猪哼哼 发表于 2007-8-30 00:03

十、黑洞的量子力学


  本世纪的最初三十年出现了三种理论,它们激烈地改变人们对物理和实在本身的观点。物理学家们仍然在探讨它们的含义以及尝试把它们调适在一起。这三种理论是狭义相对论(1905年)、广义相对论(1915年)以及量子力学理论(大约1926年)。阿尔伯特·爱因斯坦是第一种理论的主要创建者,是第二种理论的单独创建者,并且在第三种理论的发展中起过重要的作用。因为量子力学具有随机的和不可确定性的因素,所以爱因斯坦从未接受它。他的态度可用他经常被引用的"上帝不玩弄骰子"的陈述来总结。然而,由于不管是狭义相对论还是过子力学都能够描述可被直接观察的效应,所以绝大多数物理学家欣然同意,接受它们。而另一方面,由于广义相对论似乎在数学上过于复杂,不能在实验室中得到检验,而且是似乎不能和量子力学相协调的纯粹经典的理论,所以它在大部分场合没有受到理会。这样,在几乎半个世纪的岁月里,广义相对论一直处于沉闷的状态。

  作者注:此文于1977年1月发表在《科学美国人》上。

  从本世纪六十年代初开始的天文观测的伟大扩展,发现了许多新现象,诸如类星体、脉冲星和紧致的X射线源。这一切表明非常强大的引力场的存在,这种引力场只能由广义相对论来描述,所以对广义相对论的经典理论的兴趣又被重新唤起。类星体是和恒星相似的物体,如果它们处于由它们的光谱的红化所标志的那么遥远的地方,则必须比整个星系还要亮好几倍。脉冲星是超新星爆发后快速闪耀的残余物,它被认为是超密度的中子星。紧致的X射线源是由外空飞行器上的仪器所揭示的,也可能还是中子星或者是具有更高密度的假想的物体,也就是黑洞。

  物理学家在把广义相对论应用到这些新发现的或者假想的物体时,所要面临的一个问题是,要使它和量子力学相协调。在过去的几年中有了一些发展,使人们产生了一些希望,也就是不必等太久的时间我们将获得一种完全协调的量子引力论,这种理论对于宏观物体和广义相对论相一致,而且可望避免那种长期折磨其他量子场论的数学上的无穷大。这些发展就是最近发现的和黑洞相关的某些量子效应,它们为在黑洞和热力学定律之间提供了令人注目的联结。

  让我简述一下黑洞是如何产生的。想象一颗具有十倍太阳质量的恒星。在它的大约十亿年寿命的大部分时间里,该恒星在其中心把氢转化成氦而产生热。释放出的能量会产生足够的压力,以支持该恒星去抵抗自身的引力,这就产生了半径约为太阳半径五倍的物体。从这种恒星表面的逃逸速度大约是每秒一千公里。也就是说,一个以小于每秒一千公里的速度从该恒星表面点火垂直上升的物体,会被恒星的引力场拖曳回到表面上来,而具有更大速度的物体会逃逸到无穷远去。

  当恒星耗尽其核能,那就没有东西可维持其向外的压力,恒星就由于自身的引力开始坍缩。随着恒星收缩,表面上的引力场就变得越来越强大,而逃逸速度就会增加。当它的半径缩小到三十公里,其逃逸速度就增加到每秒三十万公里,也就是光的速度。从此以后,任何从该恒星发出的光都不能逃逸到无穷远,而只能被引力场拖曳回来。根据狭义相对论,没有东西可能比光旅行得更迅速。这样,如果光都不能逃逸,别的东西就更不可能。

  其结果就是一颗黑洞:这是时空的一个区域,从这个区域不可能逃逸到无穷远。黑洞的边界被称作事件视界。它对应于从恒星发出的刚好不能逃逸到无穷远的,而只能停留在施瓦兹席尔德半径处徘徊的光线的波前。施瓦兹席尔德半径为2GM/√c,这里G是牛顿引力常数,M是恒星质量,而c是光速。对于具有大约十倍太阳质量的恒星,其施瓦兹席尔德半径大约为二十公里。

  现在有了相当好的观测证据暗示,在诸如称为天鹅X-1的双星系统中存在大约这个尺度的黑洞。也许还有相当数目的比这小得多的黑洞散落在宇宙之中。它们不是由恒星坍缩形成的,而是在炽热的高密度的介质的被高度压缩区域的坍缩中产生的。人们相信在宇宙启始的大爆炸之后不久存在这样的介质。这种"太初"黑洞对我将在这里描述的量子效应具有最大的兴趣。一颗重十亿吨(大约一座山的质量)的黑洞具有10↑-13厘米的半径(一颗中子或质子的尺度)。它也许正绕着太阳或者绕着银河系中心公转。

  1970年的数学发现是在黑洞和热力学之间可能有联接的第一个暗示。它是说事件视界,也就是黑洞边界的表面积具有这样的性质,当附加的物质或者辐射落进黑洞时它总是增加。此外,如果两颗黑洞碰撞并且合并成一颗单独的黑洞,围绕形成黑洞的事件视界的面积比分别围绕原先两颗黑洞的事件视界的面积的和更大。这些性质暗示,在一颗黑洞的事件视界面积和热力学的熵概念之间存在一种类似。熵可被认为是系统的无序度,或等价地讲是对它精确状态的知识的缺失。热力学著名的第二定律说,熵总是随时间而增加。

  华盛顿大学的詹姆斯·巴丁,现在任职于莫尔顿天文台的布兰登·卡特和我推广了黑洞性质和热力学定律之间的相似性。热力学第一定律说,一个系统的熵的微小改变是伴随着该系统的能量的成比例的改变。这个比例因子被叫做系统的温度。巴丁、卡特和我发现了把黑洞质量改变和事件视界面积改变相联系的一个类似的定律。这里的比例常数牵涉到称为表面引力的一个量,它是引力场在事件视界的强度的测度。如果人们接受事件视界的面积和熵相类似,那么表面引力似乎就和温度相类似。可以证明,在事件视界上所有点的表面引力都是相等的,正如同处于热平衡的物体上的所有地方具有相同的温度。这个事实更加强了这种类比。

  虽然在熵和事件视界面积之间很明显地存在着相似性,对于我们来说,如何把面积认定为黑洞的熵仍然不是显然的。黑洞的熵是什么含义呢?1972年雅各布·伯肯斯坦提出了关键的建议。他那时是普林斯顿大学的一名研究生,现在任职于以色列的涅吉夫大学。可以这么进行论证。由于引力坍缩而形成一颗黑洞,这颗黑洞迅速地趋向于一种稳定态,这种态只由三个参数来表征:质量、角动量和电荷。这个结论即是著名的"黑洞无毛定理"。它是由卡特、阿尔伯特大学的外奈·伊斯雷尔、伦敦国王学院的大卫·C·罗宾逊和我共同证明的。

  无毛定理表明,在引力坍缩中大量的信息被损失了。例如,最后的黑洞和坍缩物体是否由物质或者反物质组成,以及它在形状上是球形的还是高度不规则的都没有关系。换言之,一颗给定质量、角动量以及电荷的黑洞可由物质的大量不同形态中的任何一种坍缩形成。的确,如果忽略量子效应的话,由于黑洞可由无限大数目的具有无限小质量的粒子云的坍缩形成,所以形态的数目是无限的。

  然而,量子力学的不确定性原理表明,一颗质量为m的粒子的行为正像一束波长为h/mc的波,这里h是普郎克常数(一个值为6.62×10↑-27尔格·秒的小数),而c是光速。为了使一堆粒子云能够坍缩形成一颗黑洞,该波长似乎必须比它所形成黑洞的尺度更小。这样,能够形成给定质量、角动量和电荷的黑洞的形态数目虽然非常巨大,却可以是有限的。伯肯斯坦建议说,人们可把这个数的对数解释成黑洞的熵。这个数目的对数是在黑洞诞生时在通过事件视界坍缩之际的不可挽回的信息丧失的量的测度。

  伯肯斯坦的建议中含有一个致命的毛病,如果黑洞具有和它的事件视界面积成比例的熵,它就还应该具有有限的温度,该温度必须和它的表面引力成比例。这就意味着黑洞能和具有不为零温度的热辐射处于平衡。然而,根据经典概念,黑洞会吸收落到它上面的任何热辐射,而不能发射任何东西作为回报,所以这样的平衡是不可能的。

  直到1974年初,当我根据量子力学研究物质在黑洞邻近的行为时,这个迷惑才得到解决。我非常惊讶地发现,黑洞似乎以恒定的速率发射出粒子。正如那时候的任何其他人一样,我接受黑洞不能发射任何东西的正统说法。所以我花了相当大的努力试图摆脱这个令人难堪的效应。它拒不退却,所以我最终只好接受之。最后使我信服它是一个真正的物理过程的是,飞出的粒子具有准确的热谱,黑洞正如同通常的热体那样产生和发射粒子,这热体的温度和黑洞的表面引力成比例并且和质量成反比。这就使得柏肯斯坦关于黑洞具有有限的熵的建议完全协调,因为它意味着能以某个不为零的温度处于热平衡。

  从此以后,其他许多人用各种不同的方法确证了黑洞能热发射的数学证据。以下便是理解这种辐射的一种方法。量子力学表明,整个空间充满了"虚的"粒子反粒子对,它们不断地成对产生、分开,然而又聚到一块并互相湮灭。因为这些粒子不像"实的"粒子那样,不能用粒子加速器直接观测到,所以被称作虚的。尽管如此,可以测量到它们的间接效应。由它们在受激氢原子发射的光谱上产生的很小位移(蓝姆位移)证实了虚粒子的存在。现在,在黑洞存在的情形,虚粒子对中的一个成员可以落到黑洞中去,留下来的另一个成员就失去可以与之相湮灭的配偶。这被背弃的粒子或者反粒子,可以跟随其配偶落到黑洞中去,但是它也可以逃逸到无穷远去,在那里作为从黑洞发射出的辐射而出现。

  另一种看待这个过程的方法是,把落到黑洞中去的粒子对的成员,譬如讲反粒子,考虑成真正地在向时间的过去方向旅行的一颗粒子。这样,这颗落入黑洞的反粒子可被认为是从黑洞跑出来但向时间过去旅行的一颗粒子。当该粒子到达原先该粒子反粒子对产生的地方,它就被引力场散射,这样就使它在时间前进的方向旅行。

  因此,量子力学允许粒子从黑洞中逃逸出来,这是经典力学不允许的事。然而,在原子和核子物理学中存在许多其他的场合,有一些按照经典原理粒子不能逾越的壁垒,按照量子力学原理的隧道效应可让粒子通过。

  围绕一颗黑洞的壁垒厚度和黑洞的尺度成比例。这表明非常少粒子能从一颗像假想在天鹅X-1中存在的那么大的黑洞中逃逸出来,但是粒子可以从更小的黑洞迅速地漏出来。仔细的计算表明,发射出的粒子具有一个热谱,其温度随着黑洞质量的减小而迅速增高。对于一颗太阳质量的黑洞,其温度大约只有绝对温度的千万分之一度。宇宙中的辐射的一般背景把从黑洞出来具有那种温度的热辐射完全淹没了。另一方面,质量只有十亿吨的黑洞,也就是尺度大约和质子差不多的太初黑洞,会有大约一千二百亿度开文芬的温度,这相当于一千万电子伏的能量。处于这等温度下的黑洞会产生电子正电子对以及诸如光子、中微子和引力子(引力能量的假想的携带者)的零质量粒子。太初黑洞以六十亿瓦的速率释放能量,这相当于六个大型核电厂的输出。

  随着黑洞发射粒子,它的质量和尺度就稳恒地减小。这使得更多粒子更容易穿透出来,这样发射就以不断增加的速度继续下去,直到黑洞最终把自己发射殆尽。从长远地看,宇宙中的每个黑洞都将以这个方法蒸发掉。然而对于大的黑洞它需要的时间实在是太长了,具有太阳质量的黑洞会存活10↑66年左右。另一方面,太初黑洞应在大爆炸迄今的一百亿年间几乎完全蒸发光,正如我们所知的,大爆炸是宇宙的起始。这种黑洞现在应发射出能量大约为一亿电子伏的硬伽玛射线。

