（可能是）有史以來(lái)最好的科學(xué)書籍——時(shí)間簡(jiǎn)史，從大爆炸到黑洞
《時(shí)間簡(jiǎn)史：從大爆炸到黑洞》是英國(guó)物理學(xué)家史蒂芬·霍金寫的一本關(guān)于理論宇宙學(xué)的書，它首次出版于1988年。在《簡(jiǎn)史》一書中，霍金用非技術(shù)術(shù)語(yǔ)闡述了宇宙的結(jié)構(gòu)、起源、發(fā)展和最終命運(yùn)，這也是天文學(xué)和現(xiàn)代物理學(xué)的研究對(duì)象。他談到了空間和時(shí)間等基本概念，構(gòu)成宇宙的基本構(gòu)件（如夸克）以及支配宇宙的基本力（如重力）。他寫的是宇宙現(xiàn)象，比如大爆炸和黑洞。他討論了兩個(gè)主要的理論，廣義相對(duì)論和量子力學(xué)。最后，他談到了尋找一種統(tǒng)一的理論，以連貫的方式描述宇宙中的一切。在第一章中，霍金討論了天文學(xué)研究的歷史，包括亞里士多德和托勒密的思想。亞里士多德不像他那個(gè)時(shí)代的許多人，他認(rèn)為地球是圓的。他是通過(guò)觀察月食得出這一結(jié)論的，他認(rèn)為月食是由地球的圓形陰影造成的。亞里斯多德還認(rèn)為，由于“神秘的原因”，太陽(yáng)和星星圍繞著地球以完美的軌道運(yùn)行。二世紀(jì)的希臘天文學(xué)家托勒密也思考了太陽(yáng)和恒星在宇宙中的位置，并建立了一個(gè)行星模型，更詳細(xì)地描述了亞里士多德的思想。今天，人們知道事實(shí)正好相反：地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)。亞里士多德和托勒密關(guān)于恒星和太陽(yáng)位置的觀點(diǎn)被16、17和18世紀(jì)的一系列發(fā)現(xiàn)所推翻。第一個(gè)提出地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)的詳細(xì)論點(diǎn)的人是波蘭牧師尼古拉斯·哥白尼（1514年）。近一個(gè)世紀(jì)后，意大利科學(xué)家伽利略和德國(guó)科學(xué)家約翰內(nèi)斯·開普勒研究了一些行星的衛(wèi)星是如何運(yùn)動(dòng)的，并利用他們的觀察證實(shí)了哥白尼的想法。為了符合觀測(cè)結(jié)果，開普勒提出了橢圓軌道模型，而不是圓形軌道模型。在1687年出版的有關(guān)重力的著作《數(shù)學(xué)原理》中，艾薩克·牛頓用復(fù)雜數(shù)學(xué)進(jìn)一步支持了哥白尼的觀點(diǎn)。像亞里士多德這樣的早期哲學(xué)家認(rèn)為宇宙是永遠(yuǎn)存在的，而圣奧古斯丁這樣的神學(xué)家則認(rèn)為宇宙是在特定的時(shí)間被創(chuàng)造出來(lái)的。圣奧古斯丁還認(rèn)為，時(shí)間是一個(gè)隨著宇宙的創(chuàng)造而產(chǎn)生的概念。1000多年后，德國(guó)哲學(xué)家伊曼努爾·康德認(rèn)為時(shí)間沒(méi)有起點(diǎn)。1929年，天文學(xué)家埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系都在彼此遠(yuǎn)離，這只有在宇宙本身體積增大的情況下才能解釋。因此，在100億到200億年前，有一段時(shí)間，它們?nèi)季奂谝粋€(gè)極其稠密的地方。這一發(fā)現(xiàn)使宇宙起源的概念進(jìn)入了科學(xué)領(lǐng)域。今天，科學(xué)家們使用兩種理論，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，它們部分地描述了宇宙的運(yùn)行?？