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编辑推荐

这是当今著名的时空理论家告诉我们黑洞、引力波和时间旅行的科学，也是霍金本人参与编著的又一本科普佳作。这书中所涉及的知识层面广泛而深刻，但平实的语言使之浅显易懂。2018年新版的《第*推动丛书》全新设计了版式和封面，简约个性，提升了阅读体验，让科普给你更多想象。随书附赠价值39.6元由汪洁、吴京平掰开揉碎,带你懂科学好书的《经典科普解读课》6折券。

内容简介

本书汇集了霍金等六位有关时空理论的物理学家的文章，探讨了黑洞、引力波、时空隧道等科学理论，还从时空弯曲与量子世界的角度对未来的时空做了深入的探讨，有助于我们更加清晰地了解未来世界的图景。

作者简介

史蒂芬·霍金(Stephen W.Hawing)，英国著名理论物理学家，是《时间简史》《果壳中的宇宙》的作者，被尊崇为继爱因斯坦以来杰出的理论物理学家。

基普·索恩（Kip S.Thorne）加州理工学院费曼理论物理学教授，LIGO引力波探测器计划发起人之一。他写过很多书，包括大家欢迎的《黑洞与时间弯曲》。

诺维柯夫（Igor Novikov）哥本哈根北欧理论物理研究所理论天体物理中心主任，哥本哈根大学天文台教授。著作包括《黑洞和宇宙》《时间的河流》。

费里斯（Timothy Ferris）《宇宙报告》《银河时代》和《思想天空》的作者，曾两度获得美国物理学会科学写作奖。

莱特曼（Alan Lightman）著名小说家，麻省理工学院Burchard人文科学教授兼物理学高级讲师。他的小说包括《爱因斯坦之梦》和《对话》。

普莱斯（Richard Price）犹他州立大学理论物理学教授，主要研究时间物理，在黑洞物理方面有过突出贡献。与他人合作写了《相对论与引力论问题集》和《黑洞：膜方法》。

译者介绍：

李泳，中科院成都山地所研究员

目录

引言：时空欢迎你

我们能改变过去吗？

让历史学家放心的世界

时空弯曲与量子世界：对未来的思考

科学的普及

小说家与物理学家

名词

主题索引

人名索引

译后记

精彩书摘

引言 时空欢迎你（部分）

为什么时空有几何

　 尽管时空图、事件图和2维平面图明显存在着细节上的区别，但它们也有一些迷人的相似。这里存在两个问题：（1）它们真的是同类事物吗？（2）“同类事物”是什么意思？

　 旋转的数学（旋转变换方程）说明了平面存在几何的事实。有一个不容破坏的有序的距离关系，任何描述距离的方法都必须与那个基本的几何实在相容。旋转数学不过是我们必然遭遇的冰山的一角，几何才是那巨大而实在的冰山。

　 那么洛伦兹变换呢？它下面也藏着冰山吗？洛伦兹变换也许只是事件背后的几何所决定的一种关系的描述？这一点还没有答案，因为数学背后的实在性没有明确的意义。就算我们有了旋转的数学，知道它准确描述了不同参照系（桥上的不同观测者）所进行的测量之间的关系，形而上学家也可能会板着脸说，几何的存在不过是帮助我们记忆旋转数学的一种精神构造。没有必要把几何当成真实的东西。

　 多数物理学家都没有耐心去争论。在平面几何的情形，“假装说”几何不是真实的，就像一个毫无意义的游戏。但是，为几何的实在性辩护的，并不全在于像“我知道我看见的东西”那样的说法，而更多地在于，几何存在的观念是非常有用的。它不但帮我们记忆旋转的数学，还帮我们把握那些数学，发现新的关系。如果说几何不是真实的，那么，它的巨大作用也使它成为真实的了。

　 当爱因斯坦第一次提出洛伦兹变换描写了不同参照系下事件的坐标之间的关系时，他没有特指任何几何。在1905年建立相对论的原始论文中，爱因斯坦是把洛伦兹变换作为惟一的实在而提出的。后来，闵可夫斯基（ItermannMinkowski）才向他指出这些变换可以作为一个基础的几何的表达形式，那就是我们现在所说的“事件时空的闵可夫斯基几何”。闵可夫斯基的几何基于他定义了一种新的分隔事件的距离，一个结合了时间与空间的距离。在不同的参照系中，两个事件可能有不同的时间间隔，也可能有不同的空间距离，但它们的闵可夫斯基距离是相同的。

