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《时间简史》是全世界最知名,销量最大的科普书,没有之一。1988年出版后,曾经在畅销书榜上连续出现了237周,也就是四年半的时间,创下了前所未有的畅销记录,这本书被翻译成了40多种文字,印了1000多万册,也就是说在全世界范围内,平均每700个人,就拥有一本《时间简史》,所以霍金教授的一位学生开玩笑的说:“霍金教授的科普书,比麦当娜谈性的书还好卖。”

这些年,出现了很多叫《什么什么简史》的书,比如说《万物简史》,《人类简史》,《未来简史》之类的,而霍金教授的《时间简史》,就是开创了这个命名方法的先河。

《时间简史》这本书并不是很厚,只有200多页,十几万字,但是书中涵盖的内容,是非常广泛的,从相对论到量子力学,从宇宙膨胀到基本粒子,从黑洞到虫洞,霍金教授都进行了介绍。所以看完这本书,你对我们的世界和宇宙,会有更多更深层次的了解。

不过实话实说,《时间简史》这本书,对于普通人来说,并不是很友好——它太难了。因为对很多物理学上的概念,霍金教授只做了非常简单的介绍,有些更是一笔带过,没有一定物理学知识基础的人,很有可能根本就看不懂霍金教授在说些什么。有机构做过调查,很多读过《时间简史》的人,除了开头第一章讲的那些段子和历史以外,其它的内容全都忘了,看了等于没看,而在Kindle上,《时间简史》的平均阅读进度只有6%,意味着很多人买来了《时间简史》,但是看了第一章就放弃了。

所以我振奋起精神,抖擞起余勇,试试给大家,把《时间简史》的精华,和霍金教授对于宇宙研究做出的贡献解读一下。因为当霍金教授委托他的两个中国学生,把《时间简史》翻译成中文的时候,曾经说:“我希望让世界五分之一的人口,了解我的研究。”

霍金教授认为,他自己在学术上最重要的贡献,是对于奇点和黑洞的研究,所以这篇解读里,我按照时间的顺序,把霍金教授的重要理论,分成了三个部分——

首先是霍金教授和彭罗斯教授一起,证明了著名的奇点定理,这个理论跟广义相对论和宇宙膨胀有关;

接下来是霍金教授提出了无边界的宇宙模型,认为宇宙没有边界,也没有起始和终结,这是对上帝的一次挑战;

最后是霍金教授证明了黑洞也可以发出辐射,这种辐射就被称为霍金辐射。

奇点定理

我们先来说说,霍金教授和彭罗斯教授证明的奇点定理是什么。

在二十世纪以前,人们一直默认宇宙是静止的,即使牛顿的万有引力定律已经说明,不同的物体之间会相互吸引,但是人们还是发明出了各种各样的方法,来维护宇宙静止的设想,甚至连大神爱因斯坦,都在这个问题上栽了跟头。

爱因斯坦在1915年发表了广义相对论,提出时空是可以弯曲的,根据爱因斯坦的方程,宇宙并不是静止的,但爱因斯坦认为,这肯定是因为有什么地方弄错了。所以爱因斯坦在他的方程里,强行添加了一个“宇宙常数”,这样一来,根据修改后的方程来看,宇宙就变成静止的了。

但是在二十世纪二十年代,科学家在观察其它恒星的时候发现,很多恒星,都发生了一种叫做“红移”的现象,意思就是说这些恒星都正在远离地球,本来人们认为,这些恒星的运动是随机的,也就是说有些恒星离我们越来越远,但也有些恒星离我们越来越近。

可到了1929年,美国天文学家哈勃(就是名字用来命名哈勃望远镜的那个哈勃)发现,绝大多数恒星,都是在远离地球的,而且这些恒星离地球越远,他们远离地球的速度也就越快。

这说明什么呢?我给大家举个例子:

假如你拿一个气球,在气球表面的不同地方用水彩笔画上几个点,接着给这个气球吹气,随着气球越吹越大,你画的那几个点之间的距离,就会越来越远,而且两个点离的越远,它们之间相互远离的速度就会越快。

这个气球,其实就相当于我们的宇宙,气球上的点,就相当于地球和其它恒星,绝大多数恒星都是离地球越来越远,这就说明啊,我们的宇宙正在不断膨胀。

爱因斯坦在得知这个观测结果之后才发现,自己强行给方程加进去的那个宇宙常数,完全就是多余的,宇宙不是静止的,而的确就是在膨胀的,所以爱因斯坦后来说:“宇宙常数,是我一生中犯下的最大的错误”。

