（科学技术哲学专业论文）霍金的科学思想研究.pdf

内容提要 史蒂芬霍金是当代世界著名的科擎家与思想家。他的科学成果啦著，科学 思想丰富，学术见解新颖，被人们誉为活着的爱因斯坦。霍金为了解决奇点疑难 问题，引入了虚时间，构建了无边界宇宙模型。他的无边界宇宙模型是有史以来 第一个自足的宇宙模型，解决了大爆炸宇宙模型不可克服的奇点难题，深化了人 们对宇宙的认识。虚时间则是霍金在爱因斯坦相对时空观的基础上对时问概：坌进 行的重大更新。 黑洞是霍金研究的主要领域之，他提出j 黑洞辐射思想，使黑洞研究取得 j ，突破性的进展，人人改变了人们以往对黑洞的看法。霍金对人择原理作了新的 理解，他依据人择原理埘他的无边界宇商模型作了诠释，充分体现了他的有芰宇 由与人和谐统一的思想。 本文主要根据霍金的科学成果，从霍金的无边界宇宙思想、虚时间观、黑洞 辐射思想和天人观这四个方面，对霍金的科学思想进行论述，并在此基础上对霍 金的科学思想作较为深人的哲学探讨，以期对我们形成正确的自然观有所裨益。 关键词霍金科学思想无边界宇宙虚时间黑洞辐射天人观 a s t u d yo fs t e p h e nh a w k i n g 、ss c i e n t i f i ct h o u g h t s a b s t r a c t s t e p h e nh a w k i n gi saf a m o u ss c i e n t i s ta n di d e o l o g i s to ft h i st i m ei nt h e w o r l d h eg e t sm a n yp r o m i n e n tp r o d u c t so fs c i e n c ea n dc r e a t i v es c i e n t i f i c t h o u g h t s ，t h u sh ei sc a h e dal i v ee i n s t e i n i no r d e r t os o l v eu n i v e r s es i n g u l a r i t y p r o b l e m ，h a w k i n gi n t r o d u c e si m a g i n a r y t i m ea n de s t a b l i s h e su o - b o u n d a r y u n i v e r s em o d e l h a w k i n g su n i v e r s et h e o r yi st h ef i r s ts e l f c o n t a i n e du n i v e r s e t h e o r yi n t h eh i s t o r y , e n l a r g e sourc o g n i z a n c eo fu n i v e r s e ，o f f e r ss o m en e w s o l u t i o n st os i n g u l a r i t yp r o b l e mw h i c hc a n 、tb es o l v e di nt h eb i g - b o n gu n i v e r s e t h e o r y h n a g i n a r yt i m ei s an e wt i m et h a ti sa ni n n o v a t i o no l h a w k i n gi mt h e b a s i so fe i n s t e i n 、sr e l a t i v i s t i ct i m e b l a c kh o l ei so n eo ft h em a i nh a w k i n g 、sr e s e a r c hf i e l d sa n dh eh a sm a d e g r e a tp r o g r e s so nb l a c kh o l e h ep u t sf o r w a r dt h eb l a c k - h o l er a d i a t i o nv i e w p o i n t w h i c hm a yi n s p i r et h er e v o l u t i o no ft r a d i t i o n a lb l a c kh o l e t h ea n t h r o p i c p r i n c i p l ei s a ni m p o r t a n ts o l u t i o nt oe x p l a i ns o m ec o s m o l o g yp h e n o m e n a a c c o r d i n g t ot h e a n t h r o p i cp r i n c i p l e ，h a w k i n ge x p l a i n sh i sn o - b o u n d a r y u n i v e r s et h e o r ya n da l l i r m st h e r eb e i n gac l o s e dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nh u m a n a n dc o s m o l o