时刻也有生老病死

by admin on 2019年5月2日

子在川上曰,逝者如斯夫,不舍昼夜。

果壳中的宇宙

时间就是那条奔流不息的大河,从“过去”流经“现在”,不作片刻停留,便又朝着“未来”滚滚而去。这大概是早在文明启蒙之初,人们就已经明白的常识。仿佛冥冥之中有这样一口时间之钟,我行我素地滴答作响,不受外界任何打扰,既没有开端,也不会终结。

The Universe in a Nutshell

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史蒂芬·霍金 Stephen Hawking

译者:吴忠超

作者对中国读者寄语:

I would like to share my excitement at recent discoveries on black holes
and cosmology with Chinese readers.

Professor Stephen Hawking, CH, CBE, FRS,

Lucasion Professor of Mathematics

University of Cambridge

19th September 2001


湖南科学技术出版社通过台湾博达著作权代理公司获得此书中文简体版中国大陆地区独家出版发行

2002年8月第一版第二次


利用通俗的语言解释制约我们宇宙的原理。从 超对称 到 超引力,从 量子理论
到 M-理论,从 全息论 到 对偶论。超弦理论 和 P-膜
也许是解开迷惑的最后线索。他关于 统一理论 的智慧探险,即——“把爱因斯坦的
广义相对论 结合费因曼的
多重历史思想,用以描述发生在宇宙中的一切”。我们宇宙创生的种子只不过是一个微小的硬果。

*
*

译者序 摘略

从广义上看,粒子、生命、星体的处境都和果壳相似,尚不清楚其中哪些自认为是无限空间之王。

现代量子宇宙学认为,整个宇宙是由一个果壳状的 瞬子 演化而来,果壳上的
量子皱纹 包含着宇宙中所有结构的密码。本书作者是这一学说的开创者。

*
*



而世间的万物,从诞生到兴盛,从衰败到消亡,再到下一次可能的重生,都在时间之钟的滴答声中,遵循着统一的步调翩翩起舞。从这个意义上说,时间也是这个世界上最慷慨、最公平的东西。不论荣华富贵还是一贫如洗,也不论身强力壮还是老弱病残,从日出到日落,再到下一次日出,每一个人分配到的时间,都是一样多的。

一;相对论简史

问题是,果真如此吗?针对这一点,伟大的科学家爱因斯坦据(《科学美国人》专栏作家史蒂夫·米尔斯基)说曾“亲身”做过一项有趣的实验。

爱因斯坦是如何为20世纪两个基本理论——相对论和量子理论奠基的

阿尔伯特·爱因斯坦,狭义和广义相对论的发现者。他并非神童,但宣称他的成绩劣等又过甚其辞。他开启了两项观念革命,改变了我们对
时间、空间 以及 实在 本身的理解。

19世纪末,科学家们认为空间充满了一种连续介质——以太。光线和无线电讯号是处于以太中的波动。完整理论只需仔细测量以太的
弹性性质。

为了测量,哈佛大学建立了杰弗逊实验室,为了避免干扰灵敏的
磁测量,整个建筑连铁钉都不用。然而,策划者忘了楼房的砖头含有。

世纪交叠,出现穿透一切以太的观念的偏差。

人们预料,光以恒定速度通过以太,而如果你通过以太顺着光的方向运动,光的速度会显得慢;反之,快。但实验不支持这个观念。

1887年,阿尔伯特·迈克尔逊 和
爱德华·莫雷,于俄亥俄,实验发现,不管人们怎么运动,光总是以相同的速率相对于他的所在地而运动。

爱尔兰的 乔治·菲兹杰拉德 和 荷兰的 亨德里克·洛伦兹 。在上述实验的基础上
建议: 通过以太的物体在其运动时会收缩,而且钟表要变慢
。这使得测量的光速相同。

20世纪1905年,爱因斯坦论文:
如果不能检测他是否穿越时空的运动,则以太观念多余。

相反,他在 自然定律对于所有自由运动的观察者应该显得相同
的假定(此假定是相对论的基础)下认为:
光速和测量者的运动无关,并且在所有方向上相同。

这表示不存在一个称为时间的普适的量。两个物体相互运动,则彼此的时间不一致。

相对论的基础——自然定律对于所有自由运动的观察者应该显得相同,意味着,只有相对运动才是重要的。

爱因斯坦推翻了19世纪两个绝对物:
1,以太代表的绝对静止。2,所有钟表都测量的绝对的普适的时间。


相对论的一个非常重要的推论,是质量与能量的关系。

即妇孺皆知的公式,E= m c² .(E是能量,m是质量,c是光速)

