問蒼茫宇宙，誰主沉浮█霍金教你建立科學宇宙觀
問蒼茫宇宙
誰主沉浮
霍金教你建立科學宇宙觀
文/新哲學
「我希望人們不是因為把我當成身殘志堅的榜樣才去讀《時間簡史》……我希望《時間簡史》可以激發人們對宇宙的興趣。」
史蒂芬·威廉·霍金
「宇宙從何而來，又將向何處去？宇宙有開端嗎？如果有的話，在這開端之前發生了什麼？時間的本質是什麼？它會有一個終結嗎？在物理學上的一些最新突破，使一部分奇妙的新技術得以實現，從而對於回答這些長期以來懸而未決問題中的某些問題有所啟發。也許有一天這些答案會像我們認為地球繞著太陽運動那樣顯而易見——當然也可能像烏龜塔那般荒唐可笑。不管怎樣，唯有讓時間來判斷了。 」（摘自《時間簡史》）
關於霍金生平，這裡不多加贅述，簡而言之，他是本行星上最古老的學術組織——皇家學院的成員之一，在科學家裡，他被相當一部分人看作是狄拉克和愛因斯坦的繼承者。
狄拉克和愛因斯坦，一個探索至極小，一個探索至極大。狄拉克是量子力學的重要貢獻者之一，主要研究真空中的量子漲落以及電子內部的情形，他的公式有符咒般的效力，能夠描述出正電子（即反電子）與電子的轉換定理，幾乎向人類表明這樣一個奇怪的邏輯：其實可以從虛空中借來能量，只要償還的速度夠快（可參考BBC專題片《虛無》）。愛因斯坦則主要是肯定和描述了：一，正如不存在絕對空間，時間也不是絕對的；二，引力實際上是空間的扭曲；三，得出質量與能量的轉換公式。
霍金試圖將兩位前輩分別取得的成就整合起來，當然了，實際的貢獻者遠不止這兩人，而霍金的所有理論，也並非全然由其一人完成。霍金的理想，是求得一個能夠解釋宇宙萬物生滅演化的最基本理論——萬物理論。因此《時間簡史》也可以被看作是一部基礎科學的簡史。
光速不能被超越的原因
「以10％光速運動的物體，質量只比原先增加了0.5％，而以 90％光速運動的物體，其質量變得比正常質量的兩倍還多。如果不斷接近光速，它的質量會上升得越來越快，它需要越來越多的能量才能進一步加速上去。實際上它永遠不可能達到光速，因為那時質量會變成無限大，而由質量能量等價原理，這就需要無限大的能量才能做到。由於這個原因，相對論限制任何正常的物體永遠以低於光速的速度運動。只有光或其他沒有內稟質量的波才能以光速運動。」
因此，「飛船的速度越接近光速，用以對它加速的火箭功率就必須越來越大。對此我們已有實驗的證據，但不是空間飛船的經驗，而是在諸如費米實驗室或者歐洲核子研究中心的 粒子加速器中的基本粒子的經驗。我們可以把粒子加速到光速的99．99％，但是不管我們注入多少功率，也不能把它們加速到超過光速壁壘。空間飛船的情形也是類似的：不管火箭有多大功率，也不可能加速到光速以上。」
時間的本質
《時間簡史》開篇就提出了「宇宙有無開端」以及「時間的本質是什麼」這樣嚴肅而奇妙的問題。為此，霍金在敘述歷代智者對這類問題的看法時，巧妙地藉助神學為普通人開啟了一種更為高級而複雜的思維形式。
「根據一些早先的宇宙論和猶太人／基督教／穆斯林傳統， 宇宙開端於有限的、並且不是非常遠的過去的某一時刻。對這樣一個開端，有一種議論是感到必須有』第一原因』來解釋宇宙的存在。（在宇宙中，你總可以將一個事件解釋為由於另一個更早的事件所引起的，但是宇宙本身的存在只有當存在某個開端時才能被解釋。）另一種論證是聖·奧古斯丁在他的《上帝之城》的著作中提出的。他指出，文明在進步，我們將記住創造這些業績和發展技術的人們……（並）根據《創世紀》一書，接受公元前5000年作為宇宙的被創生的時間。（有趣的是，這和上一次的冰河時間的結束，大約公元前10000年相距不遠。考古學家告訴我們，文明實際上是從那時開始的。）另一方面，亞里士多德和大多數其他希臘哲學家不喜歡創生的思想，因為它帶有太多的神學干涉的味道。所以他們相信，人類及其周圍的世界已經並且將繼續永遠存在。古代的人們已經考慮到上述的文明進步的論點，用周期 性洪水或其他災難的重複出現，使人類回到文明的開初，來回答上面的話難。 」