g y a c c o r d i n gt ot h eh a w k i n g ss c i e n t i f i cp r o d u c t s ，h i ss c i e n t i f i ct h o u g h t sa r e m a d eu po ft h e v i e w p o i n t s o fn o - b o u n d a r yu n i v e r s em o d e l ，t h eo u t l o o ko f s p a c e - t i m e ，t h et h o u g h t o fb l a c k - h o l er a d i a t i o n ，t h eo u t l o o ko fs t e p h e n h a w k i n g sh u m a na n du n i v e r s e t h i sp a p e ra t t e m p t st or e s e a r c ht h es i g n i f i c a n c e o ft h o s et h o u g h t sa n dt h ep h i l o s o p h i c a ls i g n i f i c a n c ei no r d e rt h a ti tw i l lb e b e n e f i c i a lt of o r mo u rf i g h tn a t u r a lv i e w p o i n t s k e yw o r d s ：s t e p h e nh a w k i n g ，s c i e n t i f i ct h o u g h t s ，n o - b o u n d a r yu n i v e r s e ， i m a g i n a r yt i m e ，b l a c k - h o l er a d i a t i o n ，o u t l o o ko fh u m a n a n dc o s m o l o g y 附件一： 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得南昌文学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 乱耸 签字日期： 砸年，月岁r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南昌大学有关保科、使用学位论文的规定，有车义保霞f 并川词 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权壹墨圭鲎可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制于段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权1 j ) 学位论文作者签名：江乳绎 签字f i = 1 期： 盯年r 月刃同 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：亚灭魁 签字同期：。| 年f 月谚r 电话 邮编 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 导言 史蒂芬霍金是当代世界著名的科学家，现为英国剑桥大学终身教授，担任 卢卡逊讲席教授，这在英国是一种崇高的荣誉，这个席位曾经是著名科学家牛顿 和狄拉克担任过的职位。由于霍金在量子宇宙理论、黑洞理论、量子引力理论等 方面的杰出成就，他被人们称为活着的爱因斯坦。许多人认为，霍金像伽利略、 牛顿和爱因斯坦一样，是最伟大的科学家与思想家之一。霍金的一生是很不平凡 的。他患有肌萎缩症，骨瘦如柴，全身几乎不能动弹，也不能说话，唯有一颗激 情的心脏在搏动、一个拥有超人智慧的头脑在思考，他所取得的惊人成就都是在 轮椅上作出的。霍金的身体虽然不能自由，但他的思想是自由的，整天在他的科 学王国自由驰骋。霍金的科学思想丰富而深刻，且创新性很强。研究他的科学思 想，具有重要的现实意义和理论价值。本文试图对霍金的有关利学思怨进行较为 深入的考察，在此基础上对有关的理论进行哲学反思。 一、霍金及其主要科学成就 史蒂芬霍金( s t e p h e nh a w k i h a ) ，1 9 4 2 年1 月8 日出生在英国牛津，这 一天正好是公认的现代科学之父、意大利天文学家伽利略逝世3 0 0 周年的纪念 日。有人怀疑这在冥冥之中是不是意味着什么? 虽然这完全是个巧合，这一天中 出生的孩子可能有2 0 万个，但是霍金一直把伽利略视为自己的学习榜样，从小 就对那深邃的天空感兴趣。霍金的父亲弗兰克霍金是个医学专家，母亲伊莎贝 尔霍金在一家医学研究机构里当秘书，父母亲都毕业于牛津大学。小时候，他 父亲想让他学医，霍金却选择了理论物理，因为他立志要探索宇宙的奥秘。 1 9 5 9 年，霍金以优异的成绩考入牛津大学物理系。由于成绩突出，1 9 6 2 年 秋天他获准到剑桥大学读研究生，研究广义相对论和宇宙学。1 9 6 5 年获得博士 学位。 1 9 6 3 年对于霍金来说是很不寻常的一年。霍金刚过完2 l 岁生日不久，就被 诊断患有肌肉萎缩性侧面硬化症，即运动神经细胞病，这在美国也叫卢伽雷病。 