第十一章：霍金的世界

科学格言

研究人员可分为三种：一种人从事科学工作是因为科学工作为他们提供了施展特殊才能的机会，他们之所以喜好科学正如运动员喜好表现自己的技艺一样；一种人把科学看成是谋生的工具，如有机遇他们也可能成为成功的生意人；最后一种人是真正的献身者。这种人为数不多，但对科学知识所做的贡献却极大。

——爱因斯坦第十一章：霍金的世界

从寻找马航客机看人类科技的局限。MH370为马来西亚航空公司的一个航班。该航班于2014年3月8日凌晨0点41分由吉隆坡起飞前往北京，原计划于北京时间2014年3月8日早晨6点30份抵达北京首都国际机场。苏邦空中交通管制台证实该航班于3月8日凌晨2点40分与管制台失去联系。

凯思学院另一个值得一提的就是斯蒂芬.霍金(StephenHawking)，他是这个学院的教师，是20世界最伟大的科学家之一。有天傍晚，我去学院的传达室取信件，忽然看见从南边的街上过来一辆电动轮椅，轮椅上坐的正是霍金，轮椅的后面有一位中年妇女伴随着。霍金看起来就像一个十五，六岁的大孩子，佝偻的身体坐在轮椅上一动不动，他的头就像枕在一只肩膀上，一只手握着遥控器，但是，他的两只眼睛却睁的大大的。那位妇女伴着霍金进了凯思学院的院子，显然是去他的办公室。看到霍金这个样子，我突然有一个奇怪的想法，霍金莫不是外星人？他不会生活，对生活也没有什么要求，因为他不但不能动，连说话都不会。他到地球上来作什么？他告诉了我们宇宙从哪里来，又到哪里去，这正是我们地球人梦寐以求的答案。难道他是外星球更有知慧的生物派到地球上来告诉我们这些？霍金1942年1月8日出生在英国的牛津，非常巧合，他的生日正是意大利伟大的天文和物理学家伽利略逝世300年的纪念日。也许伽利略死的时候正好受到教会的迫害，他的科学思想被认为是异端邪说，他死了以后，灵魂不能安息，300年以后转世在霍金身上。霍金17岁进入牛津大学学习物理学，他的父母希望他学医学，但是，霍金喜欢数学，当时他所在的学院没有数学专业，他就选择了与数学比较近的物理学。牛津大学毕业以后，他进入剑桥大学学习宇宙学。刚到剑桥不久，霍金就被发现身体有问题，首先发现的是他的父亲。霍金的肌肉偶尔僵硬，行动和说话都有反应，21岁的生日以后，霍金就住进了医院。经过专家的多方面检查，霍金患了一种神经性的肌肉萎缩症，这种病例很少，无法医治。

霍金回忆自己当时的心情，的确是痛不欲生，后来，他克服了思想上的障碍，勇敢地生活，他结了婚，有了3个孩子，现在还有一个孙子。更为令人吃惊的是，他在科学研究上作出了巨大的贡献。虽然霍金在1962年就被发现患了不治之症，但是一直到1974年，霍金还能自己照顾自己。1974年以后，霍金的病情严重，有一个学生与他的家庭住在一起，帮助霍金起床和睡觉。1980年，他开始雇佣了一个护士照顾他，每天1—2小时。1985年，霍金患上了肺炎，他不得不做了气管再造手术，从此以后，霍金完全丧失了生活能力，一天24小时要靠护士照顾。不能说话，也不能动，对一个科学家来说，是无法想象的。但是，霍金仍然抱着乐观的态度，他利用卡片上的字来表达自己的思想。后来，加利福尼亚的计算机专家沃特伍特兹送给霍金一个计算机软件，叫做“平衡者”（Equalizer），这个软件可以让霍金在计算机屏幕上选词，可以用开关，眼睛和头的运动控制。这个软件大大地方便了霍金，他可以通过这个软件将自己要说的话送到语音合成器，但是，他与别人交谈还是不方便。后来，剑桥一个通讯公司的计算机专家梅森送给霍金一个装在轮椅上的小电脑和语音合成器，霍金利用这个系统可以随时和别人交谈，作演讲，写文章。用这个合成器，霍金每分钟可以说15个单词，霍金对这个系统十分满意，他说，这是他见到的最好的语音合成器，它可以发出各种不同的声调，唯一令他不满意的是这个语音合成器有美国口音。霍金从1979年开始成为剑桥大学应用数学与理论物理系的卢卡西安讲座教授，300多年前，这个职位曾由牛顿担任过。

-----摘自张酣《剑桥漫步》，山东教育出版社，2002史蒂芬·霍金是英国物理学家，他用毕生精力研究黑洞普通物理学定理不再适用的时空领域）和宇宙起源大爆炸原理。他提出黑洞能发射辐射（现在叫霍金辐射）的预言现在已是一个公认的假说。他的研究工作在科学界远不及他的畅销书《时间简史》出名。他这本销售量达2,500万本的畅销书对量子物理学和相对论作了简练的介绍。2011年出版《伟大设计》GrandDesign，其重要意义还没有被人们认识。2013年，霍金修改自己的理论，认为黑洞不是黑洞，而是“灰洞”。