茖W(xué)家們?nèi)栽趯ふ乙粋€(gè)完整的大統(tǒng)一理論來(lái)描述宇宙中的一切。斯蒂芬·霍金描述了亞里士多德的絕對(duì)空間理論是如何隨著牛頓力學(xué)的引入而走向終結(jié)的。在這個(gè)描述中，一個(gè)物體是“靜止”還是“運(yùn)動(dòng)”取決于觀察者的慣性參照系；在同一方向以相同速度移動(dòng)的觀察者看來(lái)，一個(gè)物體可能是“靜止的”，在不同方向和/或不同速度移動(dòng)的觀察者看來(lái)，一個(gè)物體可能是“運(yùn)動(dòng)的”。沒(méi)有絕對(duì)的“靜止”狀態(tài)。此外，伽利略還駁斥了亞里士多德的理論，即較重的物體比較輕的物體下落更快。他通過(guò)觀察不同重量物體的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，并得出結(jié)論，所有物體都會(huì)以相同的速度下落，除非有外力作用于它們。亞里士多德和牛頓都相信絕對(duì)時(shí)間。他們認(rèn)為，如果用兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同的精確時(shí)鐘來(lái)測(cè)量一個(gè)事件，它們測(cè)量的結(jié)果應(yīng)該一致（現(xiàn)在看來(lái)，這是不正確的）。光以有限的速度傳播的事實(shí)是由丹麥科學(xué)家?jiàn)W勒·羅默通過(guò)對(duì)木星及其衛(wèi)星木衛(wèi)一的觀察首先解釋的。他觀察到木衛(wèi)一在圍繞木星旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)在不同的時(shí)間，因?yàn)榈厍蚝湍拘侵g的距離隨著時(shí)間的變化而變化。光的實(shí)際傳播是由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋描述的，他的結(jié)論是光以固定速度的波傳播。麥克斯韋和許多其他物理學(xué)家認(rèn)為，光必須通過(guò)一種名為以太的假設(shè)介質(zhì)，這被邁克爾遜-莫雷的實(shí)驗(yàn)推翻了。愛(ài)因斯坦和亨利·龐加萊后來(lái)認(rèn)為，假設(shè)沒(méi)有絕對(duì)時(shí)間，沒(méi)有必要用以太來(lái)解釋光的運(yùn)動(dòng)。狹義相對(duì)論就是以此為基礎(chǔ)的，它認(rèn)為無(wú)論觀察者的速度是多少，光的傳播速度都是有限的（一定的）。此外，光速是任何信息傳播的最快速度。質(zhì)量和能量是由著名的方程E =mc^ 2聯(lián)系起來(lái)的，它解釋了任何有質(zhì)量的物體以光速運(yùn)動(dòng)都需要無(wú)限的能量?！笆录币部梢杂霉忮F來(lái)描述，光錐是一種時(shí)空?qǐng)D形表示，它限制了哪些事件可以發(fā)生，哪些事件不能基于過(guò)去和未來(lái)的光錐。還描述了一個(gè)四維時(shí)空，其中“空間”和“時(shí)間”是內(nèi)在聯(lián)系的。物體在空間中的運(yùn)動(dòng)不可避免地會(huì)影響它體驗(yàn)時(shí)間的方式。愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論解釋了光線的路徑是如何受到“引力”的影響，根據(jù)愛(ài)因斯坦的說(shuō)法，這是一種錯(cuò)覺(jué)，引力由時(shí)空的扭曲造成的。在時(shí)空曲率中，光在四維“時(shí)空”中總是以直線路徑傳播，但在三維空間中可能由于引力效應(yīng)而彎曲。這些直線路徑就是測(cè)地線。狹義相對(duì)論是基于事件發(fā)生的空間和時(shí)間場(chǎng)，而廣義相對(duì)論是動(dòng)態(tài)的，力可以改變時(shí)空曲率，并導(dǎo)致宇宙的膨脹。