2009年4月4日星期六

《时间简史》——一本成年人的最佳科普读物

霍金教授所著的《时间简史》是一本公认的最佳科普读物,自1988问世以来,已经影响了一代人树立正确的宇宙观念。

很遗憾,我是在最近才读完了这本书。这本书买了10年,却束之高阁。

由于父亲学物理学的原因,我在小的时候读过很多物理学方面的科普读物和传记文学,加上大学时代学习过《力学》、《电磁学》、《原子物理学》等物理学课程,读《时间简史》并不感到非常困难。

20世纪上半叶,在物理学领域,对于物质在宏观和微观两个尺度上的研究都取得了巨大的突破。20世纪下半叶的绝大多数工程和技术方面的发明创造,例如人造卫星、计算机、纳米技术等等,都与20世纪上半叶的物理学大发展是分不开的。

宏观尺度:狭义相对论、广义相对论
微观尺度:量子力学

尽管取得了这么巨大的成就,物理学家们却并不满意。原因是在宏观和微观尺度上的物理学理论,看起来存在着很多不一致的方面,无法统一在一个更加全面的理论中。很多物理学家,包括爱因斯坦在内都尝试将这两个尺度的物理学理论统一起来,但是这个工作非常艰巨,至今到了21世纪还没有完全完成。

《时间简史》这本书其实并不完全是关于时间的,除了帮助人们更清晰的理解时间的本质究竟是什么之外,它还是20世纪物理学成就的一个综述。霍金教授在书中将广义相对论和量子力学完美地结合起来,预言了黑洞的存在,并且描述了黑洞的物理学特征。

霍金教授也并没有能够将宏观和微观两个尺度的物理学理论完全统一起来,但是他指出了将这两个尺度的物理学理论统一起来的方向。霍金之前的物理学家也在统一理论方面做了大量的研究,但是大多数人,甚至是爱因斯坦都找错了方向。在霍金及其后的物理学家的共同努力下,在21世纪我们的有生之年,找到一个统一的物理学理论是完全有可能的。

这本书带给我的主要启示有以下几个方面:

1. 上帝对于宇宙的起源没有贡献

从牛顿到爱因斯坦,虽然物理学理论取得了巨大的发展,但是他们都无法解释宇宙的起源和终结的问题。

遵循牛顿的万有引力定律,宇宙不可能一直保持稳定的状态。由于引力的作用,宇宙必然有一天会发生坍缩。然而天文学观测表明,宇宙在所有方向上都在膨胀。牛顿认为是上帝提供了“第一推动力”,使得宇宙呈现为现在这样的状态。

遵循爱因斯坦的广义相对论,宇宙在起源时必须有一个表面积为零的奇点,宇宙是在一次大爆炸中产生的。在奇点处,所有的物理学理论均失效,似乎那里正是属于上帝私人掌管的禁区。

牛顿和爱因斯坦的理论无法对宇宙起源问题给出理想的解答,这给罗马天主教会势力的卷土重来带来了机会。与400年前教会禁锢伽利略不同,他们现在的做法要开明多了。教会主动认可爱因斯坦的理论,并且将奇点和大爆炸归功于上帝的杰作。

然而爱因斯坦忽略了量子力学的发展(虽然他对量子力学的诞生曾经起过很大作用)。爱因斯坦讨厌一切不确定性,因此他不接受量子力学的测不准原理。爱因斯坦的经典名言是:“上帝不会掷骰子!”

霍金将量子力学与广义相对论相结合,创造了新的量子引力论。他发现,在奇点处,物理学理论仍然成立,那就是量子引力论。

在牛顿和爱因斯坦的理论所描述的宇宙中,上帝仍然享有至高无上的地位。然而,在霍金的理论所描述的宇宙中,上帝已经几乎完全没有了位置。宇宙在大爆炸前的奇点处是一个有限但无边界的空间,有点类似于地球的表面。宇宙无所谓起源也无所谓终结,它就是客观存在!而时间只是构成宇宙的一维,我们生活在包括时间在内的四维空间内。时间并不是均匀分布的,而是随着能量(速度、引力、质量大小)的不同而不同。在高速飞行的宇宙飞船中的时钟要比在地面上的时钟走的慢。如果乘坐接近光速的宇宙飞船去旅行,回到地球后“山中方一日,世上已百年”的情况完全有可能发生。

宇宙永远存在,它以固定的规律来发展变化。即使在大爆炸前的奇点或者局部的奇点(例如黑洞)处,量子引力论仍然起作用。并不需要由谁来提供第一推动力,并且精确地设置初始状态,以确保在大爆炸100亿年之后,宇宙中能够产生人类这样有能力思考宇宙起源的复杂生物。简而言之,没有上帝什么事儿了,上帝他老人家可以歇着了。

对于教会来说,这显然不是一个好消息。

2. 宇宙总的能量为零

按照狭义相对论的公式E=mc^2,能量和质量是可以相互转换的。

能量是由各种物质粒子携带的,每一种物质粒子都有反粒子存在,例如质子-反质子,电子-正电子。引力场其实是一种负能量,因此它也有一种携带负能量的物质粒子-引力子。引力场的负能量与由物质的质量所携带的正能量是相等的。宇宙中物质总的正能量越大,引力场总的负能量也越大,因此在整个宇宙中总的能量为零。正能量由各种大尺度的物质和正能量粒子携带,而负能量则由引力场和负能量粒子携带。

这跟老子的“无中生有”的思想是不是非常接近?

3. 热力学第二定律总是成立的

热力学第二定律说:一个孤立系统的熵总是增加的,并且将两个系统连接在一起时,其合并系统的熵大于所有单独系统熵的总和。

甚至在局部的奇点-黑洞中,热力学第二定律仍然是成立的。
黑洞其实并不是绝对黑的(贪得无厌,一毛不拔),在黑洞的边界(光线无法逃逸的那个区域的边界)之外很接近的空间中,会不断成对产生携带正能量的粒子和携带负能量的粒子,正能粒子作为辐射发射到宇宙中,而负能粒子则落入到黑洞中。正能粒子辐射使得宇宙的熵增大,而黑洞本身的熵则减少,这与夏天开空调有些相似。质量越小的黑洞,辐射越大(从外面观测即温度越高)。辐射会带走黑洞的能量(也就是它的质量),最终导致黑洞在一次巨大的爆炸中消失殆尽。听起来这很像宇宙起源时的那次大爆炸,事实上黑洞中的物理学理论和宇宙大爆炸前的奇点处的物理学理论基本上是一致的,即量子引力论,这就是天文学家热衷于研究黑洞的原因。

我对在宇宙的膨胀期,热力学第二定律成立没有疑问。但是在宇宙的坍缩期,热力学第二定律是否仍然成立呢?我还不是很确信。如果宇宙存在一个坍缩期,最终会回到下一个奇点和下一次大爆炸,那么在奇点处的熵显然要更小。
我的判断是,热力学第二定律是与时间的方向紧密相连的,宇宙在膨胀期和坍缩期,时间的方向是相反的。沿着膨胀期的时间方向,熵是增加的。而沿着坍缩期的时间方向,熵是减少的。这个判断是否正确,我还需要进一步的学习。

4. 引入了虚时间的概念

我们所理解的时间的度量单位都是实数,而且是不能翻转的。在宇宙的膨胀期和坍缩期,时间的方向是相反的,而且在这两个时期,物理学定律是不同的。为了将物理学定律统一起来,需要引入虚时间的概念。引入了虚时间之后,时间这一维与其他的维就几乎没有什么区别了。

对于虚时间是什么概念,目前我还不是很理解,还需要进一步的学习。

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