「1781年，哲學家伊曼努爾·康德發表了里程碑般的（也是非常模糊的）著作——《純粹理性批判》，在這本書中，他深入地考察了關於宇宙在時間上是否有開端、空間上是否有極限的問題。他稱這些問題為純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因為他感到存在同樣令人信服的論據，來證明宇宙有開端的正命題，以及宇宙已經存在無限久的反命題。他對正命題的論證是：如果宇宙沒有一個開端，則任何事件之前必有無限的時間。他認為這是荒謬的。他對反命題的論證是：如果宇宙有一開端，在它之前（同樣）必有無限的時間，為何宇宙必須在某一特定的時刻開始呢？事實上，他對正命題和反命題用了同樣的論證。它們都是基於他的隱含的假設，即不管宇宙是否存在了無限久，時間均可無限地倒溯回去。（然而）我們將會看到，在宇宙開端之前時間概念是沒有意義的。這一點是聖·奧 古斯丁首先指出的。當他被問及：上帝在創造宇宙之前做什麼？奧古斯丁沒有這樣地回答：他正為問這類問題的人準備地獄。而是說：時間是上帝所創造的宇宙的一個性質，在宇宙開端之前不存在。 」
所以時間是宇宙的一個性質。接下來問題的重點就落在了「宇宙有無開端」上。而在回答這個問題之前，霍金先回答了另一個問題：宇宙之外有什麼。他用廣義相對論推導出了答案。
「在廣義相對論中……空間和時間變成為動力量：當一個物體運動時，或一個力起作用時，它影響了空間和時間的曲率；反過來，時空的結構影響了物體運動和力作用的方式。空間和時間不僅去影響、而且被發生在宇宙中的每一件事所影響。正如一個人不用空間和時間的概念不能談宇宙的事件一樣，同樣在廣義相對論中，在宇宙界限之外講空間和時間是沒有意義的。 」
並因此回答了上一個問題，「從愛因斯坦廣義相對論可推斷出，宇宙必須有個開端，並可能有個終結。」
那麼，宇宙從哪裡開始？
微觀世界
很久以前，人類就在探索組成物質的基本元素。從水、火、土、風這種神秘而簡樸的富有感性色彩的論述，到絕對理性的原子論，再到一切都無法確定的量子論，經歷了漫長的過程。最終，海森堡不確定性原理告訴我們，波和粒子只是用來描述我們觀察到的現象，不能稱之為實體。實體可能僅僅是能量，或一種像弦一樣的極短的波。也就是說，人類探索到最後，發現實際上除了能量，什麼都不存在。所以量子理論實際上使科學家從研究物質組成，變成為研究能量的強弱與反應，比如光（波與粒子）的干涉。這個過程實際上是非常艱辛曲折的。
「本世紀初（二十世紀），人們認為原子（內部結構）和行星繞著太陽公轉相當類似，電子（帶負電荷的粒子） 繞著帶正電荷的中心的核轉動。正電荷和負電荷之間的吸引力被認為是用以維持電子的軌道，正如同行星和太陽之間的萬有引力用以維持行星的軌道一樣。麻煩在於，在量子力學之前，力學和電學的定律預言，電子會失去能量並以螺旋線的軌道落向並最終撞擊到核上去。這表明原子（實際上所有的物質）都會很快地坍縮成一種非常緊密的狀態。」（《時間簡史》中關於核衰變的描述）
顯然，並不是所有物質都會「很快地坍縮成一種非常緊密的狀態」，這說明過去關於原子的理論是有問題的。量子力學被引入之後，科學家們才轉過來腦筋，原來「一個繞核運動的電荷可看成一種波，其波長依賴於其速度。對於一定的軌道，軌道的長度對應於整數（而不是分數）倍電子的波長。對於這些軌道，每繞一圈波峰總在同一位置，所以波就互相迭加；這些軌道對應於玻爾的可允許的軌道。然而，對於那些長度不為波長整數倍的軌道，當電子繞著運動時，每個波峰將最終被波谷所抵消；這些軌道是不能允許的。 」