霍金和羅杰·彭羅斯致力于此，后來(lái)用廣義相對(duì)論證明了如果宇宙有起點(diǎn)，那么它也一定有終點(diǎn)。在這一章中，霍金首先描述了物理學(xué)家和天文學(xué)家如何計(jì)算恒星與地球的相對(duì)距離。在18世紀(jì)，威廉·赫歇爾爵士確定了夜空中許多星星的位置和距離。1924年，埃德溫·哈勃發(fā)現(xiàn)了一種方法，利用造父變星從地球上觀察的亮度來(lái)測(cè)量距離。這些恒星的光度、亮度和距離通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式聯(lián)系起來(lái)。利用這些數(shù)據(jù)，他計(jì)算了9個(gè)不同星系的距離。我們生活在一個(gè)相當(dāng)?shù)湫偷穆菪窍抵?，其中包含大量的恒星?/span>這些恒星離我們非常遙遠(yuǎn)，所以我們只能觀察它們的一個(gè)特征，它們的光。當(dāng)這種光通過(guò)棱鏡時(shí)，就產(chǎn)生了光譜。每顆恒星都有自己的光譜，因?yàn)槊恳环N元素都有自己獨(dú)特的光譜，我們可以通過(guò)測(cè)量恒星的光譜來(lái)了解它的化學(xué)成分。我們利用恒星的熱光譜來(lái)知道它們的溫度。1920年，當(dāng)科學(xué)家們檢查不同星系的光譜時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)恒星光譜的一些特征線向光譜的紅端移動(dòng)。這一現(xiàn)象的含義是由多普勒效應(yīng)給出的，很明顯，許多星系正在遠(yuǎn)離我們。假設(shè)，由于一些星系是紅移的，一些星系也會(huì)是藍(lán)移的。然而，紅移星系的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)藍(lán)移星系。哈勃發(fā)現(xiàn)紅移的量與相對(duì)距離成正比。由此，他斷定宇宙正在膨脹，已經(jīng)有了一個(gè)開端。盡管如此，靜態(tài)宇宙的概念一直持續(xù)到20世紀(jì)。愛(ài)因斯坦如此確信宇宙是靜態(tài)的，以至于他提出了“宇宙常數(shù)”，并引入了“反重力”力，從而允許一個(gè)無(wú)限年齡的宇宙存在。此外，許多天文學(xué)家還試圖避免廣義相對(duì)論的影響，堅(jiān)持他們的靜態(tài)宇宙，只有一個(gè)特別引人注目的例外，俄羅斯物理學(xué)家亞歷山大·弗里德曼。弗里德曼做了兩個(gè)非常簡(jiǎn)單的假設(shè)：無(wú)論我們?cè)谀睦铮钪娑际窍嗤?，即同質(zhì)性；在我們觀察的每個(gè)方向上，宇宙都是相同的，即各向同性。他的結(jié)果表明宇宙是非靜態(tài)的。后來(lái)，貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位物理學(xué)家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜證實(shí)了他的假設(shè)。他們發(fā)現(xiàn)，出乎意料的是，微波輻射不僅來(lái)自天空的某個(gè)特定部分，而且來(lái)自世界各地，而且輻射量幾乎相同。因此，弗里德曼的第一個(gè)假設(shè)被證明是正確的。大約在同一時(shí)間，羅伯特·H·迪克和吉姆·皮布爾斯也在研究微波輻射。他們認(rèn)為他們應(yīng)該能夠看到早期宇宙的背景微波輻射。威爾遜和彭齊亞斯已經(jīng)做到了這一點(diǎn)，所以他們?cè)?978年獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。