32 〔英)史蒂芬霍金：时间简史 们在过去取得进展所用的方法。牛顿引力理论又是一 个经典的例子，它告诉我们两个物体之间的引力只决 定于与每个物体相关的一个数一它的质量；而与物 体由何物组成无关。这样，人们不需要太阳和行星结 构和成份的理论就可以计算它们的轨道。 今天科学家按照两个基本的部分理论一广义相 对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的 伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大 尺度结构，也就是从只有几英哩直到大至1亿亿亿(1 后面跟24个0)英哩，即可观测到的宇宙范围的尺度 的结构。另一方面，量子力学处理极小尺度的现象， 例如万亿分之一英寸。然而，可惜的是，这两个理论 不是互相协调的一它们不可能都对。当代物理学的 一个主要的努力，以及这本书的主题，即是寻求一个 能将其合并在一起的理论一量子引力论。我们还没 有这样的理论，要获得这个理论，我们可能还有相当 长的路要走，然而我们已经知道了这个理论所应具备 的许多性质。在以下几章，人们将会看到，我们已经 知道了相当多的量子引力论所应有的预言。 现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由确定
32 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 们在过去取得进展所用的方法。牛顿引力理论又是一 第 个经典的例子，它告诉我们两个物体之间的引力只决 定于与每个物体相关的一个数——它的质量；而与物 体由何物组成无关。这样，人们不需要太阳和行星结 构和成份的理论就可以计算它们的轨道。 今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相 对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的 伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大 尺度结构，也就是从只有几英哩直到大至 1 亿亿亿（1 后面跟 24 个 0）英哩，即可观测到的宇宙范围的尺度 的结构。另一方面，量子力学处理极小尺度的现象， 例如万亿分之一英寸。然而，可惜的是，这两个理论 不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学的 一个主要的努力，以及这本书的主题，即是寻求一个 能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没 有这样的理论，要获得这个理论，我们可能还有相当 长的路要走，然而我们已经知道了这个理论所应具备 的许多性质。在以下几章，人们将会看到，我们已经 知道了相当多的量子引力论所应有的预言。 现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由确定
第一章我们的宇由图象 133 的定律所制约的，你最终必须将这些部分理论合并成 一套能描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而， 在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的自相矛 盾。在前面概括的关于科学理论的思想中，假定我们 是有理性的生物，既可以随意自由地观测宇宙，又可 以从观察中得出逻辑推论。在这样的方案里可以合理 地假设，我们可以越来越接近找到制约我们宇宙的定 律。然而，如果真有一套完整的统一理论，则它也将 决定我们的行动。这样，理论本身将决定了我们对之 探索的结果！那么为什么它必须确定我们从证据得到 正确的结论？它不也同样可以确定我们出错误的结 论吗？或者根本没有结论？ 对于这个问题，我所能给出的回答是基于达尔文 的自然选择原理。这思想是说，在任何自繁殖的群体 中，存在有不同个体在遗传物质和发育上的变异。这 些差异表明，某些个体比其他个体对周围的世界更能 引出正确的结论，并去适应它。这些个体更可能存活、 繁殖，因此它们的行为和思维的模式将越来越起主导 作用。这一点在过去肯定是真的，即我们称之为智慧 和科学发现的东西给我们带来了存活的好处。这种情
/第一章 我们的宇宙图象 | 33 的定律所制约的，你最终必须将这些部分理论合并成 一套能描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而， 在寻求这样的完整统一理论中有一个基本的自相矛 盾。在前面概括的关于科学理论的思想中，假定我们 是有理性的生物，既可以随意自由地观测宇宙，又可 以从观察中得出逻辑推论。在这样的方案里可以合理 地假设，我们可以越来越接近找到制约我们宇宙的定 律。然而，如果真有一套完整的统一理论，则它也将 决定我们的行动。这样，理论本身将决定了我们对之 探索的结果！那么为什么它必须确定我们从证据得到 正确的结论？它不也同样可以确定我们引出错误的结 论吗？或者根本没有结论？ 对于这个问题，我所能给出的回答是基于达尔文 的自然选择原理。这思想是说，在任何自繁殖的群体 中，存在有不同个体在遗传物质和发育上的变异。这 些差异表明，某些个体比其他个体对周围的世界更能 引出正确的结论，并去适应它。这些个体更可能存活、 繁殖，因此它们的行为和思维的模式将越来越起主导 作用。这一点在过去肯定是真的，即我们称之为智慧 和科学发现的东西给我们带来了存活的好处。这种情