  当·佩奇和我在SAS-2卫星测量伽玛辐射宇宙背景的基础上计算出,宇宙中的太初黑洞的平均密度必须小于大约每立方光年两百颗。那时当·佩奇是在加州理工学院。如果太初黑洞集中于星系的"晕"中,它在银河系中的局部密度可以比这个数目高一百万倍,而不是在整个宇宙中均匀地分布。晕是每个星系都要嵌在其中的稀薄的快速运动恒星的薄云。这意味着最邻近地球的太初黑洞可能至少在冥王星那么远。

  黑洞蒸发的最后阶段会进行得如此快速,以至于它会在一次极其猛烈的爆发中终结。这个爆发的激烈程度依存于有多少不同种类的基本粒子而定。如果正如现在广为相信的,所有粒子都是由也许六种不同的夸克构成,则最终的爆炸会具有和大约一千万颗百万吨氢弹相等的能量。另一方面,日内瓦欧洲核子中心的H·哈格登提出了另一种理论。他论断道,存在质量越来越大的无限数目的基本粒子。随着黑洞变得越小越热,它就会发射出越来越多不同种类的粒子,也许会产生比按照夸克假定计算的能量大1

  0倍的爆炸。因此,观测黑洞爆发可为基本粒子物理提供非常重要的信息,这也许是用任何其他方式不能得到的信息。

  一次黑洞爆发会倾注出大量的高能伽玛射线。虽然可以用卫星或者气球上的伽玛射线探测器观测它们,但要送上一台足够大的探测器,使之有相当的机会拦截到来自于一次爆炸的不少数量的伽玛射线光子,是很困难的。使用航天飞机在轨道上建立一个大的伽玛射线探测器是一种可能性。把地球的上层大气当成一台探测器是另外一种更容易也更便宜的做法。穿透到大气的高能伽玛射线会产生电子正电子爆,它们在大气中旅行的初速度比大气中的光速还快。(光由于和空气分子相互作用而减慢下来。)这样,电子和正电子将建立起一种音爆,或者是电磁场中的冲击波。这种冲击波叫作切伦科夫辐射,可以可见光闪烁的形式从地面上观测到它。

  都柏林大学学院的奈尔·A·波特和特勒伏·C·威克斯的一个初步实验指出,如果黑洞按照哈格登理论预言的方式爆炸,则在银河系的我们区域中只有少于每世纪每立方光年两次的黑洞爆发。这表明太初黑洞的密度小于每立方光年一亿颗。我们有可能极大地提高这类观测的灵敏度。即便它们没有得到太初黑洞的任何肯定的证据,它们仍然是非常有价值的。观测结果在这种黑洞的密度上设下一个低的高限,表明早期宇宙必须是光滑和安宁的。

  大爆炸和黑洞爆炸相类似,只不过是在一个极大的尺度范围内而已。所以人们希望,理解黑洞如何创生粒子将导致类似地理解大爆炸如何创生宇宙中的万物。在一颗黑洞中,物质坍缩并且永远地损失掉,但是新物质在该处创生。所以事情也许是这样的,存在宇宙更早的一个相,物质在大爆炸处坍缩并且重新创生出来。

  如果坍缩并形成黑洞的物质具有净电荷,则产生的黑洞将携带同样的电荷。这意味着该黑洞喜欢吸引虚粒子反粒子对中带相反电荷的那个成员,而排斥带相同电荷的成员。因此,黑洞优先地发射和它同性的带电粒子,并且从而迅速地丧失其电荷。类似地,如果坍缩物质具有净角动量,产生的黑洞便是旋转的,并且优先地发射携带走它角动量的粒子。由于坍缩物质的电荷、角动量和质量和长程场相耦合:在电荷的情形和电磁场耦合,在角动量和质量的情形和引力场耦合,所以黑洞"记住"了这些参数,而"忘记"了其他的一切。

  普林斯顿大学的罗伯特·H·狄克和莫斯科国立大学的弗拉基米尔·布拉津斯基进行的实验指出,不存在和命名为重子数的量子性质相关的长程场。(重子是包括质子和中子在内的粒子族。)因此由一群重子坍缩形成的黑洞会忘掉它的重子数,并且发射出等量的重子和反重子。所以,当黑洞消失时,它就违反了粒子物理的最珍贵定律之一,重子守恒定律。

  虽然为了和伯肯斯坦关于黑洞具有有限熵的假设协调,黑洞必须以热的方式辐射,但是粒子产生的仔细量子力学计算引起带有热谱的发射,初看起来似乎完全是一桩奇迹。这可以解释成,发射的粒子从黑洞的一个外界观测者除了它的质量、角动量和电荷之外对之毫无所知的区域穿透出来。这意味着具有相同能量、角动量和电荷的发射粒子的所有组合或形态都是同等可能的。的确,黑洞可能发射出一台电视机或者十卷皮面包装的蒲鲁斯特全集,但是对应于这些古怪可能性的粒子形态的数目极端接近于零。迄今最大数目的形态是对应于几乎具有热谱的发射。

  译者注:蒲鲁斯特(Marcel Proust)是法国上世纪和本世纪之交的小说家。

  黑洞发射具有超越通常和量子力学相关的额外的不确定性或不可预言性。在经典力学中人们既可以预言粒子位置,又可以预言粒子速度的测量结果。量子力学的不确定性原理讲,只能预言这些测量中的一个,观察者能预言要么位置要么速度的测量结果,不能同时预言两者。或者他能预言位置和速度的一个组合的测量结果。这样,观察者作明确预言的能力实际上被减半了。有了黑洞情形就变得更坏。由于被黑洞发射出的粒子来自于观察者只有非常有限知识的区域,他不能明确预言粒子的位置或者速度或者两者的任何组合,他所能预言的一切是某些粒子被发射的概率。所以这样看来,爱国斯坦在说"上帝不玩弄骰子"时,他是双重地错了。考虑到从黑洞发射粒子,似乎暗示着上帝不仅玩弄骰子,而且有时把它们扔到看不见的地方去。

猪哼哼 发表于 2007-8-30 00:04

十一、黑洞和婴儿宇宙


  落到黑洞中去已成为科学幻想中的恐怖一幕。现在黑洞已在事实上被说成是科学的现实,而非科学的幻想。正如我所要描述的,我们已有很强的理由预言黑洞必然存在。观测证据强烈地显示,在我们自身的银河系中有些黑洞,而在其他星系中则更多。

  作者注:这是1988年4月在伯克莱的加利福尼亚大学希奇科克的讲演。

  当然,科学幻想作家真正做到家的是,他们为你描述如果你真的掉到一颗黑洞中去将会发生什么。不少人认为,如果黑洞在旋转的话,你便可穿过时空的一个小洞而到宇宙的另一个区域去。这显然产生了空间旅行的可能性。如果我们要想到别的恒星,且不说到别的星系去的旅行在未来成为现实,这的确是我们梦寐以求的东西。否则的话,没有东西可比光旅行得更快的这一事实意味着,到最邻近的恒星的来回路途至少需要花八年时间。这就是到α一半人马座度周末所需要的时间!另一方面,如果人们能穿过一颗黑洞,就可在宇宙中的任何地方重新出现。怎么选取你的目的地还不很清楚,最初你也许想到处女座度假,而结果却到了蟹状星云。

  我要非常遗憾地告诉未来的星系旅行家们,这个场景是行不通的。如果你跳进一颗黑洞,就会被撕成粉碎。然而,在某种意义上,构成你身体的粒子会继续跑到另一个宇宙中去。我不清楚,某个在黑洞中被压成意大利面条的人,如果得知他的粒子也许能存活的话,是否对他是很大的安慰,

  尽管我在这里采用了稍微轻率的语气,这篇讲演却是基于可靠的科学作根据。我在这里讲的大部分现在已得到在这个领域作研究的其他科学家的赞同,尽管这是发生在新近的事。然而,这篇讲演的最后部分是根据还没有达成共识的最近的工作。它引起了巨大的兴趣和激动。

  虽然我们现在称作黑洞的概念可以回溯到二百多年前,但是"黑洞"这个名字是晚到1967年才由美国物理学家约翰·惠勒提出来的。这真是一项天才之举:这个名字本身就保证黑洞进入科学幻想的神秘王国。为原先没有满意名字的某种东西提供确切的名字也刺激了科学研究。在科学中不可低估好名字的重要性。

  尽我所知,首先讨论黑洞的是一位名叫约翰·米歇尔的剑桥人,他在1783年写了一篇有关的论文。他的思想如下:假设你在地球表面上向上点燃一颗炮弹。在它上升的过程中,其速度由于引力效应而减慢。它最终会停止上升而落回到地球上。然而,如果它的初速度大于某个临界值,它将永远不会停止上升并落回来,而是继续向外运动。这个临界速度称为逃逸速度。地球的逃逸速度大约为每秒七英里,太阳的逃逸速度大约为每秒一百英里。这两个速度都比实际炮弹的速度大,但是它们比起光速来就太小了,光速是每秒186000英里。这表明引力对光的影响甚微,光可以毫无困难地从地球或太阳逃逸。可是,米歇尔推论道,也许可能有这样的一颗恒星,它的质量足够大而尺度足够小,这样它的逃逸速度就比光速还大。因为从该恒星表面发出的光会被恒星的引力场拉曳回去,所以它不能到达我们这里,因此我们不能看到这颗恒星。然而,我们可以根据它的引力场作用到附近物体上的效应检测到它的存在。

  把光当作炮弹处理是不自洽的。根据在1897年进行的一项实验,光线总是以恒常速度旅行。那么引力怎么能把光线减慢呢?直到1915年爱因斯坦提出广义相对论后,人们才有了引力对光线效应的自洽理论。尽管如此,直到本世纪六十年代,人们才广泛意识到这个理论对老的恒星和其他重质量物体的含义。

  根据广义相对论,空间和时间一起被认为形成称作时空的四维空间。这个空间不是平坦的,它被在它当中的物质和能量所畸变或者弯曲。在向我们传来的光线或者无线电波于太阳附近受到的弯折中可以观测到这种曲率。在光线通过太阳邻近的情形时,这种弯折非常微小。然而,如果太阳被收缩到只有几英里的尺度,这种弯折就会厉害到这种程度,即从太阳表面发出的光线不能逃逸出来,它被太阳的引力场拉曳回去。根据相对论,没有东西可以比光旅行得更快,这样就存在一个任何东西都不能逃逸的区域。这个区域就叫做黑洞。它的边界称为事件视界。它是由刚好不能从黑洞逃出而只能停留在边缘上徘徊的光线形成的。

  假定太阳能收缩到只有几英里的尺度,听起来似乎是不可思议的。人们也许认为物质不可能被压缩到这种程度。但是在实际上这是可能的。

  太阳具有现有的尺度是因为它是热的。它正在把氢燃烧成氦,如同一颗受控的氢弹。这个过程中释放出的热量产生了压力,这种压力使太阳能抵抗得住自身引力的吸引,正是这种引力使得太阳尺度变小。

  然而,太阳最终会耗尽它的燃料。这要发生也是在冉过大约五十亿年以后的事,所以不必焦急订票飞到其他恒星去。然而,具有比太阳更大质量的恒星会更迅速地耗尽其燃料。在燃料用尽后就开始失去热量并且收缩。如果它们质量比大约太阳质量的两倍还小,就最终会停止收缩,并且趋向于一种稳定的状态。这样的状态之一叫作白矮星。它们具有几千英里的半径和每立方英寸几百吨的密度。另一种这样的状态是中子星。它们具有大约十英里的半径和每立方英寸几百万吨的密度。

  在银河系我们紧邻的区域观察到大量的白矮星。然而,直到1967年约瑟琳·贝尔和安东尼·赫维许在剑桥才首次观测到中子星。那时他们发现了称作脉冲星的发出射电波规则脉冲的物体。最初,他们惊讶是否和外星文明进行了接触。我的确记得,在他们要宣布其发现的房间里装饰了"小绿人"的图样。然而,他们和所有其他人最后只能得出不太浪漫的结论,这些物体原来是旋转的中子星。对于写太空西部人的作家,这是个坏消息,而对于我们这些当时相信黑洞的少数人,却是个好消息。如果恒星能缩小到十至二十英里的尺度,而变成中子星,人们便可以预料,其他恒星能进一步收缩而变成黑洞。

