基本信息

書名：果殼中的宇宙 霍金(插圖本)

定價：42.00元

作者：史蒂芬·霍金,吳忠超

齣版社：湖南科學技術齣版社

齣版日期：2013-11-01

ISBN：9787535733597

字數：

頁碼：200

版次：1

裝幀：平裝

開本：16開

商品重量：0.4kg

編輯推薦

適讀人群 ：科普愛好者
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　　和歐洲同步發行，世界關注。世界富有影響的思想傢史蒂芬.霍金繼推齣轟動全球的《時間簡史》後，奉獻的又一部神聖的精華：《果殼中的宇宙》。在這次新的齣版盛事中，霍金又給我們送來瞭插圖豐富的續篇。《果殼中的宇宙》將闡述在自倍受贊譽的一部著作《時間簡史》首版以來的重要突破的神秘。

內容提要

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　　《果殼中的宇宙》的一章相對論簡史中主要是關於愛因斯坦的生平。量子論則是實驗觀測的被動産物，它的含義迄今還解釋不清。在廣義相對論中，時空不再是一個被動的背景，而是宇宙演化的主動參與者。物質分布使時空彎麯。現在再去侈談宇宙之外的空間和時間，對這些概念進行所謂的思辨，隻能是倒退到聖奧古斯丁之前。牛頓的時空觀是一個虛幻，而虛幻的功能是對軟弱者的安慰。

　　愛因斯坦的引力論是將萬有引力歸結為時空的麯率。那麼時空能否被彎麯得這麼厲害，以至於人們可以返迴到過去改變曆史呢？嚴格的科學計算指齣，這是不可能的。

　　那麼關於預言將來的能力呢？現在看來它至少在三個層次上受到限製。一，是動力學係統的混沌行為，使得拉普拉斯意義上的決定性在實際上是不可能實現的。第二，在量子力學中狀態是由波函數描述的，海森堡的不確定性原理使得經典意義上的決定性被減半。第三，不平凡的時空拓撲，使波函數被密度矩陣所取代，就在這裏引進瞭熱力學意義上的性。

　　宇宙的未來是怎樣的呢？如果我們承認科學定律的普適性和無窮威力，則不管人類的雄心有多大，畢竟要受環境和人口問題的限製，我們不能和這些限製作無望和愚昧的搏鬥。人類隻能采用一種明智和節製欲望的生活方式。

　　從《時間簡史》首版以來的十年間，相對論傢、宇宙學傢和粒子物理學傢通力閤作，在尋找宇宙核心的萬物理論上取得長足進展。但和人們以往期望不同的是，我們可能不再具有統一理論的錶述，這正如不能用一張地圖描繪整個地球錶麵一樣。這種所謂的M－理論把超引力和五種弦理論在一個單獨的理論框架中統一起來。超弦理論是在不同情形下對自然的方便的近似。但是M－理論的整體概況還是不很清楚。

　　我們的宇宙很可能是高維空間中的一個四維膜，我們的宇宙果殼也就更加神奇瞭。睏擾天體物理學傢多年的暗物質很可能是影子星係的貫穿高維空間到達我們星係的引力效應，引力的近距效應和牛頓定律有偏差等等。四維膜之外的高維空間的行為如何是個饒有興趣的問題。但是隻要它們對膜世界具有相同的效應，對於它們的區彆就沒有意義。

　　量子宇宙學傢就相信無中生有的場景而言是的無神論者，就科學的方法論而言是不可救藥的實證主義者，而就沉迷於宇宙和理論的美而言，又是泛神論者。

　　此書也許是一部以十幾種文字在全球同步發行的科學著作。

目錄

章 相對論簡史
第二章 時間的形態
第三章 果殼中的宇宙
第四章 預言未來
第五章 護衛過去
第六章 我們的未來？《星際航行》可行嗎？
第七章 膜的新奇世界

作者介紹

　　史蒂芬·霍金 （StepheHawking），於1942年1月8日生於牛津，那一天剛好是伽利略逝世三百年。可能因為他齣生在第二次世界大戰的時代，所以小時候對模型特彆著迷。他十幾歲時不但喜歡做模型飛機和輪船，還和學友製作瞭很多不同種類的戰爭遊戲，反映齣他研究和操控事物的渴望。這種渴望驅使他攻讀博士學位，並在黑洞和宇宙論的研究上獲得重大成就。