34 〔英)史蒂芬，霍金：时间简史 况是否仍会如此不是很清楚：我们的科学发现也可以 将我们的一切都毁灭。即使不是这样，一个完整的统 一理论对于我们存活的机会不会有很大影响。然而， 假定宇宙已经以规则的方式演化至今，我们可以预期， 自然选择赋予我们的推理能力在探索完整统一理论时 仍然有效，并因此不会导致我们得到错误的结论。 因为除了最极端的情况外，我们已有了对所有一 切都足够给出精确的预言的部分理论，看来很难以现 实的理由为探索宇宙的终极理论辩护。（值得指出，虽 然可用类以的论点来攻击相对论和量子力学，但这些 理论已给我们带来了核能和微电子学的革命！)所以， 一套完整的统一理论的发现可能对我们种族的存活无 助，甚至也不会影响我们的生活方式。然而自从文明 开始，人们即不甘心于将事件看作互不相关而不可理 解的。他们渴求理解世界的根本秩序。今天我们仍然 渴望知道，我们为何在此？我们从何而来？人类求知 的最深切的意愿足以为我们所从事的不断的探索提供 正当的理由。而我们的目标恰恰正是对于我们生存其 中的宇宙作完整的描述
34 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 况是否仍会如此不是很清楚：我们的科学发现也可以 第 将我们的一切都毁灭。即使不是这样，一个完整的统 一理论对于我们存活的机会不会有很大影响。然而， 假定宇宙已经以规则的方式演化至今，我们可以预期， 自然选择赋予我们的推理能力在探索完整统一理论时 仍然有效，并因此不会导致我们得到错误的结论。 因为除了最极端的情况外，我们已有了对所有一 切都足够给出精确的预言的部分理论，看来很难以现 实的理由为探索宇宙的终极理论辩护。（值得指出，虽 然可用类似的论点来攻击相对论和量子力学，但这些 理论已给我们带来了核能和微电子学的革命！）所以， 一套完整的统一理论的发现可能对我们种族的存活无 助，甚至也不会影响我们的生活方式。然而自从文明 开始，人们即不甘心于将事件看作互不相关而不可理 解的。他们渴求理解世界的根本秩序。今天我们仍然 渴望知道，我们为何在此？我们从何而来？人类求知 的最深切的意愿足以为我们所从事的不断的探索提供 正当的理由。而我们的目标恰恰正是对于我们生存其 中的宇宙作完整的描述
/第二章空间和时间 135 第二章空间和时间 我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛 顿。在他们之前，人们相信亚里士多德，他说物体的 自然状态是静止的，并且只在受到力或冲击作用时才 运动。这样，重的物体比轻的物体下落得更快，因为 它受到更大的力将其拉向地球。 亚里士多德的传统观点还以为，人们用纯粹思维 可以找出制约宇宙的定律：不必要用观测去检验它。 所以，伽利略是第一个想看看不同重量的物体是否确 实以不同速度下落的人。据说，伽利略从比萨斜塔上 将重物落下，从而证明了亚里士多德的信念是错的。 这故事几乎不可能是真的，但是伽利略的确做了一些 等同的事一将不同重量的球从光滑的斜面上滚下。 这情况类似于重物的垂直下落，只是因为速度小而更
/第二章 空间和时间 | 35 第二章 空间和时间 我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛 顿。在他们之前，人们相信亚里士多德，他说物体的 自然状态是静止的，并且只在受到力或冲击作用时才 运动。这样，重的物体比轻的物体下落得更快，因为 它受到更大的力将其拉向地球。 亚里士多德的传统观点还以为，人们用纯粹思维 可以找出制约宇宙的定律：不必要用观测去检验它。 所以，伽利略是第一个想看看不同重量的物体是否确 实以不同速度下落的人。据说，伽利略从比萨斜塔上 将重物落下，从而证明了亚里士多德的信念是错的。 这故事几乎不可能是真的，但是伽利略的确做了一些 等同的事——将不同重量的球从光滑的斜面上滚下。 这情况类似于重物的垂直下落，只是因为速度小而更
36 〔英]史蒂芬霍金：时间简史 容易观察而已。伽利略的测量指出，不管物体的重量 是多少，其速度增加的速率是一样的。例如，在一个 沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你释放一 个球，则1秒钟后球的速度为每秒1米，2秒钟后为 每秒2米等等，而不管这个球有多重。当然，一个铅 锤比一片羽毛下落得更快，那是因为空气对羽毛的阻 力引起的。如果一个人释放两个不遭受任何空气阻力 的物体，例如两个不同的铅锤，它们则以同样速度下 降。 伽利略的测量被牛顿用来作为他的运动定律的基 础。在伽利略的实验中，当物体从斜坡上滚下时，它 一直受到不变的外力（它的重量），其效应是它被恒定 地加速。这表明，力的真正效应总是改变物体的速度， 而不是像原先想像的那样，仅仅使之运动。同时，它 还意味着，只要一个物体没有受到外力，它就会以同 样的速度保持直线运动。这个思想是第一次被牛顿在 1687年出版的《数学原理》一书中明白地叙述出来， 并被称为牛顿第一定律。物体受力时发生的现象则由 牛顿第二定律所给出：物体被加速或改变其速度时， 其改变率与所受外力成比例。（例如，如果力加倍，则
36 | 〔英〕史蒂芬•霍金：时间简史 容易观察而已。伽利略的测量指出，不管物体的重量 第 是多少，其速度增加的速率是一样的。例如，在一个 沿水平方向每走 10 米即下降 1 米的斜面上，你释放一 个球，则 1 秒钟后球的速度为每秒 1 米，2 秒钟后为 每秒 2 米等等，而不管这个球有多重。当然，一个铅 锤比一片羽毛下落得更快，那是因为空气对羽毛的阻 力引起的。如果一个人释放两个不遭受任何空气阻力 的物体，例如两个不同的铅锤，它们则以同样速度下 降。 伽利略的测量被牛顿用来作为他的运动定律的基 础。在伽利略的实验中，当物体从斜坡上滚下时，它 一直受到不变的外力（它的重量），其效应是它被恒定 地加速。这表明，力的真正效应总是改变物体的速度， 而不是像原先想像的那样，仅仅使之运动。同时，它 还意味着，只要一个物体没有受到外力，它就会以同 样的速度保持直线运动。这个思想是第一次被牛顿在 1687 年出版的《数学原理》一书中明白地叙述出来， 并被称为牛顿第一定律。物体受力时发生的现象则由 牛顿第二定律所给出：物体被加速或改变其速度时， 其改变率与所受外力成比例。（例如，如果力加倍，则