无中生有的宇宙——霍金阅读笔记（下）

山西 | 张石山

第九章 不断修正的理论

牛顿、爱因斯坦和霍金等科学巨匠，无疑是一些天才人物。他们有足够的好奇心和超常的能力，他们希望能够找到解释我们身处其中的宇宙的基本规律或曰理论。

这样的理论，不是神学的，而是科学的。它必须满足两个条件：

其一，这个理论必须能够解释和描述当今任何检测手段所观测到的现象。

其二，这个理论能够对于将来观测的结果，给出明确的预言。

比如，牛顿万有引力理论，曾以很高的精确性预言了太阳月亮和绕日行星的运动。而爱因斯坦的时空弯曲说，也得到了观测结果的辉煌验证。

在牛顿的万有引力体系中，认为引力是瞬间感应的，是一种超时空的力。而爱因斯坦的广义相对论则纠正了牛顿的谬误，预言了引力波的存在，它应该以光速传播。引力波非常微弱，极其难以检测。经过了一百年的艰难探索和不懈努力，科学家们在最近几年方才检测到了引力波的存在。这也再一次证实了爱因斯坦的伟大预言。

而且，真正的科学是诚实而谦逊的。比如，霍金就诚实地承认，任何物理理论都是“临时性的”。即便有无数次的实验结果符合某一理论，也不能断言下一次实验一定符合。只要出现一次不符，理论就被证伪。多次实验相符，只能增加人们对此一理论的信任度。而哪怕出现一次稍有不符，则必须对理论进行修正。

读到霍金先生这些诚实谦逊的话语，令人感慨万端。

这是一种值得称赏的态度，甚或是一面镜子。某些所谓真理的狂妄与霸道，被照出了本来面目。好比中世纪宗教裁判所，被钉上了历史的耻辱柱。

从爱因斯坦到霍金，他们都认为自己只是将前人的理论成果进行了小小的一点推进与扩展。

他们共同的目标，是希望找到能够一致解释宏观世界和微观世界的统一的理论。他们所做的，也许只是无限逼近那个目标，而愈是逼近，难度愈大。就像加速粒子，愈接近光速，需要的能量愈接近无限大。

这很艰难，但他们决不会停止探索。

第十章 黑洞

根据观测的结果证明，现今的宇宙正在膨胀。将来，大致到50亿年之后，宇宙或许将停止膨胀，而进入一个塌缩过程。当然，这样的情形还远未发生。但从宇宙膨胀的事实向着过去推导，我们现今处于其中的宇宙，应该逐步收缩回去。也就是说，宇宙一定曾经有过一个收缩态。这样的情形，是一个曾经发生过的事实。

至于宇宙的收缩态，究竟是某个临界状态，还是收缩为一个奇点？科学家们对此的看法似乎并不完全一致。这没有什么关系，大家都在不断探索之中就是了。

宇宙的宏观状况，人类还无法看到全部，而且也不大可能。我们能看到宇宙的边界吗？这是不可想象的。至少在眼下，极远处的星系的光线尚未到达地球。也许，时空弯曲使得宇宙成为一个无边无界、无始无终的连续体，正如我们地球的二维表面一样。宇宙连续体则是三维的。它根本就没有边界。

在微观尺度，人类也还没有做到完全破解。于是，发现与建立一个关于宇宙的统一理论，受到了种种局限。科学家们只能根据目前探知的部分宇宙来发现若干“不完全理论”。

当爱因斯坦渐渐接受大爆炸理论，霍金自己却又有限度地否定了他曾经坚持的宇宙奇点的理论。因为，他不能不考虑量子力学的小尺度效应。

至于在大尺度方面，霍金的科学成果之一，是关于黑洞的理论表述。

此前，有位科学家创造出了“黑洞”这一词语，霍金使之成为当代人们普遍接受的一个科学概念。

所有的恒星，由于其内部核裂变产生的巨大热量使之膨胀，而物质的引力使之收缩，这种膨胀与收缩达到平衡，这便是恒星所呈现的形态。比如我们的太阳，它将继续燃烧数十亿年。

宇宙之大，而有恒星之无穷多。有些恒星便到了燃烧殆尽的时候。他们中的一些，塌缩为白矮星；有些，塌缩为中子星；而有些，由于本身质量之巨大，其内在引力极大，最终将塌缩为黑洞。人们看不到黑洞，它曾经被称为“暗星”，后来大家以致选用了“黑洞”这个更为写意的词语。

