作者：吳忠超 文章來源：選自《讀書》1994年第3期 點(diǎn)擊數(shù)： 126 更新時(shí)間：4/21/2006
本世紀(jì)初，物理學(xué)經(jīng)過了劇烈的掙扎以后以一種嶄新的面目出現(xiàn)，其主要成果是量子力學(xué)和相對(duì)論。近一個(gè)世紀(jì)以來人類正充分地體驗(yàn)著這種變革帶來的幸福和災(zāi)難。半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、激光、原子彈即是明顯的例證。量子力學(xué)的哲學(xué)含義迄今還很不清楚，而相對(duì)論尤其是廣義相對(duì)論對(duì)時(shí)間、空間甚至人們居住的宇宙的觀念的變革的影響既深又遠(yuǎn)。要想對(duì)這些觀念有淺顯而正確的了解，必須艱苦地克服許許多多常識(shí)的和直覺的錯(cuò)誤。
愛因斯坦曾經(jīng)設(shè)想過我們的宇宙空間也許正如一個(gè)三維的球面，它雖然體積有限，卻沒有邊界。我們?nèi)绻恢蓖斑M(jìn)，最后又會(huì)從后面回到出發(fā)點(diǎn)，正如繞著地球作環(huán)球旅行，并不會(huì)到達(dá)所謂的宇宙邊緣。當(dāng)然地球的表面是二維的，而宇宙空間是三維的。
愛因斯坦設(shè)想的這種旅游可在靜態(tài)的宇宙中實(shí)現(xiàn)。宇宙是靜態(tài)的還是演化的，這個(gè)問題只有在哈勃發(fā)現(xiàn)了紅移定律以后才清楚。他在20年代發(fā)現(xiàn)，從遠(yuǎn)處星系來的光譜都有紅移的效應(yīng)，而且其紅移量和星系的遙遠(yuǎn)程度成正比，這可以解釋成整個(gè)宇宙正在膨脹。若在時(shí)間上倒溯回去，就可以估計(jì)出宇宙在一百五十億年前處于一種極其緊致的狀態(tài)，并具有極高的溫度。這就是所謂的大爆炸奇點(diǎn)?，F(xiàn)在的宇宙的太空中具有絕對(duì)溫度為三度的背景輻射即是大爆炸的殘余。這么低的溫度下的輻射處于微波波段，所以稱為宇宙背景微波輻射，它是在非常偶然的情形下于1965年被發(fā)現(xiàn)的。
人們對(duì)大爆炸奇點(diǎn)又驚又喜，喜的是整個(gè)宇宙發(fā)軔于此，驚的是在奇點(diǎn)處物理定律、空間時(shí)間甚至因果律都不成立。人們對(duì)它真是束手無策，因?yàn)檎l也不知道會(huì)從奇點(diǎn)冒出什么東西來，而宇膏晗恰是從這里演化而來的。
人們也許會(huì)說，這都是現(xiàn)代宇宙論造的孽。其實(shí)不然。在哈勃紅移定律發(fā)現(xiàn)之前，人們以為宇宙是靜止的，那些棲息其中的蕓蕓眾生在津津有味地進(jìn)行著物競(jìng)天擇，而無動(dòng)于衷的宇宙總是慷慨地為之提供永恒的背景舞臺(tái)。即便如此，牛頓在奠定了經(jīng)典力學(xué)和微積分基礎(chǔ)之后，就曾經(jīng)思考過宇宙的初始態(tài)問題。他堅(jiān)信宇宙在上緊了發(fā)條之后即嚴(yán)格地遵循著他的定律演化，但究竟是誰在太初給宇宙上緊發(fā)條的呢?這大概只能是造物主吧!我們的確是被造物主玩弄于股掌之上。這就是所謂的第一推動(dòng)問題。而熱大爆炸宇宙論中的奇點(diǎn)只不過是將以為是無限久以前的太初移到了有限的過去，使問題變得更尖銳而已!
