華慶富

英國偉大的物理學(xué)家史蒂芬·威廉·霍金繼創(chuàng)立了黑洞理論和“大爆炸”理論后，又經(jīng)過一番潛心研究與探索，撰寫了科學(xué)經(jīng)典著作《時間簡史》。這是一本有關(guān)宇宙學(xué)的著作，是一部將高深的理論物理通俗化的科普范本。

《時間簡史》主要講述的是探索時間和空間核心秘密的故事，是關(guān)于宇宙本性的最前沿知識，內(nèi)容包括我們的宇宙圖像、空間和時間、膨脹的宇宙不確定性原理、基本粒子和自然的力、黑洞、黑洞不是這么黑、時間箭頭等理論或者理論預(yù)言，其中不少在當(dāng)時看起來高深莫測近乎神話的理論預(yù)言，后來都在對微觀或宏觀宇宙世界觀測中得到證實。當(dāng)然，依然還有很多預(yù)測沒有得到驗證。作為中學(xué)生的讀者朋友們，有必要對這本科學(xué)著作做一些粗淺的了解。

霍金教授堅持他的宇宙大爆炸觀點。他認為我們現(xiàn)在生活的宇宙有自己的歷史起點。它大約誕生于150億年前，那時，宇宙只是一個點，它的密度無限大，不占有空間，也沒有時間的概念。突然它就爆發(fā)了，四散開來，時間和空間從此誕生。爆炸產(chǎn)生的溫度極高，從此宇宙就一直持續(xù)膨脹，直到現(xiàn)在。在膨脹的過程中，隨著時間的推移，空間越來越大，溫度越來越低，宇宙中的能量與物質(zhì)不斷發(fā)生復(fù)雜的反應(yīng)，有些氣體、灰塵漸漸冷卻聚集在一起，形成各種各樣的天體，空間繼續(xù)擴大，宇宙的樣貌漸漸清晰起來。大約在距今50億年前，太陽形成。大約在距今46億年前，地球形成。因為有了地球，才有了人類，有了創(chuàng)造新世界的我們！

按照霍金教授的理論，宇宙在持續(xù)地膨脹，也許在膨脹到一定程度后，宇宙開始收縮，可能會收縮成一個點，一個不占有空間的點。到那時，時間結(jié)束。到底會不會這樣，現(xiàn)在還說不定。

不過讓人疑惑的是，在大爆炸“之前”，宇宙原來是一個體積無限小的點，這個點里面有沒有時間跨度？或許用“之前”有些不合適，畢竟在開始之前能有什么呢？！可是開始又是從哪兒來的呢？這仿佛陷入了一個死循環(huán)，無論你說什么是源頭，你都可以懷疑這個源頭的來源，結(jié)束這種無休止的懷疑的最好方法就是相信沒有“在那之前”。

我們不禁要問，宇宙現(xiàn)在在膨脹，那么將來它會收縮嗎？如果它收縮，時間的方向就會和現(xiàn)在相反，那就會出現(xiàn)破碎的花瓶的碎片從地上跳到桌子上又結(jié)合成花瓶的現(xiàn)象?；艚鸾淌谡J為這不可能，他認為，因為宇宙即使收縮時，時間的方向也會和膨脹時即現(xiàn)在發(fā)生的時間同向?；艚鸾淌谡J為宇宙無邊界條件也意味著，事實上宇宙即使在收縮時其無序度也是繼續(xù)增加的，我們之所以從未看到打碎的杯子集合起來，離開地面并跳回到桌子上，因為這違背了熱力學(xué)第二定律的表述，即在任何閉合系統(tǒng)中無序度或熵總是隨時間而增加。換而言之，它是墨菲定律的一種形式：事情總是趨向于越變越糟：桌面上一個完整的杯子是一個高度有序的狀態(tài)，而地面上破碎的杯子是一個無序的狀態(tài)。人們很容易從早先桌子上的杯子變成后來地面上的碎杯子，而不是相反。時間倒流并不適合智慧生命的生存，除非在宇宙由膨脹轉(zhuǎn)為收縮的臨界時刻，所有的生物都獲得永恒的生命，直到收縮為最初的一點?；蛟S由膨脹轉(zhuǎn)為收縮，繼而收縮到一點的時間只是一秒。當(dāng)然，是在數(shù)百億年也不一定。收縮時的空間和現(xiàn)在肯定完全不一樣，生命或許將飛越到?jīng)]有時間觀念。然而生命的永恒是以時間消失為前提的，這究竟有沒有可能呢？離開了時間與空間的生命又有沒有實際意義呢？

空間和時間是一個整體，有空間的地方就有時間，有時間的地方就有空間。因為宇宙在膨脹，也就是說空間在膨脹，所以時間就在延續(xù)，宇宙一旦停止膨脹，時間也就停止，那就是世界末日。時間和空間是一個整體，意味著它們不可能單獨存在。而空間和時間是連續(xù)的，因為空間膨脹有速度，所以時間也必然有速度，即空間膨脹的速度等于時間的速度。

