间简史》主要讲述的是探索时间和空间核心秘密的故事，是关于宇宙本性的最前沿知识，内容包括我们的宇宙图像、空间和时间、膨胀的宇宙不确定性原理、基本粒子和自然的力、黑洞、黑洞不是这么黑、时间箭头等理论或者理论预言，其中不少在当时看起来高深莫测近乎神话的理论预言，后来都在对微观或宏观宇宙世界观测中得到证实。当然，依然还有很多预测没有得到验证。作为中学生的读者朋友们，有必要对这本科学著作做一些粗浅的了解。

霍金教授坚持他的宇宙大爆炸观点。他认为我们现在生活的宇宙有自己的历史起点。它大约诞生于150亿年前，那时，宇宙只是一个点，它的密度无限大，不占有空间，也没有时间的概念。突然它就爆发了，四散开来，时间和空间从此诞生。爆炸产生的温度极高，从此宇宙就一直持续膨胀，直到现在。在膨胀的过程中，随着时间的推移，空间越来越大，温度越来越低，宇宙中的能量与物质不断发生复杂的反应，有些气体、灰尘渐渐冷却聚集在一起，形成各种各样的天体，空间继续扩大，宇宙的样貌渐渐清晰起来。大约在距今50亿年前，太阳形成。大约在距今46亿年前，地球形成。因为有了地球，才有了人类，有了创造新世界的我们！

按照霍金教授的理论，宇宙在持续地膨胀，也许在膨胀到一定程度后，宇宙开始收缩，可能会收缩成一个点，一个不占有空间的点。到那时，时间结束。到底会不会这样，现在还说不定。

不过让人疑惑的是，在大爆炸“之前”，宇宙原来是一个体积无限小的点，这个点里面有没有时间跨度？或许用“之前”有些不合适，毕竟在开始之前能有什么呢？！可是开始又是从哪儿来的呢？这仿佛陷入了一个死循环，无论你说什么是源头，你都可以怀疑这个源头的来源，结束这种无休止的怀疑的最好方法就是相信没有“在那之前”。

我们不禁要问，宇宙现在在膨胀，那么将来它会收缩吗？如果它收缩，时间的方向就会和现在相反，那就会出现破碎的花瓶的碎片从地上跳到桌子上又结合成花瓶的现象。霍金教授认为这不可能，他认为，因为宇宙即使收缩时，时间的方向也会和膨胀时即现在发生的时间同向。霍金教授认为宇宙无边界条件也意味着，事实上宇宙即使在收缩时其无序度也是继续增加的，我们之所以从未看到打碎的杯子集合起来，离开地面并跳回到桌子上，因为这违背了热力学第二定律的表述，即在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加。换而言之，它是墨菲定律的一种形式：事情总是趋向于越变越糟：桌面上一个完整的杯子是一个高度有序的状态，而地面上破碎的杯子是一个无序的状态。人们很容易从早先桌子上的杯子变成后来地面上的碎杯子，而不是相反。时间倒流并不适合智慧生命的生存，除非在宇宙由膨胀转为收缩的临界时刻，所有的生物都获得永恒的生命，直到收缩为最初的一点。或许由膨胀转为收缩，继而收缩到一点的时间只是一秒。当然，是在数百亿年也不一定。收缩时的空间和现在肯定完全不一样，生命或许将飞越到没有时间观念。然而生命的永恒是以时间消失为前提的，这究竟有没有可能呢？离开了时间与空间的生命又有没有实际意义呢？

空间和时间是一个整体，有空间的地方就有时间，有时间的地方就有空间。因为宇宙在膨胀，也就是说空间在膨胀，所以时间就在延续，宇宙一旦停止膨胀，时间也就停止，那就是世界末日。时间和空间是一个整体，意味着它们不可能单独存在。而空间和时间是连续的，因为空间膨胀有速度，所以时间也必然有速度，即空间膨胀的速度等于时间的速度。