斯蒂芬·霍金是当代享有盛誉的伟人之一，被称为在世的最伟大的科学家，当今的爱因斯坦。他在统一20世纪物理学的两大基础理论—相对论和量子论方面走出了重要一步。1989年获得英国爵士荣誉称号。他是英国皇家学会学员和美国科学院外籍院士。在这篇名为《黑洞的信息保存与气象预报》（InformationPreservationandWeatherForecastingForBlackHoles）的论文中，霍金指出，由于找不到黑洞的边界，因此黑洞是不存在的。黑洞的边界又称“视界”。经典黑洞理论认为，黑洞外的物质和辐射可以通过视界进入黑洞内部，而黑洞内的任何物质和辐射均不能穿出视界。霍金的最新“灰洞”理论认为，物质和能量在被黑洞困住一段时间以后，又会被重新释放到宇宙中。他在论文中承认，自己最初有关视界的认识是有缺陷的，光线其实是可以穿越视界的。当光线逃离黑洞核心时，它的运动就像人在跑步机上奔跑一样，慢慢地通过向外辐射而收缩。

“经典黑洞理论认为，任何物质和辐射都不能逃离黑洞，而量子力学理论表明，能量和信息是可以从黑洞中逃离出来的。”

对于霍金的“灰洞”理论，一些科学家表示认可，但也有人持怀疑态度。美国卡夫立理论物理研究所的理论物理学家约瑟夫·波尔钦斯基(JosephPolchinski)指出，根据爱因斯坦的重力理论，黑洞的边界是存在的，只是它与宇宙其他部分的区别并不明显。黑洞还是灰洞？

科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。

一套完整的统一理论的发现可能对人类的存活无助，甚至也不会影响我们的生活方式。然而，自从文明开始，人们即不甘于将事件看做互不相关而且不可理解，他们渴求理解世界的根本秩序。今天我们仍然渴望知道，我们为何在此？我们从何而来？人类求知的最深切的意愿足以为我们所从事的不断探索提供正当的理由。而我们的目标恰恰是对我们生活其中的宇宙做出完整的描述。

------摘自《时间简史》史蒂芬·威廉·霍金，英国剑桥大学应用数学及理论物理学系教授，当代最重要的广义相对论和宇宙论家，是当今享有国际盛誉的伟人之一，被称为在世的最伟大的科学家，还被称为“宇宙之王”。著作《时间简史》、《大设计》（2011年）

大家好，我是斯蒂芬·霍金，是物理学家、宇宙学家及梦想家，尽管身体不能活动，只能通过电脑与大家交流，但从内心中我是自由的，自由地探索宇宙，思考以下重大问题：时间旅行是否可行？能否打开一个回到过去的通道，或找到通向未来的捷径？我们最终能否利用自然规律成为掌控时间的主人？

在科学界，时间旅行一度被认为是歪理邪说。过去因为担心有人会把怪人的标签贴在自己身上，我对这个问题常常避而不谈。但现在，我不再那么谨小慎微了。事实上，我更像是建造了巨石阵的那些人。我对时间痴迷已久，如果有一台时间机器，我会去拜访风华正茂的玛丽莲·梦露，或是造访将望远镜转向宇宙的伽利略。或许，我还会走到宇宙的尽头，破解整个宇宙湮灭之谜。（2010）巨石阵时间简史的故事宇宙的起源和膨胀黑洞虫洞和时间旅行在20世纪之前从未有人暗示过，宇宙是在膨胀或是在收缩，这有趣地反映了当时的思维风气。一般认为，宇宙或是以一种不变的状态已存在了无限长的时间，或以多多少少正如我们今天所看的样子被创生于有限久的过去。其部分的原因可能是，人们倾向于相信永恒的真理，也由于虽然人会生老病死，但宇宙必须是不朽的、不变的这种观念才能给人以安慰。*1781年，哲学家伊曼努尔·康德发表了里程碑般的（也是非常模糊的）著作——《纯粹理性批判》，在这本书中，他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、空间上是否有极限的问题。他称这些问题为纯粹理性的矛盾。因为他感到存在同样令人信服的论据，来证明宇宙有开端的正命题，以及宇宙已经存在无限久的反命题。他对正命题的论证是：如果宇宙没有一个开端，则任何事件之前必有无限的时间，他认为这是荒谬的。他对反命题的论证是：如果宇宙有一开端，在它之前必有无限的时间，为何宇宙必须在某一特定的时刻开始呢？

