时间简史！

零下68度

我们发现自已是处于使人为难的世界中。我们要为自己在四周所看的一切赋予意义
并问道：什么是宇宙的性质？我们在它之中的位置如何，以及宇宙和我们从何而来？为
何它是这个样子的？我们采用某种“世界图”’来试图回答这些问题，如同无限的乌龟
塔——一个支持平坦的地球是这样的一种图象一样，超弦理论也是一种图象。虽然后者
比前者更数学化、更精确，但两者都是宇宙的理论。两个理论都缺乏观察的证据：没人
看到一个背负地球的大龟，但也没有人看到超弦。然而，龟理论作为一个好的科学理论
是不够格的，因为它预言了人会从世界的边缘掉下去。除非发现它能为据说在百慕达三
角消失的人提供解释。这个预言和经验不一致！
    最早先在理论上描述和解释宇宙的企图牵涉到这样的思想，事件或自然现象是由具
备人类感情的灵魂所控制，它们的行为和人类非常相像，并且是不可预言的。这些灵魂
栖息在自然对象之中，诸如河流和山岳，包括诸如太阳和月亮这样的天体之中。它们必
须被祈祷并供奉，以保证土壤的肥沃和四季的变化。然而，一些规律性逐渐地被注意到：
太阳总是东升西落，而不管是否用牺牲去对之进贡。更进一步，太阳、月亮和行星沿着
以被预言得相当精确的轨道穿越天穹。太阳、月亮仍然还可以是神祗，只不过是服从严
格定律的神。如果你不将耶和华停止太阳运行之类的神话当真，则这一切显然是毫不例
外的。
    首先，只有在天文学和一些其他情形下，这些规则和定律是显而易见的。然而随着
文明的发展，特别是近300年期间，越来越多的规则和定律被发现。这些定律的成功，使
得拉普拉斯在19世纪初主张科学的宿命论。他提议只要给定宇宙在某一时刻的结构，由
给定的一组定律即能精确地决定它的演化。
    拉普拉斯的宿命论在两个方面是不完整的。它没讲定律应该如何选择，也没指定宇
宙的初始结构。这些都留给了上帝。上帝会选择让宇宙如何开始并要服从什么定律，但
是一旦开始之后它将不再干涉。事实上，上帝是被限制于19世纪科学不能理解的领域里。
    我们现在知道，拉普拉斯的宿命论的希望，至少在按照他头脑中的方式，是不能实
现的。量子力学不确定性原理表明，某些诸如粒子的位置和速度的对偶的量，不能同时
以完全的精确度去预言。
    量子力学通过一族量子理论来处理这种情形，粒子没有很好定义的位置和速度，而
是由一个波来代表。它们给出了这波随时间演化的定律，在这种意义上，这些量子理论
从属于宿命论。这样，如果某一时刻这个波是已知的，便可以将任一时刻的波算出。只
是当我们试图按照粒子的位置和速度对波作解释之时，不可预见性的紊乱的要素才出现。
但这也许是我们的错误：也许不存在粒子的位置和速度，只有波。只不过是我们企图将
波硬套到我们预想的位置和速度的观念之中而己。由此导致的不一致乃是表面上不可预
见性的原因。
    事实上，我们已经重新将科学的任务定义为发现能使我们在由不确定性原理设定的
极限内预言事件的定律。然而，还存在如下问题：宇宙的定律和初始条件是如何及为何
选取的？
    在本书中，我特别将制约引力的定律突出出来，因为正是引力使宇宙的大尺度结构
成形，即使它是四类力中最弱的一种。引力定律和直到相当近代还被坚持的宇宙随时间
不变的观念不相协调：引力总是吸引的这一事实意味着，宇宙必须或者在膨胀或者在收
缩。按照广义相对论，宇宙在过去某一时刻必须有一无限密度的状态，亦即大爆炸，这
是时间的有效起始。类似地，如果整个宇宙坍缩，在将来必有另一个无限密度的状态，
即大挤压，这是时间的终点。即使整个宇宙不坍缩，在任何坍缩形成黑洞的局部区域里
都会有奇点。这些奇点正是任何落进黑洞的人的时间终点。在大爆炸或其他奇点，所有
定律都失效，所以上帝仍然有完全的自由去选择发生了什么以及宇宙是如何开始的。
    当我们将量子力学和广义相对论相结合，似乎产生了以前从未有过的新的可能性：
空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的没有奇点或边界的空间，这正如地球的表
面，但有更多的维数。看来这种思想能够解释观察到的宇宙的许多特征，诸如它的大尺
度一致性，还有像星系、恒星甚至人类等等小尺度的对此均匀性的偏离。它甚至可以说
明我们观察到的时间的箭头。但是如果宇宙是完全自足的、没有奇点或边界、并且由统
一理论所完全描述，那么就对上帝作为造物主的作用有深远的含义。
    有一次爱因斯坦问道：“在制造宇宙时上帝有多少选择性？”如果无边界假设是正
确的，在选择初始条件上它就根本没有自由。当然，它仍有选择宇宙所服从的定律的自
由。然而，实在并没有那么多的选择性；很可能只有一个或数目很少的完整的统一理论，
它是自治的，并且允许复杂到像能研究宇宙定律和询问上帝本性的人类那样的结构的存
在。
    即使只存在一个可能的统一理论，那只不过是一组规则或方程。是什么赋予这些方
程以生命去制造一个为它们所描述的宇宙？通常建立一个数学模型的科学方法不能回答，
为何必须存在一个为此模型所描述的宇宙这样的问题。为何宇宙陷入其存在性的错综复
杂之中？是否统一理论是如此之咄咄逼人，以至于其自身之实现成为不可避免？或者它
需要一个造物主？若是这样，它还有其他的宇宙效应吗？又是谁创造了造物主？
    迄今，大部分科学家太忙于发展描述宇宙为何物的理论，以至于没工夫去过问为什
么的问题。另一方面，以寻根究底为己任的哲学家不能跟得上科学理论的进步。在18世
纪，哲学家将包括科学在内的整个人类知识当作他们的领域，并讨论诸如宇宙有无开初
的问题。然而，在19和20世纪，科学变得对哲学家，或除了少数专家以外的任何人而言，
过于技术性和数学化了。哲学家如此地缩小他们的质疑的范围，以至于连维特根斯坦—
—这位本世纪最著名的哲学家都说道：“哲学仅余下的任务是语言分析。”这是从亚里
士多德到康德以来哲学的伟大传统的何等的堕落！
    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。