如果我们可以进行时间旅行，我们可以回到过去的时间吗？在《时间简史》里，霍金试图用时间箭头将过去和未来区别开来，使时间有了方向。霍金的眼里至少有三种时间箭头：第一个，是热力学时间箭头，即在这个时间方向上无序度或熵增加；然后是心理学时间箭头，这就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来；最后，是宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是在收缩。既然时间有方向，必然会出现前后和里外之分，也必然有起点和现在的位点，那么宇宙就有了一个边界，宇宙就是有限的。不过，因为宇宙的膨胀是持续的，它一直在向外延伸，因此从这个意义上来说宇宙又是没有边界的。也就是说，从某一时间点来看，宇宙是有边界的，但是从一段时间来看，宇宙又是没有边界的，而时间不会停留于某一时刻，所以归根结底宇宙是没有边界的，只要它的膨胀不停止。在《时间简史》里霍金试图把宇宙描述成一个有限但无边界的空间，没有开始也没有结束，这里的有限是指瞬间的有限、某一时刻的有限，这里的无边界是指宇宙的不断膨胀。

既然时间是延续的，可为什么我们总是记住过去而不是未来，为什么时间总是向前进而不会后退？因为时间是有方向的，这个方向就是宇宙膨胀的方向。只有当我们低于时间的速度时，我们才相对于时间向后运动，我们才能回到过去。而一切在宇宙产生之时就和时间具有了同样的速度，即宇宙膨胀的速度。就是说，所有的物体在相对于宇宙的时候都和时间同速，宇宙里的一切都在随时间向前运动。如果我们超过时间的速度走到时间之前，那里还没有空间、没有时间、没有一切，那里还是混沌状态，在那里不会看到任何东西，我们也不能在那里存在，所以去未来旅行根本不可能。

黑洞是恒星老化后坍缩形成的。恒星靠内部氢原子的聚变产生能量，释放光和热，太阳就是这样。在内部原料用完后，就会发生坍缩，即向一点收缩。当这一点非常非常小时，它的密度就会趋向于无穷大，同时它的引力也会变成无限大。由于引力很大，没有什么东西能够从它那儿逃逸出来，这里面也包括光。而人之所以能看到东西，就是因为有来自那个东西的光进入人眼。现在那儿不会有光发射出来，所以人类是不可能真正地看到黑洞的，但可以根据可见星体的运动规律来推测。霍金教授认为，黑洞是时间的终点，类似于宇宙大爆炸时的那个点。

大家知道，在一个苹果的表面上从一个点到另一个点需要走一条弧线，但如果有一条蛀虫在这两个点之间蛀出了一个虫洞，通过虫洞就可以在这两个点之间走直线，这显然要比原先的弧线来得近。爱因斯坦在广义相对论中有一个革命的设想：引力不同于其他力，它不是力，只不过是时空并不平坦这一事实的结果。在四维中，时空本应是一个平面，但对应时空中的质量和重量分布不同，造成了时空的塌陷，就像一块被拉平了的有弹力的布，太阳是一块放在布上的小石头，小石头让周围的布形成一个近乎漏洞状的塌陷。霍金认为：现在时间和空间是弯曲的，当一个物体运动时，或者一个力作用时，它影响空间和时间的曲率，而时空结构反过来也影响物体运动和力作用的方式，时间和空间不仅影响宇宙中发生的一切，而且也受发生在宇宙中的每一件事所影响。

既然时空是弯曲的，那么从一点到另一点既可以从曲面沿曲线走过去，也可以从曲面里面，从连接两点的弦沿直线走过去，这两种走法的距离是不一样的，所需时间也是不一样的。因此，宇宙时空中只要存在合适的虫洞，无论多么遥远的地方都有可能变得近在咫尺，星际旅行家们将不再受制于空间距离的遥远。在一些科幻故事中，技术水平高度发达的文明世界利用虫洞进行星际旅行，就像今天的我们利用高速公路在城镇间旅行一样。在著名的美国科幻电影及电视连续剧《星际之门》（港台译《星际奇兵》）中，人类利用外星文明留在地球上的一台被称为“星际之门”的设备，可以与其他许多遥远星球上的“星际之门”建立虫洞连接，从而能够几乎瞬时地把人和物送到那些遥远的星球上。虫洞成了科幻故事中星际旅行家的“天堂之路”。

（编辑 孙世奇）