宇宙是什么样子的？*科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。然而，大部分科学家遵循的方法是将这问题分成两部分。第一，是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律；（如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的，则这些定律即能告诉我们以后的任一时刻宇宙是什么样子的。）第二，关于宇宙初始状态的问题。有些人认为科学只应过问第一部分，他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。他们会说，全能的上帝可以随心所欲地启动这个宇宙。也许是这样。但是，倘若那样，他也可以使宇宙以完全任意的方式演化。可是，看起来他选择宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演化。所以，看来可以同样合理地假定，也存在着制约初始状态的定律。广义相对论和量子力学的协调今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是20纪上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构，也就是从只有几英哩直到大至1亿亿亿（1后面跟24个0）英哩，即可观测到的宇宙范围的尺度的结构。另一方面，量子力学处理极小尺度的现象，例如万亿分之一英寸。然而，可惜的是，这两个理论不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个主要的努力，即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。膨胀的宇宙1929年，哈勃发现星系快速离我们而去（红移现象），1948年，伽莫夫提出宇宙大爆炸猜想。黑洞里和宇宙大爆炸初是奇点，该点可以看做是时间和空间的边界。在哈勃证明了其他星系存在之后的几年里，他花时间为它们的距离以及观察到的光谱分类。那时候大部份人相信，这些星系的运动相当紊乱，所以预料会发现和红移光谱一样多的蓝移光谱。但是，十分令人惊异的是，他发现大部份星系是红移的——几乎所有都远离我们而去！更惊异的是1929年哈勃发表的结果：甚至星系红移的大小也不是杂乱无章的，而是和星系离开我们的距离成正比。换句话讲，星系越远，则它离开我们运动得越快！这表明宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态，而实际上是在膨胀；不同星系之间的距离一直在增加着。宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智慧革命之一。事后想起来，何以过去从来没有人想到这一点？！牛顿或其他人应该会意识到，静态的宇宙在引力的影响下会很快开始收缩。然而现在假定宇宙正在膨胀，如果它膨胀得相当慢，引力会使之最终停止膨胀，然后开始收缩。但是，如果它膨胀得比某一临界速率更快，引力则永远不足够强而使其膨胀停止，宇宙就永远继续膨胀下去。我们知道的是，宇宙在每10亿年里膨胀5％至10％。所有的弗利德曼解（前苏联科学家，相对论方程）都具有一个特点，即在过去的某一时刻（约100到200亿年之前）邻近星系之间的距离为零。在这被我们称之为大爆炸的那一时刻，宇宙的密度和空间——时间曲率都是无穷大。因为数学不能处理无穷大的数，这表明广义相对论（弗利德曼解以此为基础）预言，在宇宙中存在一点，在该处理论自身失效。这正是数学中称为奇点的一个例子。很多人不喜欢时间有个开端的观念，

可能是因为它略带有神的干涉的味道。（另一方面，天主教抓住了大爆炸模型，并在1951年正式宣布，它和《圣经》相一致。）所以，许多人企图避免大爆炸曾经存在过的这一结论。

开放宇宙和闭合宇宙黑洞形成和宇宙膨胀宇宙暴涨—比光速要快暴涨的思想还能解释为何宇宙存在这么多物质。在我们能观察到的宇宙里大体有1亿亿亿亿亿亿亿亿亿亿（1后面跟80个0）个粒子。它们从何而来？答案是，在量子理论中，粒子可以从粒子／反粒子对的形式由能量中创生出来。但这只不过引起了能量从何而来的问题。答案是，宇宙的总能量刚好是零。宇宙的物质是由正能量构成的；然而，所有物质都由引力互相吸引。两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量，因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开。这样，在一定意义上，引力场具有负能量。在空间上大体一致的宇宙的情形中，人们可以证明，这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量，所以宇宙的总能量为零。

发现原初引力波—宇宙学的重要发现引力波简单说就是引力源附近时空弯曲的传播。原初引力波是宇宙暴涨的残存物。新华网华盛顿2014年３月１７日电（记者林小春）美国物理学家１７日宣布首次观测到宇宙原初引力波存在的证据。这一发现如获证实，将是物理学界里程碑式的重大成果。首先，这一发现填补了广义相对论实验验证的最后一块缺失的拼图。爱因斯坦１９１６年发表的广义相对论预言了宇宙诞生之初产生的一种时空波动——原初引力波——的存在。过去近百年中，广义相对论的其他预言如光线的弯曲、水星的近日点进动以及引力红移效应都已获证实，唯有原初引力波因信号极其微弱，技术上很难测量，而一直徘徊在天文学家“视线”之外。剑桥大学博士、加拿大不列颠哥伦比亚大学的“ＣＩＴＡ国家研究员”马寅哲认为，原初引力波的发现是支持广义相对论的又一有力证据，相对论所预言的所有实验现象全部被验证，实验与理论符合得都很好。不是直接观测到宇宙早期的引力波，但却是在宇宙微波背景辐射中找到了引力波存在的迹象，是到目前为止最强有力证明原初引力波存在的证据。原初引力波的发现是证明宇宙大爆炸理论成立的首个确凿证据。引力波奠定了标准宇宙学一项关键理论的坚实基础，这就是暴涨理论。该理论指出宇宙在诞生之初曾经经历了短暂的剧烈膨胀。科学家宣布原初引力波有误（2015,2,2）。2014年3月发现原初引力波，经过近1年的数据核实，研究人员认为原来的发现有误，所发现的新模式并不是原初引力波引起的，而是银河系星际尘埃的干扰。2014年3月17日，科学家们曾宣布他们发现了原初引力波的证据黑洞

