《时间简史》解读

前言#

涉及图书：世界科学著作的里程碑，霍金教授的《时间简史》（A brief history of time, Stephen Hawking）。

《时间简史》是全世界最知名，销量最大的科普书，没有之一。1988年出版后，曾经在畅销书榜上连续出现了237周，也就是四年半的时间，创下了前所未有的畅销记录，这本书被翻译成了40多种文字，印了1000多万册，也就是说在全世界范围内，平均每700个人，就拥有一本《时间简史》，所以霍金教授的一位学生开玩笑的说：“霍金教授的科普书，比麦当娜谈性的书还好卖。”

这些年，出现了很多叫《什么什么简史》的书，比如说《万物简史》，《人类简史》，《未来简史》之类的，而霍金教授的《时间简史》，就是开创了这个命名方法的先河。

《时间简史》这本书并不是很厚，只有200多页，十几万字，但是书中涵盖的内容，是非常广泛的，从相对论到量子力学，从宇宙膨胀到基本粒子，从黑洞到虫洞，霍金教授都进行了介绍。所以看完这本书，你对我们的世界和宇宙，会有更多更深层次的了解。

不过实话实说，《时间简史》这本书，对于普通人来说，并不是很友好——它太难了。因为对很多物理学上的概念，霍金教授只做了非常简单的介绍，有些更是一笔带过，没有一定物理学知识基础的人，很有可能根本就看不懂霍金教授在说些什么。

资料查询：有机构做过调查，很多读过《时间简史》的人，除了开头第一章讲的那些段子和历史以外，其它的内容全都忘了，看了等于没看，而在Kindle上，《时间简史》的平均阅读进度只有6%，意味着很多人买来了《时间简史》，但是看了第一章就放弃了。

所以我振奋起精神，抖擞起余勇，试试给大家，把《时间简史》的精华，和霍金教授对于宇宙研究做出的贡献解读一下。因为当霍金教授委托他的两个中国学生，把《时间简史》翻译成中文的时候，曾经说：“我希望让世界五分之一的人口，了解我的研究。”

霍金教授认为，他自己在学术上最重要的贡献，是对于奇点和黑洞的研究，所以这篇解读里，我按照时间的顺序，把霍金教授的重要理论，分成了三个部分——

首先是霍金教授和彭罗斯教授一起，证明了著名的奇点定理，这个理论跟广义相对论和宇宙膨胀有关；

接下来是霍金教授提出了无边界的宇宙模型，认为宇宙没有边界，也没有起始和终结，这是对上帝的一次挑战；

最后是霍金教授证明了黑洞也可以发出辐射，这种辐射就被称为霍金辐射。

奇点定理#

我们先来说说，霍金教授和彭罗斯教授证明的奇点定理是什么。

在二十世纪以前，人们一直默认宇宙是静止的，即使牛顿的万有引力定律已经说明，不同的物体之间会相互吸引，但是人们还是发明出了各种各样的方法，来维护宇宙静止的设想，甚至连大神爱因斯坦，都在这个问题上栽了跟头。

爱因斯坦在1915年发表了广义相对论，提出时空是可以弯曲的，根据爱因斯坦的方程，宇宙并不是静止的，但爱因斯坦认为，这肯定是因为有什么地方弄错了。所以爱因斯坦在他的方程里，强行添加了一个“宇宙常数”，这样一来，根据修改后的方程来看，宇宙就变成静止的了。

但是在二十世纪二十年代，科学家在观察其它恒星的时候发现，很多恒星，都发生了一种叫做“红移”的现象，意思就是说这些恒星都正在远离地球，本来人们认为，这些恒星的运动是随机的，也就是说有些恒星离我们越来越远，但也有些恒星离我们越来越近。

可到了1929年，美国天文学家哈勃（就是名字用来命名哈勃望远镜的那个哈勃）发现，绝大多数恒星，都是在远离地球的，而且这些恒星离地球越远，他们远离地球的速度也就越快。

这说明什么呢？我给大家举个例子：

假如你拿一个气球，在气球表面的不同地方用水彩笔画上几个点，接着给这个气球吹气，随着气球越吹越大，你画的那几个点之间的距离，就会越来越远，而且两个点离的越远，它们之间相互远离的速度就会越快。