  质量比大约太阳质量两倍更大的恒星不能稳定成为一颗白矮星或中子星。在某种情形下,该恒星可以爆炸,并抛出足够的质量,使余下的质量低于这个极限。但是总有例外。有些恒星会变得这么小,它们的引力场会把光线弯折到这种程度,使它折回到恒星本身上去。不管是光线还是别的任何东西部不能逃逸出来。该恒星已经变成为一颗黑洞。

  物理定律是时间对称的。如果存在东西能落进去而不能跑出来的叫作黑洞的物体,那就还应该存在东西能跑出来而不能落进去的其他物体。人们可以把这些物体叫做白洞。人们可以猜测,一个人可以在一处跳进一颗黑洞,而在另一处从一颗白洞跑出来。这应是早先提到长距离空间旅行的理想手段。你所需要做的一切是去寻找一颗邻近的黑洞。

  这种形式的空间旅行初看起来是可能的。爱因斯坦的广义相对论中存在这类解,它允许人往一颗黑洞落进再从一颗白洞跑出来。然而,后来的研究表明,所有这些解都是非常不稳定的:最为微小的扰动,譬如讲空间飞船的存在都会把这个"虫洞",或者从该黑洞到该白洞的通道消灭。该空间飞船会被无限强大的力量撕得粉碎。这正如同躲藏在大桶里从尼亚加拉瀑布漂下去一样。

  事情似乎已经绝望。黑洞也许可以用来摆脱垃圾甚至人们的某些朋友。但是它们是"旅行者有去无归的国度"。然而,我到此为止所说的一切都是根据利用爱因斯坦的广义相对论所进行的计算。这个理论和我们迄今的一切观测都吻合得极好。但是,由于它不能和量子力学的不确定性原理合并,所以我们知道它不可能完全正确。不确定性原理是说,粒子不能同时把位置和速度都很好地定义。你把一颗粒子的位置测量得越精确,则对它的速度就测量得越不精确,反之亦然。

  1973年我开始研究不确定性原理会对黑洞有什么改变。使我和其他所有人大吃一惊的是,我发现它意味着黑洞不是完全黑的。它们以恒定的速率发射出辐射和粒子。当我在牛津附近的一次会议上宣布这些结果时,大家都不相信。该分会主席说,这些是没有意义的,而且他还写了一篇论文重申。然而,在其他人重复我的计算时,他们发现了相同的效应。这样,甚至连该主席都同意说我是正确的。

  辐射是如何从黑洞的引力场中逃逸出来的呢?我们有好几种办法来理解。虽然它们显得非常不同,其实是完全等效的。一种方法是,不确定性原理允许粒子在短距离内旅行得比光还快。这就使得粒子和辐射能穿过事件视界从黑洞逃逸。然而,从黑洞出来的东西和落进去的东西不同。只有能量是相同的。

  随着黑洞释放粒子和辐射,它将损失质量。这将使黑洞变得越来越小,并更迅速地发射粒子。它最终会达到零质量并完全消失。对于那些落入黑洞的物体,还可能包括空间飞船都会发生什么呢?根据我的一些最新的研究,其答案是,它们会出发到它们自身的微小的婴儿宇宙中去。一个小的自足的宇宙从宇宙中我们的区域分叉开来。这个婴儿宇宙可以重新连接到时空的我们的区域。如果发生这种情形的话,它在我们看来显得是另外一个黑洞形成并随后蒸发掉。落进一个黑洞的粒子会作为从另一个黑洞发射的粒子而出现,反之亦然。

  这听起来似乎正是允许通过黑洞进行空间旅行所需要的。你只要驾驶你的空间飞船进入适当的黑洞,最好是相当巨大的黑洞。否则的话,在你进入黑洞之前引力就已经把你撕成意大利面条。你可望在另外一颗黑洞外面重新出现,虽然你不能选择在什么地方。

  然而,在这种星系际运送规划中有一个意外的障碍。把落入黑洞的粒子取走的婴儿宇宙是在所谓的虚时间里发生的。在实时间里,一位落进黑洞的航天员的结局是悲惨的。作用到他头上和脚上的引力差会把他撕开来。甚至连构成他身体的粒子都不能幸免。它们在实时间里的历史会在一个奇点处终结。但是,粒子在虚时间里的历史将会继续。它们将进入并通过婴儿宇宙,而且作为从另外一颗黑洞发射出来的粒子而重现。这样,在某种意义上可以说,航天员被运送到宇宙的另一个区域。可是,出现的粒子和航天员没有什么相像之处。当他在实时间中进入奇点时,也不会因得知他的粒子将在虚时间里存活,而得到什么安慰。对于任何落进黑洞的人的箴言是:"想想虚的"。

  是什么东西确定粒子在何处重现呢?婴儿宇宙中的粒子数目等于落进该黑洞的粒子数目加上在它蒸发时发射的粒子数目。这表明,落入一颗黑洞的粒子将从另一颗具有大致相等质量的黑洞出来。这样,人们可由创造一颗与粒子所落进的黑洞相同质量的黑洞,来选择粒子出来的地方。然而,该黑洞会同等可能地发出具有相等总能量的任何其他的粒子集合。即便该黑洞的确发射出对头种类的粒子,人们仍然不能告知它们是否就是落进另一颗黑洞的那些粒子。粒子不携带身份证。给定种类的所有粒子都显得很相像。

  这一切表明,穿越黑洞并非空间旅行的受人欢迎的可靠的办法。首先,你必须在虚时间里旅行才到达那里,而不理睬你的历史在实时间里达到悲惨的结局。其次。你不能随意选择自己的日的地。这就像在我说不出名字的航线上旅行。

  虽然婴儿宇宙对于空间旅行无甚用处;但对于我们寻求能描述宇宙中万物的完整的统一理论的尝试却意义重大。我们现有理论包括一些量,譬如一颗粒子所带电荷的大小。我们的理论不能够预言这些量。相反地,它们必须选取得和观测相符合。可是,许多科学家相信,存在一种基本的统一理论,它能把所有这些量都预言出来。

  很可能存在一种这样的基本理论。所谓异型超弦是目前最有前途的候选者。其思想是时空充满了许多像一根弦似的小圈圈。我们认为是基本粒子的实际上是这些以不同方式振动的小圈圈。这种理论不包含任何数值可以被调整的数。于是人们预料,这种统一理论应能预言出所有这些量的数值,譬如讲一颗粒子所带的电荷,那是现有理论不能确定而遗留下来的量。虽然我们还不能从超弦理论预言这些量中的任何一个,但是很多人相信,我们最终能够做到这一点。

  然而,如果婴儿宇宙的图像是正确的,我们预言这些量的能力就被降低。这是因为我们不能观察到在那里存在多少个婴儿宇宙,等待着和宇宙中我们的区域相连接。有的婴儿宇宙只包含一些粒子。这些婴儿宇宙是如此之微小,人们觉察不出它们的连接和分叉。可是,它们连接上后就改变了诸如一颗粒子所带电荷的量的表观的值。这样,因为我们不知道有多少婴儿宇宙等待在那里,所以我们就预言不出这些量的表观值。也可能出现婴儿宇宙的人口爆炸。然而和人类不同的是,似乎没有诸如食物供应和站立空间的限制因素。婴儿宇宙存在于它们自身的实在之中。它有点像问在针尖上可容纳多少个天使跳舞的问题。

  婴儿宇宙似乎为大多数的量的预言值引进了一定的哪怕是相当小的不确定性。然而,它们可以为一个非常重要的量,即所谓宇宙常数的观测值提供一种解释。这是使时空具有膨胀或者收缩的内在倾向的广义相对论方程的一项。爱因斯坦提出一个非常小的宇宙常数,原意是希望用以平衡物质使宇宙收缩的倾向。在人们发现宇宙是在膨胀后这个动机即不复存在。但是要摆脱宇宙常数决非易事。人们可以预料,量子力学隐含的起伏会给出非常大的宇宙常数。但是,我们能够观测宇宙的膨胀如何随时间而变化,从而确定宇宙常数是非常小的。迄今为止,对观察值为什么必须这么微小还没有找到任何好的解释。然而,婴儿宇宙的分叉出去和连接回来会影响宇宙常数的表观值。因为我们不知道有多少个婴儿宇宙,宇宙常数就可能有不同的表观值。然而,一个几乎为零的值,是最有可能的。这是令人庆幸的,因为只有当宇宙常数非常微小时,宇宙才适合橡我们这样的生物居住。

  可以总结一下:看来粒子能够落进黑洞,然后黑洞蒸发并从宇宙中我们的区域消失。这些粒子进入婴儿宇宙中。这些婴儿宇宙从我们的宇宙分叉出去。这些婴儿宇宙可以连接回到其他的什么地方。它们对空间旅行无甚用处,但是它们的存在意味着我们预言能力比所期望的更差,即便我们真的找到了完整的统一理论。另一方面,我们现在也许能为某些像宇宙常数的量的测量值提供解释。过去的几年里,好多人开始研究婴儿宇宙。我认为没有人把它们作为空间旅行的方法而申请专利致富,但是它们已成为非常激动人心的研究领域。

猪哼哼 发表于 2007-8-30 00:04

十二、一切都是注定的吗?


  在《裘里乌斯·凯撒》这部戏剧里,卡修斯告诉布鲁特斯说:"人们有时是他们命运的主宰。"我们真的是自己命运的主宰吗?或者我们的所作所为无一不是被确定的,或者说是注定的?赞同宿命论的论证通常是这么进行的,上帝是万能的并且外在于时间,所以上帝知道将会发生什么。但是如果这样的话,我们怎么还会有自由意志呢?而如果我们没有自由意志的话,又怎么能为我们的行动负责呢?如果一个人注定要去抢银行,这不能算是他的过错。那么,为什么他要为此而受惩罚呢?

  作者注:这是1990年4月在剑桥大学西格玛俱乐部的讲演。

  人们近年来根据科学来论证宿命论。事情似乎是这样的,存在定义很好的定律,这些定律制约宇宙和其中的任何事物在时间中如何发展。虽然我们还没找到所有这些定律的精确形式,我们却已经知道得足够多,能够确定在除了最极端情形外的所有情形下,要发生什么。我们能否在相当近的未来找到余下的定律是见仁见智的事。我是一个乐观主义者:我认为有对半的机会在以后的二十年内找到它们。但是即使找不到,也不会对这里的议论有丝毫影响。其要点在于,必须存在一族能从宇宙的初始态完全确定其演化的定律。这些定律也许是由上帝颁布的。但是他不干涉宇宙去违反这些定律。

  上帝也许选取了宇宙的初始形态,或者这种形态本身是由科学定律确定的。无论是何种情形,宇宙中的任何事物似乎都是由根据科学定律的演化所确定的,所以很难看出我们何以成为自己命运的主宰。

  存在某种确定宇宙中任何事物的大统一理论的思想引起了许多困难。首先,人们假定这种大统一理论在数学上是紧凑而优雅的。关于万物的理论必须有某种既特殊又简单的东西。那么一定数目的方程怎么能解释我们在自己周围看到的复杂性和无聊的细节呢?人们真的会相信大统一理论确定西尼德·奥柯诺会出现在本周黄金歌曲榜首,或者玛当娜会印在《大都会》的封面上?

  译者注:西尼德·奥柯诺(Sinead Oconnor)是英国通俗歌星。
  译者注:玛当娜(madonna)是美国通俗歌星。

  大统一理论确定任何事物的思想的第二个问题是,我们所说的任何事物也由该理论所确定。但是为什么它必须被确定为正确的呢?因为对应于每一个真的陈述都可能有许多不真的陈述,它不是更可能是不真的吗?我的每周邮件中都有大量别人寄来的理论。它们都不相同,而且大多数是相互冲突的。假定大统一理论确定了这些作者认为他们是正确的。那么为何我说的任何东西就必须更有效呢?难道我不是同样地由大统一理论确定的吗?

  一切都是注定的思想的第三个问题是,我们自己觉得具有自由意志——我们有选择是否做某事的自由。但是如果科学定律确定了一切,则自由意志就必须是幻形。而如果我们没有自由意念,为我们行为负责的根据又是什么?我们不会对精神病人定罪,因为我们决定说他的行为是身不由己的。但是如果大统一理论把我们完全确定,我们之中无人不是身不由己的,那么为何要为其所作所为负责呢?

