made by dotneter@teamfly 时间简史 从大爆炸到黑洞 史蒂芬霍金著许明贤、吴忠超译 THE ILLUSTRATE D A BRIEF HISTORY OF TIME 听 STEPHEN HAWKING UPDATED EXPANdEd edition 图书相关信息: 《时间简史》10年增订版 史蒂芬·霍金著许明贤、吴忠超译 湖南科学技术出版社第一推动从书 2001年3月第2版第21次印刷IsBN7-5357-1065-4
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 时间简史 ——从大爆炸到黑洞 史蒂芬·霍金 著 许明贤、吴忠超 译 图书相关信息： z 《时间简史》10 年增订版 z 史蒂芬·霍金 著 许明贤、吴忠超 译 z 湖南科学技术出版社 第一推动从书 z 2001 年 3 月第 2 版 第 21 次印刷 ISBN 7-5357-1065-4
made by dotneter@teamfly 目录 译者序 第一章我们的宇宙图像 大部分人会觉得,把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬,可是为什么我们自以为知道得更多一些 呢?我们对宇宙了解了多少?而我们又是怎样才知道的呢? 第二章时间和空间 在以后的几十年中,对空间和时间的新的理解是对我们的宇宙观的变革。古老的关于基本上不变的、已经存 在并将继续存在无限久的宇宙的观念,已为运动的、膨胀的并且看来是从一个有限的过去开始并将在有限的将来 终结的宇宙的观念所取代 第三章膨胀的字宙 宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态,而实际上是在膨胀;不同星系之间的距离一直在增加着。宇 宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智慧革命之一。事后想起来,何以过去从来没有人想到这一点?! 第四章不确定性原理 人们会以为,每个电子只穿过其中的一条缝,这样它的行为正如同另一个狭缝不存在时一样一一屏幕会给出 一个均匀的分布。然而,实际上即使电子是一个一个地发出,条纹仍然出现,所以每个电子必须在同一时刻通过 两个小缝! 第五章基本粒子和自然的力 携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出,将力划分成四种 是种人为的方法;它仅仅是为了便于建立部分理论,而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理 论,该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。 第六章黑洞 事件视界,也就是空间一一时间中不可逃逸区域的边界,正如同围绕着黑洞的单向膜:物体,譬如不谨慎的 航天员,能通过事件视界落到黑洞里去,但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞 第七章黑洞不是这么黑的 我们知道,任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来,何以黑洞会发射粒子呢?量子理论给我们的回 答是,粒子不是从黑洞里面出来的,而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的”空″的空间来的! 第八章宇宙的起源和命运 为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想,必须首先按照热大爆炸模型″来理解 为大家所接受的宇宙历史
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 目录 译者序 第一章 我们的宇宙图像 大部分人会觉得，把我们的宇宙喻为一个无限的乌龟塔相当荒谬，可是为什么我们自以为知道得更多一些 呢？我们对宇宙了解了多少？而我们又是怎样才知道的呢？…… 第二章 时间和空间 在以后的几十年中，对空间和时间的新的理解是对我们的宇宙观的变革。古老的关于基本上不变的、已经存 在并将继续存在无限久的宇宙的观念，已为运动的、膨胀的并且看来是从一个有限的过去开始并将在有限的将来 终结的宇宙的观念所取代。…… 第三章 膨胀的宇宙 宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态，而实际上是在膨胀；不同星系之间的距离一直在增加着。宇 宙膨胀的发现是 20 世纪最伟大的智慧革命之一。事后想起来，何以过去从来没有人想到这一点？！…… 第四章 不确定性原理 人们会以为，每个电子只穿过其中的一条缝，这样它的行为正如同另一个狭缝不存在时一样——屏幕会给出 一个均匀的分布。然而，实际上即使电子是一个一个地发出，条纹仍然出现，所以每个电子必须在同一时刻通过 两个小缝！ …… 第五章 基本粒子和自然的力 携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出，将力划分成四种 是种人为的方法；它仅仅是为了便于建立部分理论，而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理 论，该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。…… 第六章 黑洞 事件视界，也就是空间——时间中不可逃逸区域的边界，正如同围绕着黑洞的单向膜：物体，譬如不谨慎的 航天员，能通过事件视界落到黑洞里去，但是没有任何东西可以通过事件视界而逃离黑洞。…… 第七章 黑洞不是这么黑的 我们知道，任何东西都不能从黑洞的事件视界之内逃逸出来，何以黑洞会发射粒子呢？量子理论给我们的回 答是，粒子不是从黑洞里面出来的，而是从紧靠黑洞的事件视界的外面的“空”的空间来的！…… 第八章 宇宙的起源和命运 为了解释我和其他人关于量子力学如何影响宇宙的起源和命运的思想，必须首先按照“热大爆炸模型”来理解 为大家所接受的宇宙历史。……
made by dotneter@teamfly 第九章时间箭头 所以,我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头,是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。正像 个计算机,我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。这几乎使热力学定律变成为无聊的东西 第十章虫洞和时间旅行 这样看来,快速空间旅行和往时间过去旅行似乎都不可行了。然而,还可能有办法。人们也许可以把时空卷 曲起来,使得A和B之间有一近路。在A和B之间创造一个虫洞就是一个法子 第十一章物理学的统一 如果我们确实发现了宇宙的终极理论,这意味着什么?正如第一章所解释的,我们将永远不能肯定我们是否 确实找到了正确的理论,因为理论不能被证明。… 第十二章结论 然而,如果我们确实发现了一套完整的理论,它应该在一般的原理上及时让所有人(而不仅仅是少数科学家) 所理解。那时,我们所有人,包括哲学家、科学家以及普普通通的人,都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨 论。如果我们对此找到了答案,则将是人类理智的最终极的胜利一一因为那时我们知道了上帝的精神 阿尔伯特爱因斯坦 爱因斯坦和核弹政治的瓜葛是众所周知的:他签署了那封著名的致富兰克林·罗斯福总统的信,说服美国认 真考虑他的想法,并且他在战后从事阻止核战争的各项努力。 伽利略·伽利雷 伽利略可能比任何其他的人更有资格称为近代科学的奠基人。 伊萨克牛顿 伊萨克牛顿不是一个讨人喜欢的人物。他和其他院士的关系声名狼藉。… 小辞典 感谢
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 第九章 时间箭头 所以，我们对时间方向的主观感觉或心理学时间箭头，是在我们头脑中由热力学时间箭头所决定的。正像一 个计算机，我们必须在熵增加的顺序上将事物记住。这几乎使热力学定律变成为无聊的东西。…… 第十章 虫洞和时间旅行 这样看来，快速空间旅行和往时间过去旅行似乎都不可行了。然而，还可能有办法。人们也许可以把时空卷 曲起来，使得 A 和 B 之间有一近路。在 A 和 B 之间创造一个虫洞就是一个法子。…… 第十一章 物理学的统一 如果我们确实发现了宇宙的终极理论，这意味着什么？正如第一章所解释的，我们将永远不能肯定我们是否 确实找到了正确的理论，因为理论不能被证明。…… 第十二章 结论 然而，如果我们确实发现了一套完整的理论，它应该在一般的原理上及时让所有人（而不仅仅是少数科学家） 所理解。那时，我们所有人，包括哲学家、科学家以及普普通通的人，都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨 论。如果我们对此找到了答案，则将是人类理智的最终极的胜利——因为那时我们知道了上帝的精神。 阿尔伯特·爱因斯坦 爱因斯坦和核弹政治的瓜葛是众所周知的：他签署了那封著名的致富兰克林·罗斯福总统的信，说服美国认 真考虑他的想法，并且他在战后从事阻止核战争的各项努力。…… 伽利略·伽利雷 伽利略可能比任何其他的人更有资格称为近代科学的奠基人。…… 伊萨克·牛顿 伊萨克·牛顿不是一个讨人喜欢的人物。他和其他院士的关系声名狼藉。…… 小辞典 感谢
