主题：【评论】霍金的宇宙 -- 不爱吱声

我想大家对我们宇宙到底是什么，对我们到底是什么一定也非常感兴趣，到底物理上是不是会有一个统一场论，世界是不是归根结底能用一种完美的理论来描述来解释，所有这些看似离我们太远太远。生活中烦恼多多，紧张的生活压得人透不过起来，那在我们工作之余，不妨静下心来，一同聆听大师的教诲，感受大师的智慧，能静心思考哪怕是虚无飘渺的东西，何尝不是净化心灵的一种方式呢。我们还是一起来探索未知吧，看看宇宙的神奇，科学的精彩！

霍金的《时间简史》，大概这里的很多朋友有已经看过了，一位网友来信说她想听听关于《时间简史》的介绍和评论。我不敢评只好从网上找来一篇认为比较好的文章，大概介绍了霍金脑中的宇宙，看看大家看后是否有些启发！

• 时间和空间的桥梁

　　我们不妨静下心来，一同领略――

　　有限的宇宙

　　放眼向宇宙望去，我们看到的是无数发出亮光的星星和由它们组成的一个个星系。星星的寿命是有限的，虽然很多恒星的寿命可以长达100亿年甚至更长。可是，如果宇宙在空间上和时间上都是无限的，那么，只要恒星永远存在，世代更替，即老的恒星熄灭了，又有新的恒星诞生。于是，在任何时候，在无限的宇宙中就会有无限多颗恒星。假定这些恒星在大尺度上分布是均匀的(这基本上已被天文观测所证实)，无限多颗恒星就会布满整个天空。也就是说，即使在夜间，整个天空都会与白天一样明亮。这当然与事实不符。

　　这个矛盾，首先由德国的奥伯斯在1826年提出，所以称为“奥伯斯佯谬”。它说明，宇宙要么在空间上有尽头，要么在时间上有起点。至少，对于我们生活其中的宇宙是如此。

　　其实，只要宇宙在时间上有个起点，那么，由于光速的有限性，它在真空中的传播速度等于30万千米／秒，于是我们看到的宇宙就必定有个尽头，这就是我们所说的可见宇宙。比如说，按照天文学最新的测定结果，我们的宇宙的年龄为150亿年。那么我们能够看到的最远天体，离开我们的距离就是150亿光年，也就是光在150亿年中通过的路程，再远的就看不到了。

　　从牛顿到爱因斯坦的时空变换

　　1687年，牛顿在《自然哲学的数学原理》中提出了他有名的万有引力定律。它使人们认识到了支配宇宙中天体运动的力量就是无所不在的万有引力。但是，牛顿的哲学思想，尚停留在人们对生活在其中的宏观世界的直观的思考之上。这种思考认为宇宙是无限的，在空间上无限延伸，在时间上无始无终：物质只是占有空间，空间是立体的，本身无形状可言，在几何上可以用一个三维直角坐标系来表达：时间的进程无论在什么地方都一样，与物质的运动无关。这样的宇宙，可以称做绝对宇宙。

　　牛顿把作匀速直线运动的参考系叫做惯性参考系。1905年，爱因斯坦在他的论文中提出，所有的惯性参考系都是等价的，也就是说，一切物理定律在惯性参考系中都同样适用，具有相同的形式。爱因斯坦的观点是正确的，因为人们不能在任何一个惯性参考系内部(也就是说，不参照这个参考系外部的物体)用任何物理定律去发现这个参考系与静止的参考系有什么差别。正是在这种认识的基础上，爱因斯坦建立了狭义相对论。

　　那么，如果我们处在一个非惯性参考系中，又如何呢?非惯性参考系的运动具有一定的加速度，可是，这种加速度可以被看作是一种重力(即万有引力)。例如，我们在电梯中，当电梯加速下降或者减速上升时，我们会感到身体有些轻飘飘的，重量似乎减小了。我们在电梯中不看外面的参照物，并不知道电梯在加速还是减速，只感到重力在变化。