黑洞这一术语是是1969年美国科学家约翰·惠勒为形象描述200年多前的一个观念时所杜撰的名字。最终恒星会耗尽了它的氢和其他核燃料。貌似大谬，其实不然的是，恒星初始的燃料越多，它则燃尽得越快。这是因为恒星的质量越大，它就必须越热才足以抵抗引力。而它越热，它的燃料就被用得越快。我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年，但是质量更大的恒星可以在1亿年这么短的时间内用尽其燃料，这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料，它开始变冷并开始收缩。随后发生的情况只有等到本世纪20年代末才初次被人们理解。

*英国数学家兼物理学家罗杰·彭罗斯在1965年以完全不同的手段给出了回答。利用广义相对论中光锥行为的方式以及引力总是吸引这一事实，他指出，坍缩的恒星在自己的引力作用下被陷入到一个区域之中，其表面最终缩小到零。并且由于这区域的表面缩小到零，它的体积也应如此。恒星中的所有物质将被压缩到一个零体积的区域里，所以物质的密度和空间——时间的曲率变成无限大。换言之，人们得到了一个奇点，它被包含在叫做黑洞的空间——时间的一个区域中。

*1783年，剑桥的学监约翰·米歇尔在《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出，一个质量足够大并足够紧致的恒星会有如此强大的引力场，以致于连光线都不能逃逸。米歇尔暗示，可能存在大量这样的恒星，虽然会由于从它们那里发出的光不会到达我们这儿而使我们不能看到它们，但我们仍然可以感到它们的引力的吸引作用。这正是我们现在称为黑洞的物体。*1928年，一位印度研究生——萨拉玛尼安·钱德拉塞卡——乘船来英国剑桥跟英国天文学家阿瑟·爱丁顿爵士（一位广义相对论家）学习。（据记载，在本世纪20年代初有一位记者告诉爱丁顿，说他听说世界上只有三个人能理解广义相对论，爱丁顿停了一下，然后回答：“我正在想这第三个人是谁”。）在他从印度来英的旅途中，钱德拉塞卡算出在耗尽所有燃料之后，多大的恒星可以继续对抗自己的引力而维持自己。强德拉塞卡计算出；一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星不能支持自身以抵抗自己的引力。（这质量现在称为钱德拉塞卡极限。）苏联科学家列夫·达维多维奇·兰道几乎在同时也得到了类似的发现。如果一颗恒星的质量比强德拉塞卡极限小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英哩和密度为每立方英寸几百吨的“白矮星”。白矮星是它物质中电子之间的不相容原理排斥力所支持的。

另一方面，质量比强德拉塞卡极限还大的恒星在耗尽其燃料时，会出现一个很大的问题：在某种情形下，它们会爆炸或抛出足够的物质，使自己的质量减少到极限之下，以避免灾难性的引力坍缩。但是很难令人相信，不管恒星有多大，这总会发生。怎么知道它必须损失重量呢？黑洞比钱德拉塞克质量极限大的可能形成黑洞或中子星现在，我们从奥本海默的工作中得到一幅这样的图象：恒星的引力场改变了光线的路径，使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示光线从其顶端发出后在空间——时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折，在日食时观察远处恒星发出的光线，可以看到这种偏折现象。当该恒星收缩时，其表面的引力场变得很强，光线向内偏折得更多，从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言，光线变得更黯淡更红。最后，当这恒星收缩到某一临界半径时，表面的引力场变得如此之强，使得光锥向内偏折得这么多，以至于光线再也逃逸不出去。根据相对论，没有东西会走得比光还快。这样，如果光都逃逸不出来，其他东西更不可能逃逸，都会被引力拉回去。也就是说，存在一个事件的集合或空间——时间区域，光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞，将其边界称作事件视界，它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。黑洞是科学史上极为罕见的情形之一，在没有任何观测到的证据证明其理论是正确的情形下，作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。黑洞有旋转的，静止的，。。。恒星演化过程如何观察黑洞？按照黑洞定义，它不能发出光，我们何以希望能检测到它呢？这有点像在煤库里找黑猫。庆幸的是，有一种办法。正如约翰·米歇尔在他1783年的先驱性论文中指出的，黑洞仍然将它的引力作用到它周围的物体上。文学家观测了许多系统，在这些系统中，两颗恒星由于相互之间的引力吸引而互相围绕着运动。他们还看到了，其中只有一颗可见的恒星绕着另一颗看不见的伴星运动的系统。例如叫做天鹅X－1的，也刚好是一个强的X射线源。对这现象的最好解释是，物质从可见星的表面被吹起来，当它落向不可见的伴星之时，发展成螺旋状的轨道（这和水从浴缸流出很相似），并且变得非常热而发出X射线。黑洞新证据

据美联社

2004年

2月19

日报道，欧洲和美国天文学家宣布，他们借助X射线太空望远镜，在一个距地球大约7亿光年的星系中观测到了耀眼的X射线爆发。这一强大的X射线爆发是黑洞撕裂恒星的确凿证据。黑洞撕裂恒星恒星被“四分五裂”恒星被“四分五裂”天文学家首次观测到