这个气球，其实就相当于我们的宇宙，气球上的点，就相当于地球和其它恒星，绝大多数恒星都是离地球越来越远，这就说明啊，我们的宇宙正在不断膨胀。

爱因斯坦在得知这个观测结果之后才发现，自己强行给方程加进去的那个宇宙常数，完全就是多余的，宇宙不是静止的，而的确就是在膨胀的，所以爱因斯坦后来说：“宇宙常数，是我一生中犯下的最大的错误”。

在发现了宇宙膨胀之后，科学家们，就以爱因斯坦的广义相对论为基础，找出了一个新的模型，来描述这个膨胀的宇宙，这就是弗里德曼宇宙模型。

科学家们发现，在弗里德曼宇宙模型中，如果把时间往前推，宇宙就会收缩，如果一直倒推到150亿年前，所有的星系之间的距离，就会变成0，就好像是整个宇宙，被紧紧的挤压成了一个点。

这个点，就被称为奇点。它就是，宇宙时空的开端。

奇点的性质非常特别，我们很难直观地去想象这是个什么东西，但是通过数学计算我们可以知道，奇点的体积无限小，弯曲程度无限大，密度无限大，引力也是无限大的。

这里有很多的无限小无限大，但是数学，其实是没有办法真的处理无限小和无限大的计算的，这就意味着，虽然弗里德曼宇宙模型是根据广义相对论提出的，但是包括广义相对论在内的所有物理理论，在奇点这个地方，都失效了。

所以霍金教授说，奇点的出现，证明了广义相对论，也只是一个不完全的理论。因为在宇宙最开始的那一刻，它就失效了。

明白了奇点是什么，我们来看看霍金教授在这个研究过程中，做出了怎样的贡献？他，又是怎样看待奇点的呢？

在奇点这个理论刚被提出来的时候，并不是所有的物理学家都认同这个说法，据霍金教授说，爱因斯坦自己，都不太相信这个说法，爱因斯坦认为，如果我们把时间一直往前推，不同的星系也不会碰撞到一起，而是会恰好错开。

但是霍金教授在读到了彭罗斯教授的一些相关研究的时候意识到，奇点理论应该是成立的。

经过几年的努力，霍金教授和彭罗斯教授一起，用严谨的数学方法证明，如果广义相对论是正确的，而宇宙中确实有我们观测到的那么多恒星，星系等物质，那么宇宙在很久以前，一定是诞生于一个奇点之中。这个奇点，就是宇宙的开端。

这个理论，现在被称为彭罗斯—霍金奇点定理。

有很多人一开始不愿意接受霍金教授的这个研究结论，因为他们不喜欢宇宙有一个开端的说法，还有的人认为，这个结论违反了科学决定论，糟蹋了完美的广义相对论，但是没办法，因为霍金教授并不是信口开河，他是脚踏实地，用数学计算，证明出这个结果的，数学不会骗人，而人也不能跟数学定律辩论。

所以现在，不管是喜欢还是不喜欢，几乎所有的物理学家都承认，我们的宇宙，的确是诞生在一个奇点之中的。

在二十世纪之前，人们都认为宇宙是静止的，直到科学家发现，绝大多数恒星都在远离地球而去，人们才意识到宇宙是在持续膨胀的。科学家们在研究膨胀的宇宙模型的时候发现，在150亿年前，所有的星系之间的距离都是0，宇宙在当时是一个体积无限小，弯曲度，密度，引力无限大的奇点，霍金教授和彭罗斯教授的贡献就在于，他们用严谨的数学方法，证明了，如果广义相对论是正确的，那么宇宙就必然诞生于这样一个奇点。这就是，宇宙的开端。