患上这种病的人，生命最多只能再存活两年半的时间。这个消息对于霍金来说无 疑是个晴天霹雳，面对死神的威胁，他被抛到了痛苦的深渊。经过一番思想斗争 以及在爱情的鼓励下，霍金意识到要珍惜生命：与其坐着等死，倒不如牺牲自己 来为人们做点有益的事。于是藿金又振作精神，重新开始了他那顽强而又艰巨的 奋斗人生。 霍金的病在头两年恶化得很快，但不知是不是死神也惧怕意志顽强的人，后 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 来他的病竟慢慢缓和下来。1 9 6 5 年7 月霍金与漂亮的简瓦尔德女士结婚。1 9 7 2 年霍金开始使用轮椅。由于不能动作，许多繁杂而精密的数学运算都是在他的头 脑里完成的。1 9 8 5 年，霍金因患严重的肺炎做了气管切开手术，虽然保住了命， 但从此失去了声音。此后他依靠为他专门设计的一台语音合成器来说话，通过握 在手上的开关控制计算机，一分钟最多可以造一个简单句子。虽然很艰难，但霍 金却十分幽默而乐观地使用这一系统进行语言交流，包括写论文和撰写著作。 霍金能够活下来本来就是生命的一个奇迹。然而，他不但活下来了，而且成 果累累。1 9 7 0 年霍金和罗杰彭罗斯合作，证明了宇宙奇性定理。按照广义相 对论，在极一般的条件下，宇宙大爆炸必然从一个奇异点开始。他们因此共同获 得1 9 8 8 年的沃尔夫物理奖。沃尔夫奖在学术界受到高度重视，被视作相当于诺 贝尔奖的荣誉。 从那以后，霍金投入到黑洞研究2 1 - 取得j ，一系列的成果。，1 9 7 1 年霍金指 出，宇宙大爆炸时可能产生尺度像质子那么小的约l o 亿吨的“太初照涧”，它们 的寿命大约和宇宙年龄相同。霍金创造了“事件视界”的概念，严格论证了“黑 洞面积增加定理”。1 9 7 3 年霍金与卡特尔等人严格| 正明了“黑洞无毛定理”。 同 年，霍金提出了他的“黑洞辐射”思想，引起了有关物理学家的注意。1 9 7 4 年， 他在自然杂志上发表论文正式公布了这一一研究成果，这在后来被称为“霍金 辐射”理论。在发表霍金辐射理论后的几星期内，他成为皇家学会的成员，获得 了作为科学家的崇高荣誉，当时他只有3 2 岁，这在皇家学会悠久的历史上他是 得到这一荣誉的最年轻的科学家之一。 1 9 7 5 年，霍金对黑洞的寿命进行了计算。1 9 7 6 年，霍金研究了黑洞动力学 定律与热力学四大定律的相似性，指出黑洞的熵由其表面积给出；黑洞的温度由 其表面引力决定。1 9 7 7 年霍金和吉本斯证明了贝岢斯坦提出的一个重要思想， 即黑洞表面积就相当于它的熵。同年，他被任命为英国剑桥大学引力物理学教授。 1 9 7 8 年，霍金获得了由刘易斯和罗斯斯特劳斯纪念基金会颁发的阿尔伯特爱 因斯坦奖。该奖是物理学界最有威望的大奖之一，在声誉上与诺贝尔奖齐名。1 9 7 9 年11 月1 6 日，霍金被选为剑桥大学卢卡逊数学教授。同年，他和伊斯雷尔主编 的科学巨著广义相对论由剑桥大学出版社出版。 1 9 8 3 年霍金和詹姆哈特尔一起提出了虚时间概念，发表论文宇宙的波 函数。虚时间概念是对传统时间观念的一种更新，使得许多问题的研究获得了 突破性的进展，开创了量子宇宙学研究的新时代。他们建立了“微超空间模型”， 提出了“无边界宇宙”设想。他们的工作表明宇宙奇点难题可以通过量子理论和 无边界宇宙的思想得到解释。后来，霍金吸收了量子隧道效应假说中的合理思想， 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 对他的无边界宇宙模型作出了诠释，使得他的无边界宇宙模型把暴胀宇宙理论也 容纳了进去。 + 1 9 8 8 年霍金的时间简史一一从大爆炸到黑洞出版。霍金为了使他的科 学成就更容易被接受，以简明易懂的文字，为人们描述了时空、宇宙和黑洞研究 的最前沿成果。1 9 9 2 年霍金又编辑出版了时间简史续编。1 9 9 3 年霍金讲演录 黑洞、婴儿宇宙及其它出版，它是霍金从1 9 7 6 年到1 9 9 2 年所写文章的汇集， 包括简略自传、科学哲学以及宇宙和黑洞的研究成果，展示了霍金的科学世界观 和人生观。 1 9 9 6 年霍金和彭罗斯合著的时空本性出版，讲述了他们对于时空结构、 广义相对论、量子宇宙学和黑洞的量子理论的独特的学术观点。1 9 9 8 年，霍金 和图鲁克发表论文无假真空的开放暴胀，文章将霍金原来闭合宇宙的量子论 推广到开放模型。他们利用无边界假设，在一个最简单的暴b k 馍，眇h 经过路径 积分的计算，导致现今的宇宙学密度q o o i 。这样，他们修改了原暴胀模型关 于q = 1 的临界预言，论证了开放暴胀宇宙的可能性。2 0 0 2 年霍金的果壳中的 宇宙出版，此书介绍了当代宇宙学取得的最新成果，包括：重金本人的科学成果。 现在，霍金仍然奋斗在宇宙学的最前沿，不断地发表具有创新思想的文章。 霍金的人生道路是曲折的、坎坷的、常人难以想象的。他取得的科学成果是 卓越的，无与伦比的。他带给我们的不仅是巨额的科学财富，还有他那宝贵的精 神财富。他的身残志坚、从不向厄运低头的顽强拼搏精神，是我们取之不尽、用 之不竭的精神财富。这说明，只要有智慧和精神在，没有什么能打倒自己。身体 的健康固然重要，但心灵的健康更加重要，它会给予你无穷的力量。由此可见， 人的精神力量是难以想象的。一个人要有精神，一个民族也要依靠精神，精神的 力量往往可以超越通常看来难以逾越的障碍。 