made by dotneter@teamfly 译者序 许明贤、吴忠超 宇宙论是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙里高等生物的人类不会满足于自身的生存和种族的绵延,还一 代代不懈地探索着存在和生命的意义。但是,人类理念的进化是极其缓慢和艰苦的。从亚里士多德一一托勒密的 地心说到哥白尼一一伽利略的日心说的演化就花了2000年的时间。令人吃惊的是,尽管人们知道世间的一切都 在运动,只是到了本世纪20年代因哈勃发现了红移定律后,宇宙演化的观念才进入人类的意识。人们甚至从来 没有想到过宇宙还会演化。牛顿的万有引力定律表明,宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态。即使在 爱因斯坦的广义相对论中,情况也好不到哪儿去,为了得到一个稳定的宇宙模型,他曾将宇宙常数引进理论中。 他们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型。可见,宇宙演化的观念并不是产生于这些天才的头脑之中。 可以公平的说,哈勃的观测标志着现代宇宙论的诞生。哈勃发现,从星系光谱的红移可以推断,越远的星系 以越快的速度离开我们而去,这表明整个宇宙处于膨胀的状态。从时间上倒溯到过去,估计在100亿到200亿 前曾经发生过一桩开天辟地的大事件,即宇宙从一个极其紧致、极热的状态中大爆炸而产生。伽莫夫在1948 年发表的一篇关于热大爆炸模型的文章中作出了一个惊人的预言,早期大爆炸的辐射仍残存在我们周围,不过由 宇宙膨胀引起的红移,其绝对温度只余下几度左右,在这种温度下,辐射是处于微波的波段。但在1965年彭 齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前,人们并不认真对待此预言 般认为,爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在经典广义相对论的框架里,霍金和 彭罗斯证明了,在很一般的条件下,空间一一时间一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆 炸处的奇点。在奇点处,所有定律以及可预见性都失效。奇点可以看成空间时间的边缘或边界。只有给定了奇点 处的边界条件,才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给定,所以宇宙的 命运就操纵在造物主的手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题。 如果空间一一时间没有边界,则就不必劳驾上帝进行第一推动了。这只有在量子引力论中才能做到。霍金认 为宇宙的量子态是处于一种基态,空间一一时间可看成一有限无界的四维面,正如地球的表面一样,只不过多了 两个维数而已。宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。从一些简单的模型计算 可得出和天文观测相一致的推论,如星系、恒星等等的成团结构,大尺度的各向同性和均匀性,空间一一时间的 平性,即空间一一时间基本上是平坦的,并因此才使得星系乃至生命的发展成为可能,还有时间的方向箭头等等 霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学,它是一个自足的理论,即在原则上,单凭科 学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来 本书作者是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。70年代他和彭罗斯一道证明了著名的奇性定理,为此 他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他还证明了黑洞的面积定理,即随着时间的增加黑洞的面积不减。这 很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起。1973年,他考虑黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像黑体 一样发出辐射,其辐射的温度和黑泂质量成反比,这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小,而温度却越变越高,它以 最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有板其基本的意义,它将引力、量子力学和统计力学统一在一起
