十问：霍金沉思录

    著者：(英)史蒂芬·霍金

    译者：吴忠超

    责任编辑：孙桂均 吴炜 李蓓 杨波

    装帧设计：邵年

    ISBN：9787535796943目 录

    出版者说明

    Foreword：Eddie Redmayne 前言：埃迪·雷德梅恩

    An Introduction：Kip S.Torne 导言： 基普·S.索恩

    Why we must ask the big questions 我们为什么必须问大问题

    1 Is there a God？ 上帝存在吗？

    2 How did it all begin？ 一切如何开始？

    3 Is there other intelligentlife in the universe？ 宇宙中存在其他智慧生命

    吗？

    4 Can we predict the future？ 我们能预测未来吗？

    5 What is inside a black hole？ 黑洞中是什么？

    6 Is time travel possible？ 时间旅行可能吗？

    7 Will we survive on Earth？ 我们能在地球上存活吗？

    8 Should we colonise space？ 我们应去太空殖民吗？

    9 Will artifcial intelligence outsmart us？ 人工智能会不会超过我们？

    10 How do we shape the future？ 我们如何塑造未来？

    A erword：Lucy Hawking 后记：露西·霍金

    Epilogue：Huateng Ma 跋：马化腾

    Notes of Translator：Hawking and the Heavenly Inquiries Zhongchao Wu 译

    后记：霍金和十问 吴忠超

    Postface：Revisiting Hawking in Loving Memories Guijun Sun 编后记：此

    情只待成追忆 孙桂均

    Acknowledgements 致谢First published in Great Britain in 2018 by John Murray (Publishers)

    An Hachette UK company

    1

    Copyright ?Spacetime Publications Limited 2018

    Foreword ?Eddie Redmayne 2018

    Introduction ?Kip S.Thorne 2018

    Afterword ?Lucy Hawking 2018

    The right of Stephen Hawking to be identified as the

    Author of the Work has been asserted in accordance with

    the Copyright, Designs and Patents Act 1988.

    All rights reserved.No part of this publication may be reproduced, stored in a

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    the publisher, nor be otherwise circulated in any form of binding or cover

    other than

    that in which it is published and without a similar condition

    being imposed on the subsequent purchaser.A CIP catalogue record for this title is available

    from the British Library

    Hardback isbn 978-1-473-69598-6

    Special edition isbn 978-1-529-34541-4

    Ebook isbn 978-1-473-69600-6

    Photograph of the adult Stephen Hawking ?Andre Pattenden

    Text design by Craig Burgess

    Typeset in Sabon MT by Palimpsest Book Production Ltd，Falkirk, Stirlingshire

    Printed and bound by Clays Ltd, Elcograf S.p.A.

    John Murray policy is to use papers that are natural, renewable and recyclable

    products and

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    processes are

    expected to conform to the environmental regulations of the country of

    origin.

    John Murray (Publishers)