本世紀(jì)60年代在天文學(xué)上積累了許多新觀測(cè)，如類星體和中子星的發(fā)現(xiàn)，興起了相對(duì)論性天體物理研究的熱潮，并刺激了廣義相對(duì)論本身的研究。廣義相對(duì)論被認(rèn)為是最美麗的物理理論，愛因斯坦曾解釋和預(yù)言了三大驗(yàn)證，即水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)，光線折射以及大質(zhì)量附近原子光譜的紅移。愛因斯坦方程是非線性的，這樣它就把物質(zhì)之間的引力作用也包容進(jìn)去。這在理論上是簡(jiǎn)單，而簡(jiǎn)單即是美。任何嘗試求解它的人都會(huì)體驗(yàn)到該方程的內(nèi)在協(xié)調(diào)以及數(shù)學(xué)上的艱深。實(shí)際上，在60年代一批有才識(shí)的青年被吸引到這個(gè)領(lǐng)域之前，廣義相對(duì)論的研究從愛因斯坦的成果后進(jìn)展甚微。它基本上成為一個(gè)應(yīng)用數(shù)學(xué)而不是理論物理的分支。在這個(gè)歷史背景下，出現(xiàn)了一位物理學(xué)奇才霍金?；艚鹗亲詯垡蛩固挂詠碜罱艹龅睦碚撐锢韺W(xué)家。他的黑洞蒸發(fā)理論和量子宇宙論不僅震動(dòng)了自然科學(xué)界，而且對(duì)宗教和哲學(xué)也有深遠(yuǎn)影響?；艚鹕趌942年，生日剛好是伽利略三百年祭日，這似乎注定了他一生的使命。他出生于英國(guó)牛津，在牛津受完大學(xué)本科教育后，即轉(zhuǎn)到劍橋念研究院。這位人物正是出現(xiàn)于60年代和劍橋這個(gè)歷史和地理的時(shí)空交匯點(diǎn)上。劍橋是經(jīng)典力學(xué)和電磁學(xué)的發(fā)軔之地。電磁場(chǎng)理論的創(chuàng)始人馬克斯韋即是在劍橋卡文迪許實(shí)驗(yàn)室度過他的科學(xué)生涯的。這里曾出現(xiàn)過無數(shù)文化巨人，如詩(shī)人彌爾頓、拜倫，科學(xué)家達(dá)爾文、盧瑟福、湯姆遜，哲學(xué)家羅素，經(jīng)濟(jì)學(xué)家凱恩斯……1979年底當(dāng)我第一次從倫敦乘火車去劍橋時(shí)，在英格蘭多變的陰霾的天空下，遠(yuǎn)眺開闊的牧場(chǎng)、鄉(xiāng)村和森林盡頭出現(xiàn)的劍橋國(guó)王學(xué)院建筑群的剪影，不禁涌上緬懷前賢的幽思：此處是科學(xué)的麥加。
霍金在大學(xué)本科畢業(yè)時(shí)即患了不治之癥：盧伽雷病。在劍橋初期尚能拄拐杖行走，后來就只能被禁錮在輪椅上了。我第一回在系里見到他時(shí)真是大吃一驚，他斜躺在輪椅上，絕大多數(shù)時(shí)間都低垂著頭，要用很大的努力才能把頭舉起，時(shí)時(shí)需要?jiǎng)e人為之調(diào)整一下輪椅上的姿勢(shì)。他用幾根指頭操縱輪椅的電開關(guān)。他的變形的聲音常人聽不明白。他說要是到中國(guó)講演的話，先要把他的語(yǔ)言翻成英文，再?gòu)挠⑽姆芍形?。他l985年時(shí)去了一趟中國(guó)，也的確是這么做的。