意思就是說，大自然為每一個原子中繞核運動的電子預設了軌道，只要我們將運動中電子看成是波，而不是當作粒子對待的話，就會觀察到其軌道長度一定是波長的整數倍，這是非常神奇的事情。由於技術的不斷進步，科學家對原子內部各組成部分的研究開始深入。直至上世紀二三十年代，科學界依然認為原子核是由質子組成，1932年詹姆斯·查德威克年發現，原子核還包含稱為中子的粒子，中子幾乎具有和質子一樣大的質量但沒有帶電荷，他因此獲得了諾貝爾獎。同年，狄拉克提出的「反電子」被發現，他因此獲得次年諾獎。
「現在我們知道，任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子。（對於攜帶力的粒子，反粒子即為其自身。）也可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否則，你們兩人都會在一個巨大的閃光中消失殆盡。」
乾貨：1500字宇宙史——權威背書，值得信賴
在微觀世界建立量子力學理論並發現「反電子」的同時，宏觀世界則探索到了大爆炸和黑洞，它們分別預示著宇宙萬物的起源和終結。在《時間簡史》中有一段相當精彩的部分，是在描述大爆炸時發生的事情：
「就在大爆炸時，宇宙體積被認為是零，所以是無限熱……爆炸後的1秒鐘，溫度降低到約為100億度，這大約是太陽中心溫度的1千倍，亦即氫彈爆炸達到的溫度。此刻宇宙主要包含光子、電子和中微子（極輕的粒子，它只受弱力和引力的作用）和它們的反粒子，還有一些質子和中子。 隨著宇宙的繼續膨脹，溫度繼續降低，電子/反電子對在碰撞中的產生率就落到它們湮滅率之下。這樣只剩下很少的電子，而大部分電子和反電子相互湮滅，產生出更多的光子。然而，中微子和反中微子並沒有互相湮滅掉， 因為這些粒子和它們自己以及其他粒子的作用非常微弱，所以直到今天它們應該仍然存在。如果我們能觀測到它們，就會為非常熱的早期宇宙階段的圖象提供一個很好的證據。可惜現今它們的能量太低了，以至於我們不能直接地觀察到。然而，如果中微子不是零質量，而是如蘇聯在 1981 年進行的一次沒被證實的實驗所暗示的，自身具有小的質量，我們則可能間接地探測到它們。正如前面提到的那樣，它們可以是』暗物質』的一種形式，具有足夠的引力吸引去遏止宇宙的膨脹，並使之重新坍縮。 」
「在大爆炸後的大約100秒，溫度降到了10億度，也即最熱的恆星內部的溫度。在此溫度下，質子和中子不再有足夠的能量逃脫強核力的吸引，所以開始結合產生氘（重氫）的原子核。氘核包含一個質子和一個中子。 然後，氘核和更多的質子中子相結合形成氦核，它包含二個質子和二個中子，還產生了少量的兩種更重的元素鋰和鈹。1948 年，科學家喬治·伽莫夫和他的學生拉夫·阿爾法在合寫的一篇著名的論文中，第一次提出了宇宙的熱的早期階段的圖像……此論文中作出了一個驚人的預言：宇宙的熱的早期階段的輻射（以光子的形式）今天還應在周圍存在，但是其溫度已被降低到只比絕對零度（一 273℃）高几度。這正是彭齊亞斯和威爾遜在 1965 年發現的輻射……所以，我們相當確信，至少一 直回溯到大爆炸後大約一秒鐘為止，這個圖像是正確無誤的。」