    Carmelite House50 Victoria Embankment

    London ec4y 0dz

    www.johnmurray.co.uk史蒂芬·霍金著作

    《时间简史》

    《霍金讲演录》

    《时间简史(插图版)》

    《果壳中的宇宙》

    《我的简史》

    和列纳德·蒙洛迪诺合作

    《时间简史(普及版)》

    《大设计》和露西·霍金合作

    《乔治的宇宙：秘密钥匙》

    《乔治的宇宙：寻宝记》

    《乔治的宇宙：大爆炸》

    《乔治的宇宙：不可破解的密码》

    《乔治的宇宙：蓝月》出版者说明

    史蒂芬·霍金经常被科学家、科技企业家、高级商业人士、政治领

    袖和公众问及他对当前一些“大问题”的看法。史蒂芬以演讲、采访和散

    文的形式回答了这些问题，并保留了一份巨大的个人档案。

    本书内容来自该个人档案，并在他去世前后基本成形。本书在他的

    学术同事、他的家人和史蒂芬·霍金遗产管理机构合作下完成。

    本书的版税将按一定比例捐给慈善机构。Foreword：Eddie Redmayne

    前言：埃迪·雷德梅恩

    几年前，我在《万物理论》中扮演史蒂芬的角色，并花了几个月时

    间研究他的贡献和他的残疾，试图了解如何用我的身体来表达运动神经

    元疾病随着时间的演变。从我的研究中，我已经熟悉他坚定的眼神和不

    动的身体。但我第一次见到史蒂芬·霍金时，依然被他非凡的力量和极

    度的脆弱所震惊。

    当我终于遇见我的偶像，非凡的天才科学家史蒂芬——他与人的主

    要沟通是通过电脑化的声音和一对异常富有表现力的眉毛——我还是完

    全不知所措。在沉默中，我感到紧张，之后又说得太多，而史蒂芬绝对

    理解沉默的力量，就像你被仔细审视时感觉到的那种力量。慌乱中，我

    选择和他谈谈我们的生日，它们只相隔几天，所以我们处于同一个星

    座。几分钟后，史蒂芬回答说：“我是天文学家，不是占星家。”他还坚

    持让我称他为史蒂芬，不再称他为教授，我之前已被告知过……

    刻画史蒂芬的机会非同寻常。我被这个角色所吸引是因为史蒂芬的

    双重性：他在科学研究的同时，还要顽强地与神经元疾病作斗争。他的

    人生是一个独特、复杂、丰富的故事，讲述了人的努力、家庭生活、巨

    大的学术成就以及对各种障碍的绝对蔑视。虽然我们想要描绘灵感，但

    我们也希望表现史蒂芬生命中的坚韧和勇气。

    但表现史蒂芬作为纯粹的表演者的一面也同样重要。在片花中，我

    最终得到了三张我提到的图片。一张是伸舌头的爱因斯坦，因为那里有

    与霍金相似的俏皮机智。另一张是演木偶戏的小丑，因为我觉得他人总

    是逃不出史蒂芬的手掌心。而第三张是詹姆斯·迪恩。这就是我看到他所获得的印象——闪光和幽默。

    扮演一个在世的人最大的压力在于，你必须向你所表现的那个人诠

    释你自己的表演。而扮演史蒂芬，我还需要向他的家人诠释，而他们在

    我为这部电影做准备时就对我很慷慨。在史蒂芬观看试映之前，他对我

    说，“我会告诉你我的想法。好，或者其他。”我回答说，如果是“其

    他”的话，也许他只需说“其他”，不要告诉我令我难堪的细节。史蒂芬

    慷慨地说他很喜欢这部电影。他被感动了。不过，众所周知，他还说他

    认为要是有更多的物理和更少的感受就好了。这没有什么可争议的。

    自从拍《万物理论》以来，我一直与霍金家人保持联系。我被邀请

    在史蒂芬葬礼上朗读，为此我深为感动。这是一个令人难以置信的悲伤

    但辉煌的一天，充满了爱和快乐的回忆，还有对这位最勇敢的人的追

    思，他不仅在科学上，而且在努力使残疾人得到认可并获得茁壮成长的

    机会方面，他都引领世界。

    我们失去了一个真正美丽的心灵，一个令人震撼的科学家和我有幸

    遇到的最有趣的人。但正如他的家人在史蒂芬过世时所说的，他的工作

    和遗产将继续延续下去。因此我悲伤地，但也非常高兴地向你介绍史蒂

    芬这部有关各种广泛迷人主题的集子。我希望你喜欢他所写的，引用巴

    拉克·奥巴马的话，我希望史蒂芬在灿烂的星空中玩得开心。

    爱你的

    埃迪An Introduction：Kip S.Torne

    导言： 基普·S.索恩

    1965年7月，在英格兰伦敦举行的广义相对论和引力会议上，我首

    次见到史蒂芬·霍金。当时他正在剑桥大学攻读博士学位，我刚刚在普

    林斯顿大学获得了博士学位。在会议大厅，有传言说史蒂芬构思了一个

    令人信服的论点，即我们的宇宙必定在有限的过去某个时刻诞生。宇宙

    绝不可能无限老。

    所以，我和大约100个人一起，挤进一个原定容纳40人的房间，听

    史蒂芬演讲。他带着拐杖走路，话语有点模糊，但除此之外，只表现出

    运动神经元疾病的轻度症状，他两年前刚被确诊。他的头脑显然没有受

    到影响。他清晰的推理依赖于爱因斯坦的广义相对论方程，以及天文学

    家们观察到我们的宇宙正在膨胀，还有一些似乎很可能是真实的简单假

    设，它还利用了罗杰·彭罗斯最近设计的一些新的数学方法。史蒂芬以

    巧妙、强大和引人入胜的方式将所有这些结合起来，推断出他的结果：

    我们的宇宙必定在大约100亿年前的某种奇异状态下开始。(在随后的

    十年间，史蒂芬和罗杰，同心合力继续更加令人信服地证明这个奇异的

    时间开端，并且更加令人信服地证明，每个黑洞的核心都拥有一个奇

    点，时间在该处终结。)