黑洞的内在引力有多么大呢？这种引力造成的时空弯曲，竟然大到连光线都不可能从那儿逃逸出来。

黑洞不能发光，人类如何可能观察到它？霍金用了一个生动的比喻来描述这种状况：这就好比要从煤库里发现一只黑猫。也就是说，直接看到它是不可能的。但黑洞具有质量，而质量产生引力，这种引力能够作用到它周边的物体上，而这是能够检测到的。

宇宙之大，而有种种星体组成的系统之多。有的系统，便是由两颗恒星结成的相互围绕运动的“双子”星。众多的双子星中，有这样的情形：一颗恒星尚在发光，而它的伴星已经塌缩成为黑洞。这一只具体的黑洞，作用在可见恒星上的引力，则是能够检测出来的。这，应该能够证明黑洞的确实存在。

科学家们通过计算得出结论：在宇宙漫长的历史中，已经有无数恒星烧尽燃料塌缩为黑洞。仅仅在我们银河系中，黑洞的数目甚至比可见的数千亿颗恒星还要多！

现有的可见星系为什么能维持其运动形态？单单以可见恒星来计算，不足以维持其转动速率。这也是黑洞存在的有力支撑之一。

比如，在我们银河系中心，有一个质量达到太阳十万倍的巨大黑洞。这是银河系得以维系它的现存状况的重要条件。

一颗燃尽的恒星可以塌缩成一个黑洞，一个巨大的星系中央存在一个质量巨大的黑洞，这样的事实虽则只是局部事件，但它的引申意义是非凡的。根据广义相对论，在黑洞中必然存在物质密度和时空曲率无限大的奇点。这和宇宙大爆炸之前时间开端之际的情况，应该类似。

第十一章 测不准原理

霍金和许多前沿科学家对黑洞的研究，正如霍金声称并且始终秉持的立场，大家旨在通过对宇宙部分区域的研究，以便能够最终发现适合于整个宇宙的原理。

在宇宙的大尺度上，人们能够看到许多恒星，是因为恒星发出的光来到了地球，刺激了我们的视觉感光细胞。那么，光到底是什么？它有怎样的性质，这无疑引发了科学家们极大的研究兴趣。

在牛顿之后的两百年里，光的粒子说与波动说始终争论不休。由于牛顿的权威地位，粒子说似乎更强势一些。而后来的实验证明，光既是粒子，也是波，它具有波粒二象性。在此基础上，爱因斯坦提出了“光量子”的概念，简称光子。

一般认为，光子只有动质量，没有静质量。或者可以说，因为光子不会静止，因而不具有静质量。光线能够被黑洞没收或被大质量天体弯折，说明它有质量。只是其质量极其微小罢了。而光子具有动量与能量，因而我们能够看到日光星光，能够感到太阳光的温度。

电磁波和光波在真空中传播的速度一样。光同时也是一种电磁波。只是它的波长正好在我们人的视力可见的范围之内，成为所谓可见光。

电磁波与光波，都是以称为量子的波包发射的。

人们如果要预言一个粒子在未来的位置与速度，必须首先准确地测量出它此时的位置和速度。

粒子过于微小，而且在运动中，截至目前，科学家们使用的办法是将光来照到粒子上。光子具有能量，能够扰动粒子，这样人们就借助仪器“看到了”粒子。

这时，出现了一种“测不准”的怪异现象。

光在任何情况下的速度都是恒定的。当然，光波的频率可以不同。频率愈大，则光波愈短，光子所携带的能量也愈大。我们都知道激光，激光可以穿透钢板，足见其能量之威力。

回头来说粒子的测量。粒子非常微小，要测量到它的精确位置，必须使用波长极短的光。即便只用一个光子，这粒光子也是有波长的。人们只能确定，粒子的位置是在这一个光波之间。当光波继续变短，光子携带的能量愈大，这粒光子对粒子的扰动也愈大。这样，科学家们的测定过程，就出现了一种无法两全的情况：当用来测量的光波愈短，标志着粒子的位置越准确，但此时粒子受到更为强烈的干扰，它的速度就愈不准确。反之亦然。无论什么种类的粒子，也不论何种测量方法。