起初，闵可夫斯基几何似乎不过是一个有趣的结构，但那结构很快就发挥了作用，“不过是一个结构”的观点也烟消云散了。今天，我们普遍认为爱因斯坦的相对论是关于具有闵可夫斯基几何的事件时空的描述，而洛伦兹变换只是那个时空几何里的一种旋转。

为什么时空几何“弯曲”了

　 闵可夫斯基引进时空几何的思想，是一件重要的事情，原因之一是，它让爱因斯坦用弯曲的时空几何来描述引力。“弯曲时空”这个词令人感觉神秘，人们常常躲它远远的。然而，至少从某种意义说，引力弯曲了时空的说法，不但能够理解，而且非常迷人。真正令我们“绝望”的，只是不能像画2维空间曲面那样把弯曲的时空形象而清晰地画出来。不要指望时空理论家中能产生什么真能画4维弯曲时空的大师。我们画不了。（我想我在这儿说的不仅是我自己。）说到底，那可是时空啊！而且还是4维的！我们是要画图的，不过只是示意性的，通常是一些比喻，有时还可能引起误会。画不出弯曲的时空，耽误了我们对它的理解，但不会限制我们的认识。我们还有数学，而且还有语言。

时空思想首先考虑的是世界线，即代表物体在时间中向前运动的事件的曲线。图6和图7是不同参照系的两列火车的世界线。两条世界线的倾角（偏离垂直方向的角度）相同。这意味着它们在单位时间里改变的距离总是相同的：它们是常速度的世界线。如果在力的作用下，物体就不会以常速度运动。假定在图1l的时空区域里存在着强大的电力的作用，为明确起见，我们可以说那电力是隐藏在图右边的某个地方的大量正电荷引起的。

带电体在图11的区域里会因为电力的影响而加速（即改变速度）。速度的改变（加速）在这个时空图里表现为世界线的倾向的改变。图中世界线1是直线，说明物体没有变化，从而也没有加速。（它不仅是直线，还是垂直的，意味着物体不仅没有加速，而且还一直停留在参照系的同一个地方。）世界线2的形态告诉我们，它代表的粒子一定带着正电荷，因为它在加速离开隐藏在右边发生作用的正电荷。同样，世界线3一定说明了一个负电荷粒子的事件。仔细看看，我们可以发现世界线3比世界线2偏转更大，它的粒子经历着更大的加速。世界线2和世界线3可能分别代表质子和电子。它们有大小相同、符号相反的电荷；电子质量比质子小得多，因而它的世界线3的偏转也严重得多。

　 图11说明的关键一点是，每一条世界线都能告诉我们一些它所代表的粒子的物理性质。现在我们拿它来跟引力作用下的世界线做比较。假定图12的时空区域存在某个隐藏在图右边的巨大物体的引力作用。世界线1，2和3分别代表一只保龄球、一张薄纱和一个“魔子”。没有空气阻力的时候，保龄球和薄纱在重力作用下的加速度是完全相同的；它们以相同的速度落下来。这里所谓的“魔子”，我指的是“绝对的任何东西”，不管它是什么，也会以跟球和纱相同的速度下落。

　 图12的意义在于，偏转的世界线说明了引力在这个时空区域发生影响的一切事情；同样的世界线也描写了引力对任何物体的影响。爱因斯坦的那个合理观点是，世界线形态本身--而不是什么“力”--才是引力的恰当描述。在爱因斯坦的图景里，仅受引力作用的物体只沿着特殊的世界线运动。这些世界线的细节包含着引力作用的细节。

　 时空里的那些特殊世界线是什么呢？在没有引力的时空区域（即闵可夫斯基的时空区域），不受其他作用的物体总是以不变的速度在固定方向上运动。它们的世界线是直线。这样，我们有了特殊世界线的一个例子，它也启发我们猜想我们需要明白的一般情形。结果证明，直线并不是任何一个几何都存在的。假如我们想构造具有一切直线性质的曲线，通常是要失败的。考虑一个寻常的例子（也是一个很好的例子）：理想球形的地球表面。我们能画出两条像平行直线那样处处等距离间隔的曲线吗？假如我们在任何方向通过任何一点都能画出一条直线，我们就说自己处在“平直”的空间（或时空）。除此而外的任何情形，都定义为弯曲的。