    史蒂芬1965年的演讲给我留下了深刻的印象。不仅仅是他的论证和

    结论，更重要的是他的洞察力和创造力。所以我找到他，花了一小时和

    他私下谈话。这是我们终身友谊的开始，这种友谊不仅基于共同的科学

    兴趣，而且基于非凡的相互同情，一种作为人类相互理解的神奇能力。

    很快我们花更多时间谈论我们的生活、我们的爱甚至死亡，而不是科

    学，尽管科学仍然是将我们联系在一起的黏合剂。1973年9月，我把史蒂芬和他的妻子简·王尔德带到了俄罗斯的莫斯

    科。尽管冷战激烈，自1968年以来，我每隔一年都在莫斯科度过一个月

    左右，与雅可夫·鲍里索维奇·泽尔多维奇领导的小组成员合作进行研

    究。

    泽尔多维奇是一位出色的天体物理学家，也是苏联“氢弹之父”。由

    于他所知的核秘密，他被禁止前往西欧或美国。他渴望与史蒂芬讨论，但他又不能来剑桥，所以我们去他那里。

    在莫斯科，泽尔多维奇和其他数百名科学家为史蒂芬的见解而惊叹

    折服，史蒂芬也从泽尔多维奇那里学到了一些东西。最令人难忘的是，在罗西亚酒店，史蒂芬和我在史蒂芬的房间里与泽尔多维奇和他的博士

    生阿列克谢·斯塔拉宾斯基一起度过了一个下午。泽尔多维奇以直观的

    方式解释了他们得到的一项非凡的发现，而斯塔拉宾斯基在数学上对其

    进行了解释。

    我们已经知道使黑洞自旋需要能量。他们解释说，黑洞可以利用其

    自旋能产生粒子，粒子飞走，同时携带走自旋能量。这是令人惊讶的新

    发现，但并不是非常令人惊讶。当一个物体具有运动能量时，自然界通

    常会找到一种提取它的方法。我们已经知道了提取黑洞自旋能量的其他

    方式；这只是一种新的方式，虽然有些意想不到。

    像这样对话的巨大价值在于它们可以触发新的思维方向，对史蒂芬

    正是如此。他花数月时间仔细研究了泽尔多维奇与斯塔拉宾斯基的发

    现，先从一个方向看，然后从另一个方向看，直到有一天它在史蒂芬思

    想中引发了一个真正激进的洞见：在一个黑洞停止旋转之后，这个黑洞

    仍然可以发出粒子。它能辐射——黑洞辐射，它是热的，就像太阳一

    样，虽然不是很热，只是略温而已。黑洞越重，温度越低。一个太阳质

    量的黑洞，其温度为0.00000006开尔文，比绝对零度高一亿分之六度。

    计算这个温度的公式现在刻在位于伦敦西敏寺的史蒂芬的墓碑上，他的骨灰葬于艾萨克·牛顿和查尔斯·达尔文两墓之间。

    这个黑洞的霍金温度及其霍金辐射(它们随后被这么称呼)是真正

    激进的，也许是20世纪下半叶最激进的理论物理发现。它们打开了我们

    的眼界，看到广义相对论(黑洞)、热力学(热物理学)和量子物理学

    (在原先无粒子之处创生粒子)之间的深刻联系。例如，它们导致史蒂

    芬证明黑洞有熵，这意味着在黑洞内部或周围的某处有巨大的随机性。

    他推导出熵的数量(黑洞随机性量的对数)与黑洞表面积成正比。他的

    熵公式刻在剑桥的龚维尔和基斯学院的史蒂芬纪念碑上，他生前在此学

    院工作。

    在过去的45年里，史蒂芬和其他数百名物理学家一直在努力去理解

    黑洞随机性的确切性质。正是这个问题不断产生量子理论与广义相对论

    结合(也就是还未理解清楚的量子引力定律)的新洞见。

    1974年秋天，史蒂芬把他的博士生和他的家人(他的妻子简和他们

    的两个孩子罗伯特和露西)带到加利福尼亚州的帕萨迪纳，他们在这里