二、研究霍金科学思想的意义 精神之动人，基于艰难之中创造的奇迹。霍金与古代的亚里士多德、近代的 牛顿、现代的爱因斯坦等伟大的思想家一样，他的宇宙理论蕴含了博大而精深的 科学思想。他的这些思想，内容丰富，内涵深刻，见解新颖，带给人们一个全新 的时空观。因此，研究霍金的科学思想，具有重要的理论意义和现实意义。 首先，现代宇宙学是科技的前沿领域，霍金在这个领域贡献了许多重要思想。 研究霍金的宇宙学思想，可以更好地理解霍金的宇宙理论，可以获得人类关于宇 宙奥秘的最新成果。霍金曾在果壳中的宇宙这本书中给中国读者寄语“我愿 3 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 意和中国读者分享对黑洞和宇宙学中最近发现的激动”。作为一个在世界上有重 要影响的大国人民，我们不应该辜负他的期望。 其次，随着科学理论研究的深入发展，人们的时空观念也在不断发生变化。 研究霍金的宇宙论思想，可以加深对宇宙、时间和空间的认识，开拓我们的科学 视野。时间、空间概念一直是最复杂，最引人深思的基本哲学问题之一，也是近 现代科学的基本概念。人类对时间、空问的认识是与科学的发展联系在一起的， 科学上的每一次重大变革，必然带来时空观上的重大变化。2 0 世纪相对论与量 子力学的创立，不但引起了物理学上的革命，也大大深化了人们对宇宙、时间和空 间的认识。如今，霍金引入虚时间概念，把相对论与量子力学创造性地结合起来， 为人们带来一个新的时空观。 第三，研究霍金的科学思想，可以得到许多科学方法论的启示。比如，霍金 提出虚时问概念，l e 是从数学美和利学理论的自足性出发，把相埘论和量子力学 结合起来考虑。爱因斯坦虽然是相对论的创立者，并在量子力学方面作出了重要 贡献，但他认为相对论和量子力学之间存在不可逾越的鸿沟，都属丁二对象化的理 论，只能分别用：来处理大尺度和小尺度的结构。霍金则认为大小两极是相通的， 在宇宙的初始时刻必须考虑到它的量子效应。这对唯物辩证法的现代表述有重要 的意义。 第四，霍金的科学思想极富哲理，研究他的思想，可以提高我们认识世界和 把握世界的本领。由于研究对象的特殊性，与其他学科相比，宇宙学与哲学之间 的联系更为密切。在宇宙领域中的每一次进展，必然引发许多哲学问题并推动哲 学的发展，同时宇宙学的发展也需要哲学的指导。近数十年来，宇宙论的发展确 实提出了一系列崭新的哲学问题，要求人们去探索和研究，并给予正确的回答。 霍金在这方面作出了杰出贡献。哲学是时代精神的精华，是人类知识的最高概括， 理论工作者必须不断从当代科学的前沿领域汲取营养，才能保持哲学的生命力和 对大众的魅力，促进哲学的进一步发展。 三、霍金科学思想的研究现状 自从霍金的时间简史出版以来，霍金与他的时间简史成为人们常常 谈起的话题，霍金的故事广为流传，家喻户晓。世界各地都掀起了“霍金热”， 霍金的著作被热卖、霍金的学术报告会场爆满、门票高涨，霍金在许多中小学生 和大学生心目中，具有像摇滚明星一样的魅力。 随着“霍金热”的到来，许多学者、文人及其他各界人士对霍金作了大量评 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 述，关于霍金的传记也比较多。有人说他是大科学家、大思想家及科普作家，有 人称他是“遇到过的最顽强的人”、“轮椅上的斗士”、“心目中的英雄”。一提到 霍金，大家都认为他充满了传奇色彩，认为霍金与宇宙一样不可思议，对他身残 志坚的精神表示由衷的敬佩。许多学者就霍金的科学生涯和科学精神写了不少文 章，并就他所研究的课题进行了探讨，但从哲学层面对霍金的科学思想进行深入 研究的却不多。 在一些书籍和报刊资料中，有些专家学者对霍金的科学理论及其思想作了零 散的介绍或某方面的评述，但未进行全面系统的探讨。比如，中国科技大学的孙 显元教授在现代宇宙学的哲学问题中对黑洞理论进行了评述，其中就谈到霍 金的黑洞辐射理论是对q 受引与排斥的对立统一规律的丰富。复旦大学的肖魏教授 在宇宙的观念中谈到了无边界宇宙模型的“无”的哲学内涵，他把“无”与 中l 鲴古代的“道”作j 7 类比，认为“无”是指一种还未展开的物质世界。霍金的 思想内容丰富，其中他的虚时间是学者们最感兴趣的地方，也是学者们研究较多 的地方，如武汉大学的有关学者就此问题进行了研究和探讨，但主要是从科学概 念上作了阐述和介绍。哲学意义上的探讨还有待深入。 四、论文的构架和主要观点 在认真研究霍金的有关著作和参阅有关霍金文献资料的基础上，本文论述了 霍金科学思想的形成过程、理论背景及主要内容，并对霍金的科学思想进行了哲 学探讨。论文分为五个部分，由导言和四章组成。第一部分为导言，介绍了霍金 的科学生涯及其主要成就，论述了研究霍金科学思想的意义和霍金科学思想的研 究现状，并简要说明了论文的主要内容和创新之处。文章的其他四个部分则分别 对霍金的宇宙论思想、霍金的时空观、霍金的黑洞辐射新思想、霍金的天人观进 行了论述和探讨。 第一章研究霍金的宇宙论思想。对于个探索宇宙的大科学家来说，往往会 依据最新的研究成果创建新的宇宙模型，霍金也是如此，在吸纳了前人研究成果 的基础上，构建了自己的无边界宇宙模型。