据天文学家的描述，他们在代号为“RX-J1242-11”的星系中央地带观测到了这场“生死决斗”。黑洞的质量约为太阳质量的一亿倍，而该恒星与太阳的质量差不多。摘自《人民日报》黑洞不太黑（是灰洞吗？）如果黑洞有熵，就有温度，就有辐射。1973年9月霍金访问莫斯科时，和苏联两位最主要的专家雅可夫·捷尔多维奇和亚历山大·斯塔拉宾斯基讨论黑洞问题。他们说服霍金，按照量子力学不确定性原理，旋转黑洞应产生并辐射粒子。个具有几倍太阳质量的黑洞只具有千万分之一度的绝对温度。这比充满宇宙的微波辐射的温度（大约2.7K）要低得多，所以这种黑洞的辐射比它吸收的还要少。黑洞辐射的存在看来意味着，引力坍缩不像我们曾经认为的那样是最终的、不可逆转的。如果一个航天员落到黑洞中去，黑洞的质量将增加，但是最终这额外质量的等效能量会以辐射的形式回到宇宙中去。如果黑洞辐射，最终不是越来越大，而会越来越小，最终在一次大爆炸中完全消失。黑洞还是灰洞？宇宙的命运

一种可能的回答是，上帝选择宇宙的这种初始结构是因为某些我们无望理解的原因。这肯定是在一个全能造物主的力量之内。但是如果他使宇宙以这种不可理解的方式开始，何以他又选择让它按照我们可理解的定律去演化？整部科学史认为事件不是以任意方式发生，而是反映了一定的内在秩序的逐步的意识。这秩序可以是、也可以不是由神灵主宰的。只有假定这种秩序不但应用于定律，而且应用于在空间—时间边界处所给定的宇宙初始条件才是自然的。可以有大量具有不同初始条件的宇宙模型，它们都服从定律。应该存在某种原则去抽取一个初始状态，也就是一个模型去代表我们的宇宙。

如果宇宙停止膨胀并开始收缩将会发生什么呢？热力学箭头会不会倒转过来，而无序度开始随时间减少呢？这为从膨胀相存活到收缩相的人们留下了五花八门的科学幻想的可能性。他们是否会看到杯子的碎片集合起来离开地板跳回到桌子上去？他们会不会记住明天的价格，并在股票市场上发财致富？由于宇宙至少要再等一百亿年之后才开始收缩，忧虑那时会发生什么似乎有点学究气。

起初，我相信在宇宙坍缩时无序度会减小。这是因为，我认为宇宙再变小时，它必须回到光滑和有序的状态。这表明，收缩相仅仅是膨胀相的时间反演。处在收缩相的人们将以倒退的方式生活：他们在出生之前即已死去，并且随着宇宙收缩变得更年轻。虫洞和时间旅行日蚀时光线被弯折得知时空可以被卷曲。爱因斯坦的广义相对论方程有一个解显示有虫洞。通过虫洞从A到B，然后再通过一个虫洞返回，并且在他出发前回到地球。←←光线经过恒星弯曲1.M理论2.存在之谜3.可择历史4.万物之理5.选择宇宙主要内容：霍金开始就问：我们每个人都只能存在很短的时间，在这短暂的时间里我们只能探索整个宇宙的一隅。然而，人类是好奇的物种。我们想要知道，我们追寻答案。生活在这时而仁慈又时而残酷的广袤世界，凝望着头顶上的浩渺苍穹，人们一直以来就在寻问大堆的问题：我们怎么理解我们身居其中的世界？宇宙如何运行？实在的本质是什么？所有一切从何而来？宇宙需要一个创造者吗？我们中的大多数人都不会花太多的时间去操心这些问题，但几乎我们所有人都会在某些时候为它们发愁。一个单独的理论可能解释不了宇宙！人们正在尝试去破译M理论的本质，然而这也许不太可能。事实可能是，物理学家对有关自然的单一理论的传统期待已经难以为继，并且也不存在这样的单一描述。事实可能是，为了描述宇宙，我们必须在不同的情况下运用不同的理论。每一个理论都可以有其自身关于实在的版本，但是根据依赖模型的实在论，只要当理论重合之处，这些理论都能符合观测，那么它们就都能被接受，那就是说，无论何时它们都能够适用。M理论中的定律允许不同宇宙具有不同的表观定律，这取决于内部空间如何卷曲。M理论给出了许多不同的内部空间的解，可能有10500个之多，这意味着它允许10500个不同的宇宙，每一个宇宙都有其自身的定律。为了体会这个数字有多大，请考虑一下：如果存在某种生物，能够只用1毫秒就分析出为每个宇宙做出预测的所有定律，并且从大爆炸起就开始这项工作，那么迄今为止它也只研究了其中的1020个，况且那是在连喝咖啡的时间都不放过的情况下进行了。霍金认为，描述宇宙行为的可能是M理论（摸论）M理论(M-theory)是为“物理的终极理论”而提出的理论。物理学家希望能用一个理论来解释所有的物质与能源的本质和交互关系。它试图把4种作用力--电磁力、引力、强核力和弱核力统一起来。它还试图结合当前所有5种超弦理论和11维的超引力理论。为了充分了解它，爱德华·威滕认为需要发明新的数学工具。M理论的“M”包含有许多意思，例如魔术（magic）、神秘（mystery）、膜（membrane）或矩阵（matrix）等等。为了充分了解它，爱德华·威滕博士认为需要发明新的数学工具。考虑一下宇宙的表观维度。根据M理论，时空有十个空间维度和一个时间维度。其观点是说，有七个空间维度被卷曲得如此之小以至于我们不能注意到它们，这就留给我们一个错觉，仿佛存在的一切就是我们熟悉的那三个剩余的大维度。M理论中一个悬而未决的核心问题是：在我们的宇宙当中为什么不存在更多的大维度，并且为什么有一些维度发生了卷曲？