这最终成为了一个原理，就叫作“测不准原理”。这一原理，乃至成为世界的一个基本不可回避的性质。

如果人们不能准确地测量宇宙现在的状态，那就肯定无法准确地预测宇宙的未来。测不准原理的存在，使得一个曾经的科学梦想即找到完全确定性的宇宙模型，彻底破产。

第十二章 量子物理

但科学家们依然不屈不挠，量子力学应运而生。

正如光子的状态是波粒二象性一样，粒子既然难以测量其准确位置与速度，科学家们就将这种状况结合起来考虑，这便是粒子的“量子态”。

粒子没有确定的位置，它的状况也就像波一样，于是，量子也存在着波粒二象性。

比如说，一个骰子，它是在封闭盒子的左边还是右边？人们不能给出每一次的准确预言，却能通过实验，得出它在左边或右边的概率。这便是测不准原理引出的检测结果的非预见性和随机性。

爱因斯坦不喜欢这个，他说，上帝不掷骰子。他的意思是说，宇宙的生成，不应该是随机的。但后来的大多数科学家乐于接受量子力学。因为它和实验有相当完美的符合性。

霍金在《时间简史》中总结说，爱因斯坦的相对论制约了宇宙的大尺度结构。它是经典理论，它没有考虑到量子力学的不确定性原理。而量子力学认为，在宇宙大爆炸的时刻，包括已经证明其存在的黑洞那里，引力场非常之强，量子力学的效应应该非常显著。

霍金和同时代的科学家们，孜孜以求，希望最终找到完备协调的能够统一广义相对论和量子力学的理论。

为此，霍金他们在宇宙大尺度方面发现了黑洞理论，另外的科学家则在基本粒子的研究方面取得了巨大进展。

最初，人们认为构成原子的质子、中子和电子包括光子，是为基本粒子。但科学家们很快发现，这些基本粒子依然可分，有轻子、夸克、中微子等数十种更基本的粒子。

粒子具有对称性。有一种粒子，必有一种反粒子。正反粒子相碰，发生湮灭，变成携带能量的光子。

而相对新潮的“弦理论”乃至“超弦理论”则认为，看起来像是粒子的东西，其实是极细微的弦的闭合圈。闭合的弦的不同振动，产生出各种不同的基本粒子。

我们知道，在宇宙大爆炸的起始开端，构成宇宙的物质只能是最基本的粒子；在那样的绝对高温之下，那些粒子正是以“量子态”的形式存在。因之，比起广义相对论来，量子力学更加可能解释或描述宇宙起源时的情境。

第十三章 统一场

从原初人类发出“天问”，人们始终在努力探寻宇宙奥秘。大家希望知道宇宙到底是什么样子的，并且想要弄清它为什么会是这个样子。自古以来，人们建立过若干宇宙模式，比如亚里士多德的模式、《圣经》描述的“地球是上帝的宝座”的模式、伽利略的模式、牛顿力学的模式，包括佛教“三千大千世界”模式，还有我们中国传统说法“天人合一、天圆地方”的模式等。

前述各种模式，或者经不起实证考验，或者经不起逻辑推导，证明是不完备的，或者竟是凭空想象的，乃至是错误的，甚或是荒诞的。

在这方面，近代以来的科学家们做出了艰苦卓绝的努力，取得了极大的进展。但截至目前，希图一蹴而就建立一个完备统一理论，依然未能成功。

伟大的爱因斯坦在他的晚年，用大部分时间致力于寻求一种统一理论，而未能成功。

科学家们归纳出宇宙所存在的四种基本力，是为强力、弱力、电磁力和引力。关于前三种力的理论，都可以在量子力学范畴予以统一，唯有引力无法包括在内。引力在广义相对论中得以很好地表述，但广义相对论与量子力学不能兼容，因为它没有考虑不确定性原理。

尽管如此，科学家们取得的成果依然令人欢欣鼓舞。

在我们已经探知的大尺度的宇宙内，广义相对论描述了一个时空弯曲的世界。宇宙是这个样子的，并且基本可以解释它为什么是这个样子。

科学家们推导出我们现今的宇宙由大爆炸而来，由此回溯到大爆炸的开端，那是一个量子态的宇宙。他们建立了一个热大爆炸的模型，来图解描述宇宙的历史。

在大爆炸开始之初的多少亿亿分之一秒，有多少亿亿度的高温，最初的宇宙渐次生成各种太初粒子。先是夸克，随后是质子、中子和介子，到大爆炸过去一秒钟的时间，这才生成了最简单的氢氦等原子核。

宇宙大爆炸达到十亿年之后，物质团方才凝聚成类星体，有了最早的恒星和原始星系。至于原子连接形成复杂分子和生命物质，宇宙已经高龄一百多亿年。而它仍在继续膨胀，方兴未艾。