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 译者序 许明贤、吴忠超 宇宙论是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙里高等生物的人类不会满足于自身的生存和种族的绵延，还一 代代不懈地探索着存在和生命的意义。但是，人类理念的进化是极其缓慢和艰苦的。从亚里士多德——托勒密的 地心说到哥白尼——伽利略的日心说的演化就花了 2000 年的时间。令人吃惊的是，尽管人们知道世间的一切都 在运动，只是到了本世纪 20 年代因哈勃发现了红移定律后，宇宙演化的观念才进入人类的意识。人们甚至从来 没有想到过宇宙还会演化。牛顿的万有引力定律表明，宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态。即使在 爱因斯坦的广义相对论中，情况也好不到哪儿去，为了得到一个稳定的宇宙模型，他曾将宇宙常数引进理论中。 他们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型。可见，宇宙演化的观念并不是产生于这些天才的头脑之中。 可以公平的说，哈勃的观测标志着现代宇宙论的诞生。哈勃发现，从星系光谱的红移可以推断，越远的星系 以越快的速度离开我们而去，这表明整个宇宙处于膨胀的状态。从时间上倒溯到过去，估计在 100 亿到 200 亿 年前曾经发生过一桩开天辟地的大事件，即宇宙从一个极其紧致、极热的状态中大爆炸而产生。伽莫夫在 1948 年发表的一篇关于热大爆炸模型的文章中作出了一个惊人的预言，早期大爆炸的辐射仍残存在我们周围，不过由 于宇宙膨胀引起的红移，其绝对温度只余下几度左右，在这种温度下，辐射是处于微波的波段。但在 1965 年彭 齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前，人们并不认真对待此预言。 一般认为，爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在经典广义相对论的框架里，霍金和 彭罗斯证明了，在很一般的条件下，空间——时间一定存在奇点，最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆 炸处的奇点。在奇点处，所有定律以及可预见性都失效。奇点可以看成空间时间的边缘或边界。只有给定了奇点 处的边界条件，才能由爱因斯坦方程得到宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主所给定，所以宇宙的 命运就操纵在造物主的手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题。 如果空间——时间没有边界，则就不必劳驾上帝进行第一推动了。这只有在量子引力论中才能做到。霍金认 为宇宙的量子态是处于一种基态，空间——时间可看成一有限无界的四维面，正如地球的表面一样，只不过多了 两个维数而已。宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。从一些简单的模型计算 可得出和天文观测相一致的推论，如星系、恒星等等的成团结构，大尺度的各向同性和均匀性，空间——时间的 平性，即空间——时间基本上是平坦的，并因此才使得星系乃至生命的发展成为可能，还有时间的方向箭头等等。 霍金的量子宇宙论的意义在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学，它是一个自足的理论，即在原则上，单凭科 学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来。 本书作者是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。70 年代他和彭罗斯一道证明了著名的奇性定理，为此 他们共同获得了 1988 年的沃尔夫物理奖。他还证明了黑洞的面积定理，即随着时间的增加黑洞的面积不减。这 很自然使人将黑洞的面积和热力学的熵联系在一起。1973 年，他考虑黑洞附近的量子效应，发现黑洞会像黑体 一样发出辐射，其辐射的温度和黑洞质量成反比，这样黑洞就会因为辐射而慢慢变小，而温度却越变越高，它以 最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有板其基本的意义，它将引力、量子力学和统计力学统一在一起
made by dotneter@teamfly 1974年以后,他的研究转向量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论,但它的一些特征已被发现 例如,空间一一时间在普郎克尺度(103厘米)下不是平坦的,而是处于一种泡沫的状态。在量子引力中不存 在纯态,因果性受到破坏,因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。 1980年以后,他的兴趣转向量子宇宙论 本书的副题是从大爆炸到黑洞。霍金认为他一生的贡献是,在经典物理的框架里,证明了黑洞和大爆炸奇点 的不可避免性,黑洞越变越大;但在量子物理的框架里,他指出,黑洞因辐射而越变越小,大爆炸的奇点不但被 量子效应所抹平,而且整个宇宙正是起始于此 理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化,但就观念而言,现在已经相当完备了 霍金的生平是非常富有传奇性的,在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之一,他的贡献是在他20 之久被卢伽雷病禁锢在轮椅上的情况下做出的,这真正是空前的。