　　霍金十三、四歲時已下定決心要從事物理學和天文學的研究。十七歲那年，他考到瞭自然科學的奬學金，順利入讀牛津大學。學士畢業後他轉到劍橋大學攻讀博士，研究宇宙學。不久他發現自己患上瞭會導緻肌肉萎縮的盧伽雷病。由於醫生對此病束手無策，起初他打算放棄從事研究的理想，但後來病情惡化的速度減慢瞭，他便重拾心情，排除萬難，從挫摺中站起來，勇敢地麵對這次的不幸，繼續醉心研究。

　　七十年代，他和彭羅斯證明瞭知名的奇性定理，並在1988年共同獲得沃爾夫物理奬。他還證明瞭黑洞的麵積不會隨時間減少。1973年，他發現黑洞輻射的溫度和其質量成反比，即黑洞會因為輻射而變小，但溫度卻會升高，會發生爆炸而消失。

　　八十年代，他開始研究量子宇宙論。這時他的行動已經齣現問題，後來由於得瞭肺炎而接受穿氣管手術，使他從此再不能說話。現在他全身癱瘓，要靠電動輪椅代替雙腳，不但說話和寫字要靠計算機和語言閤成器幫忙，連閱讀也要彆人替他把每頁紙攤平在桌上，讓他驅動著輪椅逐頁去看。

　　霍金一生貢獻於理論物理學的研究，被譽為當今傑齣的科學傢之一。他的著作包括《時間簡史》及《黑洞與嬰兒宇宙以及相關文章》。雖然大傢都覺得他非常不幸，但他在科學上的成就卻是在他在病發後獲得的。他憑著堅毅不屈的意誌，戰勝瞭疾病，創造瞭一個奇跡，也證明瞭殘疾並非成功的障礙。他對生命的熱愛和對科學研究的熱誠，是值得年輕一代學習的。

文摘

　　章 相對論簡史

　　霍金

　　愛因斯坦是如何為20世紀兩個基本理論，即相對論和量子論奠基的。

　　阿爾伯特·愛因斯坦，這是位狹義和廣義相對論的發現者，1879年誕生於德國的烏爾姆。次年他的全傢即遷往慕尼黑。在那裏他的父親赫曼和叔父各自建立瞭一個小型的不很成功的電器公司。阿爾伯特並非神童，但是宣稱他在學校中成績劣等似乎又言過其實。1894年他的父親公司倒閉，全傢又遷往意大利的米蘭。他的父親決定讓他留在慕尼黑，以便完成中學學業，但是他討厭其主義，幾個月後離開瞭，前往意大利與傢人團聚。後來他在蘇黎完成學業。ETH的教授們不喜歡他好辯的性格以及對的衊視，他們中無人願意雇他為助手，而這恰恰是進入學術生涯的正常途徑。兩年以後，他終於在伯爾尼的瑞士局獲得一個低級職位。1905年正是在局任上，他寫瞭三篇論文。這三篇論文不僅奠定瞭他作為世界主要的科學傢之一的地位，而且開啓瞭兩項觀念革命，這革命改變瞭我們對時間，空間以及未來本身餓理解。

　　在19世紀末，科學傢們相信他們已經處於完整描述宇宙的前夕。他們好象空間充滿瞭所謂“以太”的連續介質。光綫和無綫電訊號是在以太中的波動，如同聲音為空氣中的壓力波一樣。對於完整理論所需要的一切隻不過是要仔細測量已太的彈性性質。事實上，為瞭進行這種測量，哈佛大學建立瞭傑佛弗遜實驗室。整個建築物不能用任何鐵釘，以免乾擾靈敏的磁測量。然而策劃者忘記瞭構築實驗室和哈佛大部分樓房的褐紅色磚頭磚頭含有大量的鐵。這座建築物迄今仍在使用，雖然哈佛仍然不能清楚，不用鐵釘的圖書館地闆究竟可以支撐多少捲藏書。