在发现了宇宙膨胀之后,科学家们,就以爱因斯坦的广义相对论为基础,找出了一个新的模型,来描述这个膨胀的宇宙,这就是弗里德曼宇宙模型。

科学家们发现,在弗里德曼宇宙模型中,如果把时间往前推,宇宙就会收缩,如果一直倒推到150亿年前,所有的星系之间的距离,就会变成0,就好像是整个宇宙,被紧紧的挤压成了一个点。

这个点,就被称为奇点。它就是,宇宙时空的开端。

奇点的性质非常特别,我们很难直观地去想象这是个什么东西,但是通过数学计算我们可以知道,奇点的体积无限小,弯曲程度无限大,密度无限大,引力也是无限大的。

这里有很多的无限小无限大,但是数学,其实是没有办法真的处理无限小和无限大的计算的,这就意味着,虽然弗里德曼宇宙模型是根据广义相对论提出的,但是包括广义相对论在内的所有物理理论,在奇点这个地方,都失效了。

所以霍金教授说,奇点的出现,证明了广义相对论,也只是一个不完全的理论。因为在宇宙最开始的那一刻,它就失效了。

明白了奇点是什么,我们来看看霍金教授在这个研究过程中,做出了怎样的贡献?他,又是怎样看待奇点的呢?

在奇点这个理论刚被提出来的时候,并不是所有的物理学家都认同这个说法,据霍金教授说,爱因斯坦自己,都不太相信这个说法,爱因斯坦认为,如果我们把时间一直往前推,不同的星系也不会碰撞到一起,而是会恰好错开。

但是霍金教授在读到了彭罗斯教授的一些相关研究的时候意识到,奇点理论应该是成立的。

经过几年的努力,霍金教授和彭罗斯教授一起,用严谨的数学方法证明,如果广义相对论是正确的,而宇宙中确实有我们观测到的那么多恒星,星系等物质,那么宇宙在很久以前,一定是诞生于一个奇点之中。这个奇点,就是宇宙的开端。

这个理论,现在被称为彭罗斯—霍金奇点定理。

有很多人一开始不愿意接受霍金教授的这个研究结论,因为他们不喜欢宇宙有一个开端的说法,还有的人认为,这个结论违反了科学决定论,糟蹋了完美的广义相对论,但是没办法,因为霍金教授并不是信口开河,他是脚踏实地,用数学计算,证明出这个结果的,数学不会骗人,而人也不能跟数学定律辩论。

所以现在,不管是喜欢还是不喜欢,几乎所有的物理学家都承认,我们的宇宙,的确是诞生在一个奇点之中的。

我们复习一下,前面讲的是霍金教授和彭罗斯教授证明的奇点定理是什么。

在二十世纪之前,人们都认为宇宙是静止的,直到科学家发现,绝大多数恒星都在远离地球而去,人们才意识到宇宙是在持续膨胀的。科学家们在研究膨胀的宇宙模型的时候发现,在150亿年前,所有的星系之间的距离都是0,宇宙在当时是一个体积无限小,弯曲度,密度,引力无限大的奇点,霍金教授和彭罗斯教授的贡献就在于,他们用严谨的数学方法,证明了,如果广义相对论是正确的,那么宇宙就必然诞生于这样一个奇点。这就是,宇宙的开端。

无边界宇宙模型

我们说证明奇点定理,是霍金教授最大的科学贡献之一,但是后来,霍金教授又改变了自己的想法,提出了无边界宇宙模型,认为宇宙并不需要诞生在奇点之中。

所以接下来,我们来看看,霍金教授提出的无边界宇宙模型,有什么特别之处呢?

在前面我们说到,霍金教授和彭罗斯教授证明了奇点定理,之后几乎所有的物理学家都承认,我们的宇宙,是诞生在一个奇点之中的,宇宙诞生的那一刻,被称为大爆炸!

宇宙大爆炸理论,是目前最主流的,描述宇宙起源的模型。我们现在来看一下,宇宙大爆炸模型,对宇宙起源时刻的描述——

大爆炸的那一刻,宇宙的体积是0,温度无限高,之后宇宙开始迅速膨胀,温度开始降低;

在大爆炸一秒钟之后,宇宙的温度降低到了100亿度,这大概是氢弹爆炸时能达到的最高温度;

在大爆炸一百秒之后,宇宙温度继续降低到10亿度,质子和中子开始结合在一起,组成原子核;

之后,宇宙的温度继续降低,持续膨胀,在一百万年后,宇宙温度降低到了几千度,原子开始形成;

随着宇宙温度继续降低,恒星,星系这些物质开始形成;