无边界宇宙模型#

我们说证明奇点定理，是霍金教授最大的科学贡献之一，但是后来，霍金教授又改变了自己的想法，提出了无边界宇宙模型，认为宇宙并不需要诞生在奇点之中。

所以接下来，我们来看看，霍金教授提出的无边界宇宙模型，有什么特别之处呢？

在前面我们说到，霍金教授和彭罗斯教授证明了奇点定理，之后几乎所有的物理学家都承认，我们的宇宙，是诞生在一个奇点之中的，宇宙诞生的那一刻，被称为大爆炸！

宇宙大爆炸理论，是目前最主流的，描述宇宙起源的模型。我们现在来看一下，宇宙大爆炸模型，对宇宙起源时刻的描述——

大爆炸的那一刻，宇宙的体积是0，温度无限高，之后宇宙开始迅速膨胀，温度开始降低；

在大爆炸一秒钟之后，宇宙的温度降低到了100亿度，这大概是氢弹爆炸时能达到的最高温度；

在大爆炸一百秒之后，宇宙温度继续降低到10亿度，质子和中子开始结合在一起，组成原子核；

之后，宇宙的温度继续降低，持续膨胀，在一百万年后，宇宙温度降低到了几千度，原子开始形成；

随着宇宙温度继续降低，恒星，星系这些物质开始形成；

到了150亿年后的现在，宇宙已经膨胀了很多很多倍，温度也已经很低了。

现在的宇宙温度，只比绝对零度高一点点了，但是宇宙的各个地方，还是残留着当时大爆炸的能量，而且我们还可以观测到，科学家们叫它微波背景辐射，就好像是充满了宇宙的背景噪音。

宇宙大爆炸理论，虽然听起来很玄乎，似乎有点不可思议，但是是和我们今天的观测证据相符合的，所以呢，已经被物理学家们广泛接受了。

但是这个理论，还是让不少物理学家们有点儿尴尬，你看，从我前面的描述中，你能够感觉到，大爆炸是宇宙的奇点，那么，宇宙中一切的物质，甚至是空间和时间，都是大爆炸以后才出现的，大爆炸之前的任何事件，对我们来说都没有任何意义，或者说根本就不存在，也就是说宇宙时空并不是无限的，而是有一个很特别的边界和开端，这个开端，就是大爆炸奇点。

但问题是，就像我们在前面讲到的那样，大爆炸奇点是一个非常特别的存在，在这里，所有的物理定律都失效了，人们根本不知道从这个奇点里，会冒出些什么东西，那么，宇宙现在所遵循的那些规律，到底是怎么出现的呢？是谁规定了这些规律呢？

难道，真的是上帝吗？

由于这个问题，目前科学家们还没有很好地解释，所以也就给宗教界保留了一丝希望。

霍金教授回忆，1981年的时候，教皇邀请了很多科学家，召开了一场宇宙学会议，在科学家们演讲结束后，教皇说，大爆炸以后的各种历史，各种规律，你们都是可以研究的，但是大爆炸的那一刻，你们科学家就不要研究了，因为那是万物诞生的时刻，那是上帝的事。

霍金教授也在这次会议上发表了演讲，演讲的主题，就是无边界宇宙模型，霍金教授在听到了教皇的话以后，就在心里嘀咕，“看来教皇没听懂我讲的内容啊！”

因为此时，霍金教授提出的无边界宇宙模型也就意味着，宇宙没有开端，也没有诞生的时刻，所以，也就根本没有上帝的位置。

霍金教授为什么这么说呢？

我们来看看无边界宇宙模型是怎么回事儿。

我们之前在提到奇点定理，和宇宙大爆炸模型的时候一直有一个前提，那就是——广义相对论是正确的。

但这个前提，其实未必站得住脚，这并不是说广义相对论错了，而是说，它是一个，不完全的理论，没有和量子力学结合起来。

在二十世纪，物理学最重要的两大发现，也是当今物理学中最基础的两大理论，就是相对论和量子论。

一般来说，相对论管的是宏观领域，比如星系运动什么的，而量子力学管的是微观领域，比如说粒子运动的问题，在研究一般理论的时候，这两套体系是井水不犯河水。

但霍金教授认为，在研究大爆炸奇点的时候，就必须要把相对论和量子力学结合起来了，他认为，奇点定理已经说明了，在大爆炸奇点这种极端情况下，广义相对论已经不能很好地描述宇宙了，在这时候，就必须要考虑到量子效应。

在广义相对论的基础上，宇宙只有两种可能，要么就有无限长的时间，要么就有一个大爆炸奇点这样的开端，但是，如果把量子力学引进来之后，就会出现一种新的可能，也就是一个有限无界的宇宙。

**有限无界的意思是，宇宙时空是有限大的，但是却没有边界。**听着是不是有点儿晕？还有点儿自相矛盾？我给你举个例子你就很容易明白了：

我们用地球来做一个类比，我们的地球，就是一个有限大的星球，我们知道它的直径和大小，但是，地球是没有边界和开端的，如果你在地球上一直走一直走，是永远不可能走到一个地球的边界的，更不可能掉到地球外面去。所以地球，就是个有限无界的星球。