  人们对于宿命论的这些问题已经讨论了几世纪。然而,由于我们离完全掌握科学定律的知识还差得很远,而且不知道如何确定宇宙的初始状态,所以讨论就显得有些学究气。因为我们可能在短到二十年的时间内找到一套完整的统一理论,这个问题现在就变得更急迫了。而且我们意识到,初始状态本身可能是由科学定律确定的。以下便是我自己解决这些问题的尝试。我并不宣称具有多少的原创性或深度,但它是我此刻所能做的一切。

  从第一个问题开始:我们观察到的宇宙是如此之复杂,还具有许多无聊和次要的细节,一套相对简单和紧凑的理论怎么能把这种宇宙产生出来呢?这个问题的关键是量子力学的不确定性原理,它是说人们不能既把粒子的速度又把粒子的位置极其精确地测量出来。你把位置测量得越精确,则你测量速度就越不精确,反之亦然。在现时刻这种不确定性不甚重要,因为东西被分隔得很开,位置上的很小不确定性不会造成很大差别。但是在极早期宇宙任何东西都靠得很近,这样就有了大量的不确定性,宇宙有许多可能的状态。这些不同的可能的极早的态会演化成宇宙的整个一族不同的历史。这些历史中的大多数在它们的大尺度特征上都很相似。它们对应于一个均匀和光滑的并且正在膨胀的宇宙。然而,它们在诸如恒星分布以及进而在它们杂志封面设计等等细节上不同。(那是说,如果那些历史包括有杂志的话。)这样,围绕我们宇宙的复杂性以及细节是极早期阶段的不确定原理引起的。这就给出了整整一族宇宙的可能历史。可能存在一个纳粹赢得第二次世界大战的历史,虽然这种概率很小。但是我们刚好生活在盟军赢得战争,玛当娜出现在《大都会》封面上的历史之中。

  现在我转向第二个问题:如果某种统一理论确定了我们所要做的一切,为什么该理论必须确定我们得出关于宇宙的正确的而非错误的结论呢?为何我们说的任何东西必须成立?我对这个问题的答案是基于达尔文自然选择的思想。我同意,某些非常初级的生命形式在地球上是由原子的随机组合而自动产生的。这种生命的早期形式也许是一个大分子。由于由随机组合形成整个DNA分子的机会很小,所以这个大分子不大可能是DNA。

  生命的早期形式会复制自己。量子不确定性原理和原子的随机热运动意味着,在复制中存在一定的误差。这些误差中的大多数对于机体的存活及其复制的能力是致命的。这些误差不会传给后代而是消失掉了。纯粹出于机遇,极少数的误差是有益的。具有这些误差的机体更容易存活和复制。这样,它们就趋向于取代原先的未改进的机体。

  DNA的双螺旋结构的发展可能是早期阶段的这么一种改善。这样的一种进展可能完全取代了更早先的生命形式,不管那种形式是什么样子的。随着向前进化,导致了中心神经系统的发展。正确识别由它们感官收集到的信息的意义,并能采取适当行动的生物更容易存活和复制。人类又把这一切推向另一阶段。我们和更高等的猿人之间无论是在身体还是在DNA方面都非常相似;但是在我们DNA上的一个微小的差异使我们能发展语言。这表明,我们能够逐代地传递信息并积累经验。在更早以前,经验的结果只能通过复制时的随机误差被编码到DNA中的缓慢过程来传递下去。这个效应大大加速了演化。演化到人类花费了比三十亿年还长的岁月。但是我们仅仅在这最后的一万年过程中发展了书写语言。这使得我们能从山顶洞人进展到能探究宇宙终极理论的现代人类。

  人类的DNA在过去的一万年间并没有显著的生物进化或改变。这样,我们的智力,我们从感官提供的信息提取正确结论的能力必须回溯到我们山顶洞人或者更早的岁月。这必定是在我们杀死某些种类动物为食,并避免被其他动物杀害的能力的基础上被选择出来的能力。为了这些目的而被选择出来的精神品质,在今天非常不同的环境下,使我们处于非常有利的地位,这一点真令人印象深刻。发现大统一理论或者解答有关宿命论的问题,也许不会给我们带来什么存活上的好处。尽管如此,我们由于其他原因发展而来的智力,能够保证我们找到这些问题的正确答案。

  现在我转向第三个问题,即自由意志和对我们行为负责的问题。我们主观地觉得,我们有选择我们是谁以及我们做什么的能力。有些人自认为是耶稣基督或者拿破仑,但是他们不可能都对。我们需要的是一种客观的检验,可以使用它从外面来鉴定一个机体是否具有自由意志。例如,从某个恒星有个"小绿人"来访问我们。我们怎么才能决定它具有自由意志,或者仅仅是一台被编入使它像我们一样反应的程序的机器人呢?

  自由意志的最终客观检验似乎应该是:人们能预言一个机体的行为吗?如果能的话,则很清楚表明它没有自由意志,而仅仅是预先确定的。另一方面,如果人们不能预言其行为,则人们可以将此当作一个操作定义,说该机体具有自由意志。

  人们可用以下的论证来反对这个自由意志的定义,即一旦我们找到了完整的统一理论,我们就能预言人们将做什么。然而,人类头脑也要服从不确定性原理。这样,在人类的行为中存在和量子力学相关的随机因素。但是在头脑牵涉到的能量很小,所以量子力学的不确定性只有微小的效应。我们不能预言人类行为的真正原因只是它过于困难。我们已经知悉制约头脑活动的基础物理定律,而且它们是比较简单的。但是在解方程时只要有稍微多的粒子参与就会解不出。即便在更简单的牛顿引力论中,人们只能在刚好两颗粒子的情形下解这方程。对于三颗或更多的粒子就必须借助于近似法,而且其难度随粒子数目而急剧增加。人类头脑大约包含10↑26也就是一百亿亿亿颗粒子。在给定的初始条件和输入的神经资料下,要去解这个方程,并从而预言头脑的行为,这个数目是太过于庞大了。当然,我们在事实上甚至不能测量初始条件,因为要这么做的话就得把头脑拆散。甚至我们打算这么做的话,粒子数也太大了以至于记录不过来。而且头脑可能对于初始条件非常敏感,初始态的一个小改变就会对后续行为造成非常大的差别。这样,虽然我们知道制约头脑的基本方程,我们根本不可能利用它们来预言人类的行为。

  由于在宏观系统中粒子的数目总是太大,我们根本无法求解这些基本方程,所以只要我们处理这样的系统,就会产生这种情形。我们要做的是利用有效理论。这是用少数的量来取代非常大数目粒子的近似法。流体力学便是一个例子。譬如像水这样的流体是由亿万个分子组成的,而分子本身又是由电子、质子和中子所构成。然而,把流体处理成仅仅由速度、密度和温度表征的连续介质是一种好的近似。流体力学有效理论的预言不准确,人们只要听听天气预报即能意识到这一点。但是它对于设计船舶和油管是足够好的近似。

  我想提出,自由意志和对自我行为的道德责任真正是在流体力学意义上的有效理论。也许我们做的任何事情都是由某种大统一理论所确定的。如果那种理论确定我们将被吊死,我们就不会被淹毙。也就是说,即便把你在暴风雨之际放在海上的小舟上,你仍然非常肯定其目标是绞架。我曾经注意到,甚至声称一切都是注定的,而且我们不能对之有任何改变的人们,在他们穿越马路时也要先看一看安全否。也许是因为那些不看路的人不能存活来告诉我们这个过程。

  因为人们不知道什么是确定的,所以不能把自己的行为基于一切都是注定的思想之上。相反地,人们必须采取有效理论,也就是人们具有自由意志以及必须为自己的行为负责。这个理论在预言人类行为方面不很有效。因为我们无法求解从基本定律推出的方程,所以只好采用它。我们相信自由意志还有达尔文主义的原因:一个其成员对于他或她的行为负责的社会更容易合作、存活并扩散其价值。蚂蚁当然合作得很好,但是这样的社会是静止的。它不能应付陌生的挑战或者发展新的机遇。然而,一些怀有某些共同目标的自由个体集合能在共同目标上合作,而且还有创新的灵活性。因此,这样的社会更容易繁荣并且扩散其价值系统。

  自由意志的概念和科学的基本定律是属于不同的范畴。如果人们想从科学定律推出人类行为的话,他就会在自参考系统的逻辑二律背反中陷入困境。如果可以从基本定律预言出一个人的所作所为,则做这预言本身这个事实就可以改变所要发生的。这正如时间旅行若可能的话人们会遇到的麻烦,我认为永远不可能作时间旅行。如果你能看到未来将要发生什么,你就能改变之。如果你知道在全国大赛中哪匹马会赢,你就可以为它下赌金而发财。但是那个行动会改变胜算。人们只有看《返回将来》的电影就会意识到会发生什么问题。

  关于能否预言人们行为的二律背反和我早先提及的问题紧密相关:终极理论是否确定我们在有关终极理论的问题上得到正确的结论?在那种情形下,我论证道达尔文的自然选择思想会使我们得到正确的答案。正确的答案也许不是描述它的正确方法,但是自然选择至少使我们获得一套相当有效的物理定律。然而,我们因为两个原因不能应用那些物理定律去推导出人类行为。首先,我们不能求解这些方程。其次,即使我们能解,做预言的这一事实会扰动该系统。相反地,自然选择看来导致我们采用自由意志的有效理论。如果人们接受一个人的行为是自由选择的,那么他就不能争辩道,在某种情形下这些行动是由外界的力量所确定的。"几乎自由意志"的概念是没有意义的。但是人们容易把人们可以猜出另一个人很可能选择什么和这种选择不是自由的概念相混淆。我猜想你们中的大多数今晚要吃饭,但是你完全有选择饿肚子上床的自由。开脱责任的教条即是这类混淆的一个例子:因为人们处于紧张状态,所以不应该因他的行为得到惩罚。也许某人在紧张时容易犯刑事罪。但是那不意味着,我们应该减轻惩罚使他或她更容易犯罪。

  人们必须把科学基本定律的研究和人类行为的研究分开来。由于我已经解释的原因,人们不能利用基本定律推导出人类行为。但是人们期望使用逻辑思维的智慧和威力,这是我们通过自然选择发展来的。可惜的是,自然选择也发展了诸如侵略性的其他特征。在山顶洞人或更早的时代侵略性具有存活的优势,所以自然选择对它有利。然而,现代科学技术极大地提高了我们的破坏力,使得侵略性变成非常危险的品质,这是一种威胁到全人类生存的危险性。麻烦在于,我们的侵略本性似乎被编码到我们的DNA之中。生物进化只有在几百万年的时间尺度上才改变DNA,但是我们的破坏力以信息演化的时间尺度为尺度而增加,这种尺度在目前只有二三十年。除非我们能够用智慧来控制侵略性,人类的未来就非常不妙。我仍然要说,只要有生命就会有希望。如果我们能再存活一个世纪左右,我们就能扩散至其他行星,甚至其他恒星上去。这就使得全人类被诸如核战争的灾难抹平的可能性大为减少。

  小结一下:我讨论了,如果人们相信宇宙中的一切都是注定的话,会引起的一些问题。这种宿命论究竟是因为一位万能的上帝还是科学定律引起的,并不具有任何差别。的确,人们总可以说,科学的定律是上帝意愿的表达。

  我考虑了三个问题:首先,一族简单的方程何以确定宇宙的复杂性以及它所有无聊的细节?换言之,人们会真正地相信,上帝选择了所有无聊的细节,譬如讲谁应该被印在《大都会》的封面上吗?其答案似乎应该是,量子力学的不确定性原理意味着,宇宙不是仅有一个单独的历史,而是有整族可能的历史。这些历史在大尺度下也许是类似的,但在正常的日常的尺度下它们具有极大的差异。我们刚好生活在一个具有一定性质和细节的特定历史中。但是存在非常类似的智慧生物,他们生活在谁赢得战争和谁是顶尖通俗歌手上不同的历史中。因此,我们宇宙的无聊细节之所以产生,是因为基本定律和具有不确定性或随机性的量子力学相结合。