当人们用能量加速物体,实际发生的是,它的质量增加。这就使得对它进一步的加速更困难,因而物体加速到光速会消耗无限大的能量,即不可能。

它的一项后果是意识到,如果铀原子核裂变成总质量稍小的两个核,从而释放出巨大的能量。


世界大战,科学家们说服了爱因斯坦克服其和平主义原则,向罗斯福总统写信,要求美国开始核研究计划。

“在最近的四个月里,通过在法国的约里奥以及在美国的费米和西拉德的研究表明,似乎在大量铀元素中可能建立起核子连锁反应,由此可以产生巨大的功率以及大量的新的类镭元素。现在几乎可以肯定,最近的将来它就能立即实现。

这种新现象也会导致一种新型炸弹的产生,一种极其强大的炸弹。这是可以相见的,虽然比前面所说不确定性大的多。”


相对论与制约电磁学相符。却与牛顿的引力定律不相协调。

引力定律表明,如果在空间的一个区域改变物质分布,引起的引力场的改变在宇宙任何地方能瞬刻被觉察到。而这是比光速更快的表现,意味着人可以发送比光快的讯号,而“瞬时”则意味着存在绝对或普适时间。但相对论中它已经被个人时间所取代。

爱因斯坦到1911年开始认真地思考这个问题。他意识到,加速度和引力场之间存在一个紧密的联系。

关于加速度与引力:如果地球是平的,对于苹果落地的现象,我们既可以说苹果因为引力而落,也可以说是因为地球表面被往上加速。但地球是圆的,这时这样的等效不成立。处于相反两边的人们要停留在固定的相互距离上,就必须在相反的方向上被加速。

球形的地球其加速度和引力之间的等效不成立。

1912年,爱因斯坦意识到 时空弯曲理论 来使等效成立。

在此之前,乔治·弗雷德里希·黎曼 已将此种理论发展成了一种抽象数学。

1913年和通晓弯曲时空和面的理论的 玛索尔·格罗斯曼
合写论文,提出思想:引力是时空为弯曲这一事实的表现。

但当时,他们未能找到将时空曲率和处于其中的质量和能量先联系的方程。

永利皇宫官网,1915年爱因斯坦找到了将时空曲率和处于其中的质量、能量相联系的方程。

弯曲时空的理论被称为 广义相对论。

1919年,英国赴西非探险队在日食时观察到
光线通过太阳邻近被稍微偏折。因而广义相对论得到辉煌的认证。

广义相对论把空间和时间从一个事件在其中发生的被动的背景
转变成宇宙动力学的主动参与者。

这就引发了一个伟大的问题。宇宙充满物质,物质弯曲时空而使得物体落到一块。方程没有描述静态的解。因此,爱因斯坦添加宇宙常数,宇宙常数在相反的意义上将时空弯曲,使得物体相互离开。这样,其排斥效应可以平衡物质的吸引效应,就容许了宇宙具有静态解。

爱因斯坦如若坚持原来的方程,他就能预言宇宙要么正在收缩,要么就在膨胀。理论物理学历史上错失的最重大的机会直至20世纪20年代在威尔逊山才被观测到。人们才接受宇宙随时间变化的可能性。

观测揭示星系和我们相距越远,则越快速地离我们而去。宇宙正在膨胀。这个发现排除了为获得静态解而对宇宙常数的需要。爱因斯坦后来称宇宙常数为他一生中最大的错误。然而,现在看来根本不是错误。后面描述的现代观测暗示,也许确实存在一个小的宇宙常数。

爱因斯坦从不喜欢时间有开端这个思想,他认为,宇宙也许早先有过一个收缩相,在一个适度的密度下反弹成现在的膨胀。

但现在我们知道,为了早期宇宙中核反应能产生在我们周围观察到的轻元素的数量,其密度曾至少达每立方英寸10吨;我们也还知道,他的广义相对论不允许宇宙从一个收缩相反弹到现在的膨胀。而是预言,宇宙从大爆炸启始。