霍金教授的无边界宇宙模型，就是一个空间和时间交织在一起的四维宇宙，在这个宇宙中，时空就像是地球的表面，在范围上是有限的，但是却没有形成边界，也没有形成奇点，时空上的每一个点，就像地球上的某个点一样，没什么特别，科学规律在任何一个时空点上都适用，不会发生失效和崩溃。

在无边界宇宙模型中，宇宙没有一个特别的奇点，也就不需要上帝来指定一个特殊的规律，按霍金教授的说法就是，这个宇宙是完全自给自足的，不会受任何外在事物的影响，没有什么创生和消失的时刻，这样一来，这个宇宙，也就不需要上帝来创造它了。

需要注意的是，霍金教授自己也反复强调，无边界宇宙模型，目前还只是一个设想，相当于是他的一家之言，目前主流的宇宙模型，仍然是大爆炸模型。

当然了，无边界宇宙模型也不是信口开河，它是希望把相对论和量子力学结合起来的一种尝试，而且也是可以被检验的科学理论。

前面我们介绍了霍金教授的无边界宇宙模型，讲述了它的特殊之处。在主流的宇宙大爆炸模型中，宇宙有一个开端，这个开端，就是大爆炸奇点。但是，对于大爆炸那一刻所发生的一切，科学还没有很好的解释，这也给上帝留下了一个位置，而霍金教授在无边界宇宙模型中，把相对论和量子力学结合了起来，认为我们的宇宙时空是范围有限，但是没有边界的，因此，也就没有奇点和开端，不需要上帝来创生。无边界宇宙模型目前不是主流，但是它是一个可以被检验的科学理论。

霍金辐射#

前面这两个理论，都是跟宇宙大爆炸和奇点有关的问题，除了这个领域之外，霍金教授在学术上另一个最重要的贡献，就是对于黑洞的研究，所以我们接下来看一看，霍金教授，对于黑洞的研究，做出了什么贡献，他为什么会说黑洞并不是那么黑的？

我们先来看看黑洞是什么。

这要从恒星的原理来说起，我们都知道，物质之间会产生引力，而且质量越大的物体，所具有的引力也就越大，像太阳这样的恒星，就具有非常大的引力。恒星受到自身引力的影响，就会有一个向内部坍缩的倾向，那么既然如此，这么多年过去了，为什么太阳还是那么大呢？为什么没有因为内部引力，而坍缩变小呢？

这是因为，在太阳内部，还存在着一种支撑力，可以和引力相平衡，太阳内部温度很高，原子序数是1的氢原子之间剧烈碰撞，就会结合在一起，形成原子序数是2的氦原子，这个过程中，会释放出巨大的能量（核聚变），就相当于太阳内部有无数的氢弹，在不断的爆炸，这就会给太阳，提供一个支撑的斥力，这么一来，当太阳的引力和支撑力相互平衡之后，恒星就可以保持稳定了，所以太阳至今，也没有坍缩。

那么问题就来了，恒星内部的支撑力，是靠这些“核原料”来支撑的，但这些原料，早晚会有烧完的一天，一旦烧完，恒星就会在引力的作用下，不断的坍缩，这时候会发生什么呢？

恒星的最终归宿有好几种可能，如果恒星的质量比较小，那么坍缩到一定程度，它的引力，就最终会和内部粒子之间的斥力相平衡，最终变成中子星或者白矮星，但是如果这个恒星质量巨大，比一个半太阳还要大的话，那么它内部粒子之间的任何斥力，都不足以抵消引力，那么这个恒星就会一直坍缩下去，变成体积极小，质量极大的黑洞。

明白了以上黑洞的形成原理，黑洞的性质就很好理解了，黑洞最大的特点，就是具有极强的引力，任何物质，包括光，只要进入了某个临界区域，就永远不可能逃出黑洞了，如果有人靠近黑洞的话，巨大的引力，就会迅速的把他拉长，撕裂。

从外面来看，如果连光都无法逃出，那么黑洞，当然就是全黑的了，这也正是黑洞得名的原因。但问题是，黑洞这种吸引一切的性质，却和热力学第二定律产生了冲突。根据热力学第二定律，黑洞这种东西，应该有温度，只要有温度，就应该向外发出辐射和粒子，黑洞也不应该例外，但前面说了，连光都逃不出黑洞的引力，怎么可能有粒子能从黑洞中跑出来呢？