  第二个问题是:如果某种基本理论确定了一切,那么我们关于该理论所说的一切也应该由该理论所确定——为什么它必须被确定为是正确的,而非全错的或无关的?我对此的答案是借助于达尔文的自然选择理论:只有那些关于围绕他们的宇宙得出合适结论的个体才容易存活和繁殖。

  第三个问题是:如果一切都是注定的,那么自由意志和我们对自己行为的责任又从何而来?但是对一个机体是否具有自由意志的唯一客观的检验是它的行为是否可被预言。在人类的情形下,由于两个原因,我们无法利用基本定律去预言人们将要做什么。首先,我们不能求解涉及非常大量粒子的方程。其次,即便我们能解这些方程,做预言的事实会干扰系统并会导致不同的结果。这样,由于我们不能预言人类的行为,我们也可以采用这样的有效理论,说人类是可以自作自划的自由个体。相信自由意志并为自己行为负责看来肯定具有存活的优势。这意味着自然选择应加强这种信念。由语言传递的责任心是否足以控制DNA传递的侵略本性还有待观察。如果不能的话,人类将成为自然选择的一个死亡终点。也许银河系其他地方的某种其他智慧生物在责任心和侵略性上得到更好的平衡。但是,如果事情果真如此,我们可以预料被他们接触过,或者至少检测过他们的无线电信号。也许他们知悉我们的存在,但是不想把自己暴露给我们。回顾一下我们过去的记录,这样做也许是明智的。

  总之,这篇文章的题目是一个问题:一切都是注定的吗?答案是"是",的确是"是"。但是其答案也可以为"不是",因为我们永远不能知道什么是被确定的。

猪哼哼 发表于 2007-8-30 00:05

十三、宇宙的未来


  这篇讲演的主题是宇宙的未来,或者不如说,科学家认为将来是什么样子的。预言将来当然是非常困难的。我曾经起过一个念头,要写一本题为《昨天之明天:未来历史》的书。它会是一部对未来预言的历史,几乎所有这些预言都是大错特错的。但是尽管这些失败,科学家仍然认为他们能预言未来。

  作者注:1991年4月在剑桥大学的达尔文讲演。

  在非常早的时代,预言未来是先知或者女巫的职责。这些通常是被毒药或火山隙溢出的气体弄得精神恍惚的女人。周围的牧师把她们的咒语翻译出来。而真正的技巧在于解释。古希腊的德勒菲的著名巫师以模棱两可而臭名昭著。当这些斯巴达人问道,在波斯人攻击希腊时会发生什么,这巫帅回答道:要么斯巴达会被消灭,要么其国王会被杀害。我想这些牧师盘算,如果这些最终都没有发生,则斯巴达就会对阿波罗太阳神如此之感恩戴德,以至忽视其巫师作错预言的这个事实。实际上,国王在捍卫特莫皮拉隘道的一次拯救斯巴达并最终击败波斯人的行动中丧生了。

  另一次事件,利迪亚的国王克罗修斯,这位世界上最富裕的人有一次问道:如果他侵略波斯的话会发生什么。其回答是:一个伟大的王国将会崩溃。克罗修斯以为这是指波斯帝国,殊不知正是他自己的王国要陷落,而他自己的下场是活活地在柴堆上受火刑。

  近代的末日预言者为了避免尴尬,不为世界的末日设定日期。这些日期使股票市场下泻。虽然它使我百思不解,为何世界的终结会使人愿意用股票来换钱,假定你在世界末日什么也带不走的话。

  迄今为止,所有为世界末日设定的日期都无声无息地过去了。但是这些预言家经常为他们显然的失败找借口解释。例如,第七日回归的创建者威廉·米勒预言,耶稣的第二次到来会在1843年3月21日至1844年3月21日间发生。在没有发生这件事后,这个日期就修正为1844年10月22日。当这个日期通过又没有发生什么事后,又提出了一种新的解释。据说,1844年是第二次回归的开始,但是首先要数出获救者名单。只有数完了名单,审判日才降临到那些不列在名单上的人。幸运的是,数人名看来要花很长的时间。

  当然,科学预言也许并不比那些巫师或预言家的更可靠些。人们只要想到天气预报就可以了。但是在某些情形下,我们认为可以做可靠的预言。宇宙在非常大的尺度下的未来,便是其中一个例子。

  我们在过去的三百年间发现了制约在所有正常情形下物体的科学定律。我们仍然不知道制约在极端条件下物体的精确的定律。那些定律在理解宇宙如何启始方面很重要,但是它不影响宇宙的未来演化,除非直到宇宙坍缩成一种高密度的状态。事实上,我们必须花费大量金钱建造巨大粒子加速器去检验这些高能定律,便是这些定律对现在宇宙的形响是多么微不足道的一个标志。

  即便我们知道了制约宇宙的有关定律,我们仍然不能利用它们去预言遥远的未来。这是因为物理方程的解会呈现出一种称作混沌的性质。这表明方程可能是不稳定的:在某一时刻对系统作非常微小的改变,系统的未来行为很快会变得完全不同。例如,如果你稍微改变一下你旋转轮赌盘的方式,就会改变出来的数字。你在实际上不可能预言出来的数字,否则的话,物理学家就会在赌场发财。

  在不稳定或混沌的系统中,一般地存在一个时间尺度,初始状态下的小改变在这个时间尺度将增长到两倍。在地球大气的情形下,这个时间尺度是五天的数量级,大约为空气绕地球吹一圈的时间。人们可以在五天之内作相当准确的天气预报,但是要做更长远得多的天气预报,就既需要大气现状的准确知识,又需要一种不可逾越的复杂计算。我们除了给出季度平均值以外,没有办法对六个月以后作具体的天气预报。

  我们还知道制约化学和生物的基本定律,这样在原则上,我们应能确定大脑如何工作。但是制约大脑的方程几乎肯定具有混沌行为,初始态的非常小的改变会导致非常不同的结果。这样,尽管我们知道制约人类行为的方程,但在实际上我们不能预言它。科学不能预言人类社会的未来或者甚至它有没有未来。其危险在于,我们毁坏或消灭环境的能力的增长比利用这种能力的智慧的增长快得太多了。

  宇宙的其他地方对于地球上发生的任何事物根本不在乎。绕着太阳公转的行星的运动似乎最终会变成混沌,尽管其时间尺度很长。这表明随着时间流逝,任何预言的误差将越来越大。在一段时间之后,就不可能预言运动的细节。我们能相当地肯定,地球在相当长的时间内不会和金星相撞。但是我们不能肯定,在轨道上的微小扰动会不会积累起来,引起在十几亿年后发生这种碰撞。太阳和其他恒星绕着银河系的运动,以及银河系统着其局部星系团的运动也是混沌的。我们观测到,其他星系正离开我们运动而去,而且它们离开我们越远,就离开得越快。这意味着我们周围的宇宙正在膨胀:不同星系间的距离随时间而增加。

  我们观察到的从外空间来的微波辐射背景给出这种膨胀是平滑而非混沌的证据。你只要把你的电视调到一个空的频道就能实际观测到这个辐射。你在屏幕上看到的斑点的小部分是由太阳系外的微波引起的。这就是从微波炉得到的同类的辐射,但是要更微弱得多。它只能把食物加热到绝对温度的2.7度,所以不能用来温热你的外卖皮萨。人们认为这种辐射是热的早期宇宙的残余。但是它最使人印象深刻的是,从任何方向来的辐射量几乎完全相同。宇宙背景探索者卫星已经非常精确地测量了这种辐射。从这些观测绘出的天空图可以显示辐射的不同温度。在不同方向上这些温度不同,但是差别非常微小,只有十万分之一。因为宇宙不是完全光滑的,存在诸如恒星、星系和星系团的局部无规性,所以从不同方向来的微波必须有些不同。但是,要和我们观测到的局部无规性相协调,微波背景的变化不可能再小了。微波背景在所有方向上能够相等到10分之99999。

  上古时代,人们以为地球是宇宙的中心。在任何方向上背景都一样的事实,对于他们而言毫不足怪。然而,从哥白尼时代开始,我们就被降级为绕着一颗非常平凡的恒星公转的一颗行星,而该恒星又是绕着我们看得见的不过是一千亿个星系中的一个典型星系的外边缘公转。我们现在是如此之谦和,我们不能声称任何在宇宙中的特殊地位。所以我们必须假定,在围绕任何其他星系的任何方向的背景也是相同的。这只有在如果宇宙的平均密度以及膨胀率处处相同时才有可能。平均密度或膨胀率的大区域的任何变化都会使微波背景在不同方向上不同。这表明,宇宙的行为在非常大尺度下是简单的,而不是混沌的。因此我们可以预言宇宙遥远的未来。

  因为宇宙的膨胀是如此之均匀,所以人们可按照一个单独的数,即两个星系间的距离来描述它。现在这个距离在增大,但是人们预料不同星系之间的引力吸引正在降低这个膨胀率。如果宇宙的密度大于某个临界值,引力吸引将最终使膨胀停止并使宇宙开始重新收缩。宇宙就会坍缩到一个大挤压。这和启始宇宙的大爆炸相当相似。大挤压是被称作奇性的一个东西,是具有无限密度的状态,物理定律在这种状态下失效。这就表明即便在大挤压之后存在事件,它们要发生什么也是不能预言的。但是若在事件之间不存在因果的连接,就没有合理的方法说一个事件发生于另一个事件之后。也许人们可以说,我们的宇宙在大挤压处终结,而任何发生在"之后"的事件都是另一个相分离的宇宙的部分。这有一点像是再投胎。如果有人声称一个新生的婴儿是和某一死者等同,如果该婴儿没从他的以前的生命遗传到任何特征或记忆,这种声称有什么意义呢?人们可以同样地讲,它是完全不同的个体。

  如果宇宙的密度小于该临界值,它将不会坍缩,而会继续永远膨胀下去。其密度在一段时间后会变得如此之低,引力吸引对于减缓膨胀没有任何显著的效应。星系们会继续以恒常速度相互离开。

  这样,对于宇宙的未来其关键问题在于:平均密度是多少?如果它比临界值小,宇宙就将永远膨胀。但是如果它比临界值大,宇宙就会坍缩,而时间本身就会在大挤压处终结。然而,我比其他的末日预言者更占便宜。即使宇宙将要坍缩,我可以满怀信心地预言,它至少在一百亿年内不会停止膨胀。我预料那时自己不会留在世上被证明是错的。

  我们可以从观测来估计宇宙的平均密度。如果我们计算能看得见的恒星并把它们的质量相加,我们得到的,不到临界值的百分之一左右。即使我们加上在宇宙中观测到的气体云的质量,它仍然只把总数加到临界值的百分之一。然而,我们知道,宇宙还应该包含所谓的暗物质,即是我们不能直接观测到的东西。暗物质的一个证据来自于螺旋星系。存在恒星和气体的巨大的饼状聚合体。我们观测到它们围绕着自己的中心旋转。但是如果它们只包含我们观测到的恒星和气体,则旋转速率就高到足以把它们甩开。必须存在某种看不见的物质形式,其引力吸引足以把这些旋转的星系牢牢抓住。

  暗物质的另一个证据来自于星系团。我们观测到星系在整个空间中分布得不均匀,它们成团地集中在一起,其范围从几个星系直至几百个星系。假定这些星系互相吸引成一组从而形成这些星系团。然而,我们可以测量这些星系团中的个别星系的运动速度。我们发现其速度是如此之高,要不是引力吸引把星系抓到一起,这些星系团就会飞散开去。所需要的质量比所有星系总质量都要大很多。这是在这种情形下估算的,即我们认为星系己具有在它们旋转时把自己抓在一起的所需的质量。所以,在星系团中我们观测到的星系以外必须存在额外的暗物质。

  人们可以对我们具有确定证据的那些星系和星系团中的暗物质的量作一个相当可靠的估算。但是这个估算值仍然只达到要使宇宙重新坍缩的临界质量的百分之十左右。这样,如果我们仅仅依据观测证据,则可预言宇宙会继续无限地膨胀下去。再过五十亿年左右,太阳将耗尽它的核燃料。它会肿胀成一颗所谓的红巨星,直到它把地球和其他更邻近的行星都吞没。它最后会稳定成一颗只有几千英哩尺度的白矮星。我正在预言世界的结局,但这还不是。这个预言还不至于使股票市场过于沮丧。前面还有一两个更紧迫的问题。无论如何,假定在太阳爆炸的时刻,我们还没有把自己毁灭的话,我们应该已经掌握了恒星际旅行的技术。