　　到世紀交替之際，開始齣現可和穿透一切的以太觀的偏差。人們預料光在通過已太時以恒定的速度旅行；但如果你通過已以太順著光的方嚮運動，它的速度會顯得更快。

　　然而一係列實驗不支持這個觀念。阿爾伯特·麥剋爾遜和愛德華·莫雷於1887年在俄亥俄的剋裏夫蘭的凱思應用科學學校所進行的實驗為其中為仔細為者。他們對相互垂直的兩束光的速度進行比較。隨著地球繞軸自轉以及公轉，儀器以變化的速度和方嚮通過以太運動。但是麥剋爾遜和莫雷的兩光束之間沒有周日和周年的差彆。不管人們在哪個方嚮上多快運動，光似乎總是以相同的速率相對於他的所在地運動。

　　愛爾蘭的物理學傢喬治·費茲傑拉德和荷蘭物理學傢亨得利剋·洛倫茲，在麥剋爾遜-莫雷的基礎上建議，物體在通過以太運動時會收縮，而且鍾錶要變慢。這種收縮和鍾錶變慢使人們測量到相同的光速，而不管他們相對於以太如何運動。然而，愛因斯坦在1905年6月撰寫的一篇論文中指齣，如果我們不能檢測齣他是否穿越時空的運動，則以太觀念純熟多餘。想反的，他以為科學定律對於所有自由運動的觀察者都顯得相同的假設為齣發點。特彆是，不管他們如何快速運動，都應測量到相同的光速。光速和他們運動無關，並且在所有方嚮上都相同。

　　這就需要拋棄一個觀念，即存在一個所有鍾錶都測量的成為時間的普適的量。相反的，每個人都有他或者她自己的個人時間。如果兩個人處於相對靜止狀態，則他們的時間就一緻，但是一旦他們相互運動則不一緻。

　　這已經被很多實驗所證實，其中包括兩颱以相反方嚮繞世界飛行的的鍾錶返迴後顯示時間的微小差異。這似乎暗示，人們若要活的更長久，應該不斷地飛嚮東去，使得地球的鏇轉疊加上飛機的速度。然而，人們所獲得的比一秒還短得多的生命延長，遠遠不及劣質飛機餐對健康的殘害。

　　愛因斯坦的假定，即自然定律對於所有有自由運動的觀察者應該顯得相同，是相對論的基礎。之所以這麼稱呼是因為它意味著隻有相對運動纔是重要的。它的美麗和簡單徵服瞭許多科學傢，但是仍然有許多人反對。愛因斯坦推翻瞭19世紀科學傢的兩個物：以太代錶的靜止和所有鍾錶都測量的或普適時間。許多人覺得這是一個另人不安的概念。他們問道，這是否意味著，萬物都是相對靜止的，甚至不存在的道德標準呢？這種苦惱持續穿於20世紀20年代和30年代。1921年愛因斯坦獲得諾貝爾奬時，其頌詞是至關重要的，但是按照他的標準卻是相對次要的，也是在1905年做過的研究。它沒有提及相對論，因為相對論被認為太過於爭論性瞭。盡管如此，現在科學界已經完全接受瞭相對論，無數的應用證實瞭他的預言。

　　相對論的一個非常重要的推論是質量和能量的關係。愛因斯坦關於光速對於任何人而言都應該顯得相同的假設，意味著沒有任何運動的比光還快。當人們應能量加速任何物體，無論是粒子或者空間飛船，實際上發生的是，它的質量增加，使得對她進一步加速更睏難。要把一個粒子加速到光速要消耗無限大能量，因而是不可能的，正如愛因斯坦的公式總結的：E=mc^2，質量和能量是等效的。這也許是物理學中的的婦孺皆知的公式。它的一項後果是意識到，如果鈾原子核裂變總質量稍小的兩個核，就會釋放巨大的能量。

　　1939年世界大戰迫在眉睫，眾多意識到這些含義的物理學傢都說服愛因斯坦剋服其和平主義原則，以他的給羅斯福總統寫一封信，要求美國開始核研究計劃。

　　這就導緻瞭曼哈頓規劃並終産生瞭於1945年在日本的廣島和長崎爆炸的原子彈。有人將原子彈歸咎於愛因斯坦發現瞭智能關係；但是這和把飛機失實歸咎於牛頓發現瞭引力很類似。愛因斯坦本人沒有參與曼哈頓規劃，並且為投原子彈而感到震驚。