本章在简要回顾人类探索宇宙奥秘的 历史后，较为详细地论述了霍金的无边界宇宙模型，并对霍金的无边界宇宙思想 作了哲学反思，得出了以下结论：霍金的无边界宇宙模型取消了奇点疑难，是一 个完全自足的模型，给现代意义的上帝创世论的新神话予以沉重打击；无边界宇 宙模型的创建给人们以方法论的启示，此前人们对宇宙的认识只是从某一领域的 理论出发，这只会导致人们对宇宙认识的片面性；同时，无边界宇宙理论加深了 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 人们对宇宙开端的认识，为唯物辩证的自然观提供了新的论证。 第二章探讨霍金的时空观。霍金的时空观与爱因斯坦的时空观相比，主要在 于霍金对爱因斯坦的相对论时间进行了突破，提出了虚时间概念。广义相对论在 描述奇点时受挫，急需发展一种新理论。为了寻找这种新理论，霍金引入虚时间， 从而使相对论与量子力学能在数学逻辑上相防调。本章主要考察了霍金时间观转 变的理论背景和虚时间的形成过程，研究了虚时间的科学内涵，重点了论述了虚 时间在哲学上的意义，指出虚时间是对哲学时间概念内涵的丰富。 第三章研究霍金的黑洞辐射思想。为了使霍金黑洞辐射理论能论述得更清 楚，从而也能更好地领悟霍金的黑洞辐射思想，在论述时，本章先认真分析了经 典的黑洞理论。在研究黑洞辐射的物理机制的基础上，对黑洞辐射作了哲学反思， 提出了以下观点：黑洞辐射理论为丰富辩证法对立统一规律的内涵提供了新的材 料i 它的提出是对机械决定论的又一次打击；并且提出黑洞发出辐射完全遵守热 力学第二定理，为哲学上的物质不灭原理提供了新的科学依据。 第四章探讨霍金的天人观。在当代，人和宇宙的关系问题是一个热门话题， 它不再仅仅是哲学研究的课题，也是当代自然科学研究的前沿。人择原理是从 2 0 世纪3 0 年代兴起的个关于人与宇宙关系的新思想，霍金在他的宇宙理论中 引入了这个思想。本章在对人择原理进行简要考察的基础上，着重从霍金对人择 原理的诠释上挖掘霍金的天人思想，并对霍金的天人思想进行了哲学反思，得出 以下结论：霍金的天人思想揭示了宇宙物质在深层次上的统性，进一步论证了 人和宇宙同属于宇宙物质：使我们认识到我们宇宙的诞生和人类的出现，是必然 性和偶然性的对立统一，从而加深了我们对统计决定论的认识；丰富了人们对主 体与客体之辩证关系的认识，使我们认识到被观测的宇宙和作为观测者的人的存 在是密切相关的；深化了人们对宇宙无限性的认识，解答了人们能否认识无限宇 宙的问题。 以上是论文的主要内容和自己的一些研究心得，力图在霍金科学思想的研究 方面作出自己的努力，以期做一点开拓性的学术尝试。 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 第一章霍金的宇宙论思想研究 宇宙是什么? 这个被思考了几千年的古老问题，仍然是今天研究的前沿课 题。在人类认识的历史长河中，不同的哲学家、思想家依据各自对宇宙的观察、 假设、推断、猜测，提出了各种不同的宇宙模型或设想。不同的宇宙模型与其当 时的理论背景及其对宇宙的观测结果密切相关。在当代，霍金在综合前人成果的 基础上，创造性地提出了自己的新理论、新思想，创建了自己的无边界宇宙模型， 对宇宙的形成和演化作了科学的描述。 第一节奇点问题 在考察和研究霍金的无边界宇宙模型之前，还得先从奇点问题说起。奇点问 题在这里是指宇宙的奇点问题，也就是通常所说的宇宙起源或终结问题。宇宙起 源问题是一个十分古老的问题，有点像是这样的问题：是先有鸡还是先有蛋呢? 换句话说，宇宙究竟是从何而来的，是怎么来的? 科学家们一直试图回避这样的 问题，认为这样的问题与其说是科学问题，不如说是形而上学或宗教的问题。也 有人主张宇宙已经存在了无限长的时间，它根本不需要被创生。然而，随着科学 的深入发展，人们逐渐发现，科学在不断地向宇宙起源问题靠近。 在古代，亚里士多德集人类宇宙认识之大成，并根据自己的美学理论，对 宇宙提出了设想，认为圆周运动是最完美的，那么地球就位于圆周的正中央，而 其他天体都围绕着地球运动，这是现代宇宙理论之滥觞。亚里士多德否认宇宙有 个开端的说法，认为宇宙早已存在并将继续存在，直至无限存在，因为不朽的东 西比必须被创生的东西更加完美。后来托勒密在亚里士多德设想的基础上提出了 “地心说”宇宙模型。这个宇宙模型后来被基督教所利用，成为中世纪人们正统 的和无可怀疑的观念，并一直处于统治地位。一直到1 6 世纪哥白尼对托勒密宇 宙模型进行彻底的变革，情况才发生了变化。 以哥白尼提出“日心说”模型为标志，开始了近代科学的革命，把人类对宇 宙的认识推进到了一个新的高度。哥白尼的太阳中心说，颠倒了一千多年来占统 治地位的宇宙观，给我们描绘了一幅关于太阳系的科学图景，为近代天文学奠定 了基础。到了牛顿时代，牛顿把开普勒的行星运动定律和伽利略的落体定律等综 合起来，为经典力学规定了一套基本概念，提出了运动三定律和万有引力定律， 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 从而使经典力学成为一个完整的理论体系。依据这个理论体系，牛顿提出了无限 和静态的宇宙模型。根据牛顿的引力定律，宇宙中的每一颗恒星必须相互吸引。 如果是这样的话，宇宙也不可能保持恒定不变。虽然许多科学家已经意识到宇宙 永恒不变的观点具有解释上的困难，开始从科学的角度来探讨宇宙的起源及演化 情况。但由于受认识范围的限制，他们只是局限于太阳系的演化情况。比如，笛 卡尔提出了太阳系起源的旋涡说，康德和拉普拉斯各自提出了太阳系起源的星云 说。然而，这些学说并不没有从根本上动摇宇宙永恒不变的观念。 