当代量子力学的研究，可以推导出宇宙大爆炸开端的量子态，对于解释宇宙的生成，具有非凡的意义。

前面我们讲到，粒子具有对称性。有一种粒子，必有一种反粒子。正反粒子相碰，发生湮灭。但粒子并没有完全湮灭掉。比如，中微子和反中微子由于相互作用极其微弱，就没有相互湮灭。现在，科学家们仍然能够间接地探测到它们的存在。它们可以是“暗物质”的一种存在形式，有着足够的吸引力去遏止宇宙膨胀，并使之回归塌缩。

科学家们论证，早期量子态的宇宙是基本均匀的，这是当今我们能够看到的宇宙在各个方向都大致一样的原因。但早期宇宙又不是绝对均匀，比平均值稍微密集一些的区域，由于引力作用开始塌缩，因而形成聚集，这样星系和恒星们才得以诞生。

而且，宇宙是以一个临界速率膨胀，它膨胀得不快也不慢，它不再是大爆炸之初的“暴涨”，刚好可以避免过快塌缩。不然，我们看到的宇宙，就一定不是这个样子了。甚而言之，宇宙不是我们看到的这个样子，别样的宇宙间也就根本不会有我们。

第十四章 人择原理

一些理论物理学家，布兰登、巴罗和蒂普勒等，提出了关于宇宙学的人择原理。

这个原理，引发了实证科学家们的关注。或相当赞同，或基本反对。

人择原理，虽然也讨论了化学和地质学的相关话题，但在我看来，更多的是具有某种思辨色彩。

其最基本的理论是说：人类作为碳基生物，所以活在看似调控得如此精确以致能够孕育出智慧生命的宇宙之中，是因为如果宇宙不是调控得如此精确，人类便不会存在，遑论探索与思考宇宙。

这个理论，一些反对者指出，这不过是一种无意义的“赘述”。或曰，是在因果互证。因为它是黑猫，所以它的颜色是黑的；因为颜色是黑的，所以它是黑猫。好像为了让人类存在来思考宇宙，所以宇宙就要设计成能够让人类存在。事实上，人类是不断进化的产物，进化是为了适应宇宙，而不是相反，令宇宙来适应人类。

乡间有个笑话说，傻瓜兄弟二人，突然讨论起人的奇异之处。

一个说，老天爷造出咱们人来，实在有道理。你看，咱们的脚尖都是朝前的，要是朝后，我就踩住你啦！

一个说，是啊是啊。咱们的鼻孔都是朝下的，要是朝上，下雨就下到鼻孔里来啦！

事实上，人之所以为人，是适应环境逐步进化的产物，而不是上天的预设。

但从积极的意义上来考量，人择原理到底蕴含着相当程度的哲思。

霍金在他的著述中，并没有简单地排斥人择原理，而是就此原理引申出自己的许多有益思考。

关于宇宙的弦理论、膜理论，以及宇宙乃至有十维十一维（包括时间维）的理论，目前只是一种演绎。只是建立了若干模型，只是提供出人们探索宇宙的若干思路。

在这里，霍金谨慎地使用了“如果”二字。

按照测不准原理，我们的宇宙存在，与其他样式的宇宙存在，其概率分布应该相差无几。如果真的有多维宇宙，那是个什么情况呢？那些额外的维，被卷曲得非常小，人们根本无法察觉和检测到他们的存在。

如果宇宙在空间上只是二维的，最简单的推理也能知道，动物不可能生存。它们吃了东西要排泄，在二维世界，这个通道会将动物分成两片。

如果宇宙在空间上是四维或更多维呢？那样的话，两个物体之间的引力衰减将会发生几何级变化。太阳将要很快塌缩，地球也早已被太阳的引力吞噬。

霍金这时归纳说：看来生命只能存在于一维时间和三维空间而且没有被卷曲得太小的时空区域里。

我们为什么正好存在于宇宙仍在膨胀的这个时段呢？霍金也有很好的解答。

根据量子力学的不确定性原理，宇宙从一个相对光滑的时空之点开始膨胀。但它并不完全平坦光滑，而有微小起伏，这才形成了日后的某些区域物质的凝聚。这就解释了宇宙的热力学膨胀的时间箭头，它从奇点出发，向着未来。