如果我們可以進行時間旅行，我們可以回到過去的時間嗎？在《時間簡史》里，霍金試圖用時間箭頭將過去和未來區(qū)別開來，使時間有了方向。霍金的眼里至少有三種時間箭頭：第一個，是熱力學(xué)時間箭頭，即在這個時間方向上無序度或熵增加；然后是心理學(xué)時間箭頭，這就是我們感覺時間流逝的方向，在這個方向上我們可以記憶過去而不是未來；最后，是宇宙學(xué)時間箭頭，在這個方向上宇宙在膨脹，而不是在收縮。既然時間有方向，必然會出現(xiàn)前后和里外之分，也必然有起點和現(xiàn)在的位點，那么宇宙就有了一個邊界，宇宙就是有限的。不過，因為宇宙的膨脹是持續(xù)的，它一直在向外延伸，因此從這個意義上來說宇宙又是沒有邊界的。也就是說，從某一時間點來看，宇宙是有邊界的，但是從一段時間來看，宇宙又是沒有邊界的，而時間不會停留于某一時刻，所以歸根結(jié)底宇宙是沒有邊界的，只要它的膨脹不停止。在《時間簡史》里霍金試圖把宇宙描述成一個有限但無邊界的空間，沒有開始也沒有結(jié)束，這里的有限是指瞬間的有限、某一時刻的有限，這里的無邊界是指宇宙的不斷膨脹。

既然時間是延續(xù)的，可為什么我們總是記住過去而不是未來，為什么時間總是向前進而不會后退？因為時間是有方向的，這個方向就是宇宙膨脹的方向。只有當(dāng)我們低于時間的速度時，我們才相對于時間向后運動，我們才能回到過去。而一切在宇宙產(chǎn)生之時就和時間具有了同樣的速度，即宇宙膨脹的速度。就是說，所有的物體在相對于宇宙的時候都和時間同速，宇宙里的一切都在隨時間向前運動。如果我們超過時間的速度走到時間之前，那里還沒有空間、沒有時間、沒有一切，那里還是混沌狀態(tài)，在那里不會看到任何東西，我們也不能在那里存在，所以去未來旅行根本不可能。

黑洞是恒星老化后坍縮形成的。恒星靠內(nèi)部氫原子的聚變產(chǎn)生能量，釋放光和熱，太陽就是這樣。在內(nèi)部原料用完后，就會發(fā)生坍縮，即向一點收縮。當(dāng)這一點非常非常小時，它的密度就會趨向于無窮大，同時它的引力也會變成無限大。由于引力很大，沒有什么東西能夠從它那兒逃逸出來，這里面也包括光。而人之所以能看到東西，就是因為有來自那個東西的光進入人眼?，F(xiàn)在那兒不會有光發(fā)射出來，所以人類是不可能真正地看到黑洞的，但可以根據(jù)可見星體的運動規(guī)律來推測?；艚鸾淌谡J為，黑洞是時間的終點，類似于宇宙大爆炸時的那個點。

大家知道，在一個蘋果的表面上從一個點到另一個點需要走一條弧線，但如果有一條蛀蟲在這兩個點之間蛀出了一個蟲洞，通過蟲洞就可以在這兩個點之間走直線，這顯然要比原先的弧線來得近。愛因斯坦在廣義相對論中有一個革命的設(shè)想：引力不同于其他力，它不是力，只不過是時空并不平坦這一事實的結(jié)果。在四維中，時空本應(yīng)是一個平面，但對應(yīng)時空中的質(zhì)量和重量分布不同，造成了時空的塌陷，就像一塊被拉平了的有彈力的布，太陽是一塊放在布上的小石頭，小石頭讓周圍的布形成一個近乎漏洞狀的塌陷?；艚鹫J為：現(xiàn)在時間和空間是彎曲的，當(dāng)一個物體運動時，或者一個力作用時，它影響空間和時間的曲率，而時空結(jié)構(gòu)反過來也影響物體運動和力作用的方式，時間和空間不僅影響宇宙中發(fā)生的一切，而且也受發(fā)生在宇宙中的每一件事所影響。

既然時空是彎曲的，那么從一點到另一點既可以從曲面沿曲線走過去，也可以從曲面里面，從連接兩點的弦沿直線走過去，這兩種走法的距離是不一樣的，所需時間也是不一樣的。因此，宇宙時空中只要存在合適的蟲洞，無論多么遙遠的地方都有可能變得近在咫尺，星際旅行家們將不再受制于空間距離的遙遠。在一些科幻故事中，技術(shù)水平高度發(fā)達的文明世界利用蟲洞進行星際旅行，就像今天的我們利用高速公路在城鎮(zhèn)間旅行一樣。在著名的美國科幻電影及電視連續(xù)劇《星際之門》（港臺譯《星際奇兵》）中，人類利用外星文明留在地球上的一臺被稱為“星際之門”的設(shè)備，可以與其他許多遙遠星球上的“星際之門”建立蟲洞連接，從而能夠幾乎瞬時地把人和物送到那些遙遠的星球上。蟲洞成了科幻故事中星際旅行家的“天堂之路”。

（編輯 孫世奇）