　　愛因斯坦1905年的開創性論文為他建立瞭科學聲望，但是直到1909年他迴到蘇黎世，這一次是返迴蘇黎世高工。盡管在歐洲的許多地方，甚至在大學中盛行反猶主義，他現在是學術界的。維也納和烏特勒希特都邀他任教，但是他選擇瞭柏林的普魯士科學院的研究員職務，因為這樣他可以擺脫教學。1914年4月他遷往柏林，不久他的妻子和兩個兒子也來團聚。然而婚姻不諧已有時日，他的傢庭不久返迴蘇黎世。盡管他偶爾去看望他們，他和妻子終還是離婚瞭。愛因斯坦後來娶瞭他住在柏林的錶姐愛爾莎。在戰爭年代裏他過著獨身生活，避免瞭傢事糾纏，也許是他在這一段期間科學上多産的一個原因。

　　雖然相對論和製約電磁學的定律配閤的天衣無縫，它卻不能和牛頓的引力定律想協調。牛頓引力定律說，如果果人們在時間的區域改變物質分布，引力場的改變在宇宙其他任何地方就會瞬間被察覺到。這不僅意味著人們可以發送比光還快的信號；為瞭知道這裏瞬刻的含義，它還需要存在或普適的時間。這正式那種被相對論拋棄瞭的，並被個人時間所取代的時間。

　　1907年當愛因斯坦還在伯爾尼的局工作時，他就知道瞭這個睏難，但是直到1911年他在布拉格時纔開始認真地思考這個問題。他意識到在加速度和引力場之間存在一個緊密的關係。待在一個封閉的盒子裏，譬如升降機中的某人不能將盒子靜止地處於地球引力場中和盒子在自由空間中被火箭加速這兩種情形區彆開來。

　　如果地球是平坦的，人們既可以說服蘋果因為引力而落到牛頓頭上，也可以等效地說因為牛頓和地球被往上加速。然而，對於球形地球加速度和引力之間的不等效似乎不成立，世界相反兩邊的人要停留在固定的相互距離上就必須在反方嚮上被加速。

　　在愛因斯坦1921年迴蘇黎世時，他靈感奔湧，意識到如果時空幾何是彎麯的，而不是想迄今所假定的那樣平坦，則等效成立。他的思想是質量和能量以一種還未被確定的方式將時空彎麯。諸如蘋果或者行星的物體在通過時空的企圖沿著直綫運動，但是因為時空是彎麯的，所以他們的軌道顯得被引力場所彎摺。

　　愛因斯坦藉助於他的朋友瑪索爾·格羅斯曼通曉瞭彎麯時空和麵的理論。在此之前喬治·弗裏德裏希·黎曼把這種理論發展成一種抽象的數學；黎曼從未想到它和實在世界有何相乾。1913年愛因斯坦和格羅斯曼閤寫瞭一篇論文，他們在論文中提齣瞭這樣的思想，我們認為是引力的隻不過是時空為彎麯的這一事實的錶現。然而，由於愛因斯坦的一個錯誤，他們未能找到將時空麯率和處於其中的質量和能量相聯係的方程。愛因斯坦在柏林繼續研究這個問題。他不受傢事的煩擾，而且不受戰爭影響，終於在1915年11月找到瞭正確的方程。1915年夏天，當他訪問哥廷大學時曾經和數學傢大衛·希爾伯特討論過他的思想，希爾伯特甚至比愛因斯坦還早幾天獨立找到瞭同一方程。盡管如此，新理論的成功應歸功於愛因斯坦：把引力和時空彎麯聯係起來正是愛因斯坦的思想。這個時期的德國作為文明國傢是值得贊揚的，甚至在戰時科學討論和交流仍然可以不收乾擾的進行。這和20年後的時期相比真是天壤之彆。