此外，我們?cè)谟钪嬷械奈恢貌⒉惶厥猓晕覀儚目臻g的任何其他部分看到的宇宙應(yīng)該是近似相同的，這支持了弗里德曼的第二個(gè)假設(shè)。直到霍華德·羅伯遜和亞瑟·沃克制作了類似的模型，他的工作才在很大程度上為人所知。弗里德曼的模型產(chǎn)生了三種不同類型的宇宙演化模型。首先，宇宙會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)膨脹，如果膨脹率小于宇宙的密度（導(dǎo)致引力），最終會(huì)導(dǎo)致宇宙在后期的坍縮。其次，宇宙會(huì)膨脹，在某個(gè)時(shí)候，如果宇宙的膨脹速度和密度相等，它會(huì)慢慢膨脹并停止，導(dǎo)致一個(gè)有點(diǎn)靜止的宇宙。第三，如果宇宙的密度低于平衡宇宙膨脹速率所需的臨界量，那么宇宙將永遠(yuǎn)繼續(xù)膨脹。第一個(gè)模型描繪了宇宙空間向內(nèi)彎曲。在第二個(gè)模型中，空間將導(dǎo)致一個(gè)扁平的結(jié)構(gòu)，而第三個(gè)模型將導(dǎo)致負(fù)的“鞍形”曲率。即使我們計(jì)算，目前的膨脹率也超過(guò)了宇宙的臨界密度，包括暗物質(zhì)和所有恒星質(zhì)量。第一個(gè)模型包括了宇宙的起源，即宇宙大爆炸，從一個(gè)密度無(wú)窮大、體積為零的空間開始，也就是所謂的“奇點(diǎn)”，廣義相對(duì)論（弗里德曼的解基于此）也在這個(gè)點(diǎn)上崩塌。羅杰·彭羅斯利用光錐和廣義相對(duì)論證明，一顆坍縮的恒星可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大小為零、密度和曲率無(wú)窮大的區(qū)域，稱為黑洞?；艚鸷团砹_斯共同證明了宇宙應(yīng)該是由一個(gè)奇點(diǎn)產(chǎn)生的，而一旦考慮到量子效應(yīng)，霍金本人就反駁了這個(gè)觀點(diǎn)。測(cè)不準(zhǔn)原理說(shuō)，粒子的速度和位置不能精確地知道。為了找到粒子的位置，科學(xué)家們用光線照射粒子。如果使用高頻光，光可以更準(zhǔn)確地找到位置，但粒子的速度將不那么確定（因?yàn)楣鈺?huì)改變粒子的速度）。如果使用較低的頻率，光可以更準(zhǔn)確地找到速度，但粒子的位置將不那么確定。測(cè)不準(zhǔn)原理推翻了確定性理論的觀點(diǎn)，或者某種可以預(yù)測(cè)未來(lái)一切的理論。本章還討論了光的波粒二象性行為。光（以及所有其他粒子）既表現(xiàn)出粒子的特性，又表現(xiàn)出波的特性。夸克是基本粒子，構(gòu)成了宇宙中的大部分物質(zhì)?？淇擞辛N不同的 "味道"：上、下、奇異、魅力、底和頂?？淇艘灿腥N "顏色"：紅、綠、藍(lán)。還有反夸克，它們?cè)谀承傩陨吓c夸克不同。所有粒子（例如夸克）都有一個(gè)叫做自旋的屬性。粒子的自旋向我們展示了一個(gè)粒子從不同方向看是什么樣子。例如，一個(gè)自旋為0的粒子從任何方向看都是一樣的。一個(gè)自旋為1的粒子在每個(gè)方向上看起來(lái)都不一樣，除非該粒子被完全旋轉(zhuǎn)（360度）?；艚痍P(guān)于自旋1的粒子的例子是一個(gè)箭頭。自旋2的粒子需要旋轉(zhuǎn)一半（或180度）才能看起來(lái)一樣。書中給出的例子是一個(gè)雙頭箭。宇宙中有兩組粒子：自旋為1/2的粒子（費(fèi)米子），以及自旋為0、1或2的粒子（玻色子）。只有費(fèi)米子遵循泡利不相容原理。泡利不相容原理指出，費(fèi)米子不能共享相同的量子狀態(tài)（例如，兩個(gè) "自旋向上 "的質(zhì)子不能在空間中占據(jù)同一位置）。如果費(fèi)米子不遵循這一規(guī)則，那么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)就不可能存在。