M理论不是通常意义上的那种理论，而是许多各不相同的理论的全族，其中每一个理论仅仅在物理状况的某个范围内才能算是好的描述。这有点像地图。众所周知，我们不能只用一幅地图就展现地表全貌。常用于世界地图的墨卡托投影法会使得更北和更南的区域显得越来越大，并且没有覆盖北极和南极。为了忠实地绘制整个地球，我们必须使用一系列地图，每张地图都只能覆盖一个有限的地区。这些地图彼此叠合，在叠合之处，它们就显示同样的地表景观。M理论与此类似，M理论中的各种理论看上去都非常不同，但都可以看作是同一个基础理论的某些方面。M理论网络中的每一个理论都能很好地描述一定范围的现象。在那些范围重叠之处，网络中的不同理论保持一致，因此它们都能被视为同一理论的一个部分。但是，在这个网络中没有任何一个单一的理论能够描述宇宙的方方面面——自然界中所有的力、受那些力作用的粒子以及时空完全演化的框架。

根据M理论，我们的宇宙不是唯一的宇宙。相反，M理论预测了许许多多的宇宙都无中生有地创造出来，它们的创生不需要某个超自然的存在或者神的介入。这些多重宇宙是物理定律自然地导致的，它们是科学的预测。在晚期，也就是在当今这样的宇宙创生已久的时期，每个宇宙都有了许多可能的历史以及许多可能的状态。大多数的状态将会非常不同于我们观测着的这个宇宙，也将会相当不适宜任何形式的生命存在。只有非常少数的宇宙允许像我们这样的生物存活。因而，我们的存在就从大量宇宙中将那些适宜我们生存的宇宙选择出来。请注意这里霍金对神的态度。在《时间简史》中霍金对神持怀疑态度，而在《伟大的设计》中，霍金则完全否定神的存在。存在之谜在传统上，这些问题是哲学问题，然而哲学死了。哲学已经跟不上科学尤其是物理学的现代发展。在我们探索知识的进程中，科学家已成为发现的火炬手。本书的目的就在于给出由新近的探索发现和理论进展提供的解答。它们带领我们走进一个描绘宇宙和人类在宇宙中所处位置的新图景，那个图景非常不同于传统图景，甚至也不同于我们在一二十年前所描绘的那个。不过，这个新概念的最初轮廓是可以追溯到几乎一个世纪以前的。即定律如何起源以及是否只有唯一可能的定律。我们将处理自然定律的描述为何这个问题。大多数科学家会说，它们是独立于观察者的外部实在的数学反映。但是当我们沉思我们对周围环境进行观察并形成概念的这种方式时，就会碰到这样的问题，我们真的有理由相信存在一个客观的实在吗？

几年前，意大利蒙扎市议会禁止宠物主人把金鱼饲养在曲面形的鱼缸里。这项措施的倡议者解释了其中的部分原因，他认为用曲面形鱼缸饲养金鱼非常残忍，因为当金鱼从鱼缸内向外凝望时，它看到的将是实在的一个失真景象。然而，我们又如何知道我们拥有的是关于实在的本真图景呢？我们难道就不会也存在于某个大型鱼缸当中，被一个巨大的透镜扭曲了视觉？金鱼的实在图景的确与我们的不同，但是我们就能确知它不够真实吗？对于自然定律，大多数科学家会说，它们是独立于观察者的外部实在的数学反映。但是当我们沉思我们对周围环境进行观察并形成概念的这种方式时，就会碰到这样的问题，我们真的有理由相信存在一个客观的实在吗？

相对论就是对客观实在多样性认识的一个例子。真有独立于意识之外的实在吗？那么，哪一个才是真实的，是托勒密体系还是哥白尼的体系呢？尽管人们通常认为哥白尼证实了托勒密的错误，但这不是事实。就像在我们的正常图景与金鱼的图景相比的情况下，我们可以使用任何一个图景作为宇宙模型一样，对于天空的观测，我们也可以通过假定地球或太阳中任何一个静止来解释。不管哥白尼体系在关于宇宙本性的哲学论争中扮演了何种角色，它的真正优势仅仅在于它比较简单，亦即在太阳静止的参照系中所建立的运动方程将更为简洁。托勒密的宇宙，地球位于中心。公元90年-公元168年，古希腊天文学家。