零下68度

阿尔贝特·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。
但是，这些不仅仅是一位科学家被拖入政界的孤立行动。事实上，爱因斯坦的一生用他
自己的话来说是“踌躇于政治和方程之间。”
    爱因斯坦最早从事政治活动是在第一次世界大战，当时他在柏林当教授。由于目睹
草菅人命而不胜厌恶，他卷入了反战示威。他拥护国内反抗以及公开鼓励人民拒绝征兵，
因而不讨他的同事们喜欢。后来，在战时他又致力于调解和改善国际关系。这也不得人
心，而且他的政治态度很快使他难以访问美国，甚至连讲学都有困难。
    爱因斯坦第二个伟大的事业是犹太复国主义。虽然他在血统上是犹太人，但他拒绝
《圣经》上关于上帝的说法。然而，第一次世界大战之前和期间，他越发看清反犹主义，
这导致他逐渐和犹太团体相认同，而后成为一个直言不讳的犹太复国主义的拥护者。再
度不受欢迎也未能阻止他发表自己的主张。他的理论一发表就受到攻击，甚至成立了一
个反爱因斯坦的组织。有一个人被定罪为教唆他人去谋杀爱因斯坦（只罚了6美金）。但
爱因斯坦是冷静的：当一本书以题为《100个反爱因斯坦的作家》出版时，他反驳道：
“如果真是我错了的话，那么一个人反对我就足够了！”
    1933年，希特勒上台了，爱因斯坦正在美国，他宣布不再回德国。后来纳粹义勇军
抄查了他的房子，并没收了他的银行账号。一家柏林报纸的头条写道：“来自爱因斯坦
的好消息——他不回来了。”面对着纳粹的威胁，爱因斯坦放弃了和平主义，终于忧虑
到德国科学家会制造核弹，因而建议美国应该发展自己的核弹。但是，即使在第一枚原
子弹爆炸之前，他就曾经公开警告过核战争的危险，并提议对核武器进行国际控制。
    贯穿爱因斯坦一生，他致力于和平的努力可能成效甚微——肯定只说服了很少的朋
友。然而，他对犹太复国主义事业的口头支持在1952年被及时承认，其时他被推荐为以
色列的总统。但他谢绝了。他说他认为自己在政治上太天真。可是，也许其真正的原因
却并非如此，再次引用他自己的话：“方程对我而言更重要些，因为政治是为当前，而
一个方程却是一种永恒的东西。”

