斯蒂芬·霍金传

宇宙的起源和霍金的宇宙论

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在今天,我们对宇宙的描述都是基于两个理论:爱因斯坦的广义相对论和量子力学,霍金对于宇宙的描述就是基于后者。

关于宇宙,中国有“上下四方曰宇,古往今来曰宙”的说法,“宇宙”就是无限的空间和时间。早在人类的远古时期,就有学者提出关于我们生活的宇宙的种种学说和设想。最早的时候,人们认为自己生存在一个“天圆地方”的世界当中,直至公元前340年,古希腊哲学家亚里士多德在他的著作《天问》中,指出地球是一个球而非平板。1514年,哥白尼提出了日心说,人们对宇宙的认识更近一步。1609年,开普勒修正了哥白尼的日心说,对行星的运行轨道的认知由正圆矫正为椭圆。到了1687年,牛顿出版了《自然哲学的数学原理》,在这一书中,他完美地解释了时间和空间的运动理论,还提出了著名的万有引力定律。然而,这些理论只是探讨了宇宙的日常形态,关于宇宙的开端和演化却一直没有出现著名的学术作品和成果。

直到1781年,康德发表了《纯粹理性批判》这部哲学著作,在书中,他提出并探讨了宇宙之中时间是否有开端、空间是否存在界限的问题。为此,康德提出了一个矛盾的命题:假如宇宙是没有开端的,那么在宇宙当中,任何事情在发生之前必然是存在无限的时间(也可以说是在无限的时间当中,任何事情一直存在着,直到其发生)。当然,康德认为这是很荒谬的。在这个命题的基础之上,还存在一个反命题:假如宇宙有一个开端,那么在这个开端之前一定会存在着无限的时间,但是既然在开始之前就已经存在了时间,那么宇宙为什么要在一个特定的时刻才开始呢?这就如同奥古斯丁的疑问:上帝创造宇宙之前在做什么?1929年,哈勃做出一个具有重大意义的观测:不论从哪个方向观测,所有的星系都在离我们飞奔而去,越来越远。这就为后来的宇宙爆炸论和宇宙膨胀学说提供了重要依据。1927年,比利时数学家勒梅特提出了“大爆炸宇宙论”,到1948年,美国物理学家伽莫夫对宇宙爆炸进行了详细的描述和勾勒,包括爆炸后的宇宙元素的演化、星球的形成、恒星的出现、生命的诞生等。

1915年,爱因斯坦提出广义相对论,他的这一理论成为现代宇宙学的理论工具。根据广义相对论,宇宙是一个体积有限但是没有边界的静态弯曲封闭体。20世纪80年代初,科学家们创建了宇宙膨胀模型,指出现阶段宇宙正在以指数的形式不断膨胀。但是关于宇宙,人类一直没有解决一个问题——“第一推动”,而这个问题后来被霍金完美地解决了。

关于“第一推动”问题,如果用霍金的话来描述,就是“先有鸡还是先有蛋”的问题。牛顿的力学解释了宇宙的运动和发展,作为古典力学的奠基人,牛顿在唯物主义的指导下创立了万有引力。根据爱因斯坦的广义相对论,宇宙的开端必然要存在着一个大爆炸的奇点,而奇点的密度和质量都是无限大的,这一点符合牛顿的力学理论。根据牛顿第一定律,奇点总是会保持一种恒速的运动状态——静止或者匀速直线运动,直到它遇到外力被迫静止或改变这种状态。也就是说,若是没有外力的推动,奇点将会保持匀速运动或者静止的状态不变。但是,在宇宙爆炸的奇点之处,所有的已知科学定律都是失效的,大爆炸理论也是如此。不过奇点本身却是实实在在存在的,所以,我们可以知道,宇宙之所以能够出现,是因为奇点大爆炸有外力推动,这个外力就是科学家所说的宇宙第一推动力。但关于宇宙第一推动力来自哪里,是怎样产生的,牛顿一直无法找到科学的答案和解释,由于晚年信奉基督教,他便将这第一推动力归结于上帝。

真正解决第一推动力问题的是霍金,他提出了无边界条件的量子宇宙论。宇宙大爆炸理论是建立在两个建设之上的:物理学定律的普遍适用性和宇宙学原理(宇宙学原理是指宇宙在大尺度上,它的物理、化学性质的指数在不同的方向完全相同,即物理学当中的各项同性)。基于这一假设,科学家们又重新面对着第一推动力的问题。霍金的宇宙论则指出,宇宙的诞生是“从一个欧氏空间向洛氏时空的量子转变”,欧氏空间是一个特别的度量空间,可以简单地理解为一个不被扭曲的完美平面空间。霍金理论中,欧式空间是一个四维球。洛氏时空则是宏观的、宇宙的,是一个从A到B,从无到有的过程。广义相对论中,时间的起始时刻一定会有一个奇点,但是霍金认为,宇宙是一个无边界、没有奇点的闭合系统,它处在一个膨胀、收缩,再膨胀、再收缩的无限循环当中。

另外,关于宇宙的起源,霍金还有一个更加大胆的观点。他认为,我们所生活的宇宙以及其他可能存在的平行宇宙很有可能是从一个更大的母宇宙当中产生出来的。从远处来看,母宇宙就像安静的大海一样风平浪静,但是从近处看却会发现,它其实充斥了沸腾的量子,在不停地涨落。一个个张开的“虫洞”将不同的宇宙泡连接起来,而虫洞的或张开或关闭的结果就是会改变不同的场方程(场方程是描述场的运动规律的方程,例如场观念的典型代表是电场和磁场)中出现的自然常数(自然常数e,约为2.71828,是一个无限不循环小数)。宇宙波函数(波函数是概率波,其模的平方代表粒子在该处出现的概率密度,在量子力学中是描写微观系统状态的函数)破裂为很多项,不同的项中,自然常数因为概率的不同而出现不同的数值,因而就有了我们生活的宇宙。