  在大约一百亿年以后,宇宙中大多数恒星都已把燃料耗尽。大约具有太阳质量的恒星不是变成白矮星就是变成中子星,中子星比白矮星更小更紧致。具有更大质量的恒星会变成黑洞。黑洞还更小,并且具有强到使光线都不能逃逸的引力场。然而,这些残留物仍然继续绕着银河系中心每一亿年转一圈。这些残余物的相撞会使一些被抛到星系外面去。余下的会渐渐地在中心附近更近的轨道上稳定下来,并且最终会集中一起,在星系的中心形成一颗巨大的黑洞。不管星系或星系团中的暗物质是什么,可以预料它们也会落进这些非常巨大的黑洞中去。

  因此可以假定,星系或星系团中的大部分物体最后在黑洞里终结。然而,我在若干年以前发现,黑洞并不像被描绘的那样黑。量子力学的不确定性原理讲,粒子不可能同时具有定义很好的位置和定义很好的速度。粒子位置定义得越精确,则其速度就只能定义得越不精确,反之亦然。如果在一颗黑洞中有一颗粒子,它的位置在黑洞中被很好地定义,这意味着它的速度不能被精确地定义。所以粒子的速度就有可能超过光速,这就使得它能从黑洞逃逸出来,粒子和辐射就这么缓慢地从黑洞中泄漏出来。在一颗星系中心的巨大黑洞可有几百万英里的尺度。这样,在它之内的粒子的位置就具有很大的不确定性。因此,粒子速度的不确定性就很小,这表明一颗粒子要花非常长的时间才能逃离黑洞。但是它最终是要逃离的。在一个星系中心的巨大黑洞可能花10↑90年的时间蒸发掉并完全消失,也就是一后面跟九十个零。这比宇宙现在的年龄要长得多,它是10↑10年,也就是一后面跟十个零。如果宇宙要永远膨胀下去的话,仍然有大量的时间可供黑洞蒸发。

  永远膨胀下去的宇宙的未来相当乏味。但是一点也不能肯定宇宙是否会永远膨胀。我们只有大约为使宇宙坍缩的需要密度十分之一的确定证据。然而,可能还有其他种类的暗物质,还未被我们探测到,它会使宇宙的平均密度达到或超过临界值。这种附加的暗物质必须位于星系或星系团之外。否则的话,我们就应觉察到了它对星系旋转或星系团中星系运动的效应。

  为什么我们应该认为,也许存在足够的暗物质,使宇宙最终坍缩呢?为什么我们不能只相信我们已有确定证据的物质呢?其理由在于,那怕宇宙现在只具有十分之一的临界密度,都需要不可思议地仔细选取初始的密度和膨胀率。如果在大爆炸后一秒钟宇宙的密度大了一万亿分之一,宇宙就会在十年后坍缩。另一方面,如果那时宇宙的密度小了同一个量,宇宙在大约十年后就变成基本上空无一物。

  宇宙的初始密度为什么被这么仔细地选取呢?也许存在某种原因,使得宇宙必须刚好具有临界密度。看来可能存在两种解释。一种是所谓的人择原理,它可被重述如下:宇宙之所以是这种样子,是因为否则的话,我们就不会在这里观测它。其思想是,可能存在许多具有不同密度的不同宇宙。只有那些非常接近临界密度的能存活得足够久并包含足够形成恒星和行星的物质。只有在那些宇宙中才有智慧生物去访问这样的问题:密度为什么这么接近于临界密度?如果这就是宇宙现在密度的解释,则没有理由去相信宇宙包含有比我们已探测到的更多物质。十分之一的临界密度对于星系和恒星的形成已经足够。

  然而,许多人不喜欢人择原理,因为它似乎太倚重于我们自身的存在。这样就有人对为何密度应这么接近于临界值寻求另外可能的解释。这种探索导至极早期宇宙的暴涨理论。其思想是宇宙的尺度曾经不断地加倍过,正如在遭受极端通货膨胀的国家每隔几个月价格就加倍一样。然而,宇宙的暴涨更迅猛更极端得多:在一个微小的暴涨中尺度的至少一千亿亿亿倍的增加,会使宇宙这么接近于准确的临界密度,以至于现在仍然非常接近于临界密度。这样,如果暴涨理论是正确的,宇宙就应包含足够的暗物质,使得密度达到临界值。这意味着,宇宙最终可能会坍缩,但是这个时间不会比迄今已经膨胀过的一百五十亿年左右长太多。

  如果暴涨理论是正确的,必须存在的额外的暗物质会是什么呢?它似乎和构成恒星和行星的正常物质不同。我们可以计算出宇宙在大爆炸后的最初三分钟的极早期阶段产生的各种轻元素的量。这些轻元素的量依赖于宇宙中的正常物质的量而定。我们可以画一张图,在垂直方向标出轻元素的量,沿着水平轴是宇宙中正常物质的量。如果现在正常物质的总量大约只为临界量的十分之一,则我们可以得到和观测很一致的丰度。这些计算也可能是错误的,但是我们对于几种不同的元素得到观测到的丰度这个事实,令人印象十分深刻。

  如果存在暗物质的临界密度,那么其主要候选者可能是宇宙极早阶段的残余。基本粒子是一种可能性。存在几种假想的候选者,那是些我们认为也许存在但还没有实际探测到的粒子。但是最有希望的情形是中微子,我们对它已有很好的证据。它被认为自身没有质量,但是最近一些观测暗示,中微子可能有小质量。如果这一点得到证实并发现具有恰好的数值,中微子就能提供足够的质量,使宇宙密度达到临界值。

  黑洞是另一种可能性。早期宇宙可能经历过所谓的相变。水的沸腾和凝固便是相变的例子。在相变过程中原先均匀的媒质,譬如水,会发展出无规性。在水的情形下会是一大堆冰或蒸汽泡。这些无规性会坍缩形成黑洞。如果黑洞非常微小的话,它们由于早先描述的量子力学的不确定性原理的效应,迄今已被蒸发殆尽。但是,如果它们超过几十亿吨(一座山的质量),则现在仍在周围,并且很难被探测到。

  对于在宇宙中均匀分布的暗物质,它对宇宙膨胀的效应是唯一探测其存在的方法。由测量遥远星系离开我们而去的速度便可确定膨胀的减慢程度。其关键在于,光离开这些星系向我们传播,所以我们是在观测在遥远的过去的这些星系。人们可以绘一张图,把星系的速度和它们的表观亮度或星等作比较,星等是它们离开我们的距离的测度。这张图上的不同曲线对应于不同的膨胀减慢率。向上弯折的曲线对应于将要坍缩的宇宙。初看起来观测似乎表示坍缩的情景。但是麻烦在于,星系的表观亮度不能很好地标度离开我们的距离。不仅在星系的本征亮度存在相当大的变化,而且还有证据说明其亮度随时间而改变。由于我们不知道允许的亮度演化是多少,所以我们还不能说减慢率是多少:它是否快到使宇宙最终坍缩,或者宇宙会继续永远膨胀下去。这必须等到我们发展出更好的测量星系距离的手段后才行。但是我们可以肯定,减慢率没有快到使宇宙在今后的几十亿年内坍缩的程度。

  宇宙在一千亿年左右既不永远膨胀也不坍缩是一个非常激动人心的前景。我们是否有所作为使将来变得更加有趣呢?一种肯定可为的做法是让我们驾驶到一颗黑洞中去。它必须是一颗相当大的黑洞,比太阳质量的一百万倍还要大。在银河系的中心很可能有颗这么大的黑洞。

  在一颗黑洞中会发生什么我们还不很清楚。广义相对论的方程允许这样的解,它允许人们进入一颗黑洞并从其他地方的一颗白洞里出来。白洞是黑洞的时间反演。它是一种东西只出不进的物体。在宇宙的其他部分可能会有白洞。这似乎为星系际的快速旅行提供了可能性。麻烦在于这种旅行也许是过于迅速了。如果通过黑洞的旅行成为可能,则似乎无法阻拦你在出发之前已经返回。那时你可以做一些事,譬如讲杀死你的母亲,因为她一开始就不让你进入黑洞。

  看来物理定律不允许这种时间旅行,这也许对于我们(以及我们母亲们)的存活是个幸事。似乎有一种时序防御机构,不允许旅行到以前去,使得这个世界对于历史学家是安全的。如果一个人向以前旅行,似乎要发生的是,不确定性原理的效应会在那里产生大量的辐射。这种辐射要么把时空卷曲得如此之甚,以至于不可能在时间中倒退回去,要么使时空在类似于大爆炸和大挤压的奇性处终结。不管哪种情形,我们的过,去都不会受到居心叵测之徒的威胁。最近我和其他一些人进行的一些计算支持这个时序防御假设。但是,我们过去不能将来永远也不能进行时间旅行的最好证据是,我们从未遭受到从未来来的游客的侵犯。

  现在小结如下:科学家相信宇宙受定义很好的定律制约,这些定律在原则上允许人们去预言将来。但是定律给出的运动通常是混沌的。这意味着初始状态的微小变化会导至后续行为的快速增大的改变。这样,人们在实际上经常只能对未来相当短的时间作准确的预言。然而,宇宙大尺度的行为似乎是简单的,而不是混沌的。所以,人们可以预言,宇宙将永远膨胀下去呢,还是最终将会坍缩。这要按照宇宙的现有密度而定。事实上,现在密度似乎非常接近于把坍缩和无限膨胀区分开来的临界密度。如果暴涨理论是正确的,则宇宙实际上是处在刀锋上。所以我正是继承那些巫师或预言者的良好传统,两方下赌注,以保万无一失。

猪哼哼 发表于 2007-8-30 00:05

十四、《沙漠孤岛》会晤记


  英国广播公司的《沙漠孤岛》节目从1942年就开始广播,是无线电中延续最久的节目。现在,它多少已成为英国的传统。历来访谈者的范围极为广泛。它会晤了作家、演员、音乐家、电影演员和导演、运动明星、喜剧演员、厨艺家、园丁、教师、舞蹈家、政治家、皇室成员、漫画家以及科学家。访客被称作遇难者,假定他们被弃绝到一座沙漠孤岛之上,让他们选取八张随身携带的唱片。还允许他们随带一种奢侈品(必须是无生命的)以及一本书(假定一本适当的宗教的书——《圣经》、《可兰经》或其他类似的已经放在那儿,还有《莎士比亚全集》)。唱机是理所当然地提供的。早先的宣布通常还说:"……那里有一台留声机并有用之不竭的唱针。"现在用太阳能光碟唱机作为听唱片的手段。

  该节目每周播一次,访客选取的唱片在会晤时同时放出,全过程通常为四十分钟。然而,这次和史蒂芬·霍金的会晤是一次例外,它在1992年的圣诞节播出,延续的时间更长。

  会晤者为苏·洛雷。

  苏:当然,史蒂芬,你在许多方面已经非常熟悉沙漠孤岛的寂寞,脱离了正常的体育运动以及被剥夺了自然的交流手段。你感到有多孤单?

  史:我认为自己没有脱离正常生活,我以为周围的人也不这么认为。我不觉得自己是个残废人,只不过我的运动神经细胞不能运作罢了,不如讲我是个色盲的人。我想我的生活几乎谈不上是寻常的,但是我觉得精神上是正常的。

  苏:尽管如此,你已经向自己证明了,不像《沙漠孤岛》上的多数遇难者那样,你在精神和智慧上是自足的。你有足够多的理论和灵感使自己忙碌。

  史:我觉得自己天性有点害羞,而且我交流的困难迫使我依赖自己。但是小时候我是个多话的孩子。我需要和他人讨论来激励自己。我觉得向他人描述自己的思想对我的研究大有助益。即便他们没有提供任何建议,仅仅组织我的思想使他人理解的事实,就时时将我引向新的动向。

  苏:但是,史蒂芬,你情感上如何得到满足呢?即便是杰出的物理学家也必须从他人处得到这些啊2

  史:物理学尽管美妙,却是冷冰冰的。如果我除了物理学外一无所有,则无法活下去。正如所有人那样。我需要温馨和爱情。还有,我是非常幸运的,比许多患相同病的人幸运得多,我接受到大量的关爱。音乐也是我生活中的重要部分。

  苏:请告诉我,是物理学还是音乐带给你更多的快乐?