一个结论：不存在独立于图景或者理论之外的实在概念。依赖模型实在论严格实在论者常常主张说，科学理论代表实在的证据就是它们所取得的成功。但是，不同的理论也能够凭借根本不同的概念框架成功地描述同样的现象。事实上，许多已被证明为成功的科学理论随后也要被另一个基于实在全新概念的同样成功的理论所取代。乔治·贝克莱（1685年~1753年）甚至声称在思想和观念之外无物存在。按照依赖模型的实在论，追问模型是否真实毫无意，只能追问模型是否符合我们的观测。如果存在两种模型都能符合观测，就像金鱼的图景和我们的图景那样，我们就不能说一个比另一个更为真实。我们可以使用在所考虑情形中更为简便的那个。夸克。尽管不能观测到孤立的夸克，夸克的概念仍是我们基础物理理论中一个至关重要的元素。独立的夸克是找不到的，它们被紧闭在了质子和中子里面，它们之间的作用力随着距离的增加而迅速增大，根本无法从粒子中分离出来。至于夸克的内部结构，估计是下一个世纪的物理学难题。一个模型是一个好的模型，如果：1.它是优美的；科学理论的优美就意味着简洁。爱因斯坦说过，那就是一个理论应当尽可能简洁，直到不能更简洁为止。

2.不包含任意的、可调整的要素；3.符合并能解释现存的所有观测；4.能够详尽预言未来观测，如果预言不成立则可证伪模型。何为证伪？可以被证伪的理论或者命题才是科学的，否则就是非科学的。证伪即用任何想像到的事件来反驳掉科学原理。方法是猜测反驳法（波普提出）。可择历史AlternativeHistroies量子论，特别是称为可择历史的量子论方法。在那个观点下，宇宙不是仅有单一的存在和历史，而是以量子叠加的方式同时存在着任何一种可能的宇宙版本。量子物理提供了一个理解自然在原子和亚原子尺度如何运作的框架，但我们随后将更清楚地看到，它规定了一个完全不同的概念模式，其中物体的位置、路径甚至它的过去和未来都不能被精准地确定。诸如引力或者电磁力此类的量子理论正是建立在这种框架之内。1999年，一队物理学家在奥地利将一连串足球形状的分子射向一个障栏。那些分子的每一个都是由60个碳原子构成的，有时被称为巴克球，因为建筑师巴克明斯特·富勒曾经建造过那种形状的建筑物。富勒的网格穹顶可能是现有最大的足球状物体了。而巴克球则是最小的。科学家瞄准的障栏实际上有两道允许巴克球通过的狭缝，在障栏的后面，物理学家放置了一个相当于屏幕的东西来探测和计算穿过狭缝出现的分子。双缝足球。一位朝着墙上缺缝踢球的足球运动员制造出一个明显的图样。两缝同时打开时我们观测到的结果就是每一道缝各自打开时所观测到结果的总和。巴克足球。朝着屏幕上的狭缝发射分子足球，产生的图样反映了不同寻常的量子定律。打开两道缝隙与打开一道图样是不一样的。理查德·费因曼就曾写道，前文描述过的那类双缝实验“包含了量子力学的所有秘密”。这与戴维森—革末实验中通过每次一个的发射电子（或巴克球）所得到的图样非常相像。对物理学家而言，这是一个惊人的启示：如果单个粒子可以与自身发生干涉，那么光的波动本性就不只是一束光或者大量光子集合体才具有的性质而是每一个孤立粒子都具有的性质。当把诸如巴克球和电子这样的粒子射向狭缝，屏幕上就形成了干涉图样，费因曼的量子理论表述为解释其成因提供了一个新图景。

在双缝实验中，费因曼的观点就意味着，粒子要么只经过这一道狭缝或者只经过另外那一道狭缝；要么穿过了第一道狭缝后又折回来穿过第二道狭缝最后再次穿过第一道缺缝；要么它在拜访了提供咖喱大虾的餐馆后又绕着木星旋转几周才回到家中；要么甚至是穿越了宇宙又返转回来。费因曼的观点解释了粒子是如何得知狭缝的开合的——如果一道狭缝打开，粒子就穿过它，当双缝同时打开时，粒子穿过一道狭缝的飞行路径就会干扰它通过另一道狭缝的飞行路径，因而导致了干涉。这听起来也许太疯狂了，但是就今天大多数基础物理研究的目的而言——同时对于本书的目的来说——费因曼的表述已被证明比原先的更为有用。要采用费因曼的方法计算粒子从位置A出发终止于位置B的概率幅度，可以把连接A和B每一条路径相应的所有相位或者箭头加起来。因为存在着无穷多条路径，这使得数学计算有点复杂，但仍能完成。费因曼路径叠加。源自不同费因曼路径的效应会像波一样地彼此加强减弱。黄箭头代表了用来叠加的相位。蓝箭头代表它们的和，是从第一个箭头的尾部延伸至最后一个箭头顶点的一条直线。在下方那个图中，箭头指向不同的方向因而使得它们的和即蓝线非常短。从A至B的路径两点之间的经典路径是一条直线。它附近路径的相位倾向于彼此增强，而远离它的路径的相位则倾向于抵消。费恩曼图：用形象化的方法方便地处理量子场中各种粒子相互作用的图。理查德·费恩曼驾驶着一辆绘有费恩曼图的货车。艺术家表现的就是前面讨论过的那些图。尽管费恩曼1988年就去世了，但这辆货车仍在——储存于南加州的加州理工学院附近。万物之理宇宙最不可理解之处就是它是可理解的。