　 在弯曲的空间或时空，直线的概念有了简单的推广：它是我们能画出的最可能直的曲线。这样的曲线有一个奇特的名字：“测地线”。如果我们看弯曲几何的一个微小局部，会发现它几乎是平直的。如果经过那个小区域画一条测地线，测地线几乎是直线。

前言/序言

这不是一本内容单一的书，它汇集了趣味不同的文章，还残留着拼接的痕迹。我们的编辑、W. W. Norton出版公司的Ed Barber自始至终支持着这件事情，尽管我们好象有几回听他不无忧虑地说起“大杂烩”，他还是支持的。其实，这本书本来就该是这个样子，一本中庸的不同品味的文章的集合。科学和科学家也正是这样的——不同的人物和事件混合在一起，没有紧张的约束，也没有十分明显的组织。

不过，书的背后还是有着组织的原则：作品是优秀的，也是可读的——几乎没有一个方程。它们都在谈现代的时空物理学。最重要的是，这些文章，原来都是2000年6月3日为祝贺加州理工学院的基普·索恩60大寿而做的普及演讲。当然我们也承认，内容编排有点儿奇怪。三篇文章谈科学，一篇谈科学的普及，还有一篇谈科学与科学普及之间的差别。

这本不纯的书却是精心策划的产物。为重要的科学家做60大寿是传统。索恩不但是一个重要的科学家，对我们个人也是重要的。我们想利用这个机会做一件不同寻常的事情。但是他的谦逊却成了我们的障碍。于是，为了能让基普答应并参加做寿，我们故意散布谣言，等他听到呷呷叫时，鸭子已经烤熟了。5个名人答应来讲话；学院的活动中心Beckman礼堂也预备好了。基普发现这一切的时候，已经无法退缩了。

呈现在这里的文章是根据那天在学院的几篇讲话改编的。请来的讲话者都是鼎鼎有名、硕果累累的，更能引来一大群人。我们没有别的选择，这也说明了基普在学术圈里的地位。所有接到邀请的人都答应了，他们无偿来做演讲，又无偿同意讲稿编进这本书。2000年6月3日星期六，那天的演讲也是免费的。本书的版税将捐给加州理工学院的一个以基普名字命名的奖学基金。

那么多被吸引到礼堂来的人感兴趣的东西，对那些不能在那个时候到场的人来说，同样是有趣的。这本书也许缺少演讲者的音容，但是读者能更从容地咀嚼那些本来就不能狼吞虎咽美味的大餐。

在开头的一篇文章里，丹麦Nordic理论物理研究所（NORDITA）天体物理中心主任诺维柯夫给我们讲的是时间旅行——即使对那些看好黑洞的科学家来说，这个题目也是陌生而奇妙的。作者带我们走进那个题目，通过简单的解释和简单的力学模型，教我们如何避免回到过去所产生的怪圈。即使没有怪圈，时间旅行也是不可能的——这是霍金的结论，他是剑桥大学卢卡西数学教授，也是世界上最有名的科学家，他为我们讲了“怎么不可能”。我们知道，这个问题要把我们带近物理学认识的边缘，而它的答案还在更远的地方。基普在文章里想通过时间旅行走向未来。（其实我们都在做这样的旅行，不过基普肩负探索的使命走到了前头。）引力波天文学可能在不远的将来成为现实，基普和我们分享了他对那些即将产生的激动人心的发现的热情和憧憬。

最后两篇文章跟其他几篇科学描写多少有些不同。一篇来自著名科普作家和记者费里斯，他通过《红限》、《宇宙报告》和《银河时代》等书，为解释宇宙学和天文学确立并提高了标准。他向我们讲了解释科学的需要和困难，还展示了一个融合了科学和艺术的剧本片段。阿兰·莱特曼当然生活在科学和艺术这两个天地间。他从洋溢着创作激情的一流物理学家，成为充满了物理学热爱的一流作家。对那些不懂物理或者MIT写作计划的人来说，阿兰最为人所知的也许是他1993年的畅销书《爱因斯坦的梦》。经历过那么多科学和艺术的不同的创造，他当然最有资格来把科学与艺术进行比较。

除了改编五篇讲话，犹他州立大学物理系的理论物理学家普莱斯还写了一个引言，简单介绍了有关时空物理学的思想和那些思想的历史。这个引言为费里斯、霍金、莱特曼、诺维柯夫和索恩表现他们的科学提供了舞台。

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