玻色子，自旋為0、1或2，不遵循排他性原則。這些粒子的一些例子是虛引力子和虛光子。虛引力子的自旋為2，并攜帶引力。這意味著，當(dāng)引力影響兩個(gè)事物時(shí)，虛引力子在它們之間進(jìn)行交換。虛光子的自旋為1，攜帶電磁力，它將原子固定在一起。除了引力和電磁力，還有弱核力和強(qiáng)核力。弱核力是導(dǎo)致放射性的原因。弱核力主要影響費(fèi)米子。強(qiáng)核力將夸克結(jié)合成強(qiáng)子，通常是中子和質(zhì)子，也將中子和質(zhì)子結(jié)合成原子核。攜帶強(qiáng)核力的粒子是膠子。由于一種被稱為顏色禁錮的現(xiàn)象，夸克和膠子從未被單獨(dú)發(fā)現(xiàn)（除非在極高溫度下），它們總是被 "禁錮 "在強(qiáng)子中。在極高的溫度下，電磁力和弱核力表現(xiàn)為單一的弱電力。預(yù)計(jì)在更高的溫度下，電弱力和強(qiáng)核力也會(huì)表現(xiàn)為單一的力。試圖描述這種 "組合 "力行為的理論被稱為大統(tǒng)一理論，它可能幫助我們解釋許多科學(xué)家尚未解決的物理學(xué)之謎。黑洞是時(shí)空的區(qū)域，其中的引力非常強(qiáng)大，以至于沒(méi)有東西能從其中逃脫。大多數(shù)黑洞是在非常大質(zhì)量的恒星在其生命末期坍縮時(shí)形成的。一顆恒星必須至少比太陽(yáng)重25倍才能坍縮成黑洞。黑洞周圍的邊界被稱為事件視界，沒(méi)有任何粒子可以從這里逃到時(shí)空的其他部分。不旋轉(zhuǎn)的黑洞具有球面對(duì)稱性。其他具有旋轉(zhuǎn)角動(dòng)量的黑洞只有軸對(duì)稱性。天文學(xué)家很難找到黑洞，因?yàn)樗鼈儾划a(chǎn)生任何光線。當(dāng)黑洞吞噬一顆恒星時(shí)，就可以發(fā)現(xiàn)它。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，墜落的物質(zhì)會(huì)放出強(qiáng)大的X射線，這可以被望遠(yuǎn)鏡看到。在這一章中，霍金談到了他與另一位科學(xué)家基普-索恩在1974年打的著名賭?；艚鹫J(rèn)為黑洞不存在，而索恩則認(rèn)為它們存在?；艚疠?shù)袅诉@場(chǎng)賭局，因?yàn)樾碌淖C據(jù)證明天鵝座X-1確實(shí)是一個(gè)黑洞。本章討論了霍金發(fā)現(xiàn)的黑洞行為的一個(gè)方面。根據(jù)較早的理論，黑洞只能變大，而不能變小，因?yàn)檫M(jìn)入黑洞的東西不能出來(lái)。然而，在1974年，霍金發(fā)表了一個(gè)新理論，認(rèn)為黑洞可以 "泄漏 "輻射。他想象了如果一對(duì)虛粒子出現(xiàn)在黑洞的邊緣會(huì)發(fā)生什么。虛粒子從時(shí)空本身短暫地 "借用 "能量，然后相互湮滅，歸還借用的能量并停止存在。然而，在黑洞的邊緣，一個(gè)虛粒子可能被黑洞困住，而另一個(gè)則逃脫。由于熱力學(xué)第二定律的存在，粒子被 "禁止 "從真空中獲取能量。因此，粒子從黑洞而不是真空中獲取能量，并以霍金輻射的形式逃離黑洞。根據(jù)霍金的理論，由于這種輻射，黑洞必須非常緩慢地隨著時(shí)間的推移而縮小，而不是像科學(xué)家以前所認(rèn)為的那樣繼續(xù)永存。盡管他的理論起初被人以極大的懷疑態(tài)度看待，但它很快就被認(rèn)為是一項(xiàng)科學(xué)突破，為霍金在科學(xué)界贏得了重要的認(rèn)可。大多數(shù)科學(xué)家一致認(rèn)為，宇宙開始于一種叫做“大爆炸”的膨脹。在大爆炸開始時(shí)，宇宙有一個(gè)極高的溫度，這阻止了像恒星這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，甚至是像原子這樣非常簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)的形成。