宇宙简史 起源与归宿

引言

我想尝试通过这一系列讲座，来阐明我们所认识的宇宙史之基本轮廓，从大爆炸到黑洞。在讲中我将简要回顾过去年代中有关宇宙的若干观念，以及如何取得目前的宇宙图像。您也许可以把这称为宇宙史的历史。
在第二讲中我要说明的问题是，如何从牛顿和爱因斯坦的两种引力理论推断，宇宙不可能是静态的；它只能处于膨胀或收缩之中，两者必居其一。接下来的推论是，在100亿到200亿年之前的某个时间，宇宙的密度为无穷大。这一时刻称为大爆炸，宇宙应该由此诞生。
第三讲的内容与黑洞有关。当一颗大质量恒星，或者质量更大的天体，在自引力作用下发生坍缩，便可以形成黑洞。根据爱因斯坦的广义相对论，如果有人愚不可及，一步跌入黑洞，那就会一去不返，永远消失。他们绝不可能再度从黑洞中逃逸出来。相反，对这样的人来说经历会是非常痛苦的，等待着他们的是终到达一个奇点。但是，广义相对论是一种经典理论——这就是说，它没有考虑到量子力学的测不准原理。
在第四讲中我将要阐明量子力学如何允许能量从黑洞中逸出，黑洞并非人们所描绘的那样黑不可知。
第五讲的主题涉及把量子力学的一些观念用于大爆炸和宇宙起源。由此引出的重要概念是，时空可以在范围上是有限的，但没有边际，或者说它是无界的。这有点像地球的表面，不过还得增加两维。
第六讲中所要讨论的问题是，尽管物理学定律就时间上来说是对称的，但这种新的、有关宇宙边界的设想，也许可以用来解释过去和未来为什么会有霄壤之别。
后，第七讲中我要阐述的是，人们如何尽力寻求一种统一理论，以能囊括量子力学、引力以及物理学中的其他所有相互作用。一旦做到这一点，我们将会真正理解宇宙以及我们在宇宙中的地位。

《宇宙简史：起源与归宿》是斯蒂芬·霍金在英国剑轿大学所作的七场讲学，包含了他毕生钻研宇宙学的精华，精辟扼要。即使略具基本科学知识者，读了这七讲，对宇宙创世的奇妙壮丽，也能一窥梗概。在《宇宙简史：起源与归宿》中，霍会就宇宙以及我们在宇宙中的地位问题，向读者展现了一次引人入胜的探索式旅行。对任何曾仰望过夜空，并想知道那里曾经发生过什么，以及如何演变为如今状态的人来说，《宇宙简史》无疑值得一读。

斯蒂芬·霍金（1942—2018）作为剑桥大学卢卡斯数学教授，他担任的是牛顿的教席。他是世界上杰出的天才之一，被推崇为继爱因斯坦之后伟大的理论物理学家，宇宙模型因他的工作得以改观，宇宙万物的内容也因此而重新界定。著有《时间简史》、《果壳中的宇宙》等畅销全球的科普巨作。

赵君亮，中科院著名天文学家，上海天文台前台长。

引言
第1讲  有关宇宙的若干观念
第2讲  膨胀的宇宙
第3讲  黑洞
第4讲  黑洞并非黑不可知
第5讲  宇宙的起源与归宿
第6讲  时间的方向
第7讲  万物之理
名词对照表
英文原文

《宇宙简史：起源与归宿》是斯蒂芬·霍金在英国剑轿大学所作的七场讲学，包含了他毕生钻研宇宙学的精华，精辟扼要。即使略具基本科学知识者，读了这七讲，对宇宙创世的奇妙壮丽，也能一窥梗概。在《宇宙简史：起源与归宿》中，霍会就宇宙以及我们在宇宙中的地位问题，向读者展现了一次引人入胜的探索式旅行。对任何曾仰望过夜空，并想知道那里曾经发生过什么，以及如何演变为如今状态的人来说，《宇宙简史》无疑值得一读。

斯蒂芬·霍金（1942—2018）作为剑桥大学卢卡斯数学教授，他担任的是牛顿的教席。他是世界上杰出的天才之一，被推崇为继爱因斯坦之后伟大的理论物理学家，宇宙模型因他的工作得以改观，宇宙万物的内容也因此而重新界定。著有《时间简史》、《果壳中的宇宙》等畅销全球的科普巨作。