「大爆炸後的幾個鐘頭之內，氦和其他元素的產生就停止了。之後的100萬年左右，宇宙僅僅只是繼續膨脹， 沒有發生什麼事。最後，一旦溫度降低到幾千度，電子和核子不再有足夠能量去抵抗它們之間的電磁吸引力，它們就開始結合形成原子。宇宙作為整體，繼續膨脹變冷，但在一個略比平均更密集的區域，膨脹就會由於額外的引力吸引而慢下來。在一些區域膨脹會最終停止並開始坍縮。當它們坍縮時，在這些區域外的物體的引力拉力使它們開始很慢地旋轉；當坍縮的區域變得更小，它會自轉得更快——正如在冰上自轉的滑冰者，縮回手臂時會自轉得更快；最終，當這些區域變得足夠小，自轉的速度就足以平衡引力的吸引，碟狀的旋轉星系就以這種方式誕生了。另外一些區域剛好沒有得到旋轉，就形成了叫做橢圓星系的橢球狀物體。這些區域之所以停止坍縮是因為星系的個別部分穩定地繞著它的中心旋轉，但星系整體並沒有旋轉。 」
「隨著時間流逝，星系中的氫和氦氣體被分割成更小的星雲，它們在自身引力下坍縮。當它們收縮時，其中的原子相碰撞，氣體溫度升高，直到最後，熱得足以開始熱驟變反應。這些反應將更多的氫轉變成氦，釋放出的熱升高了壓力，因此使星雲不再繼續收縮。正如同我們的太陽一樣，它們將氫燃燒成氦，並將得到的能量以熱和光的形式輻射出來。它們會穩定地在這種狀態下停留一段很長的時間。質量更大的恆星需要變得更熱，以去平衡它們更強的引力，使得其核聚變反應進行得極快，以至於它們在1億年這麼短的時間裡將氫用光。然後，它們會稍微收縮一點。當它們進一步變熱，就開始將氦轉變成像碳和氧這樣更重的元素。但是，這一過程沒有釋放出太多的能量，所以正如在黑洞那一章描述的，危機就會發生了。人們不完全清楚下面還會發生什麼，但是看來恆星的中心區域會坍縮成一個非常緊緻的狀態，譬如中子星或黑洞。恆星的外部區域有時會在叫做超新星的巨大爆發中吹出來，這種爆發會使星系中的所有恆星相形之下顯得黯淡無光。一些恆星接近生命終點時產生的重元素就拋回到星系裡的氣體中去，為下一代恆星提供一些原料。我們自己的太陽包含大約2％這樣的重元素，因為它是第二代或第三代恆星，是由50億年前從包含有更早的超新星的碎片的旋轉氣體雲形成的。雲里的大部分氣體形 成了太陽或者噴到外面去，但是少量的重元素集聚在一起，形成了像地球這樣的、現在繞太陽公轉的物體。 」
蟲洞與時空旅行
除此之外，霍金還提出了蟲洞的概念，並對弦理論及「虛時間」等概念作了說明。篇幅原因，不一一舉出，有興趣的朋友可以讀原著。
由於光速不能被超越，所以「也許可以把時空捲曲起來，使得A和B之間有一近路。在A和B之間創造一個蟲洞就是一個法子。顧名思義，蟲洞就是一個時空細管，它能把兩個幾乎平坦的相隔遙遠的區域連接起來。」
事實上，「時空不同區域之間的蟲洞的思想並非科學幻想作家的發明，它的起源是非常令人尊敬的。1935年愛因斯坦和納珍·羅森寫了一篇論文。在該論文中他們指出廣義相對論允許他們稱為』橋』，而現在稱為蟲洞的東西。（儘管）愛因斯坦——羅森橋不能維持得足夠久，使得空間飛船來得及穿越：蟲洞會縮緊，而飛船撞到奇點上去。然而有人提出，一個先進的文明可能使蟲洞維持開放。人們可以把時空以其他方式捲曲，使它允許時間旅行。可以證明這需要一個負曲率的時空區域，如同一個馬鞍面。通常的物質具有正能量密度，賦予時空以正曲率，如同一個球面。所以為了使時空捲曲成允許旅行到過去的樣子，人們需要負能量密度的物質。」
只不過，「能量有點像金錢：如果你有正的能量，就可以用不同方法分配，但是根據本世紀初相信的經典定律，……然而……量子定律已經超越了經典定律。量子定律是以不確定性原理為基礎的。量子定律更慷慨些，只要你總的能量是正的，你就允許從 一個或兩個賬號透支。換言之，量子理論允許在一些地方的能量密度為負，只要它可由在其他地方的正的能量密度所補償，使得總能量保持為正的。」