2 0 世纪以来，随着观测和研究的范i 重i 进一步扩大，人们才真正清楚地认识 到宇宙是不断演化的。河外星系的观测使天文研究的范围扩展到百亿年为尺度的 广阔空间，使人们对大尺度空f e i j 中的物理状态有了观测的基础。观测和理论这两 方面的重大突破造就了现代宇宙学。1 9 1 5 年，爱冈斯坦继狭义相对论提出之后， 又提出了广义相对论。广义相对论的创立，为人们研究火尺度的时、空性质和物 理运动规律提供了理论工具，从而使人们能够从整体上来认识宇宙。根据广义市h 对论，人们得到了宇宙动态解，使人们为宇宙的演化观念找到理论基础。哈勃的 观测证据又表明：不管你往哪个方向看，远处的星系正在急速地远离我们而去。 这就意味着，在宇宙早期各个星体之间更加互相靠近。如果循着时问发展的方向 反推，现在的宇宙在大约i 0 0 亿至2 0 0 亿年之前的某一时刻，可能是重叠在一起 的，所以那时候宇宙的密度无限大。这个发现迫使人们放弃宇宙永恒不变的看法， 并开始思考宇宙本身，而不仅仅是恒星、星系团的演化问题，最终将宇宙开端的 问题带进了科学的王国。 既然宇宙是在不断地膨胀，那么它就必然有一个源头或者开端。反演地看， 宇宙必然起源于一个非常奇异的“点”，一个真正称得上开天辟地的事件。这就 导致了大爆炸宇宙模型的提出，即宇宙起源于一个超热超密的原始火球。大爆炸 模型很好地把宇宙的膨胀与物质的演化联系了起来，使许多现象得到了合理的解 释。它十分清楚地描述了宇宙从大爆炸后的起码百分之一秒直至今天的宇宙演化 情况，并且得到了许多实际观测的强有力的支持，比如红移现象、氦丰度、微波 背景辐射。如今人们把它视为标准的宇宙模型。然而，在对宇宙极早期研究中它 却遇到了极大困难，最大的疑难就是“奇点疑难”问题，即在大爆炸的奇点处， 由于宇宙的密度无限大，根据广义相对论，时空的曲率也就无限大，因而根本没 南昌大学硕士学位论文 霍金的科学思想研究 有可以为大爆炸提供场所的地方。1 9 7 0 年，霍金和彭罗斯采用特殊的数学方法 证明了这一点。他的奇性定理表明，如果广义相对论是正确的，则宇宙的过去一 定存在过一个密度无限的奇异状态，也就是宇宙的奇点。在奇点处，一切科学定 律都失效了，连时空概念本身也失效了。这些发现对于科学来说无疑是一场重大 的灾难。由此可见，在科学上，奇点问题是一个亟待解决的问题。 第二节霍金的无边界宇宙思想 面对奇点难题，许多科学家都束手无策。有的人试图回避这个问题；有的人 则干脆断言宇宙的开端不属于科学王国的范畴，而是属于形而上学或宗教的臆 想。霍金认为，这不是任何真i e 的科学家应该采取的立场，科学理论应该是自足 的。如果科学定律在宇宙的开端处失效，那么它们也可以在宇宙的其他时间失败： 如果科学定律成立，那么科学定律在奇点处也应该成立。霍金曾说：“如果定律 只能有时成立则不能称之为定律。我们必须试图在科学的基础上理解宇宙的开 端。它也许是超过我们能力之外的任务，但是我们至少应该进行尝试。“他于是 开始了这种艰苦的尝试，提出了许多新颖的见解，使奇点问题的研究取得了突破 性的进展。 霍金在研究宇宙的起始阶段时，把广义相对论和量子力学结合起来，认为起 始的宇宙极其微小，必须考虑量子效应。量子理论的一种重要的计算方法就是费 因曼提出的“历史求和”的方法( 即路径积分) ，这是一种描写微观粒子波粒二 象性的有效方法。在这个方法中，粒子不像在经典理论亦即非量子理论中那样， 在时空中只有一个历史或一个轨道，而是认为粒子可以走任何可能的轨道。此方 法给予霍金很大的思想启示，意味着粒子在时空中不止有一个单独的历史，它可 以采取时空中的任何路径运动。这样，粒子就可能旅行得比光还快。粒子以比光 速更快的速度作长距离运动的概率很低，但是它可以以超光速在刚好能够逃逸出 黑洞的距离上运动，然后再以慢于光速的速度运动。因此，黑洞中的粒子的历史 不必在一个奇点处终结，它们可以从黑洞中逃逸出来，并且在外面继续它们的历 史。同样的道理，宇宙可能存在各种历史，也许存在一种历史可以避免在时间中 史蒂芬霍金：果壳中的宇宙，吴忠超译，湖南科学技术出版社2 0 0 2 年版，第7 9 页。 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 有一个开端，即在这种历史中不存在奇点问题。为此霍金引入了“虚时间”概念。 所谓虚时间即用虚数表示的时间，其方向与实时间方向夹一直角，它的行为犹如 空间的第四个方向。因为物质和能量会使时空向其自身弯曲，在实时问方向就不 可避免地导致奇点，时空的奇点处就是宇宙的开端或终结，而在虚时间中，物质 引起的时空曲率就使三个空间方向和这个虚时间方向绕到后面再相遇在一起，形 成一个闭合的表面，就像是地球的表面，只不过多了两维，地球的表面具有有限 的面积，但是它没有任何奇点、边界或边缘。在虚时间中，宇宙的奇点正如地球 的南北极，是完全规则的点，相同的定律在那里正如在其他点一样成立。这意味 着宇宙在虚时间中的开端，一切科学定律仍然有效。霍金于是推断，实时间也许 是人们为了描述事物的方便而虚构出来的，虚时问才是真正的时问。无边界+ 产宙 模型的设想也就基本形成了。 在现代宇宙理论中，所谓的边界条件就是在宇宙的起源，或者在空间和十问 的边缘上发生什么的规则。霍金的无边界宇宙模型的设想是，“宇宙的边界条件 是它没有边界。只有当宇宙处于这个无边界状态时，科学定律自身才能确定每种 可能历史的概率。因此，只有在这种情形下，已知的定律才会确定宇宙如何运行。” 