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版权信息
译者序
前言
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 虫洞和时间旅行
第十一章 物理学的统一
第十二章 结论 阿尔伯特·爱因斯坦
伽利略·伽利雷
艾萨克·牛顿
小辞典 感谢
译者序
宇宙学是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙中高等生物的人类不满足于自身的生存和种
族的绵延,还一代代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-托勒密地心说到哥白尼-伽利略日心说的演化就花了大约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,只有到了20世纪20年代哈勃发现
了红移定律后,宇宙演化的观念才进入人类的意识。在此之前,人们甚至从未想到过宇宙
还会演化。无论是牛顿的万有引力理论还是爱因斯坦的广义相对论都不能得到稳态的宇宙
模型。为了得到一个这样的模型,爱因斯坦甚至不惜牺牲理论的美丽,将宇宙常数引进他
的方程。可见宇宙演化的观念并非产生于这些天才的头脑之中。
哈勃的发现标志着现代宇宙学的诞生。他的红移定律说,从星系光谱的红移可以推
断,越远的星系以越快的速度飞离开我们,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200亿年之前发生过一次开天辟地的大爆炸,宇宙就从这个极其
紧致极热的状态中诞生。伽莫夫在1948年发表的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的周围,不过由于宇宙膨胀引起的红移,其绝 对温度只余下几度了。在这种温度下,辐射处于微波的波段。然而,在1965年彭齐亚斯和 威尔逊观测到宇宙微波背景辐射之前,人们并不认真对待这个预言。
一般认为,爱因斯坦的广义相对论是描述宇宙的正确理论。在经典广义相对论的框架
中,霍金和彭罗斯,在很一般的条件下,证明了时空一定存在奇点,最著名的奇点即是黑
洞里的奇点和宇宙大爆炸处的奇点。所有定律和可预见性都在奇点处失效。奇点可以看做
时空的边缘或边界。只有给定了奇点处的边界条件,才能从爱因斯坦方程得出宇宙的演
化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主给定,所以宇宙的命运就操纵在造物主手中。这
就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题。
如果时空没有边界,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个基态,而时空可被看成是一个有限无界的四维
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起源于量子力
学的不确定性原理允许的最小起伏。从一些简单的模型计算可得出和天文观测相一致的推
论,如星系团、星系、恒星等成团结构,宇宙大尺度的均匀性和各向同性,时空的平性,
时空的维数,太初引力波和太初黑洞,以及时间的箭头等。霍金的量子宇宙学在于它真正
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学家。
20世纪70年代他和彭罗斯一道证明了著名的奇点定理。之后他还证明了黑洞的面积定 理,即随着时间增加黑洞的表面积不减。这很自然地使人将这面积和热力学的熵联想起
来。
1973年,他考虑黑洞附近的量子效应,发现黑洞会像黑体那样发出辐射。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极其基本的意义,它将引力、量子力学和热力学
统一在一起。
1974年以后,他的研究转向量子引力论。他利用费恩曼的对历史求和方法,自然地处 理时空的非平凡的拓扑效应,开创了引力热力学。
1980年,他的兴趣转向量子宇宙学,研究宇宙的无中生有的创生机制,企图一劳永逸 地解决第一推动问题。
霍金的生平是非常富有传奇性的。在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之 一,而他的贡献是在他20年之久被肌萎缩性(脊椎)侧索硬化症禁锢在轮椅上的情形下做 出的,这真正是空前的。因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响,所以媒体对他早已 广为报道。尽管如此,译者之一于1979年第一回见到他时的情景至今还历历在目。那是第
一次参加他领导的小组的讨论班时,门打开后,忽然脑后响起一种非常微弱的电器的声
音,回头一看,只见一个骨瘦如柴的人斜躺在电动轮椅上,他自己驱动着电开关。译者尽
量保持礼貌而不显出过分吃惊,但是他对首次见到他的人对其残废程度的吃惊早已习惯。
他要很费劲才能抬起头来。在失声之前,他只能用非常微弱的变形的语言交流,这种语言
只有在陪他工作、生活几个月后才能通晓。他不能写字,看书必须依赖于一种翻书页的机
器,读
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