基于这样的考虑，爱因斯坦又提出了一个重要观点，认为所有的非惯性系也都是等价的。在这样一种认识的基础上，爱因斯坦又提出了广义相对论。但是，爱因斯坦在他的广义相对论中，进一步思考引力的本质是什么。爱因斯坦发现，引力可以看做时空在物质作用下发生的弯曲效应。

　　另外，还在19世纪后期，美国物理学家迈克尔逊和莫霄就以实验证明了真空中光速的不变性，即不管在什么参考系中光都有相同的传播速度。而根据爱因斯坦的狭义相对论，这种光速不变性是理所当然的。由于光速不变，光速就把时间和空间联系了起来，因为光速乘以时间，就是空间的距离，两者之间有着确定的对应关系。于是，可以把时间看做空间的三维之外的第四维，把时间和空间合起来构成四维的时空。爱因斯坦的广义相对论，就是关于四维时空结构的理论。

　　1929年，美国天文学家哈勃和他的同事发现，我们的宇宙正在膨胀。在宇宙膨胀发现以后，人们于是就认识到时间也许确实有个起点。既然宇宙中星系之间的距离由于宇宙的膨胀在不断增大，那么反过来，在过去的某个时间，这些星系似乎应该靠在一起，甚至只是一个点，宇宙就是从这个点开始膨胀的。

　　比利时天文学家勒梅特从这样的考虑出发，提出了宇宙开始于一次“原始火球”的大爆炸学说。这次大爆炸，就是时间的起点。那时候时间为零，宇宙间所有物质集中在一个点，这个点的大小为零，也就是说那时候空间的大小也为零。因此，这个点的物质密度应该是无限大。

　　彭罗斯和霍金证明，广义相对论确实能够预言宇宙开始于大爆炸，即时间有个起点。广义相对论还预言，当物质密集到一定程度，会形成一个所谓“黑洞”，黑洞的引力无比强大，以至光都不能克服它的引力逃逸出来。因此，黑洞存在一个“视界”，视界内的情况我们用任何办法都不可能看到。视界内的物质集中于一个大小为零的点，那里的物质密度是无限大。彭罗斯和霍金证明，时间在那里将达到终点。

　　在时间的起点和终点，空间为零，物理定律在这种情况下将不复成立。物理学家当然不能接受这种情况，因此把这样的点称为奇点。据此，物理学家认为，我们所能观测到的宇宙不但在大的方向是有限的，而且在小的方向也是有限的，当小到一定程度时，我们就没有办法准确地观测它们的物理状况，这称为不确定性原理。这个小的方向的时间极限，称为普朗克时间，它等于5.4×10的负44次方秒(即略大于万亿亿亿亿亿分之五秒)。最小的空间距离极限称为普朗克长度，等于1.6×10的负35次方米(即不到千亿亿亿亿分之二米)。当小到接近这样的极限时，广义相对论的引力理论将不再适用，需要代之以量子引力理论。依靠尚在发展完善之中的量子引力理论，物理学家有可能避免遇到奇点的尴尬。

　　“要理解宇宙的起源，我们需要一个量子引力理论”

　　宇宙大爆炸理论认为，整个宇宙都聚集成一个单一的点，即大爆炸的奇点。从这一点产生了从无到有的过渡，形成了我们所描绘的宇宙。

　　物理学家认为，奇点并不是幻想的产物。他们借助黑洞对奇点的概念进行解释。当一颗具有足够大质量的恒星到了生命的最后时期，由于万有引力作用而发生坍缩时就形成了黑洞。黑洞巨大的引力使得其周围的空间弯曲，以至于物质极度收缩：邻近的恒星也被吸了进来，最终成千上万颗恒星都被卷入这宇宙的旋涡之中，于是就产生了一个具有巨大质量的集合体。物理学家将这个集合体视为大爆炸奇点的模式。