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伽利雷·伽利略

   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。其与天主教会名闻遐
迩的冲突是他哲学的中心事件。这是因为伽利略是作如下论断最早的人之一：人类有望
理解世界是怎样运行的，而且我们还能通过观察现实世界来做到这一点。
    伽利略很早就相信哥白尼理论（即行星绕太阳公转），但只有当他发现了证据来支
持这一学说时，才公开表示支持。他用意大利文写有关哥白尼理论的文章（没有用普通
的学院式拉丁文），并且他的观点很快就广泛地得到大学界之外的支持。这惹怒了亚里
士多德派的教授们，他们联合起来反对他，并极力说服天主教会禁止哥白尼主义。
    伽利略为此而担心，他赶到罗马去向天主教权威当面申诉。他争辩道，《圣经》并
未试图告诉我们任何关于科学理论的东西，通常都是假定，当《圣经》和常识发生矛盾
时，就成为比喻。但是教会害怕这丑闻可能伤害它对新教徒的斗争，所以采取了镇压的
手段。1616年，它宣布哥白尼主义是“虚伪的、错误的”，并命令伽利略不准再“保卫
或坚持”这一学说。伽利略勉强接受了。
    1623年，伽利略的一位长期朋友成为教皇。伽利略立即试图为1616年的判决翻案。
他失败了，但他设法获得了准许，在两个前提下写一本叙述亚里士多德派和哥白尼派理
论的书：他不能有倾向，同时要得出结论，人类在任何情况下都无法决定世界是如何运
行的，因为上帝会以人类不能想像的方法来达到同样的效果，而人类不能限制上帝的万
能。
    这本题为《关于两个主要世界体系的对话》的书，于1632年在检查官的全面支持下
完成并出版了，并且立刻被全欧洲欢呼为文学和哲学的杰作。不久教皇就意识到，人们
把这本书看作是确认哥白尼主义的论证，后悔允许该书出版。教皇指出，虽有检查官正
式批准出版该书，但伽利略依然违背了1616年的禁令。他把伽利略带到宗教法庭面前，
宣布他终身软禁，并命令他公开放弃哥白尼主义。伽利略又第二次被迫从命。
    伽利略始终是一个忠实的天主教徒，但是他对科学独立的信仰从来未被动摇过。16
42年，即他逝世前4年，当他仍然被软禁时，他第二本主要著作的手稿被私下交给一个荷
兰的出版商。正是这本被称为《两种新科学》的书，甚至比支持哥白尼更进一步，成为
现代物理学的起源。

