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时间简史——从大爆炸到黑洞

作者:史蒂芬·霍金
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译者序
感谢
导言
第一章我们的宇宙图象
第二章空间和时间
第三章膨胀的宇宙
第四章不确定性原理
第五章基本粒子和自然的力
第六章黑洞
第七章黑洞不是这么黑的
第八章宇宙的起源和命运
第九章时间箭头
第十章物理学的统一
第十一章结论
阿尔贝特·爱因斯坦
伽利雷·伽利略
伊萨克·牛顿
小辞典

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译者序
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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。
将哈勃的发现当成现代宇宙论的诞生是公平的。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。
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——