大爆炸时，奇点的质量当然十分巨大――包括了整个宇宙的所有质量。大爆炸后，随着宇宙温度的不断下降，基本粒子和四种基本力逐渐出现。正是这些基本粒子和基本力决定了所有物质的命运。

　　涉及到四种基本力时，宇宙学家碰到了问题。一个宇宙理论必须适用于所有时间里发生的一切，必须用一个可证明的方程将所有在微观和宏观世界中起作用的基本力包含进去。然而，目前所有的数学计算只能包含三种基本力：电磁力(它把电子和原子核联系在一起)、强相互作用力(它把原子核内的基本粒子束缚在一起)和弱相互作用力(它作用于放射现象)。而第四种基本力，即万有引力，在人们所有的尝试中都未能被包含在同一个宇宙理论中。其原因在于：引力是以物质为前提的。而在大爆炸时，质量聚集于一个非物质的点――奇点，它不是物质。

　　引力在量子世界里是如何作用的呢?由于物理学家们至今未解开这个谜，因而，目前并没有一个单一的用于描写宇宙的大统一理论，而是相互补充的两个理论：爱因斯坦的相对论和普朗克的量子论。相对论描写的是宏观世界。根据该理论，宇宙拥有三维空间外，还有第四个维，即时间；并且，宇宙中有引力。而量子论描写的是微观世界中的种种过程：在该理论中不考虑引力作用。

　　现在，霍金试图用他的宇宙论建立一个单一的宇宙理论――建立这样的一种理论一直是晚年爱因斯坦的梦想。当然，只有他做到将引力纳入量子的微观世界，这个单一的宇宙理论才能成立。霍金说：“要理解宇宙的起源，我们需要一个量子引力理论。”

　　新奇的胚世界

　　霍金首先追溯到弦理论，并且将之扩展。弦理论认为，构成物质的基础并不是点状的电子、光子和夸克等粒子，而是弦。三十多年来，世界上一批天才的科学家创建了一门叫做“弦论”的学科，其最新版本叫做M理论。弦论解释所有已知的自然力(强相互作用力、弱相互作用力、电磁力和引力)，所以它又被称为万物理论。弦是一种高维空间中的一维客体，弦的概念可以进一步推广到P―胚，后者是高维空间中的P维客体。物理学家为此创造了一个新词brane (胚)，这个词迄今尚未收进牛津词典中。当p=1时，胚就是弦：当p=2时，胚就是膜；当p≥3时，胚就是p―胚。

　　物理学家认为，这些看起来像基本粒子的东西实际上都是很小的弦的闭合圈(称为闭合弦或闭弦)，闭弦的不同振动和运动就给出这些不同的基本粒子。虽然还没有人观测到线状的弦，但在数学上可以计算出弦的大小：若将弦与原子相比较，就如同将原子同整个太阳系比较。此外，还可计算出弦论必定自治地包含引力相互作用――因为弦是量子化的，所以弦论是一个量子引力理论的候选者。

　　可是，为什么我们对此毫无察觉呢?霍金说：“那是因为大爆炸之后只有四维，即空间(长度、宽度、高度)和时间平展成合适的尺度。”额外的维或者是被弯卷得非常小，或者是其效应没有被目前的观测所发现。后一种可能性激起了霍金的巨大热情，使他倾向于胚世界理论。霍金认为，这种额外的维存在于宇宙中的每一点，也就是说存在于整个空间。

　　霍金认为，胚的产生有点像沸腾水中蒸汽泡的形成。水中包含亿万个水分子，它们在最靠近的邻居之间耦合，并且挤在一起。当水被加热后，分子运动得更加快，并且相互弹开。这些碰撞赋予分子非常高的速度，使得它们中的一群能摆脱水分子之间氢键的作用，形成蒸汽小泡泡。泡泡将以随机的方式长大或缩小。大多数小蒸汽泡将会重新塌缩成液体，但是，有一些会长大到一定的临界尺度，超过该临界尺度的泡泡几乎肯定会继续成长。我们在水沸腾时观察到的正是这些巨大的膨胀的泡泡。