    住了一年。这样他和他的学生就可以在我工作的大学——加州理工学

    院，暂时与我自己的研究小组合并，并加入我们的学术生活。这是辉煌

    的一年，是所谓的“黑洞研究黄金时代”的顶峰。

    在那一年里，史蒂芬和他的学生以及我的一些学生奋力更深刻地理

    解黑洞，我在某种程度上也如此。但史蒂芬对我们的联合小组进行黑洞

    研究的领导，让我有自由去追求我多年来一直在思考的新方向：引力

    波。

    只有两种类型的波可以穿越宇宙，为我们提供有关遥远事物的信

    息：电磁波(包括光线、X射线、伽马射线、微波、射电波……)和引

    力波。电磁波由以光速传播的振荡电力和磁力组成。它们撞击带电粒子，例如无线电或电视天线中的电子，它们来回摇动粒子，在粒子中卸下波

    携带的信息。然后该信息可被放大并馈送到扬声器或电视屏幕以供人们

    理解。

    根据爱因斯坦的说法，引力波由振荡的空间弯曲组成：空间的振荡

    拉伸和挤压。1972年，麻省理工学院的莱纳·韦斯发明了一种引力波探

    测器。在探测器中几个镜子被悬挂在L形真空管道的转角和两条腿的末

    端，其中一对镜面沿着L的一条腿的方向被空间的拉伸推离，而另一对

    镜面沿着另一条腿的方向被空间的挤压拉近。莱纳建议使用激光束来测

    量这种拉伸和挤压的振荡模式。激光可以提取引力波信息，然后信号可

    以被放大并送入电脑以供人理解。

    伽利略发起了用电磁望远镜(电磁天文学)对宇宙的研究，当时他

    建造了一个小型光学望远镜，指向木星并发现木星四个最大的卫星。从

    那时起的400年间，电磁天文学彻底变革了我们对宇宙的理解。

    1972年，我和我的学生们开始思考可以利用引力波了解宇宙什么：

    我们开始发展引力波天文学的一个领域。因为引力波是空间弯曲的一种

    形式，能最强烈产生引力波的物体本身应该完全或部分由弯曲的时空引

    起——这尤其意味着应由黑洞引起。我们得出结论，引力波是探索和检

    验史蒂芬对黑洞洞见的理想工具。

    在我们看来，引力波与电磁波完全不同，它们几乎可以保证为我们

    理解宇宙创造崭新变革，或许可以与伽利略之后的巨大电磁革命相提并

    论——如果这些难以捉摸的波能够检测和监测得到的话。但这是一个很

    大的如果：我们估计，沐浴地球的引力波是如此微弱，以至于莱纳·韦

    斯的L形装置末端的镜子将相对于彼此来回移动不超过1100的质子直径

    (意味着原子大小的110 000 000)，即使镜子间隔几千米。测量这种

    微小运动是巨大的挑战。由于史蒂芬和我的研究小组在加州理工学院合并，所以在那辉煌的

    一年里，我花了很多时间探索成功检测引力波的前景。在此之前，史蒂

    芬和他的学生盖瑞·吉本斯设计出他们自己的引力波探测器(他们从未

    建造过)，因此他对我的研究很有助益。

    史蒂芬回到剑桥后不久，在华盛顿特区莱纳的酒店房间，莱纳·韦

    斯和我进行了整夜激烈的讨论，我的探索得到关键的进展。我确信成功

    的前景非常好，我应该把自己的大部分职业生涯和未来的学生都用于这

    方面的研究，以帮助莱纳和其他实验者实现我们的引力波远景。而其余

    的，正如他们所说，已为历史所记载。

    2015年9月14日，LIGO引力波探测器(由莱纳和我还有罗纳德·德

    雷弗共同建立的1 000人项目建造，由巴里·巴里什组织、组装和领导)