至少要过100亿年，宇宙才会开始收缩。它的收缩相，会不会正好与膨胀相对应呢？收缩的宇宙会不会回归平滑？

这时，霍金承认自己犯了一个错误。他多少有些迷恋和偏爱宇宙的对称，希望收缩相的宇宙是归于它膨胀之初的平滑。霍金的错误究竟是什么意思呢？宇宙膨胀，是在不断增加它的无序度。宇宙的收缩相，如果正好对称于它的膨胀相，那么，宇宙将反转来逐步回归有序，如此，时间的热力学箭头将会相反。那时人们的生活将是倒退进行式，大家在出生之前就已经死去。人们吃掉食物产生热量，过后排泄，整个过程会反过来，排泄物回到肠胃，退出口腔，再变回有序的食物。这个观念如同科幻小说一样引人。这时，霍金的合作者和学生，指出了这是错误的。在宇宙的收缩相中，无序度仍会继续增加。这样，到那时，宇宙的热力学箭头，仍将继续向前。

霍金正如伟大的爱因斯坦一样伟大，他及时更正了自己的错误。在顶级科学杂志上公开发表文章予以坦承，而没有任何推诿和掩饰。

对于智慧生命来说，热力学箭头是必须的。人只有消耗食物才能生存。食物，是能量的一种有序形式，人类消化食物，使之变成热量，而热量恰恰是能量的一种无序形式。

事实上，我们的宇宙从大爆炸以来，仍在继续膨胀中。它的无序度在继续增加，我们人类正处在这个宇宙的膨胀相中。

这不是上帝的安排。即便有人声言“上帝死了”，宇宙的存在也不是人的自由意志的选择。

人的自由，在于能够继续不断思考进行艰难探索，希求最终对于宇宙和我们自身有更加合理的解释。

第十五章 珍惜智慧

宇宙之间终于进化出智慧生命，堪称最大的奇迹。

从基本粒子开始，经过十亿年方才形成了简单原子核；经过一百三十多亿年的演化，我们地球上才有了复杂分子，最终有了动物植物，有了能够思考的智慧人类。自足自为的宇宙，自此有了能够反转来思考宇宙本身奥秘的智慧。

霍金说得非常好，也许并不存在什么宇宙的终极理论，也许仅仅存在一个越来越能够精确描述宇宙的无限的理论序列。

即便有朝一日发现了所谓终极理论，它也只是一种语言表述和协调的数学模型，假如这一理论总是能够给出与实证观察相一致的预言，我们仍然只能“适度”相信它的正确性。人类的目标是希图完全理解发生在我们周边的事件以及完全理解我们自身的存在。这是智慧生命永远面临的挑战。

我们中国最早的文化人，特别是崇奉伟大的先师孔子的儒生士子，曾经声称：一事不知，儒者之耻。他们希望自己是高度智慧的，能够无所不知。在先秦时代，他们几乎就是那样的一些人类优秀分子。随着时代发展，今日之天下，早已与当年不同。学科门类之纷繁，知识之深广，称为信息爆炸，毫不为过。或曰，在当代想要称为多学科跨学科的通才，已经没有了可能。

然而，我们却不应该诿过于时代，放弃自己学习求知的职责。

关于人类生存于其中的宇宙，思考它的存在，追问它存在的理由，不应该仅仅是少数科学家的事情。身为作家，号称文化人，至少在我个人，希望自己的兴趣点和知识面更广阔一点。或者可以这样讲，思考人类生存环境，并且思考我们人类自身，这是人类应有的智慧。而作家文人的天职，原本就更加关乎于此。

霍金先生讲过，即便发现了宇宙的统一原理，又怎么样呢？科学的发展如果只是导致人类的加速毁灭，那岂不是背道而驰、适得其反？但永远不知足不满足的人类，并不能回到老子倡导的“弃智绝圣”的蒙昧状态。其实，正如谁都无法阻挡早期人类发出天问，也无法限制人类智慧去思考宇宙。从积极的意义上讲，智慧可以让人类更加趋于理性。

与周边的作家同行相比，也许我恰好多少有些喜欢天体物理，并且在读过霍金的科普著作之后，自以为多少读懂了一点。于是，有这样一些文字写出。

作为霍金科普著作的读者之一，写出上述文字以表达对这位天才的敬意和追思。

同时，我的若干读后感，乐于发表出来与有所共好者分享。希望这些文字，一如我的一惯语言风格，通俗易懂而能达于雅俗共赏。

如有舛错，则真诚希望听到专家们的批评指教。