　　胚世界的行为很类似。真空中的量子起伏会使胚世界作为泡泡从无中出现。胚形成泡泡的表面，而内部是高维空间。非常小的泡泡将重新塌缩成无。但是，一个由量子起伏成长的泡泡超出一定的临界尺度很可能继续膨胀。在胚上，也就是在泡泡的表面上的人们(例如我们)会以为宇宙正在膨胀。这就像在气球的表面上画上星系，如果把它吹涨，星系就相互离开，随着胚膨胀，内部高维空间的体积会增大。最终存在一个极其巨大的泡泡，它被我们生活其中的胚环绕着。胚之间一个非常小的力就使它们相互运动，胚会碰撞，并且相互穿越，产生大量的热和辐射。这一碰撞被认为是大爆炸，也就是宇宙热膨胀阶段的开始。

　　胚，也就是泡边界上的物质，将确定泡泡内部的引力场。而内部的引力场也将确定胚上的物质，它就像一张全息图。一张全息图是一个三维物体被编码在一个二维表面上的像。换句话说，高维的信息被编码在低维的图像中。我们以为是四维的时空，也许只是一个五维泡泡内部区域所发生的事件的一张全息图。

　　也就是说，我们只不过是另一个并行宇宙的影子，是发生在泡泡内部的东西在胚上的投影，所以，我们自以为是生活在四维的世界中。

　　霍金说：“我们的生活可能就是一场计算机游戏，只不过游戏者并非我们人类。我们自身正扮演着计算机所生成的游戏中的角色。或许，我们只是那些游戏者的全息图。”

　　这个革命性的想法回应了一个古老的哲学问题：是我们梦见了天使，还是天使梦见了我们?

全息宇宙：与牛顿，爱因斯坦玩扑克牌

　　史蒂芬?霍金并不是惟一抱这种幻想的人。宇宙学家亚力山大?维勒金说：“有非常多的平行宇宙，在那里，戈尔(美国前副总统，后来在与小布什的总统竞选中落败)是美国的总统，而埃尔维斯?普雷斯利 (摇滚巨星猫王)还活着。”

　　霍金正是和维勒金一起发展了并行宇宙的想法。广义相对论在大爆炸初始失效的原因是它没有和不确定原理相合并。爱因斯坦基于“上帝不玩骰子”的论断而反对量子理论中的随机因素。然而，所有证据表明上帝完全是一名“赌徒”。霍金认为，人们可以将宇宙看做一个庞大的赌场，在每一个场合下骰子都在滚动或者轮子都在旋转。宇宙的情景也是一样。当宇宙尺度很大，正如它今天这样时，骰子被投掷的次数极为巨大，其平均结果就会得出某种可预见的东西。这就是为什么经典定律对于大系统有效的原因。当然，宇宙尺度非常微小时，正如它在临近大爆炸的时刻，投掷骰子的次数很少，而不确定性原理则非常重要。

　　因为宇宙不停地投掷骰子，它就不像人们以为的那样仅仅存在一个历史。相反地，宇宙应该拥有所有可能的历史，每种历史各有其存在的概率。

　　霍金甚至还设想自己到了另一并行宇宙。然后，所发生的一切就如他在科幻小说《星际旅行》中所经历的一样：霍金和牛顿、爱因斯坦玩扑克，玛丽莲?梦露坐在他的旁边。“任何一个想得到的故事在宇宙中都有可能发生，”霍金说，“肯定有这样一个故事，在其中我和玛丽莲?梦露结婚了。也有另一个故事，在那里克娄巴特拉(埃及托勒密王朝末代女王，貌美，有强烈的权势欲望，一开始是恺撒情妇，然后与安东尼结婚，安东尼溃败后又欲勾引屋大维，未遂，以毒蛇自杀)成了我的妻子。”

　　然而，到目前为止什么都没有发生。“这太遗憾了”，霍金说，“因为在玩扑克时我赢了前辈们好多钱。”

但是这个速度,加速度又是相对谁的呢? 如果他相对的物体又有加速度呢?