    记录了它们的第一次引力波。通过将波的模式与电脑模拟的预测进行比

    较，我们的团队得出结论，该引力波是由距离地球13亿光年的两个重的

    黑洞相撞而产生的。这是引力波天文学的开始。我们的团队获得的引力

    波成果相当于伽利略为电磁波所取得的成就。

    我坚信，在接下来的几十年中，下一代引力波天文学家们将使用这

    些波，不仅测试史蒂芬的黑洞物理定律，而且还能检测和监测来自我们

    宇宙奇异诞生的引力波，从而测试史蒂芬和其他人关于我们的宇宙是如

    何诞生的思想。

    在我们1974—1975这辉煌的一年中，当我在引力波上犹豫不决，史

    蒂芬领导我们合并的黑洞研究小组时，史蒂芬本人有一个比他的霍金辐

    射发现更为激进的洞见。他给出了一个令人信服的，近乎密不透风的证

    明，当黑洞形成然后通过发射辐射完全蒸发掉时，进入黑洞的信息无法

    再返出来。信息不可避免地丢失了。

    这是激进的，因为量子物理定律明确地坚持信息永远不会完全丢失。因此，如果史蒂芬是对的，那么黑洞违反了最基本的量子力学定

    律。

    怎么会这样？黑洞蒸发受量子力学和广义相对论的组合定律(尚不

    清楚的量子引力定律)的制约；因此，史蒂芬推论，相对论和量子物理

    学的激烈结合必然会导致信息毁灭。

    绝大多数理论物理学家认为这个结论令人憎恶，他们极度怀疑。因

    此，44年来，他们一直在努力对抗这个所谓的信息丢失悖论。这是一场

    值得为之努力但痛苦的斗争，因为这个悖论是理解量子引力定律的有力

    钥匙。史蒂芬本人在2003年发现了一种信息可能在黑洞蒸发过程中逃脱

    的方式，但这并没有平息理论家的争论。史蒂芬没有证明信息逃脱，所

    以奋斗仍在继续。

    在史蒂芬骨灰入葬西敏寺时，在我对他的悼词中，我用这些话来纪

    念这种奋斗：“牛顿给了我们答案。霍金给了我们问题。而霍金的问题

    本身将继续在几十年间产生突破。当我们最终掌握量子引力定律并完全

    理解宇宙的诞生时，这可能主要归功于站在霍金的肩膀上。”

    ●

    就像我们辉煌的1974—1975年只是我的引力波探索的开始一样，所

    以那也只是史蒂芬力图详细理解量子引力定律的开始，以及理解这些定

    律揭示黑洞信息和随机性的本质，还有我们宇宙的奇异诞生的本质，以

    及黑洞内奇点的本质，也就是时间的诞生和死亡的本质的开始。

    这些都是大问题。非常大的问题。我回避了大问题。我没有足够的技巧、智慧或自信来解决这些问

    题。相比之下，史蒂芬总是被大问题所吸引，无论它们是否深深植根于

    他的科学领域。他确实拥有必要的技能、智慧和自信。

    这本书汇集了他对大问题的回答，也就是他在弥留之际仍在研究的

    问题的答案。

    史蒂芬对六个问题的回答深深植根于他的科学领域(上帝存在吗？

    一切如何开始？我们能预测未来吗？黑洞中是什么？时间旅行可能吗？

    我们如何塑造未来？)。在这里，你将发现他深入讨论了我在本导言中

    简要描述的问题，以及更多更多的内容。

    虽然他对其他四大问题的回答并没有牢固扎根在他的科学领域中

    (我们能在地球上存活吗？宇宙中存在其他智慧生命吗？我们应去太空

    殖民吗？人工智能会不会超过我们？)，但是，他的回答仍然显示出一

    如既往的深刻智慧和创造力。

    我希望你能像我一样，发现他的回答富有启发性和洞察力。希望你

    能欣赏!