广义相对论还预言,当一个总质量恒星到达其生命的终点,又不能产生足够的热去平衡其自身使它收缩的引力时,它的时间则到达尽头。爱因斯坦自己却认为这样的恒星

由于和量子理论不相协调,广义相对论在大爆炸处失效。

量子理论发展出了量子力学的实在的新图像(哥本哈根的威纳·海森堡,剑桥的保罗·狄拉克,苏黎世的厄文·薛定谔)。表明微小的粒子不再具有确定的位置和速度。

广义相对论预言 当一个重质量恒星到达其生命的终点 而不能产生足够的热
去平衡其自身使它收缩的引力时,时间到达尽头。这类恒星持续收缩,其周围的时空越发曲翘,直至变成黑洞。

黑洞是时空中弯曲得无比厉害的一种区域,甚至连光都无法逃逸。

彭罗斯和霍金证明了,广义相对论预言着形成黑洞的恒星
其时间到达终点,并且进入其中的物质也到达自身时间的尽头。

但是 广义相对论 不能
定义时间的开端和终结,不能预言出大爆炸会出现什么,这是因为它和
量子理论不相协调。

而,一部分人 包括霍金,认为,在其他时刻成立的定律
也制约着宇宙时间的开端。

量子理论

1900年,马克思·普朗克 发现,如果光能以分立的称为 量子 的 波包
发射或吸收,就可以解释来自炽热物体辐射的现象。这是第一步。

1905年,爱因斯坦撰写论文指出 量子假设 可解释所谓的光电效应。光电效应即
当光照射到某些金属表面时释放电子的现象。这也是现代光检测器和电视摄像机的基础。

20世纪20年代,爱因斯坦继续在研究量子思想。但
威纳·海森堡、保罗·狄拉克、厄文·薛定谔
这些人发展了量子力学的实在的新图像。表现出,粒子不再具有确定的位置和速度,其位置越准确,则其速度越不准确,反之亦然。

这使得爱因斯坦不能全盘接受量子力学。因为它意味着基本定律中有着随机的不可预见的因素。

永利皇宫官网 1为了感受时间的“相对性”,爱因斯坦用自己的身体做了一项有趣的实验。图片来源:bbc.co.uk

亲测“相对论”

1938年,爱因斯坦通过好朋友、喜剧大师卓别琳,约到了卓别琳当时的妻子、好莱坞女星波莱特·戈达德。在后来发表于《热科学与技术学报》(JEST)上的实验报告中,爱因斯坦写道:“我坐火车到纽约与戈达德小姐在中央火车站的‘大蚝酒吧’见面。她十分明艳动人。我觉得似乎过了1分钟时看了看手表,发现实际上已经过了57分钟,我将它四舍五入成1小时。”

回到家后,爱因斯坦找来一台松饼机,插上电让机器加热,然后一屁股坐了上去。“我觉得似乎过了1小时的时候,站起来看了看手表,发现实际上才过了不到1秒钟。为了让两种情况下所用的单位保持一致,我将它算成1分钟。”当然,接下来,他第一时间给医生打了电话。

这个活生生的例子说明,就算分配给每个人的时间都一样多,处在完全不同的情境之下,人们对时间流逝的主观感受也可能截然不同。“一个男人与美女对坐1小时,会觉得似乎只过了1分钟;但如果让他坐在热火炉上1分钟,会觉得似乎过了不止1小时,”用爱因斯坦的话来说,“这就是相对论。”

相对论是上世纪头20年里爱因斯坦开创的伟大理论,分为狭义相对论和广义相对论。近百年来,这两个理论经受住了最严格的实验检验。当然,爱因斯坦做过的这个实验并不包括在内。主观感受不能很好地描述客观现实,要精确测量实际的时间流逝,必须借助精密仪器才行。

在爱因斯坦的那个实验中,精密仪器就是他的手表。如果按照手表上指针的走动来计时,不论是与美女对坐,还是一屁股坐在火锅上,时间流逝的速度都应该是一致的。爱因斯坦举这个例子,只是为了形象地解释时间也有相对性。然而,考虑到真正的相对论,即便是能够忠实记录时间流逝的理想仪器(不妨称之为“时钟”),也会出现不合拍的节奏。