比如说, 地球上以地球为参考的系统一般是看作惯性参考系吧? 但是地球本身又是围绕太阳运动, 有向心力的作用,......

先说惯性系与非惯性系

惯性系：均匀平直的时空中，没有受任何外力的物体所在的参照系。因为空间是相对的，我们只能说，在某一个观察者的坐标系中，如果一物体相对于这个坐标系（参照系）处于静止或匀速直线运动，那么以这个物体为参照物的参照系为惯性系。

但必须指出的是没有受任何外力的参照物才是真正的匀速直线运动，引力无处不在，所以没有真正的惯性系。从这个意义上来讲，狭义相对论只是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况，是一种近似情况，就像牛顿力学是狭义相对论在物体速度远远小于光速时候的近似一样。举例来说，如果我们考虑地球上的汽车的运动，我们可以认为地球是个惯性系，对最终结果并没有很大的影响，这就是一种简化模型而已。

至于非惯性系是相对于惯性系作加速运动的参照物(参照系)。你的问题中，想象你研究地球上的汽车，由于想你说的太阳也对地球有引力所以地球本身也是个非惯性系，这里我们不想用简化模型，那好，广义相对论应该能解决这个问题。实际上广义相对论原理就说明自然定律在任何参考系中都可以表示为相同数学形式。还有等效原理说在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效。即任何物理实验都不能区分引力场和惯性力场。加速系的惯性力场也是一种引力场，但它和物质所产生的引力场（如地球的引力场）有本质区别（所引起的时空变化也是有本质区别的）。有引力场就是时空的弯曲，不是物质(永久引力场)引起，就是运动(非永久引力场)引起。总之，不用担心，引力与惯性力在这里统一了。现在不管什么，你就可以考虑成一大堆互相吸引的球了，至于你想分析多少球之间的相互作用，那就是你自己的事情了。但他们遵循的方程是一样的。

不是搞物理的，很多核心的东西也说不太清楚，也不知道我这样解释行不。

惯性不惯性还是以受没受力为标准的

只不过这个气球自己把自己吹大的

这个点以前的什么东西我们都不知道！包括时间和空间！

不过这个好像是别人提出来之后他总结的吧？

我们生存在现在这个宇宙中，我们的宇宙之外是什么，以前是什么并不重要，重要的是我们要发现一个控制现在宇宙的物理规律，至少目前看，霍金先生及其他物理学家们的建立的这个弦理论很好地解释了目前所能观察河测量的物理现象，这一点来说，霍金先生为我们发现最终的统一场论开辟了一条道路。

2003，一个意识活在古代，一个在将来。可能老萨和诸葛煮茶，老温和宣娇唠嗑，阿康和少帅是知己，俺则刚刚和令狐田田喝完小酒，妙哉妙哉。

“宇宙应该拥有所有可能的历史，每种历史各有其存在的概率。”绝对同意。看过一个电影叫“时间机器”，讲一个年轻科学家向女友求婚之际，女友被一个小流氓意外开枪射杀。他借助时间机器屡次回到那个时刻，想避开那一场景，但女友每每以另一种方法丧命。终于他明白了自己的努力是徒劳：他注定无法娶到她，死是她的宿命。至少在此度空间是。片子后来又表现了１０００年以后地球人的生活：不是进化到升天入地，而是退化到居住在洞穴之中。想象瑰丽，又含义深刻,符合“月满则亏”，“成住坏空”的道理。很喜欢那个电影。

“高维的信息被编码在低维的图像中。我们以为是四维的时空，也许只是一个五维泡泡内部区域所发生的事件的一张全息图。”这样西藏高僧转世等等现象，和佛教的六道轮回统统有了答案。不过目前人类的智力还远远理解不了异度空间发生的事。就像一只甲虫在试管壁上拼命逃跑，可是它永远不明白人类的科学家要拿它怎么办。