　　彎麯時空的理論被稱為廣義相對論，以和原先沒有引力的理論相區彆，後者現在被認為狹義相對論。1919年當英國赴西非的探險隊在日食觀察到光綫通過太陽臨近被稍微偏摺，廣義相對論因而得到輝煌的確認。這正是空間和時間被彎麯的直接證據。它激勵瞭從歐幾裏得在公元前300年左右寫下《幾何原本》以來，我們對自身生活其間的宇宙之認識的大變革。

　　愛因斯坦的廣義相對論把空間和時間從一個事件在其中發生的被動的背景轉變成宇宙動力學的主動參與者。這就引發瞭一個的問題，這個問題在21世紀仍然處於物理學的前沿。宇宙充滿物質，而物質彎麯時空使得物體落到一塊。愛因斯坦發現他的方程沒有描述一個靜態的，也就是在時間中不變的宇宙解。他寜願不放棄這樣一種永恒的宇宙，這正是他和和其他大多數人所深信的，而不惜對該方程進行補綴，添加上稱為宇宙常數的一項，使得物體相互離開。宇宙常數在相反的意義上將時空彎麯，使得物體相互離開。宇宙常數的排斥效應可以平衡物質的吸引效應，這樣就容許宇宙具有靜態解。這是理論物理學的曆史中錯失的重大的機會之一。如果愛因斯坦堅持其原先的方程，他就能夠語言宇宙要麼正在膨脹，要麼正在收縮，二者必居之一。直至20世紀20年代在威爾遜山上用100英寸望遠鏡進行觀測，人們纔認真接受宇宙隨時間變化的可能性。

　　這些觀測揭示瞭，星係和我們像距越遠，則越快速地離開我們而去。宇宙正在膨脹，任何兩個星係之間的距離會隨時間恒定地增加。這個發現排除瞭為獲得靜態宇宙解對宇宙常數的重要。愛因斯坦後來把宇宙常數稱為他一生中大的錯誤。然而，現在看來這也許根本不是什麼錯誤：將在第三章中描述現代觀測暗示，也許確實存在一個小的宇宙常數。

　　廣義相對論地改變瞭有關宇宙起源和命運的討論。一個靜態的宇宙可以存在無限長時間，或者以它目前的形狀在過去的某個瞬間創生。然而，如果現在星係正在相互分開，這錶明它們過去曾經更加靠近。大約150億年以前，所有它們都會相互靠在一起，而且密度非常大。天主教牧師喬治·拉瑪特是位研究我們今天叫做大爆炸的宇宙起源。他把這種狀態稱作“太初原子”。

　　愛因斯坦似乎從未認真地接受過大爆炸。他顯然認為，如果人們隨著星係的運動在時間上迴溯過去，則一個一緻膨脹宇宙的簡單模型就會失效，因為星係的很小的傾嚮速度就會使它們相互錯開。他認為，宇宙也許早先有過一個收縮相，在一個相當適度的密度下反彈成現在的膨脹。然而，我們現在知道，為瞭在早期宇宙中核反應能産生在我們周圍觀察到的輕元素數量，其密度曾經至少達到每立方英寸10噸，而且溫度達到100億度。況且，微波背景的觀測顯示，密度也許一度達到每立方英寸1×10^72噸。我們現在還知道，愛因斯坦的廣義相對論不允許宇宙從一個收縮相反彈到現在的膨脹。正如在第二中將要討論的，羅傑·彭羅斯和我能夠證明，廣義相對論預言宇宙大爆炸啓始。這樣愛因斯坦理論的確隱含著時間有一個開端，雖然他從不喜歡這個思想。

　　愛因斯坦甚至更不願意承認廣義相對論的預言，即當一個大質量恒星到達其生命的鍾點，而且不能産生足夠的熱去平衡其自身使它收縮的引力時，時間將會到達盡頭。愛因斯坦認為，這樣的恒星將會在一終態安定下來。但是我們現在知道，對於比太陽質量兩倍還大的恒星並不存在終態的結構。這類恒星將會繼續收縮直至它們變為黑洞。黑洞是時空中如此彎麯的一個區域，甚至連光綫都無法從那裏逃齣。

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序言

章 相對論簡史
第二章 時間的形態
第三章 果殼中的宇宙
第四章 預言未來
第五章 護衛過去
第六章 我們的未來？《星際航行》可行嗎？
第七章 膜的新奇世界