  史:我要说,我把物理学问题全部澄清后获得快乐的强度,是音乐从未曾带给我的。但那是一个人生涯中可遇不可求的现象,而你想听音乐时只要把光碟放在唱机上即可。

  苏:请告诉我你在沙漠孤岛上首先要听的唱片。

  史:那是帕伦克的《格罗里亚》。去年夏天在科罗拉多的阿斯平我第一次听到它。阿斯平主要是滑雪胜地,夏天时常开物理会议。紧靠物理中心是一个巨大的帐篷,那里正举行着音乐节。当你坐在那里研究黑洞蒸发会发生什么问题时,你能同时听到演奏。这是非常理想的,因为它把我的两个主要快乐——物理和音乐结合在一起了。如果我在沙漠孤岛中兼有两者,根本不想被拯救。那是说,直到我在理论物理中做出要告诉所有人的新发现为止。我设想拥有一个卫星碟,以便通过电子信箱得到物理论文应是违反规定的。

  译者注:帕伦克(Poulenc)是法国本世纪初作曲家。《格罗里亚》(Gloria)通常在作弥撒时演奏。

  苏:无线电可以掩盖身体上的缺陷,但是在这种情形下把别的东西也掩饰了。史蒂芬,回顾七年以前你名符其实地失声了。能告诉我这个过程吗?

  史:1985年的夏天,我在日内瓦的欧洲核子中心,那是一座巨大的加速器。我打算继续往德国的贝洛伊斯去听瓦格纳的《尼伯龙根的指环》的歌剧系列。可惜我得了肺炎,并被送到医院急诊。日内瓦的医院告知我妻子说我没有希望了,可以撤走维生系统。但是她根本不同意。我被用飞机送回到剑桥的爱登布鲁克斯医院。那里的一位名叫罗杰·格雷的外科医生为我进行了穿气管手术。这个手术救了我一命,却从此使我失声。

  苏:但是,那时无论如何你的讲话已经很模糊并很难听明白,所以最终总要失去讲话能力的,是吗?

  史:尽管我的声音不清楚并很难理解,但是和我接近的人仍能理解。我可以通过翻译来做学术报告,我还可以对人口授论文。但在做完手术之际,我觉得受到了损害。我觉得如果我不能得到声音,那就不值得做手术。

  苏:后来加利福尼亚的电脑专家得知你的困况,而且给你一种声音。你觉得如何?

  史:他名叫瓦特·沃尔托兹。他的岳母和我的境况相同,所以他发展了一种电脑程序帮助她交流。一个指示光点在屏幕上移动。当它停留在你所需要选取的词上时,你就用头或眼睛的动作来操作开关,在我的情形下是用手。人们用这种办法可在屏幕下半部打印出的词中作选择。当他积累够了他所要说的,便可以送进语言合成器或者存在磁碟中。

  苏:但是这进行得很慢。

  史:它是很慢,粗略地讲为正常讲话速度的十分之一。但是语言合成器比我原先的语言清楚了很多。英国人说它具有美国的口音,而美国人却说它是斯堪的纳维亚或爱尔兰口音。不管怎么说,也不管是什么口音,每个人都能明白了。在我的自然声音恶化时,我的大儿子能调整适应之,可是我最小的儿子在我动穿气管手术时才六岁,在这之前他从来就听不懂。他现在没有困难了。这对我而言也是件大事。

  苏:这也意味着,你对于任何会晤者的问题都要早早得到预先通知,而且只需要回答你准备妥当的,是吗?

  史:对于像这次这样长的预录的节目,提早把问题交给我会有助益,这样可以避免花费大量时间来录音。在某一方面也使我易于掌握。但是我宁愿即席回答问题。我在学术或通俗讲演之后是这么做的。

  苏:但是正如你所说的,这个过程表明你有主动权,我知道这对你相当重要。你的亲友有时称你为顽固或霸气的,你服气吗?

  史:有主见的人时常被叫做顽固。我宁愿说我是决断的。如果我没有相当决断,也不至于有今天这种地步。

  苏:你一贯如此吗?

  史:我只要和其他人一样地对自己的生活有同等程度的控制权。残废人的生活受他人控制的情形实在太多了。没有一个正常人能忍受这个。

  苏:请告诉我你的第二张唱片。

  史:勃朗姆斯的小提琴协奏曲。这是我买的第一张大唱片。那是1957年,每分钟33转的唱片刚开始在英国出售。如果我买一台唱机则会被父亲责备为不顾他人的自私。但是我说服他我可以买到便宜的零件组装一台。他赞赏这种节俭的做法。我把唱盘和放大器放在一台老的78转的唱机盒子里。如果我保存它的话,现在就会变得非常珍贵。

  这台唱机制成后,我需要放唱片。一位中学朋友建议放勃朗姆斯的小提琴协奏曲,因为我们的学校圈子里谁也没有这种唱片。我记得为它花费了三十五先令,这在当时尤其对我而言算是一大笔钱。唱片的标价变贵了,但实质上比过去便宜得多。

  当我在店里首次听这张唱片时,觉得有点儿奇怪,我不清楚我是否会喜爱它,但是我感到我应该说我喜爱它。然而,多年来它变得对我很重要。我愿意听徐缓调的起始部分。

  苏:一位家庭老友说过,在你童年时,你的家庭是,我引用道:"高度智慧,非常聪明而且非常怪异的。"回顾过去,你是否认为这个描述大致不差?

  史:对我的家庭是否智慧我不便评论,但是我们肯定不自认为是怪异的。然而,我想按照圣阿尔班斯的标准也许显得如此。我们在那里住时,那是个相当严肃的地方。

  苏:而你的父亲是位热带病专家。

  交:我父亲从事热带医药学研究。他经常去非洲,在外面试验新的药物。

  苏:那么你的母亲对你的影响更大,如果是这样的话,那是什么样的影响?

  史:不,我要说我的父亲影响更大些。我模仿他。因为他是一位科学研究者,我觉得长大后从事科学研究是很自然的事情。仅有的差别是我对于医学或生物学毫无兴趣,因为这些学科似乎过于不精确和描述性。我要某些更基本的东西,在物理学中可以找到这些。

  苏:你母亲说过,你一贯具有她描述的强烈的好奇心。她说过:"我能看到星星使他痴迷。"你是否记得?

  史:我记得有一次深夜从伦敦回家。那时候为了省钱把路灯都关了。我从未看见过这么美丽的银河横贯的夜空。在我的沙漠孤岛中不会有任何街灯,所以可以尽情欣赏夜空。

  苏:你的童年无疑是非常聪明的,在家里和你姐妹做游戏时非常富有进取心,但是在学校里却会落到班级里最差的,而且满不在乎,这是真的吗?

  史:这是我在圣阿尔班斯第一年的情形。但是我必须说,这是一个尖子班,我的考试比我的作业好得多。我知道我可以做得很好——那只不过是我的书写和不整洁把我的分数拉下来。

  苏:第三张唱片?

  史:我在牛津读本科时,读过阿尔多斯·赫胥黎的《对偶》。这是描绘本世纪三十年代的书,书中有大量的人物。除了一个人物是有血有肉的以外,绝大多数人物都是形式化的。这个人显然是赫胥黎本人的写照。他杀死了英国法西斯的头目,这个头目是按照奥斯瓦尔德·莫斯利爵士塑造的。然后他告诉法西斯党徒他干了此事,并把贝多芬的弦乐四重奏第132号唱片放在留声机上。他在放第三乐章的中间听到了敲门声,开门时被法西斯党徒枪杀。

  译者注:阿尔多斯·赫胥黎(Aldous Huxley)(1894-1963)是进化论者托玛斯·赫胥黎之孙,英国小说家。《对偶》(Point Counterpoint)是他1928年发表的乌托邦式的实验小说。

   这是一部非常差劲的小说,但是赫胥黎的唱片选对了。如果我得知潮汐正逼近并将淹没我的沙漠孤岛,就会去听这四重奏的第三乐章。

  苏:你上牛津的大学学院读数学和物理,按照你计算的,在那儿你平均每天大约用功一小时。按照我读过的,你划船、喝啤酒还以捉弄他人为乐。是什么原因使你对学业不在乎?

  史:那是五十年代末期,大多数年轻人对所谓的成就感到幻灭。除了财富还是财富,似乎没有别的什么可以追求。保守党刚刚赢得第三次竞选,其口号为"你从未这么好过"。我和我的大多数同时代人厌倦生活。

  苏:尽管如此,你仍然在几小时内解决你的同学在几周不能完成的问题。从他们所说的,他们显然知道你的才能。你认为自己意识到了吗?

  史:牛津大学那个时期的物理课程极其简单。人们可以不听任何课,一周只要接受一二次辅导就能通过。你不必记许多事实,只要记住一些方程即可。

  苏:正是在牛津,你首次注意到手脚不怎么听使唤了。那时候你怎么自我解释这个现象的?

  史:事实上,我注意到的第一件事,是我不能正常地划船。后来我在从初级公共教室出来的楼梯上摔了一大跤。我忧虑头脑也许受到损害,所以看了学院医生,但是他认为没问题并让我少喝啤酒。我在牛津的期终考后去波斯度暑假。我的身体在回来之后一定是虚弱了不少。但是我把它归结于所经受的胃病所引起的。

  苏:什么时候你开始屈服,承认患了非常严重的病,并且决定采取医生的劝告?

  史:那时我已在剑桥,圣诞节时回家。那是1962年到1963年的非常寒冷的冬天。尽管我自知对滑冰不在行,仍然顺从母亲去圣阿尔班斯的湖面去滑冰。我摔倒后要爬起来非常艰难。我母亲感到出了什么毛病。她带我去看家庭医生。

  苏:然后在医院住了三周,而他们告诉了你最坏的情形?

  史:事实上是在伦敦的巴兹医院,因为我父亲是属于巴兹的。我住院两周,做了检查。但是他们除了说不是多发性硬化并且不是典型病以外,实际上从未告诉我出了什么毛病。他们没有告诉我前景如何,但我猜出非常糟糕,所以也不想去问。

  苏:而且最后他们通知你说只有两年多的时间可活。史蒂芬,让我们暂时停顿一下,你可以挑选下一张唱片。

  史:瓦尔基莉的第一场。这是美尔基尔和列曼演唱的另一张早期的大唱片。它是在战前原先录在78转的唱片上面,而在六十年代被转录到大唱片上。1963年我被诊断得了运动神经细胞病之后,就变成喜欢瓦格纳的作品;因为他和我的末日黑暗的情绪相投。我的语言合成器可惜末受过良好教育,把他的名字发成软的W的音。我必须把他拼写成V-A-R-G-N-E-R才使之听起来差不离。

  译者注:美尔基尔(Laurity Melchior)是丹麦本世纪男歌唱家。
  译者注:列曼(Lotte Lehmann)是德国本世纪女歌唱家。

  《指环》系列的四部歌剧是瓦格纳最伟大的作品。1964年我和我的妹妹费利珀一起去德国的贝洛伊斯去看这些歌剧。那时我对《指环》尚不熟悉,所以系列的第二部瓦尔基莉给我留下了极其深刻的印象。这是沃尔夫冈·瓦格纳执行制作的,舞台几乎是全暗的。这是一对孩提时代即分开的双生子西格蒙德和西格林德的爱情故事。他们再次邂逅的场合是西格蒙德在西格林德的丈夫,也就是西格蒙德的敌人洪丁的家中避难之际。我选取的片断是西格林德对被迫和洪丁举行婚礼的叙述。一位老人在庆祝会之际进入大厅。此时乐队奏起忠烈祠的旋律,这是《指环》中的最高贵的主旋律。因为他是渥当,是群神之首也是西格蒙德和西格林德的父亲。他把剑插入树干之中。这把剑是要传给西格蒙德的。在该幕结尾时西格蒙德把它拔出来,然后两个人跑到树林中去。

  苏:史蒂芬,从你的生平得知,通知你只能再活两年多的裁决似乎使你清醒过来,也可以说使你更专注于生命。

  史:其首先的影响是使我沮丧。病情似乎恶化得相当迅速。因为我觉得活不到结束我的博士论文,所以没有必要做任何事或攻读博士。后来病情得到缓解,我也开始在研究上有所进展,尤其是能够证明,宇宙在大爆炸处必须有个开端。

  苏:你在一次访谈中说过,你自认为现在比患病之前更快乐。

  史:我现在肯定是更快乐。在患运动神经细胞病之前,我已对生活厌倦了。但是天折的前景使我意识到生命的可贵。一个人有这么多事可做,每一个人都有这么多事可做。我得到一种真正的成就感,因为尽管我的病情,我对人类知识做出了适度的却是有意义的贡献。当然,我是幸运的,但是任何人只要足够努力都能有所成就。

  苏:你是否可以引申到这种程度,说如果你没有得运动神经细胞病,你就不会得到今天所有的成就,或者这个问题过于简单化丁?