永利皇宫官网 2爱因斯坦的相对论,打破了时间整齐划一的假象。统一的时间已经不复存在,只剩下各自为政的时间碎片了。图片来源:typeaparent.com

破碎的时间

举例来说,按照狭义相对论,只要你和我之间存在相对运动,时间在你和我身上流逝的速度就会有所不同。在你看来,我的时钟上指针转动的速度变慢了;同样,我也会看到你的时钟走慢了。当然,由于运动而产生的时间流逝变慢现象,只有在速度接近光速时才会表现明显。

早在1941年,物理学家布鲁诺·罗西和D·B·霍尔就在一种被称为μ子的微观粒子身上,观察到了这种现象。μ子极其短命,在静止状态下,平均每2.197微秒,就会有半数μ子衰变成其他东西——这个时间被称为“半衰期”。然而,来自宇宙的高能粒子闯入地球大气时形成的μ子,速度超过光速的99%。两位物理学家发现,这些μ子的半衰期大约是静止μ子的10倍。换句话说,这些接近光速运动的μ子,“寿命”被大大延长了。

如果把广义相对论也考虑进来,情况只会变得更加复杂。广义相对论预言,物质本身就会影响时间的流逝——因为质量会产生引力,而引力会使时钟变慢。举例来说,同样是在地球上,海拔越高,地球引力就会越弱。因此,海平面上的时钟走得就会比世界最高峰——珠穆朗玛峰顶上的时钟稍慢一些,每秒钟要慢大约万亿分之一秒。

尽管效应微弱,但在越来越精密的时间测量仪器的帮助下,不论是由相对运动还是由引力导致的时间变慢现象,都一次又一次得到了越来越精准的验证。2010年,美国国家标准技术研究院的周钦文及其同事,甚至观察到了每秒10米的相对速度和区区1米的高度落差带来的时钟变慢效应。事实上,如今几乎人人都会用到的GPS全球定位系统,必须针对相对论预言的时间变慢效应加以修正,否则根本就达不到如此精准的定位精度。

至此,时间已经不再是整齐划一统驭万物生老病死的唯一节律,而是被相对运动和物质引力搅成了一盘散沙,在不同角落里各自为政,甚至连步调都未必一致。那口游离于世间万物之外、自顾自滴答作响的时间之钟,已然不复存在了。然而,相对论,特别是广义相对论,给时间带来的打击,还远不止如此。

永利皇宫官网 3根据广义相对论及多项宇宙学观测数据,我们的宇宙始于发生在138亿年前的一场大爆炸,时间也是从那一时刻开始出现的。图片来源:world.edu

时间也有起点

广义相对论描述的,是物质本身如何与时空结构发生相互作用——换句话说,它描述的是万有引力。万有引力是大尺度上统治整个宇宙的力量——至少在1915年爱因斯坦提出广义相对论时,这是科学界的共识。很快,爱因斯坦就把自己的理论应用到了整个宇宙,用来推演宇宙整体上的变化。

结果,广义相对论推断,宇宙要么膨胀,要么收缩,无法维持在一个状态上恒定不变。这个结论其实很符合逻辑,既然世间万物都在相互吸引,它们必定会越靠越近,除非它们原本是在向外扩散。但爱因斯坦本人一时间无法接受这一点,他当时的观点根深蒂固:宇宙一直就是这个样子,无始无终地永恒存在着。他在自己的宇宙学方程中,人为添加了一个常数,在大尺度上产生出了某种斥力。于是,爱因斯坦如愿以偿,“构建”起了一个似乎可以稳定存在的宇宙。

大约10年之后,天文学家埃德温·哈勃发现,宇宙中绝大多数星系都在离我们而去,而且距离越远速度就越快。这些观测事实证明,宇宙确实正在膨胀。此时,爱因斯坦才追悔莫及,把自己手贱添加到方程里的那个常数称为一生中犯过的“最大的错误”,让他错失了从理论上预言宇宙膨胀的绝佳良机。

或许,最根本的原因,不在于爱因斯坦对自己的理论信心不足,而是他不愿意面对宇宙膨胀的深远影响。因为,膨胀意味着宇宙有一个开端,也意味着时间有一个起点。

如果逆着时间流逝的方向倒推回去,宇宙中的物质会越靠越近,密度越来越大,温度也越来越高。最终,按照广义相对论的预言,一切物质都将被浓缩到一点,密度无限大,温度也无限高。当然,无限大在物理学中似乎并无意义,或许只是表明环境极端到了连广义相对论都无力描述的地步。

无论如何,到这个点为止,时间便无法再进一步向前追溯了。这便是世间万物的共同源点,包括时间和空间在内。根据天文学家最新的观测数据,从这个点爆开,也就是大爆炸至今,时间已经走过了138.2亿年。那么,在大爆炸之前,时间又流逝过多久呢?