——爱因斯坦宇宙是可以理解的，因为它是受定律制约的。那就是说，宇宙的行为是能够模型化的。但是，定律或者模型指的又是什么呢？引力是使用数学语言描述的第一种力。牛顿的万有引力定律发表于1687年，它指出宇宙间每一个物体都吸引着其他任何物体，引力的大小与它的质量成比例。譬如说，圣经讲述了一个故事，约书亚祈祷太阳和月亮在它们的轨道上停止下来，以便他有额外的白昼结束与迦南之地的亚摩利人的战斗。据约书亚书记载，太阳静止了大约一天的时间。现在，我们知道那指的应该是地球停止了旋转。如果地球停止了旋转，根据牛顿定律，没有束缚在大地上的任何东西都将以地球的原初速度（在赤道处为每小时1100英里）保持运动——这是祈祷延迟日落所需付出的高昂代价。经典物理学和现代物理学告诉我们，宇宙运行的规律可以用定律描述。

尽管麦克斯韦的电磁学理论和爱因斯坦的引力论——广义相对论——两者都变革了物理学，但它们像牛顿自己的物理学一样都是经典理论。也就是说，它们都是描述宇宙有单一历史的模型。在原子和亚原子水平这些模型并不能与观测符合一致。相反，我们必须运用量子理论，宇宙可以有任何可能的历史，每个历史都具有其自身的强度或者概率幅度。选择宇宙

如此这般的创世神话都试图解答我们在本书中提出的问题：宇宙何存在，并且宇宙为何如此？在从古希腊以来的若干个世纪里，我们解答这些问题的能力得到了稳步增长，特别是在过去的上一个世纪得到了最为显著的提升。

按照旧约的说法，上帝在创世后仅六天就创造了亚当和夏娃。厄舍尔主教（1625年至1656年间全爱尔兰的大主教），他把世界的起源时间确定得甚至更为精准，认为是公元前4004年10月27日早上9点。然而，我们将采纳一种不同的观点：人类是一个新近的创造，但宇宙本身却起源得很早，大约于137亿年前。宇宙具有开端的第一个实际的科学证据出现于20世纪20年代。在那个时候大多数科学家都相信宇宙是稳态的并且一直存在着。相反的证据是间接的，它基于埃德温·哈勃凭借在加州帕萨德纳附近威尔逊山上的100英寸望远镜所做的观测。通过分析星系放射的光谱，哈勃断定了几乎所有的星系都在远离我们，并且距离我们越远就移动得越快。在1929年，他发表了一个涉及星系退移速率和星系距离我们远近两者关系的定律，同时得出了宇宙正在膨胀的结论。*宇宙大爆炸和微波背景辐射

事实上，假如我们逆推到遥远的过去，宇宙中所有的物质和能量将会集中在一个具有无法想象的密度和温度的非常狭小的区域内，同时如果我们回溯得足够远，将会有这样一个时刻，万物在那时开端——现在我们把这个事件称为大爆炸。

1931年由剑桥大学天文学家亚瑟·爱丁顿阐发的。爱丁顿把宇宙描画成一个正在膨胀的气球的表面，把所有星系看成气球表面上的点。这个图景清晰地说明了远方星系比近处星系退移得更快的原因。举例来说，如果气球半径每小时翻一倍，那么气球上任意两个星系的距离也每小时翻一倍。假设在某个时刻，两个星系相距1英寸，一小时后将会相距2英寸，它们看起来就像是在以每小时1英寸的速度彼此相对运动。然而，如果它们开始时相距2英寸，一小时后就会离开4英寸，看起来就像是在以每小时2英寸的速度彼此分来。那正是哈勃所发现的事实：星系距离我们越远，它就远离我们更快并非所有人都喜欢大爆炸的图景。实际上，“大爆炸”这个术语是1949年由剑桥的一位天体物理学家弗雷德·霍伊尔杜撰出来的，他信奉一个永远膨胀的宇宙，并把这个术语用作一个嘲讽的表达。支持大爆炸观点的第一个直接的观测结果要迟至1965年才出现，那个观测发现存在着一个暗淡的微波背景遍布宇宙。这种宇宙微波背景辐射，或简称CMBR，与你微波炉里的辐射是一样的，但是还要更为微弱。打开电视机调到一个不用的频道，你自己就能观察到CMBR——你在屏幕上看到的雪花点中有百分之几就是它导致的。

CMBR是大爆