其实，包括霍金教授在内的几乎所有物理学家，都对这个问题很困惑，但是利用量子论，霍金教授后来成功的回答了这个问题。

霍金教授发现，黑洞的确会向外发射粒子，但这些粒子，并不是从黑洞里面跑出来的，而是从黑洞边缘空虚的空间中，无中生有的变出来的。

要理解霍金教授的这个说法，最关键的是要理解，量子论中的海森堡不确定性原理。

海森堡不确定性原理说的是，当我们对粒子，引力场，电磁场等进行测量的时候，就会发现，如果我们对其中的一个物理量测量的越准确，那么对另一个物理量的测量，就越不准确，比如说你对一个粒子的速度测量的越精确，那么对于这个粒子位置的了解，就越模糊。人类不可能同时掌握一个粒子的精确位置和精确速度。

根据海森堡不确定性原理，即使是看起来什么都没有的空虚的空间，在微观上其实也是波澜起伏的。你想啊，如果有一片空间完全是空虚的，那就代表着其中引力场或者电磁场的强度是零，变化率也是零，这两个物理量，就同时被精确的掌握了，这显然就违反了，海森堡不确定性原理，是不可能的。

那么空虚的空间里，到底是什么情况呢？非常神奇，在空虚的空间里，其实时时刻刻，都在产生成对儿的粒子，为了保持能量守恒，这些粒子，有的带有正能量，有的带有负能量，他们碰撞在一起，又会同时湮灭。

说到这一步，我们就可以看看霍金教授的解释是什么意思了。霍金教授提出，黑洞的边缘，虽然看似是虚空的，但其实是在一刻不停的产生成对的粒子，其中带有负能量的粒子，就会被吸到黑洞里面去，但还有一些带有正能量的粒子，可以从黑洞的边缘逃脱，跑到其它地方去。那么当我们站在黑洞外面看的话，看起来就像是，黑洞不断地在向外发射着这些粒子。这就是黑洞辐射，也叫做霍金辐射。

正是因为有这种辐射的存在，霍金教授才会说，黑洞并不是完全黑的。

霍金辐射在物理学上，是一个极富价值的理论，因为黑洞的诞生，是用广义相对论算出来的，黑洞的辐射，又是用量子力学解释的，也就是说，霍金辐射，是把广义相对论，量子力学和热力学结合起来的一次尝试，所以虽然霍金辐射没有被观测到，但是仍然具有很高的理论价值。

前面讲的是，霍金教授对黑洞研究的贡献。霍金教授提出，虽然黑洞引力极大，连光都逃不出去，但是黑洞也并不是完全黑的，根据量子理论中的海森堡不确定性原理，黑洞边缘的虚空中，会不断的产生成对儿的粒子，负能量的粒子会被黑洞吸收，但是有一些正能量的粒子会从黑洞边缘逃脱，在外界看来，这就像是黑洞不断向外发射粒子，这就是霍金辐射。

总结复习#

到这里，《时间简史》的精髓，也就是霍金教授对于宇宙研究做出的贡献，我们就说完了。

我们再来整体复习一遍——

我们讲到的第一点，是彭罗斯—霍金奇点理论。奇点是一个体积无限小，弯曲度，密度和引力无限大的点，两人用严谨的数学方法证明了，如果广义相对论是正确的，而且宇宙中的确有我们观察到的那么多物质，那么宇宙就必然诞生在一个奇点当中；

我们讲到的第二点，是霍金教授提出的无边界宇宙模型，在现在主流的宇宙大爆炸模型中，宇宙有一个起点，就是大爆炸奇点，但是在大爆炸的那一刻，所有的物理定律都失效了，所以科学家们还说不清楚，为什么宇宙必须是现在这样的，还有人说，那是上帝创造世界的时刻，所以用科学无法解释。跟宇宙大爆炸模型不同，霍金教授在他的无边界宇宙模型中，引入了量子力学，认为宇宙是没有边界的，因此也没有奇点，没有开端和终结，这样一来，就不需要上帝来创生宇宙了；

我们讲到的第三点，是关于霍金教授对于黑洞的研究，也就是霍金辐射。霍金教授提出，黑洞并不是完全黑的，它也会发出辐射，根据不确定性原理，黑洞边缘的虚空，其实也不是完全空无一物的，而是不断的产生成对儿的粒子，其中有些粒子被黑洞吸收了，但是有些粒子，却从黑洞边缘逃出去了，这就相当于，黑洞在向外发射粒子。这种现象，就是霍金辐射。