时间流逝了多久,需要用时钟来衡量——因为正如前面提到的那样,游离于世间万物之外的时间已经不存在了。这里的时钟,可以是钟摆左右往复的摆动,可以是地球日复一日的自转,可以是光子在两面镜子之间不停的反射,也可以是原子核中电子在不同能级间跃迁而产生的光子的频率。总之,一切能够标示出固定时间间隔的东西,都可以拿来充当时钟。

然而,按照物理学家罗杰·彭罗斯在《时间的循环》一书中的说法,直到大爆炸后大约10微秒,质子和中子才会在宇宙中形成——在此之前,宇宙中完全不存在任何结构,没有任何东西可以拿来起到时钟的作用。那么,时间流逝了多久,又有什么意义呢?

如果时间就是时钟测量的那个东西,而时钟又根本不存在,那么时间也就不存在。从这个意义上讲,大爆炸根本就无所谓“之前”,因为连时钟本身都是大爆炸之后才出现的。时间就始于大爆炸。

永利皇宫官网 4如果宇宙继续以现在的趋势加速膨胀下去,总有一天,所有结构,甚至连原子都会被宇宙膨胀给撕碎,时间也将不复存在了。图片来源:gawkerassets.com

时间的末日

对于世间万物来说,凡事有开端,就必有终结。那么,时间会不会有一天也终结呢?

时间的命运似乎跟宇宙的命运息息相关,而宇宙的命运,根据广义相对论,似乎取决于宇宙中到底有多少物质。如果宇宙中有足够多的物质,它们施加的万有引力说不定最终能够逆转宇宙膨胀的趋势。在这种情况下,总有一天,宇宙会由膨胀转为坍缩,最终重新回到大爆炸起点那种无法描述的状态之中,时钟彻底消失,时间也就失去了意义。

人们曾认为,这种情况很有可能发生,甚至有人提出:最终坍缩成的那个点,或许不知多少岁月之后,又会重启新一轮的大爆炸。宇宙就这样,在不断循环的大爆炸和大坍缩之间轮回。从这个角度上说,大爆炸“之前”仿佛又有了些许意义,因为尽管无法衡量之前到底有多久,但毕竟是先前的大坍缩造就了这一轮的大爆炸。

于是,在上世纪末,两个国际天文学研究团队展开了一场竞赛,通过观测一类特殊的超新星,试图测量宇宙膨胀逐渐变慢的步伐。结果大大出乎了他们的预料——宇宙膨胀的速度非但没有变慢,反而还越来越快了!必定有什么未知的成分在推动着宇宙加速膨胀,天文学家称它为“暗能量”。当年被爱因斯坦人为加进方程的所谓“最大的错误”,也就是那个能够产生排斥力的常数项,如今正是暗能量最有力的候选者之一。真不知道爱因斯坦如果泉下有知,又该作何感想。

如果宇宙以现在这个趋势加速膨胀下去的话,大坍缩就肯定不会发生了,取而代之的将是大沉寂。宇宙永远膨胀下去,变得越来越空旷,越来越昏暗。尽管时间永远不会终结,但它会变得越来越没有意义。宇宙会遭遇“热寂”——这是一种平衡状态,其中发生的任何过程都会很快复原。到时候,过去和未来的分界将不会像现在这样明确,时钟也会越来越模糊不清。

如果暗能量不是常数,而像某些假说那样会随时间以指数形式增长,它就会推动宇宙进入无限膨胀的模式,最后就连原子都会被扯碎,从而终结时间。这种情况被称为“大撕裂”。按照某些模型的预言,这种时间末日距离现在还有大约200亿年。

或许值得庆幸的是,对于生活在地球上的我们而言,尽管日常生活中需要对各自为政的时间碎片作一些小小的修正,但至少,时间应该还不至于在我们的有生之年内终结。

 

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