赵君亮，中科院著名天文学家，上海天文台前台长。

第1讲  有关宇宙的若干观念（选段）

早在公元前340年，亚里士多德在他的《天论》一书中，就已能提出两个令人信服的论据，从而证明地球是一个圆球，而不是一个扁平的盘。首先，他领悟到月食的成因是由于地球运行到了太阳和月球之间。地球投射在月球上的影子始终是圆形的，这一观测事实只有当地球为球形时才能出现。如果地球是一个扁平的圆盘，那么除非月食发生之际太阳总是正射到盘的中心，否则地球的影子必然会拉长而成为椭圆形。
第二，希腊人在他们的迁居过程中早就知晓，南方看到的北极星在天空中的位置，要比北部地区所看到的位置来得低。根据埃及和希腊两地所见北极星视位置的差异，亚里士多德甚至估计出了地球的周长为40万斯达地。斯达地的准确长度无人知晓，不过很可能约合200码。如是，亚里士多德的估值约为目前所采用值的两倍。
此外，希腊人还提出了地球必然为球形的第三个理由：为什么船舶出现在地平线上时，人们先看到的是船帆，然后才看到船身？亚里士多德认为地球是静止不动的，而太阳、月球、行星以及恒星都沿着圆形轨道绕地球运动。他深信，鉴于某些神秘莫测的理由，地球位于宇宙的中心，而圆运动是完美的。
公元2世纪，经托勒密的精心推敲，形成了一种完整的宇宙模型。地球位于中心，它的周围有八个天球，分别承载了月球、太阳、恒星以及当时所知道的五颗行星，即水星、金星、火星、木星和土星。这些行星分别在一些较小的圆轨道上运动，而这些小圆圈又各自附于上面提到的那些天球上，由此来说明所观测到的行星在天空中的复杂运动路径。位于外面那个天球上的则是一些所谓固定不动的恒星，它们之间的相对位置始终保持不变，同时又作为一个整体在天空中转动。至于在外面的天球之外又是什么，则从来没有被搞清楚过，但这肯定不是人类可观测的宇宙的组成部分。
托勒密的模型提供了一种颇为合理的精确系统，它可以用来预测诸天体在天空中的位置。但是，为了正确地预测这些位置，托勒密不得不设定月球运动的路径距地球时近时远，近时的月地距离只是其他时候的一半。这意味着有时候月球看上去会比通常所看到的大上一倍。托勒密本人知道这是一个问题，但尽管有这个缺陷，他的模型在当时为大多数人所接受，虽然并非人人都予以认可。基督教教会接纳了托勒密的模型以作为宇宙的图像，因为它与《圣经》的记载相符。该模型的一大好处是，它在恒星球之外为天堂和地狱留下了广阔的空间。
然而，波兰教士尼古拉·哥白尼在1514年提出了一种更为简单的模型。初，哥白尼因担心会被指控为异端之说，便采用匿名方式发表了他的模型。哥白尼的思想是，太阳位于中心且静止不动，地球和其他行星都绕着太阳在圆轨道上运动。对哥白尼来说可悲的是，差不多在一个世纪之后人们才认真地接受了他的思想。其时，有两位天文学家，德国人约翰内斯·开普勒和意大利人加利莱奥·伽利略———开始公开支持哥白尼的理论，尽管事实上该理论所预言的行星运动轨道与观测结果并不完全相符。亚里士多德—托勒密理论的消亡始于1609年。在那一年，伽利略开始用望远镜观测夜空，当时望远镜才刚发明不久。

明晰而机智地解释宇宙物理的复杂现象……他的头脑拥有无与伦比的力量。——《纽约书评》

[霍金]显然具有教师的天赋——轻松、宽厚的幽默，以及擅长用源自日常生活的比喻来阐释极其复杂的命题。——《纽约时报》

克服了疾病而成为世界物理界的超新星。他不能书写，甚至不能清楚地说话，但他正在超越大爆炸，跃向创造了宇宙的“几何之舞”。——《名利场》