1 也就是说，只有当宇宙处于无边界状态时，我们才有可能考察到宇宙是如何起 始的，人们才可能在原则上完全确定宇宙的运行规律。霍金的无边界宇宙模型表 明：在虚时间里宇宙没有奇点，时间和空间是有限的，它们形成了没有边界的闭 合面，正如地球的表面那样，在尺度上是有限的但是没有边界，这样科学定律就 处处有效。虽然在实时间中仍然存在奇点，这是霍金和彭罗斯已经证明了的，但 是人们可以根据宇宙在虚时问的历史来考察它在实时间中的历史，这样无边界宇 宙理论就是一个完全自足的理论，它根本不需要求助于上帝的第一推动或者其他 什么边界条件。 无边界宇宙模型的设想是以费因曼的多重历史的观念为基础的，只是在费因 曼求和中的粒子的历史现在被整个时空所取代，后者代表整个宇宙的历史。根据 费因曼的多重历史思想，霍金得出“如果无边界宇宙模型的边界条件是它没有边 界，它也不仅仅只有一个单独的历史。它将具有多重历史，正如费因曼所建议的 1 s t e p h e n h a w i n g , b l a c k h o l e sa n d b a b y u n i v e r s e sa n d o t h e r e s s a y s , p u b l i s h e d l 9 9 3 b y b a n t a mp r e s s p 9 4 1 0 南昌大学硕士学位论文 霍金的科学思想研究 那样”。1 多重历史观表明适合我们生存的宇宙也可能不止一个，于是霍金对适合 智慧生命生存的宇宙进行了深入的考察。他一次在演讲中指出“这个无边界假设 似乎能解释我们生活于其中的宇宙，那是个各向同性的、均匀的、具有微小微 扰的膨胀宇宙。我们可以在微波背景的起伏中观察到这些微扰的谱频和统计。这 些结果迄今与过去的无边界假设相一致。”2 这种在虚时闻中稍微长毛的宇宙模型 正好对应于实时间中的暴胀宇宙模型。无边界条件正是把宇宙的可能历史限制在 虚时间中没有边界的那些时空。在这个设想框架内，宇宙不存在一个开端或终结 的奇点，但同时宇宙仍然是动态的，在类似赤道的附近宇宙达到最大。后来，霍 金把他的这种宇宙模型作了推广，并论证了开放的宇宙是有可能的。霍金认为， 宇宙是开放的还是闭合的，完全取决于宇宙的物质密度。目前，科学l ：还不能作 出定论，它有赖于进一步的观测证据。这样，霍金的无边界宇宙模型就把好儿种 理论融合了在一起，如暴胀宇宙模型等。 自从霍金提出这个宇宙模型之后，几乎所有的量子字宙学的研究都是围绕这 个模型展开的。1 9 9 2 年宇宙背景探险者卫星( c o b e ) 首次检测到微波背景因方 向的不同有非常微小的变化。这种观测结果和无边界设想的预言相符合，这至少 说明无边界宇宙模型是一种现实可行的宇宙模型。 第三节无边界宇宙模型的哲学思考 霍金富有创见地把广义相对论和量子理论相结合并引入到现代宇宙理论中， 同时创造性地引入虚时间概念，建立了无边界宇宙模型，这是他在科学上的巨大 贡献。对比历史上的几种主要宇宙模型，无边界宇宙模型是有史以来第一个自足 的宇宙模型。这无论在科学上还是在哲学上都具有重要的意义。 首先，无边界宇宙模型取消了奇点疑难。无边界宇宙模型是一个完全自足的 模型，在这个模型中不存在奇点，也就是说宇宙不存在一个开端，这给现代意义 的上帝创造世界的新神话予以沉重打击。根据无边界宇宙模型，宇宙就创生于 “无”，“无”在这里指无边界，在字面上可以理解为一个潜在的、未展开的、充 满无限可能性的宇宙波函数。在普朗克尺度时间之内，宇宙遵守量子引力论；在 1 史蒂芬霍金：果壳中的宇宙，吴忠超译，湖南科学技术出版社2 0 0 2 年版t 第8 5 页。 2 s t e p h e n h a w k i n g a n d r o g e r p e n r o s e ，t h e n a t u r e o f s p a c e a n d 矗r a e , p u b l i s h e d l 9 9 6 b y p r i n c e t o nu n i v e r s i t yp r e s s ，p 9 4 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 普朗克尺度时间之后，宇宙就按暴胀宇宙理论进行膨胀和演化。也就是说，宇宙 在实时间上虽有边界，但在虚分量上却是连续的，这就意味着物理学时间虽然终 止于某个地方，譬如普朗克尺度；可是宇宙仍以别的什么方式存在，从而把那个 奇点抹掉了。 有人说科学的发展，常常发现宗教神学站在自己的前头。这是因为随着科学 的发展，不断的有神话破灭，也不断地有新神话的产生。宗教神学为了继续维持 自己的存在，会不断的利用科学的发展成果和科学发展面临的难题制造一些新的 神话。霍金进一步指出“只要宇宙有一个开端，我们就可以设想存在一个造物主。 但是，如果宇宙确实是完全自足的、没有边界或边缘，它就既没有开端也没有终 结一一它就是存在。那么，还会有造物丰存身之处吗? ”既然宇宙是没有边界 的，当然也就不需要上帝来启动宇亩，。 其次，霍金无边界宇宙模型的创建给人们以方法论的启示。此前人们对宇宙 的认识只是从某一领域的理论出发，这只会导致人们对宇宙认识的片面性。比如， 在考察宇宙的过程中，人们自然会想到广义相对论，却很少考虑到量子理论。量 子理论虽是理论物理的一大支柱，人, f f t p 总以为它只能处理微观事物，从未被用 到空间结构上。