因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响, 所以媒介早已有许多关于他如何与全身瘫痪作搏斗的描述。尽管如此,译者之一于1979年第一回见到他时的情 景至今还历历在目。那是第一次参加剑桥霍金广义相对论小组的讨论班时,门打开后,忽然脑后响起一种非常微 弱的电器的声音,回头一看,只见一个骨瘦如柴的人斜躺在电动轮椅上,他自己驱动着电开关。译者尽量保持礼 貌而不显出过分吃惊,但是他对首次见到他的人对其残废程度的吃惊早已习惯。他要用很大努力才能举起头来。 在失声之前,只能用非常微弱的变形的语言交谈,这种语言只有在陪他工作、生活几个月后才能通晓。他不能写 字,看书必须依赖于一种翻书页的机器,读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公桌上,然后他驱动轮椅如 蚕吃桑叶般地逐页阅读。人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬 意。每天他必须驱动轮椅从他的家一一剑桥西路5号,经过美丽的剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学 和理论物理系的办公室。该系为了他的轮椅行走便利特地修了一段斜坡。 在富有学术传统的剑桥大学,他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职务,那是牛顿和狄拉克担任过 的卢卡逊数学教授。 本书译者之一曾受教于霍金达四年之久,并在他的指导下完成了博士论文。此书即是受霍金之托而译成中文, 以供占人类五分之一的人口了解他的学说 许明贤吴忠超
时间简史 ——从大爆炸到黑洞 made by dotneter@teamfly 1974 年以后，他的研究转向量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论，但它的一些特征已被发现。 例如，空间——时间在普郎克尺度（10-33 厘米）下不是平坦的，而是处于一种泡沫的状态。在量子引力中不存 在纯态，因果性受到破坏，因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。 1980 年以后，他的兴趣转向量子宇宙论。 本书的副题是从大爆炸到黑洞。霍金认为他一生的贡献是，在经典物理的框架里，证明了黑洞和大爆炸奇点 的不可避免性，黑洞越变越大；但在量子物理的框架里，他指出，黑洞因辐射而越变越小，大爆炸的奇点不但被 量子效应所抹平，而且整个宇宙正是起始于此。 理论物理学的细节在未来的 20 年中还会有变化，但就观念而言，现在已经相当完备了。 霍金的生平是非常富有传奇性的，在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学家之一，他的贡献是在他 20 年之久被卢伽雷病禁锢在轮椅上的情况下做出的，这真正是空前的。因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响， 所以媒介早已有许多关于他如何与全身瘫痪作搏斗的描述。尽管如此，译者之一于 1979 年第一回见到他时的情 景至今还历历在目。那是第一次参加剑桥霍金广义相对论小组的讨论班时，门打开后，忽然脑后响起一种非常微 弱的电器的声音，回头一看，只见一个骨瘦如柴的人斜躺在电动轮椅上，他自己驱动着电开关。译者尽量保持礼 貌而不显出过分吃惊，但是他对首次见到他的人对其残废程度的吃惊早已习惯。他要用很大努力才能举起头来。 在失声之前，只能用非常微弱的变形的语言交谈，这种语言只有在陪他工作、生活几个月后才能通晓。他不能写 字，看书必须依赖于一种翻书页的机器，读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公桌上，然后他驱动轮椅如 蚕吃桑叶般地逐页阅读。人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内心产生深深的敬 意。每天他必须驱动轮椅从他的家——剑桥西路 5 号，经过美丽的剑河、古老的国王学院驶到银街的应用数学 和理论物理系的办公室。该系为了他的轮椅行走便利特地修了一段斜坡。 在富有学术传统的剑桥大学，他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职务，那是牛顿和狄拉克担任过 的卢卡逊数学教授。 本书译者之一曾受教于霍金达四年之久，并在他的指导下完成了博士论文。此书即是受霍金之托而译成中文， 以供占人类五分之一的人口了解他的学说。 ——许明贤 吴忠超