到了150亿年后的现在,宇宙已经膨胀了很多很多倍,温度也已经很低了。

现在的宇宙温度,只比绝对零度高一点点了,但是宇宙的各个地方,还是残留着当时大爆炸的能量,而且我们还可以观测到,科学家们叫它微波背景辐射,就好像是充满了宇宙的背景噪音。

宇宙大爆炸理论,虽然听起来很玄乎,似乎有点不可思议,但是是和我们今天的观测证据相符合的,所以呢,已经被物理学家们广泛接受了。

但是这个理论,还是让不少物理学家们有点儿尴尬,你看,从我前面的描述中,你能够感觉到,大爆炸是宇宙的奇点,那么,宇宙中一切的物质,甚至是空间和时间,都是大爆炸以后才出现的,大爆炸之前的任何事件,对我们来说都没有任何意义,或者说根本就不存在,也就是说宇宙时空并不是无限的,而是有一个很特别的边界和开端,这个开端,就是大爆炸奇点。

但问题是,就像我们在前面讲到的那样,大爆炸奇点是一个非常特别的存在,在这里,所有的物理定律都失效了,人们根本不知道从这个奇点里,会冒出些什么东西,那么,宇宙现在所遵循的那些规律,到底是怎么出现的呢?是谁规定了这些规律呢?

难道,真的是上帝吗?

由于这个问题,目前科学家们还没有很好地解释,所以也就给宗教界保留了一丝希望。

霍金教授回忆,1981年的时候,教皇邀请了很多科学家,召开了一场宇宙学会议,在科学家们演讲结束后,教皇说,大爆炸以后的各种历史,各种规律,你们都是可以研究的,但是大爆炸的那一刻,你们科学家就不要研究了,因为那是万物诞生的时刻,那是上帝的事。

霍金教授也在这次会议上发表了演讲,演讲的主题,就是无边界宇宙模型,霍金教授在听到了教皇的话以后,就在心里嘀咕,“看来教皇没听懂我讲的内容啊!”

因为此时,霍金教授提出的无边界宇宙模型也就意味着,宇宙没有开端,也没有诞生的时刻,所以,也就根本没有上帝的位置。

霍金教授为什么这么说呢?

我们来看看无边界宇宙模型是怎么回事儿。

我们之前在提到奇点定理,和宇宙大爆炸模型的时候一直有一个前提,那就是——广义相对论是正确的。

但这个前提,其实未必站得住脚,这并不是说广义相对论错了,而是说,它是一个,不完全的理论,没有和量子力学结合起来。

在二十世纪,物理学最重要的两大发现,也是当今物理学中最基础的两大理论,就是相对论和量子论。

一般来说,相对论管的是宏观领域,比如星系运动什么的,而量子力学管的是微观领域,比如说粒子运动的问题,在研究一般理论的时候,这两套体系是井水不犯河水。

但霍金教授认为,在研究大爆炸奇点的时候,就必须要把相对论和量子力学结合起来了,他认为,奇点定理已经说明了,在大爆炸奇点这种极端情况下,广义相对论已经不能很好地描述宇宙了,在这时候,就必须要考虑到量子效应。

在广义相对论的基础上,宇宙只有两种可能,要么就有无限长的时间,要么就有一个大爆炸奇点这样的开端,但是,如果把量子力学引进来之后,就会出现一种新的可能,也就是一个有限无界的宇宙。

有限无界的意思是,宇宙时空是有限大的,但是却没有边界。听着是不是有点儿晕?还有点儿自相矛盾?我给你举个例子你就很容易明白了:

我们用地球来做一个类比,我们的地球,就是一个有限大的星球,我们知道它的直径和大小,但是,地球是没有边界和开端的,如果你在地球上一直走一直走,是永远不可能走到一个地球的边界的,更不可能掉到地球外面去。所以地球,就是个有限无界的星球。

霍金教授的无边界宇宙模型,就是一个空间和时间交织在一起的四维宇宙,在这个宇宙中,时空就像是地球的表面,在范围上是有限的,但是却没有形成边界,也没有形成奇点,时空上的每一个点,就像地球上的某个点一样,没什么特别,科学规律在任何一个时空点上都适用,不会发生失效和崩溃。

在无边界宇宙模型中,宇宙没有一个特别的奇点,也就不需要上帝来指定一个特殊的规律,按霍金教授的说法就是,这个宇宙是完全自给自足的,不会受任何外在事物的影响,没有什么创生和消失的时刻,这样一来,这个宇宙,也就不需要上帝来创造它了。