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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。他晚年的
大部分时间都是在激然的争吵纠纷中渡过。随着那部肯定是物理学有史以来最有影响的
书——《数学原理》的出版，牛顿很快就成为名重一时的人物。他被任命为皇家学会主
席，并成为第一个被授予爵士的科学家。
    牛顿不久就与皇家天文学家约翰·夫莱姆斯梯德发生冲突。他早先曾提供牛顿许多
《原理》一书所需的数据，后来他扣压了牛顿需要的资料。牛顿是不许别人回答“不”
字的，他自封为皇家天文台的大总管，然后迫使立即出版这些数据。最后，他指使夫莱
姆斯梯德的冤家对头爱德蒙·哈雷夺得夫莱姆斯梯德的工作成果，并且准备出版。可是
夫莱姆斯梯德告到法庭去，在最紧要关头，赢得了法庭的判决：不得散发这剽窃的著作。
牛顿被激怒了，作为报复，他就在后来的《原理》版本中系统地删除所有来自夫莱姆斯
梯德的引证。
    他和德国哲学家高特夫瑞德·莱布尼兹之间发生了更严重的争吵。莱布尼兹和牛顿
各自独立地发展了叫做微积分的数学分支，它是大部分近代物理的基础。虽然现在我们
知道，牛顿发现微积分要比莱布尼兹早若干年，可是他很晚才出版他的著作。随着关于
谁是第一个发现者的严重争吵的发生，科学家们激烈地为双方作辩护。然而值得注意的
是，大多数为牛顿辩护的文章均出自牛顿本人之手，只不过仅仅用朋友的名义出版而已！
当争论日趋激烈时，莱布尼兹犯了向皇家学会起诉来解决这一争端的错误。牛顿作为其
主席，指定了一个清一色的由牛顿的朋友组成的“公正的”委员会来审查此案。更有甚
者后来牛顿自己写了一个委员会报告，并让皇家学会将其出版，正式地谴责莱布尼兹剽
窃。牛顿还不满意，他又在皇家学会自己的杂志上写了一篇匿名的、关于该报告的回顾。
据报道，莱布尼兹死后，牛顿扬言他为伤透了莱布尼兹的心而洋洋得意。
    在这两次争吵期间，牛顿已经离开剑桥和学术。在剑桥他曾积极从事反天主教运动，
后来在议会中也很活跃，最终作为酬报，他得到皇家造币厂厂长的肥缺。在这里，他以
社会上更能接受的方式，施展他那狡狯和刻薄的能耐，成功地导演了一场反对伪币的重
大战役，甚至将几个人送上了绞刑架。