由於「我們認為是』空』的空間也充滿了虛粒子和虛反粒子對（指真空中的量子漲落），它們一起出現分離開，再返回一起並且相互湮滅。（因此）假定人們有兩片距離很近的平行金屬板……當它們之間的距離是虛光子波長（相鄰波峰之間的距離）的整數倍時，這些虛光子才會在平板之中的空間出現。如果是波長的整數倍再加上部分波長，那麼在前後反射多次後，一個波的波峰就會和另一個波谷相重合，這樣波動就被抵消了。因為平板之間的虛光子只能具有共振的波長，所以虛光子的數目比在平板之外的區域要略少些，在平板之外的虛光子可以具有任意波長。所以人們可以預料到這兩片平板遭受到把它們往裡擠的力。實際上已經測量到這種力。並且和預言的值相符。這樣，我們得到了虛粒子存在並具有實在效應的實驗證據。 在平板之間存在更少虛光子的事實意味著它們的能量密度比它處更小。但是在遠離平板的』空的』空間的總能量密度必須為零，因為否則的話，能量密度會把空間捲曲起來，而不能保持幾乎平坦。這樣，如果平板間的能量密度比遠處的能量密度更小，它就必須為負的。……（因此）我們對以下兩種現象都獲得了實驗的證據。第一，從日食時的光線彎折得知時空可以被捲曲。第二， 從卡西米爾效應得知時空可被彎曲成允許時間旅行的樣子。所以，人們希望隨著科學技術的推進，我們最終能夠造出時間機器。」
尾聲
以上是霍金這本書的主要內容，讀者可藉此初步地了解宇宙，包括對萬物的構成、演變與始終等問題，都可以從中找到答案或最新的線索，對我們建立科學的宇宙觀有著極大的幫助。當我們理解了原子內部的奇異世界，認識到虛無中還有隱秘的能量，並模擬出大爆炸（始）和黑洞（終）的情景，我們對自身的處境也許會有新的看法。在靠智力爭取生存空間的時代（從現代戰爭被稱之為信息化戰爭可見一斑），如果缺乏科學的宇宙觀，人的理性思維就會失去基準。科學的宇宙觀是幫助我們脫離當下的處境看清問題的必要前提，比如對時間和空間、物質和生命、以及自我意識的存在等重要問題的態度，都取決於是否科學的理解宇宙（外部世界）和自身（內在世界），如果人類熱衷於物質卻對宇宙和生命感到麻木，那麼他對物質的愛則應當被理解為貪婪，因為這對宇宙和生命本身毫無益處。換言之，上帝絕不會因為生命體對物質的索取心而創造出物質和生命來。反言之，向宇宙自然的探索不是為了索取物質利益，而是一切高級生命都應當具有的獨特慾望——求知慾。
沒有不死的人，在有限的時間裡，總想知道無限多的秘密，對永恆不變的基本定律的探尋，所留下的行行足跡和累累成果，大概是人類迄今罕見的純粹而美好的記憶。
最後，附上原書結尾的一段話，這樣做不是為了偷懶，只是覺得沒有比這更好的總結了。
「迄今，大部分科學家太忙於發展描述宇宙為何物的理論，以至於沒工夫去過問為什麼的問題。另一方面，以尋根究底為己任的哲學家不能跟得上科學理論的進步。在 18 世紀，哲學家將包括科學在內的整個人類知識當作他們的領域，並討論諸如宇宙有無開初的問題。然而，在19和20世紀，科學變得對哲學家，或除了少數專家以外的任何人而言，過於技術性和數學化了。哲學家如此地縮小他們的質疑的範圍，以至於連維特根斯坦——這位本世紀最著名的哲學家都說道：「哲學僅餘下的任務是語言分析。」這是從亞里士多德到康德以來哲學的偉大傳統的何等的墮落！然而，如果我們確實發現了一套完整的理論，它應該在一般的原理上及時讓所有人（而不僅僅是少數科學家）所理解。那時，我們所有人，包括哲學家、科學家以及普普通通的人，都能參加為何我們和宇宙存在的問題的討論。如果我們對此找到了答案，則將是人類理智的最終極的勝利——因為那時我們知道了上帝的精神。」
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