就是這樣的一位殘疾人，當(dāng)時(shí)即已被世界公認(rèn)為引力物理的巨人。他是被選進(jìn)皇家學(xué)會(huì)的最年輕的會(huì)員之一。他和埃利斯合著的專著《大尺度時(shí)空結(jié)構(gòu)》是引力物理的經(jīng)典。這本書的前半部證明了彭羅斯和他合作的奇性定理，即是在非常一般的物理?xiàng)l件下，廣義相對(duì)論會(huì)導(dǎo)致時(shí)空的奇點(diǎn)，典型的例子便是黑洞中的奇點(diǎn)以及大爆炸奇點(diǎn)。該書的后半部即是著名的黑洞面積定理，黑洞的表面積只增不減，如果兩顆黑洞合并在一起，合并后的黑洞表面積比原先兩個(gè)黑洞表面積之和更大。人們發(fā)現(xiàn)這種性質(zhì)和熵相類似，后來果然證明了黑洞表面積即是它的熵的量度。
霍金劃時(shí)代的貢獻(xiàn)是1974年發(fā)現(xiàn)了黑洞輻射機(jī)制。黑洞的表面在經(jīng)典物理中是一種單向膜，任何物體一旦越過這表面就再也不可能返回。也許人們?cè)谠竭^巨大黑洞的表面時(shí)并沒有覺得有什么異樣，但一旦進(jìn)入就難逃撞上奇點(diǎn)粉身碎骨的命運(yùn)。霍金考慮了黑洞表面附近的量子起伏，發(fā)現(xiàn)起伏產(chǎn)生的粒子對(duì)中的一個(gè)會(huì)逃逸到遠(yuǎn)處，這些粒子流就像是從熾熱黑體輻射出來似的。這種輻射的溫度和黑洞質(zhì)量成反比，所以在輻射的晚期，黑洞質(zhì)量變得非常小，溫度也就變得非常高，黑洞就在爆炸中結(jié)束。黑洞輻射機(jī)制把引力論、量子論和統(tǒng)計(jì)力學(xué)統(tǒng)一到一起。它是量子引力論的前兆。二十年來全世界多少最優(yōu)秀的頭腦都為實(shí)現(xiàn)量子引力論而奮斗，提出了形形色色的奇思異想，但人們只能絕望地承認(rèn)，霍金輻射是迄今為止唯一的堅(jiān)實(shí)的預(yù)言。霍金輻射已使他的名字在科學(xué)史上不朽。
他在1980年4月29日被選為盧卡遜教授。他因此在劍橋的老卡文迪許實(shí)驗(yàn)室發(fā)表演講(這篇講演已被收入最近出版的《霍金講演錄》中)。我記得他在輪椅上用那種無人通曉的語(yǔ)言說：“今天我不打算自己講，讓我的助手宣讀講稿。”這種儀式并無任何新奇之處。但是，如果我們知道他的一些前任，就知道這是他生涯的巔峰了。牛頓是第二位擔(dān)任這一教席的。他的前任還包括拉摩、愛丁頓和狄拉克，后者是量子力學(xué)的奠基者之一。 由于80年代初在粒子物理方面的進(jìn)展，使得極早期宇宙的研究得到人們的青睞，這就是暴漲宇宙模型研究論文數(shù)目暴漲的緣由?；艚鹪趧蚪M織召開了一次會(huì)議，邀請(qǐng)全世界專家參加并編成一本《極早期宇宙》的文集，這本文集已成為極早期宇宙研究最重要的文獻(xiàn)。1983年夏天他帶了一本到威尼斯附近的帕多瓦的世界引力會(huì)議上。帕多瓦大學(xué)是伽利略任教過的古老大學(xué)。會(huì)議設(shè)在市政廳，這本書就供與會(huì)者賞玩，會(huì)后卻不翼而飛?；艚鹬ず蠓浅８吲d，因?yàn)檫@表明該書很受歡迎。
他對(duì)極早期宇宙的興趣是醉翁之意不在酒。他的最大野心是要一勞永逸地解決從牛頓以來就一直困擾人類的第一推動(dòng)問題。他早年證明的廣義相對(duì)論的奇性定理表明，奇點(diǎn)也就是時(shí)空的邊界是不可避免的，而第一推動(dòng)問題正是和時(shí)空邊界相依存的。所以為了排除第一推動(dòng)問題，就必須尋求一種無邊界宇宙的模型，這只有在量子力學(xué)的框架中才能實(shí)現(xiàn)。他的這種思想孕育于l982年參加梵蒂岡宇宙論會(huì)議之時(shí)。他和教皇保羅二世兩次戲劇性會(huì)面的令人感動(dòng)的場(chǎng)面在他的著作和傳記中都有生動(dòng)的記載。