零下68度

小辞典


绝对零度：所能达到的最低的温度，在这温度下物体不包含热能。
    加速度：物体速度改变的速率。
    人择原理：我们之所以看到宇宙是这个样子，只是因为如果它不是这样，我们就不
会在这里去观察它。
    反粒子：每个类型的物质粒子都有与其相对应的反粒子。当一个粒子和它的反粒子
碰撞时，它们就湮灭，只留下能量。
    原子：通常物质的基本单元，是由很小的核于（包括质子和中子）以及围着它转动
的电子所构成。
    大爆炸：宇宙开端的奇点。
    大挤压：宇宙终结的奇点。
    黑洞：空间—时间的一个区域，因为那儿的引力是如此之强，以至于任何东西，甚
至光都不能从该处逃逸出来。
    强德拉塞卡极限：一个稳定的冷星的最大的可能的质量的临界值，若比这质量更大
的恒星，则会坍缩成一个黑洞。
    能量守恒：关于能量（或它的等效质量）既不能产生也不能消灭的科学定律。
    坐标：指定点在空间—时间中的位置的一组数。
    宇宙常数：爱因斯坦所用的一个数学方法，该方法使空间—时间有一固有的膨胀倾
向。
    宇宙学：对整个宇宙的研究。
    电荷：粒子的一个性质，由于这性质粒子排斥（或吸引）其他与之带相同（或相反）
符号电荷的粒子。
    电磁力：带电荷的粒子之间的相互作用力，它是四种基本力中第二强的力。
    电子：带有负电荷并绕着一个原子核转动的粒子。
    弱电统一能量：大约为100吉电子伏的能量，在比这能量更大时，电磁力和弱力之间
的差别消失。
    基本粒子：被认为不可能再分的粒子。
    事件：由它的时间和空间所指定的空间—时间中的一点。
    事件视界：黑洞的边界。
    不相容原理：两个相同的自旋为1／2的粒子（在测不准原理设定的极限之内）不能
同时具有相同的位置和速度。
    场：某种充满空间和时间的东西，与它相反的是在一个时刻，只存在于空间—时间
中的一点的粒子。
    频率：对一个波而言，在1秒钟内完整循环的次数。
    伽玛射线：波长非常短的电磁波，是由放射性衰变或由基本粒子碰撞产生的。
    广义相对论：爱因斯坦的基于科学定律对所有的观察者（而不管他们如何运动的）
必须是相同的观念的理论。它将引力按照四维空间—时间的曲率来解释。
    测地线：两点之间最短（或最长）的道路。
    大统一能量：人们相信，在比这能量更大时，电磁力、弱力和强力之间的差别消失。
    大统一理论（GUT）：一种统一电磁、强和弱力的理论。
    虚时间：用虚数测量的时间。
    光锥：空间—时间中的面，在上面标出光通过一给定事件的可能方向。
    光秒（光年）：光在1秒（1年）时间里走过的距离。
    磁场：引起磁力的场，和电场合并成电磁场。
    质量：物体中物质的量；它的惯性，或对加速的抵抗。
    微波背景辐射：起源于早期宇宙的灼热的辐射，现在它受到如此大的红移，以至于
不以光而以微波（波长为几厘米的无线电波）的形式呈现出来。
    裸奇点：不被黑洞围绕的空间—时间奇点。
    中微子：只受弱力和引力作用的极轻的（可能是无质量的）基本物质粒子。
    中子：一种不带电的、和质子非常类似的粒子，在大多数原子核中大约一半的粒子
是中子。
    中子星：一种由中子之间的不相容原理排斥力所支持的冷的恒星。
    无边界条件：宇宙是有限的但无界的（在虚时间里）思想。
    核聚变：两个核碰撞并合并成一个更重的核的过程。
    核：原子的中心部份，只包括由强作用力将其束缚在一起的质子和中子。
    粒子加速器：一种利用电磁铁能将运动的带电粒子加速，并给它们更多能量的机器。
    相位：一个波在特定的时刻的在它循环中的位置——一种它是否在波峰、波谷或它
们之间的某点的标度。
    光子：光的一个量子。
    普郎克量子原理：光（或任何其他经典的波）只能被发射或吸收其能量与它们频率
成比例的分立的量子的思想。
    正电子：电子的反粒子（带正电荷）。
    太初黑洞：在极早期宇宙中产生的黑洞。
    比例：“X比例于Y”表示当Y被乘以任何数时，X也如此；“X反比例于Y”，表示，
当Y被乘以任何数时，X被同一个数除。
    质子：构成大多数原子中的核中大约一半数量的、带正电的粒子。
    量子：波可被发射或吸收的不可分的单位。
    量子力学：从普郎克量子原理和海森堡不确定性原理发展而来的理论。
    夸克：感受强作用力的带电的基本粒子。每一个质子和中子都是由三个夸克组成。
    雷达：利用脉冲无线电波的单独脉冲到达目标并折回的时间间隔来测量对象位置的
系统。
    放射性：一种类型的原子核自动分裂成其他的核。
    红移：由于多普勒效应，从离开我们而去的恒星发出的光线的红化。
    奇点：空间—时间中空间—时间曲率变成无穷大的点。
    奇点定理：这定理是说，在一定情形下奇点必须存在——特别是宇宙必须开始于一
个奇点。
    空间—时间：四维的空间，上面的点即为事件。
    空间的维：空间—时间的类空的、也就是除了时间的维之外的三维的任一维。
    狭义相对论：爱因斯坦的基于科学定律对所有进行自由运动的观察者（不论他们的
运动速度）必须相同的观念。
    谱：诸如电磁波对它的分量频率的分解。
    自旋：相关于但不等同于日常的自转概念的基本粒子的内部性质。
    稳态：不随时间变化的态：一个以固定速率自转的球是稳定的，因为即便它不是静
止的，在任何时刻它看起来都是等同的。
    强力：四种基本力中最强的、作用距离最短的一种力。它在质子和中子中将夸克束
缚在一起，并将质子和中子束缚在一起形成原子。
    不确定性原理：人们永远不能同时准确知道粒子的位置和速度；对其中一个知道得
越精确，则对另一个就知道得越不准确。
    虚粒子：在量子力学中，一种永远不能直接检测到的，但其存在确实具有可测量效
应的粒子。
    波／粒二象性：量子力学中的概念，是说在波动和粒子之间没有区别；粒子有时可
以像波动一样行为，而波动有时可以像粒子一样行为。
    波长：对于一个波，在两相邻波谷或波峰之间的距离。
    弱力：四种基本力中第二弱的、作用距离非常短的一种力。它作用于所有物质粒子，
而不作用于携带力的粒子。
    重量：引力场作用到物体上的力。它和质量成比例，但又不同于质量。
    白矮星：一种由电子之间不相容原理排斥力所支持的稳定的冷的恒星。