在大爆炸期間，發(fā)生了一種被稱為“膨脹”的現(xiàn)象，在這種現(xiàn)象中，宇宙短暫地膨脹(“膨脹”)到一個(gè)更大的尺寸。暴脹解釋了宇宙的一些特征，這些特征以前曾使研究人員大為困惑。暴漲之后，宇宙繼續(xù)以較慢的速度膨脹。溫度變得更低，最終形成了這樣的結(jié)構(gòu)。霍金還討論了如果宇宙的大小比實(shí)際增長(zhǎng)的慢或快，它可能會(huì)出現(xiàn)什么不同。例如，如果宇宙膨脹得太慢，它就會(huì)坍塌，就沒(méi)有足夠的時(shí)間形成生命。如果宇宙膨脹得太快，它會(huì)變得幾乎是空的?；艚鹬С钟袪?zhēng)議的“永恒膨脹假說(shuō)”，他認(rèn)為我們的宇宙只是無(wú)數(shù)具有不同物理定律的宇宙中的一個(gè)，其中大多數(shù)都不適合生命生存。在這一章中，霍金討論了為什么“實(shí)時(shí)”（霍金稱時(shí)間為人類觀察和體驗(yàn)的時(shí)間）似乎有一個(gè)特定的方向，尤其是從過(guò)去走向未來(lái)?；艚痣S后討論了三支“時(shí)間之箭”，在他看來(lái)，這三支箭賦予了時(shí)間這一屬性。霍金的第一支時(shí)間之箭是熱力學(xué)之箭。這是由熵（霍金稱之為無(wú)序）增加的方向決定的。根據(jù)霍金的說(shuō)法，這就是為什么我們從來(lái)沒(méi)有看到杯子的碎片聚在一起形成一個(gè)完整的杯子。第二個(gè)箭頭是心理上的時(shí)間之箭。我們對(duì)時(shí)間的主觀感覺(jué)似乎是單向的，這就是為什么我們只記得過(guò)去而不記得未來(lái)?；艚鹇暦Q，我們的大腦測(cè)量時(shí)間的方式是，無(wú)序程度隨著時(shí)間方向的增加而增加——我們從未觀察到它在相反的方向運(yùn)動(dòng)。換句話說(shuō)，霍金聲稱心理時(shí)間之箭與熱力學(xué)時(shí)間之箭是交織在一起的。霍金的第三支也是最后一支時(shí)間之箭是宇宙學(xué)的時(shí)間之箭。這是宇宙膨脹而不是收縮的時(shí)間方向。請(qǐng)注意，在宇宙收縮階段，熱力學(xué)和宇宙學(xué)的時(shí)間箭頭不會(huì)一致。霍金聲稱，宇宙的“無(wú)邊界假說(shuō)”意味著宇宙在再次收縮之前會(huì)膨脹一段時(shí)間。他繼續(xù)爭(zhēng)辯說(shuō)，無(wú)邊界的提議驅(qū)動(dòng)了熵，它預(yù)測(cè)了一個(gè)定義良好的熱力學(xué)時(shí)間箭頭的存在，當(dāng)且僅當(dāng)宇宙在膨脹，因?yàn)樗凳居钪姹囟ㄒ砸环N平滑有序的狀態(tài)開始，并且隨著時(shí)間的推移必然向無(wú)序發(fā)展。霍金認(rèn)為，由于無(wú)邊界理論，一個(gè)收縮的宇宙不會(huì)有一個(gè)定義明確的熱力學(xué)箭頭，因此只有一個(gè)處于膨脹階段的宇宙才能支持智慧生命。利用弱人擇原理，霍金繼續(xù)論證熱力學(xué)箭頭必須與宇宙學(xué)箭頭一致，才能使任何一個(gè)都能被智慧生命觀測(cè)到。在霍金看來(lái)，這就是為什么人類會(huì)經(jīng)歷三支時(shí)間之箭向同一個(gè)方向移動(dòng)。許多物理學(xué)家試圖設(shè)計(jì)出可能的方法，讓人類利用先進(jìn)的技術(shù)，能夠以比光速更快的速度旅行，或者回到過(guò)去，這些概念已經(jīng)成為科幻小說(shuō)的主要內(nèi)容。愛(ài)因斯坦-羅森橋早在廣義相對(duì)論研究歷史上就被提出。這些“蟲洞”從外面看起來(lái)和黑洞是一樣的，但是進(jìn)入蟲洞的物質(zhì)會(huì)被重新定位到時(shí)空中的不同位置，可能是在一個(gè)遙遠(yuǎn)的空間區(qū)域，甚至是時(shí)間倒退。