如今，霍金把相对论和量子理论结合起来创建自己的宇宙模型， 确实给人们提供了方法论的启示，使人们深深地认识到科学定律是处处有效的。 这再一次证明恩格斯在一百多年前关于学科交叉导致科学重大发现和产生重大 科研成就的预言的正确性。恩格斯在针对当时学科研究的形而上学现状时说：“在 分子科学和原子科学的接触点上，双方都宣称与己无关，但恰恰就在这一点上可 望取得最大的成果”2 事实证明，正是在这些学科的“接触点”上，科学取得了 一项项重大的科研成就。这对我们在科研道路上坚持唯物辩证法的方法论指导有 重要的哲学意义。 最后，霍金的无边界宇宙理论，加深了人们对宇宙开端的认识，为唯物辩证 的自然观提供了新的论证。根据无边界宇宙理论，宇宙在普朗克时空尺度之内处 于一种特殊的状态，既遵守广义相对论，又遵守量子理论。依据广义相对论，在 宇宙的极早期，宇宙的物质密度无限大，能量也就无限大。由于它的量子性，宇 宙在初始时刻具有多种多样的状态。这样就可以很好地解释宇宙的大爆炸，深化 1 史蒂芬霍金：时间简史，许明贤、吴忠超译，湖南科学技术出版社2 0 0 2 年版第1 3 1 页。 2 马克思恩格斯全集第2 0 卷人民出版社1 9 7 1 年版，第6 3 5 页。 1 2 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 了人们对宇宙的认识。我们可以由此认识到我们的宇宙诞生于一种超密超温状 态，经历一个暴胀阶段，然后膨胀的速度逐渐缓慢下来，演化出星系、恒星及人 类。这样，在时间上就不再有不连续性，就好像在地球的北极不存在一个边界的 点一样。在地球的北极，没有再向北的方向，所有的方向都指向南方，之所以如 此，完全是由于地球表面的曲率所造成的。在宇宙大爆炸时，宇宙没有过去，所 有的时间都指向未来，之所以如此，也是由于宇宙中时空的曲率所致。 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 第二章霍金的时空观 时间和空间概念既是自然科学研究的重要内容，又是哲学研究的重要对 象。自古以来，时间与空间概念的演变和自然科学的发展有着密切的联系， 尤其是物理学，每次时空观念的变革必然导致物理基础理论的重大突破；反 之，物理理论的重大发展也必然导致时间和空间概念的深刻改造。牛顿的绝 对时空观和爱因斯坦的相对时空观就很好地说明了这一点。如今，霍金在爱 因斯坦相对时空观的基础上对时间概念进行了突破，提出了虚时间，是对时 间概念的又一次重大更新。 第一节霍金虚时空观的形成 人们对事物的认识总有个逐渐深入的过程，霍金对时问的认识也经历了一段 很c 毛的时问，并与其当时的科学理论背景有关。 直到2 0 世纪6 0 年代，宇宙学只是广义相对论这单一物理理论在宇宙科学中 的延伸，人们考察宇宙时只是依据爱因斯坦的广义相对论而不会利用量子理论。 然而，广义相对论又不可避免地带来了奇点疑难，这已被霍金的奇性定理证明了， 并得到了许多观测证据的证实。 为r 解决奇点问题，霍金进行了艰苦的探索。霍金认识到，依据广义朔对沦， 在宇宙的极早期时间和空间被卷曲得非常小，它的量子效应不可以忽略，必须要 用量子理论替代广义相对论考察极早期的宇宙，研究宇宙的演化史必须把广义相 对论和量子理论结合起来。然而，相对论与量子力学是极其不协调的，分别处于 物理学的两极。相对论用来处理大尺度的空间结构，它坚持严格的因果决定论。 而量子力学则用来处理微观粒子的小尺度结构，依据此理论人们得到的是一种统 计决定论。对于量子力学的统计决定论与相对论的严格因果决定论之间的矛盾， 霍金找不到统一的物理理论来解决。 根据量子力学的测不准原理，在小于1 0 “秒和1 0 _ 3 3 厘米的范围内，就没有 一个钟和一把尺子能加以测量，时空概念就失去了其物理意义。霍金于是认识到， 在宇宙的极早时期，宇宙本身是一个没有时间和空间的物理世界，己知时间和空 间概念是有其适用范围的，在通常意义下的时间和空间是有限的，从而必须转换 时空观念。正是在这种情况下，霍金开始了他的创新过程。 1 4 南昌大学硕士学位论文霍金的科学思想研究 对于不因循守旧、创新性很强的科学家来说，会将在物理学陈述中一时无法 解决的问题，上升到形而上学、数学与逻辑陈述中去解决。霍金正是其中的一位， 他曾经说：“为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在开端或终结的问题，你 必须清楚什么是科学理论。我将采用头脑简单的观点，即理论只不过是宇宙或它 的受限制的一部分的模型，一些连接这模型中的量和我们的观测的规则。它只存 在于我们的头脑中，不再具有任何其他的实在性。”1 也就是说，科学理论的逻 辑自洽性比科学理论的实在性更为重要，在未能直接找到统一的科学理论陈述之 时，从个最具概括性的形而上学假定出发，假定宇宙是无边界的，并为无边界 宇宙模型建立一套自洽的数学陈述，使形而上学、数学及逻辑的陈述相一致，而 不必先去追问它对应什么样的物理实在，物理学上有许多重大发现最初都是遵循 这一思路得到，如普朗克创立的黑体辐射理论就是这样成功的。霍金也是循着这 样的思路，提出“虚时间”概念。 在刨建了无边界宇宙模型之后，霍金对虚时间概念进行了进步的探讨。他 吸取了有关宇宙创生的量子隧道效应假说，进一步从物理机制上研究“虚时空” 的特性及其与“实时空”间的联系与转换方式，如虫洞和婴儿宇宙等。从现在的 研究结果可以看出，至少