  史:不,我认为运动神经细胞病对任何人都没有好处。因为我是要理解宇宙如何运行,这种病无法阻止我的意愿,所以对我的损害比他人小一些。

  苏:当你开始面对疾病时,一位名叫简·瓦尔德的女士给予你以鼓励。你在一次酒会中和她邂逅,然后恋爱直至结婚。你愿意说,你的成功中的多少应归功于她,归功于简?

  史:如果没有她我肯定不能成功。和她定婚使我从绝望的深渊中拔出来。而且如果我们要结婚,我必须有工作,这样我就必须完成我的博士论文。我开始努力学习并且发现喜欢这样。随着我的病况恶化,简一个人照顾我。在那个阶段没有人愿意帮助我们,而且我们肯定没有钱去付给助手。

  苏:而且你们一道蔑视医生,不仅是因为继续生活下去而且还生育了子女。你们在1967年得到罗伯特,1970年得到露西,然后在1979年得到提莫西。医生们是如何受到震惊的?

  史:事实上,诊断我的医生再也不愿管我了。他觉得这是不治之症,首次诊断后我再也没去看他。我父亲在实际上成为我的医生,我听从他的建议。他告诉我,没有证据表明这种病是遗传的。简设法照顾我和两个孩子。只有在1974年我们去加利福尼亚时需要外人的帮助,起先是一名学生,后来是护士和我们同住。

  苏:但是现在你不再和简在一起了。

  史:我动了穿气管手术后需要二十四小时的护理。这使得婚姻关系越来越紧张。最后我搬出去,现在住在剑桥的一套新公寓里。现在我们分居。

  苏:再回到音乐上来。

  史:我挑选披头士的《请你让我快乐》。在我挑了四张相当严肃的唱片之后,需要一些轻松的解脱。对于我本人和许许多多其他的人而言,披头士的问世正值其时,这是对陈腐的令人作呕的流行乐坛吹进的大受欢迎的清新气息。我通常在星期日晚上收听卢森堡电台的最好的二十首歌曲。

  苏:尽管你得到无数的荣誉,史蒂芳·霍金——我特别要提到你是剑桥的卢卡逊数学教授,这是伊萨克·牛顿的教席——你决定写一部有关你的研究的通俗著作,我想是为了非常简单的原因,那就是你需要钱。

  史:我想从一部通俗书可适度地赚一些钱,我写《时间简史》的主要原因是我喜欢它。我为在过去二十五年间所做的发现激动不已,我要让大家分享。我从未预料到能进行得这么成功。

  苏:的确,它打破了所有纪录,并因为其荣登畅销书榜的时间之久而被列入《吉尼斯世界纪录》,现在它仍在榜上。似乎没人知道它在世界范围究竟出售了多少本,但是肯定超过了一千万本。显而易见,人们购买它,但一直想问的问题是:他们阅读吗?

  史:我知道伯纳德·列文看到第二十九页就看不下去了,但是我知道许多人阅读得更多。在世界各地,人们到我面前告诉说,他们如何地欣赏这部书。他们也许没有看完或者不能理解其中的全部细节。但是,他们至少得到这种观念,我们生活在由合理的定律制约的宇宙中,而且我们能够发现和理解这些定律。

  苏:正是黑洞的概念深蒙公众想象力的宠爱,从而刺激了探究宇宙论的兴趣。你看过《星球旅行》的所有系列吗?"勇敢地探险前人从未涉足之处"等等。如果你看过的话,你喜欢它吗?

  史:我在十几岁时读了许多科学幻想的书。而现在我自己在这领域里作研究,我觉得大多数科学幻想书都有点过于轻而易举。如果你不把在超空间行驶和扫描法运输人当作一个协调图像的部分的话,把它们写进科学幻想书实在是举手之劳的事。真正的科学是实实在在发生的事,所以也就更加激动人心。科学幻想作家从未在科学家思考到黑洞之前提示过它。我们现在对许多黑洞有了相当有力的证据。

  苏:如果你落进黑洞的话会经受到什么惊险?

  史:任何涉足科学幻想书的读者都知道,你落入黑洞的话会发生什么。你会变成意大利面条。但是,黑洞不是完全黑的这一点是更加有趣得多。它们以恒定的速率发射出粒子和辐射。这使黑洞缓慢地蒸发,但是黑洞和它的内容最终会发生什么仍然不很清楚。这是一个激动人心的研究领域,而科学幻想作家还未跟上来。

  苏:而你所提到的辐射当然是霍金辐射。你并没有发明黑洞,尽管你进一步证明了黑洞不是黑的。正是他们的发现刺激你开始更认真地思考宇宙的起源,是这样的吗?

  史:恒星坍缩形成黑洞在许多方面像是宇宙膨胀的时间反演。一颗恒星从较低密度的状态坍缩成非常紧致的状态,而宇宙是从非常紧致状态膨胀到较低密度的状态。存在一个重要的差别:我们处于黑洞之外,但却在宇宙之中。可是两者都以热辐射为表征。

  苏:你说黑洞和它的内容最终会发生什么仍然不很清楚。但是我以为在理论上,不管发生了什么,而且包括航天员在内不管什么进入黑洞而消失,最终都会以霍金辐射的形式而被再循环。

  史:航天员的质量能量将会变成黑洞发出的辐射而被再循环。但是航天员本人,甚至构成他的粒子不会从黑洞出来。现在的问题是,它们究竟发生了什么?他们是被毁灭了呢,还是穿越到另一个宇宙中去?这是我亟想知道的某种东西,而我并不想跳到一颗黑洞中去。

  苏:史蒂芬,你是否依赖直觉做研究,也就是,用直觉得到你喜爱并令你着迷的理论,然后再着手证明之?或者说,你是否总是要以逻辑方式导致结论,而不敢预先作猜测?

  史:我很依赖直觉,我试图猜出一个结果,但是之后必须证明之。而在这一阶段,我时常发现,我想过的东西不是真的,或者出现某种从未预料到的其他情形。我就是这样发现黑洞不是完全黑的。那时我想证明一些别的东西。

  苏:再回到音乐上来。

  史:莫扎特总是我喜爱的一位音乐家。他写下了无数的作品。今年早先我五十岁的生日之际,我收到一套他的全集的光碟,超过二百小时长。我没听完,正继续着。《安魂曲》是他最伟大的作品之一。莫扎特在完成《安魂曲》之前死去,他的一位学生从莫扎特余下的片断将其完成。我们就要听的赞美诗是仅有的全部由莫扎特谱写的部分。

  苏:史蒂芬,请原谅我把你的理论过于简化。你一度相信过,正如我所理解的,曾经存在过创生的一点,即大爆炸,但是你现在不再这么认为了。你相信既没有开端也没有终结,而且宇宙是自足的。这是否表明,并不存在创生的行为,因此也就没有上帝的存身之处。

  史:是的,你是过于简化了。我仍然相信宇宙在实时间里在大爆炸之处有一个开端。但是存在另外一种时间,即虚时间,它是和实时间垂直的。宇宙在虚时间里既没有开端也没有终结。这就表明宇宙启始的方式是由物理定律所确定的。人们也就不必说,上帝为宇宙运行选择某种我们不能理解的任意方式。我的理论并没有说上帝存在与否——只不过说她不是任意的。

  苏:但是,如果上帝有可能不存在的话,你何以解释所有那些在科学以外的东西:人们过去以及现在对你的,实际上是对你自身灵感的热爱和信任?

  史:热爱、信任和道德属于和物理学不同的范畴。你不能从物理定律推导出人们应如何行为。但是人们可以希望,物理和数学涉及的逻辑思维也会指导人们的道德行为。

  苏:但是我认为,许多人觉得你实际上已经摆脱了上帝。你想否认这一点吗?

  史:我的研究所指出的全部是,你不必说宇宙启始的方式是上帝的一个念头。但是你还遗留一个问题:为什么宇宙要在乎自身之存在?如果你愿意的话,可把上帝定义为这个问题的答案。

  苏:让我们听第七张唱片。

  史:我非常喜欢歌剧。我曾动过念头,八张唱片全选歌剧。其范围从格鲁克和莫扎特起,通过瓦格纳,直到威尔第和普契尼。但是我最后把它减少到两张。一张必须是瓦格纳,另一张我最后决定应属於普契尼。《杜兰朵》是他最伟大的歌剧,但是又是他生前未能完成的。我选取的片断是杜兰朵叙述古代中国的一名公主如何被蒙古人强奸并抢掳的经过。为了对此报复,杜兰朵汀算向她的求婚者问三个问题。他们如果回答不出就会被处死。

  苏:圣诞节对你有什么意义?

  史:它有点像美国的感恩节。是一个全家团聚以及感谢过去一年的场合。又是展望新年的时刻,正如在马厩中诞生的一个孩子所象征的。

  苏:让我们更物质化一些,你想要什么礼物——也许近来你已富足到拥有一切?

  史:我宁愿要惊奇。如果要求某种特定的东西,他就没有给施者留下利用他或她想象的自由或机会。但是我不介意让人知道我喜爱夹心巧克力。

  苏:史蒂芬,迄今你已比预料的多活了三十年。尽管人们告诉你说永远不会生育,你却当了父亲,你完成了畅销书,你改变了人们头脑中的空间和时间的陈旧信仰。在你有生之年还要计划做什么呢?

  史:所有这一切之所以可能只是因为我足够幸运地得到大量帮助。我对自己所取得的一切感到高兴,但是在我死之前还有许多想做的事。我不愿讲我的私生活,但在科学上我想知道人们应如何把引力和量子力学以及其他的自然力统一在一起。我尤其想知道黑洞蒸发时会发生什么。

  苏:现在放最后一张唱片。

  史:我要请你发这个音。我的语言合成器是美文的,对于法文无能为力。这是依狄斯·皮阿芙唱的《我不再为任何事后悔》。这刚好可用以总结我的一生。

  译者注:依狄斯·皮阿芙(Edith Piaf)是法国本世纪女歌唱家,被誉为法国的麻雀。

  苏:史蒂芬,现在如果你只能带走一张唱片,你要选哪一张?

  史:那应是莫扎特的《安魂曲》。我可以一直把它听到光碟唱机的电池用完为止。

  苏:还有你想带去的那本书呢?当然,莎士比亚全集和圣经已经预先放在那儿供你翻阅。

  史:我想我要带乔治·爱略特的《中途》。我记得有人,也许是维吉尼亚·吴尔芙说过,这是一部为成熟的人写的书。我不清楚自己是否合格,但不妨一试。

  译者注:乔治·爱略特(George Eliot)是英国十九世纪女小说家。《中途》(Middlemarch)是她的一部杰作。
  译者注:维吉尼亚·吴尔芙(Virginia Woolf)是英国本世纪女小说家。

  苏:还有你的奢侈品呢?

  史:我想要大量的剑桥奶酪,对我来说,它是我的奢侈品的缩影。

  苏:那么不是夹心巧克力,而是大量的剑桥奶酪。史蒂芬·霍金博士,非常谢谢你让我聆听你的沙漠孤岛唱片,谨祝圣诞快乐。

  史:感谢你挑选我。我从沙漠孤岛衷心祝愿你圣诞快乐。我敢打赌说我的天气比你的还更加怕人。
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