然而，后來(lái)的研究表明，這樣一個(gè)蟲洞，即使它可能形成的第一個(gè)地方，不會(huì)允許任何物質(zhì)通過(guò)之前變成一個(gè)正常的黑洞。從理論上講，要想蟲洞保持開放狀態(tài)，從而允許超光速旅行或時(shí)間旅行，唯一的方法就是存在能量密度為負(fù)的外來(lái)物質(zhì)，而這違反了廣義相對(duì)論的能量條件。因此，幾乎所有的物理學(xué)家都同意，超光速旅行和時(shí)間倒退是不可能的。霍金還描述了他自己的“時(shí)序保護(hù)猜想”，它提供了一個(gè)更正式的解釋，解釋為什么超光速和回溯時(shí)間旅行幾乎肯定是不可能的。量子場(chǎng)論（QFT）和廣義相對(duì)論（GR）在各自的適用范圍內(nèi)以驚人的準(zhǔn)確性描述宇宙物理。然而，這兩種理論相互矛盾。例如，QFT的不確定性原理與GR不相容。這一矛盾，以及QFT和GR不能完全解釋觀測(cè)到的現(xiàn)象這一事實(shí)，促使物理學(xué)家尋找一種“量子引力”理論，既能內(nèi)部一致，又能像現(xiàn)有理論一樣或更好地解釋觀測(cè)到的現(xiàn)象。霍金謹(jǐn)慎樂(lè)觀地認(rèn)為，盡管面臨重大挑戰(zhàn)，這樣一個(gè)統(tǒng)一的宇宙理論可能很快就會(huì)被發(fā)現(xiàn)。在寫這本書的時(shí)候，“超弦理論”已經(jīng)成為最受歡迎的量子引力理論，但這個(gè)理論和相關(guān)的弦理論仍然是不完整的，盡管付出了巨大的努力，還沒(méi)有得到證明。弦理論提出粒子的行為像一維的“弦”，而不是像量子傅立葉變換中那樣是無(wú)量綱的粒子。這些弦在許多維度上“振動(dòng)”。超弦理論需要10個(gè)維度，而不是QFT中的3個(gè)維度或GR中的4個(gè)維度。超弦理論所要求的六個(gè)“超空間”維度的性質(zhì)即使不是不可能也很難研究。如果沒(méi)有一種方法來(lái)縮小可能性的范圍，很可能就不可能找到弦理論的實(shí)際應(yīng)用。霍金表示，人類一直想了解宇宙及其所在的位置。起初，事件被認(rèn)為是隨機(jī)的，由類似人類的情緒幽靈控制。但在天文學(xué)和其他一些領(lǐng)域，人們發(fā)現(xiàn)了宇宙運(yùn)行的規(guī)律。近幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著科學(xué)的進(jìn)步，人們對(duì)宇宙的內(nèi)部運(yùn)行已經(jīng)有了更深入的了解。拉普拉斯在19世紀(jì)初提出，宇宙的結(jié)構(gòu)和演化最終可以用一套定律來(lái)精確解釋，但這些定律的起源是由上帝來(lái)決定的。20世紀(jì)，量子理論引入了不確定性原理，它限制了未來(lái)定律的預(yù)測(cè)精度。從歷史上看，宇宙學(xué)的研究主要是出于對(duì)哲學(xué)和宗教見(jiàn)解的探索，例如，為了更好地理解上帝的本質(zhì)，甚至上帝是否存在。然而，今天研究這些理論的大多數(shù)科學(xué)家都是通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)觀察來(lái)接近它們，而不是提出這樣的哲學(xué)問(wèn)題。這些理論的技術(shù)性越來(lái)越強(qiáng)，使得現(xiàn)代宇宙學(xué)越來(lái)越脫離哲學(xué)討論?；艚鹣Ｍ幸惶烀總€(gè)人都能談?wù)撨@些理論，以了解宇宙的真正起源和本質(zhì)，實(shí)現(xiàn)“人類推理的最終勝利”。
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