由于宇宙是包容一切的，在宇宙之外不應(yīng)該存在任何東西。所以要詢問宇宙從何而來的問題，其答案只能是，宇宙是從無中產(chǎn)生出來的，無的威力是無敵的。順便提及，在閉合的宇宙中總能量就是零，這個(gè)事實(shí)和無中生有的思想是相符的。但是宇宙的無中生有的思想比這要深刻得多，無不僅是沒有物質(zhì)沒有能量，甚至連時(shí)間空間都沒有。根據(jù)這種觀念，霍金認(rèn)為宇宙是沒有邊界的，不管在空間的意義上，還是在時(shí)間的意義上來講。宇宙的邊界條件是它沒有邊界。這樣甚至上帝也沒有存身之所了?？磥硭亲顝氐椎臒o神論者了。
他認(rèn)為時(shí)空可以用四維的球面來描述，只比愛因斯坦三維空間的球面模型多一維。人們經(jīng)常要問的問題是，在大爆炸之前宇宙是什么樣子的?他講在臨近大爆炸奇點(diǎn)處量子引力的效應(yīng)非常顯著，時(shí)間變成虛的，從而和空間不可區(qū)分，可以說宇宙成為既沒有開初也沒有終結(jié)的四維球面。如果要問在此之前發(fā)生了什么，正如同有人要問在地球表面上比南極更南一百公里處在什么地方一樣，是沒有意義的。他說他雖然沒有到過南極，但他堅(jiān)信，在南極之處不會(huì)有什么異常發(fā)生。他的模型只是比地球表面多二維罷了。這樣，在經(jīng)典模型中的大爆炸奇點(diǎn)在量子宇宙學(xué)中就被抹平了。
這個(gè)無邊界宇宙模型能做出許多預(yù)言，比如空間必須是均勻的和各向同性的；時(shí)空是平性的，即宇宙可演化足夠長(zhǎng)的時(shí)間，它的演化不應(yīng)太激烈以使我們的星系乃至生命有足夠演化的時(shí)期，并使智慧得以成熟到能詢問這些宇宙學(xué)的問題；宇宙的成團(tuán)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)起源于這個(gè)背景下的量子起伏；太空中存在著可被檢測(cè)到的太初引力波；宇宙常數(shù)為零；宇宙是宏觀四維的，一維時(shí)間，三維空間；宇宙的無序度即熵隨時(shí)間增加，這就決定了時(shí)間箭頭的方向……其實(shí)在摒除了第一推動(dòng)之后，在原則上，宇宙中的一切都可僅僅由物理定律而預(yù)言出來。
霍金的量子宇宙論對(duì)宗教和哲學(xué)的沖擊是顯而易見的，它以極其鮮明的形式掃清了沉積在人們觀念中的陳腐觀點(diǎn)。它的哲學(xué)和美學(xué)魅力吸引了千千萬萬有教養(yǎng)的人士，這正是他的通俗著作《時(shí)間簡(jiǎn)史》能夠家喻戶曉的原因。
中國(guó)的《道德經(jīng)》中早就有宇宙是無中生有的天才思想，兩千多年后人類才得到這種思想的科學(xué)描述。只有掃除許許多多想當(dāng)然的偏見，科學(xué)才能前進(jìn)，我們只要回顧一下從托勒密系統(tǒng)到哥白尼系統(tǒng)的進(jìn)展，就可領(lǐng)會(huì)到這一點(diǎn)。
宇宙論是新思想和新觀念的搖籃，它要服從物理定律，而物理定律又在宇宙論中得到超越和升華。這是因?yàn)橛钪孢@種研究對(duì)象的唯一性引起的，又由于研究者根本不可能站在宇宙外面去審視它，這是一種自我反饋的過程。另一種類似的情形是思維科學(xué)，人們研究思維科學(xué)時(shí)必須用思維。這里很難將主體和客體相分離，這也正是科學(xué)成熟的標(biāo)志。自然，科學(xué)家還任重而道遠(yuǎn)得很。