    基普·S.索恩

    2018年7月Why we must ask the big questions

    我们为什么必须问大问题

    人们一直想要得到大问题的答案。我们来自哪里？宇宙如何开始？

    它背后一切的意义和设计是什么？外太空有人吗？现在看起来，过去对

    创生的记叙不太相关且不太可信。它们已经被各种只能被称为迷信的东

    西所取代，诸如从“新纪元运动”到《星际迷航》。但真正的科学可能比

    科幻小说更奇特，也更令人满意。

    我是一名科学家，还是一名对物理学、宇宙学、宇宙和人类未来极

    为着迷的科学家。父母培养我坚定的好奇心，和我父亲一样，我研究并

    试图回答科学向我们提出的许多问题。在我的脑海里，我一生都在宇宙

    中旅行。通过理论物理，我试图回答一些大问题。我曾经一度以为，自

    己会看到我们所知的物理学的终结，不过现在我认为，在我离开很久很

    久后，奇妙的发现还会持续产生。我们接近其中一些问题的答案，但我

    们还没有到达那里。

    问题是，大多数人都认为真正的科学对他们而言太复杂、太难理

    解，但我认为并非如此。研究制约宇宙的基本定律需要大量的时间，而

    大多数人承担不起；如果所有的人都从事理论物理，世界很快就会停滞

    不前。但如果将其基本思想以清晰的方式，并且不用方程来呈现，大多

    数人是可以理解并欣赏的。我相信这是可能的，也是我喜欢并毕生努力

    去做的事。

    这是一个进行理论物理研究的黄金时代，生逢其时，何其有幸。在

    过去的50年里，我们的宇宙图景发生了很大的变化。如果我对此做出了

    贡献，我会很高兴。太空时代的伟大启示之一是它赋予人类有关我们自身的视野。当我们从太空回望地球，我们将人类自身视为一个整体。我

    们看到了统一，而不是分裂。就是这样的简单图景，它传递着撼人的信

    息：一个星球，一个人类。

    对我们全球社会面临的主要挑战，一些人要求即刻采取行动，我想

    发声附和他们。我希望这个事业继续前进，即使我不再在世上，有权力

    的人能表现出创造力、勇气和领导能力。让他们迎接可持续发展目标的

    挑战，并采取行动，不是出于自身利益，而是出于共同利益。我深知时

    间之珍贵。抓住时机，现在就采取行动。

    ●

    我之前写过关于我生平的文章。尽管如此，由于想到了自己对这些

    重大问题沉迷终生，我的一些早期经历仍然值得重提。

    我刚好出生于伽利略去世300年后，我想这个巧合对我的科学生涯

    颇有影响。但是，我估计那天大约另有20万个婴儿出生；我不知道他们

    当中是否还有其他人后来对天文学感兴趣。

    我在伦敦海格特的一栋高大狭窄的维多利亚式房子里长大。第二次

    世界大战期间，所有人都认为伦敦将被夷为平地，当时，我的父母以非

    常便宜的价格购得这所房子。有一天，一枚V 2火箭就落在离我们家只

    有几幢房子远的地方。当时我和母亲、妹妹都外出了，只有父亲在家，幸好他没有受伤。多年后，在我曾经和朋友霍华德一起玩的路上，还有

    一个大炸弹坑。我们同样用贯穿我一生的好奇心调查了爆炸的结果。

    1950年，我父亲工作的地点搬到了伦敦北部边缘的米尔山新建的国立医学研究所，所以我们家搬到了教堂城圣奥尔本斯附近。我被送到女

    子高中。虽然名为女校，但也接受十岁以下的男孩。后来我去了圣奥尔

    本斯学校。我在班上的成绩从未优于半数的同学。那是一个非常优秀的

    班级。但我的同学给了我“爱因斯坦”的绰号，他们大概看到了我的潜

    质。当我十二岁时，我的一个朋友和另一个朋友用一袋糖果打赌，说我

    永远不会有任何作为。

    在圣奥尔本斯，我有六七个亲密的朋友，我记得大家长时间地讨论

    和辩论，话题从无线电控制模型直至宗教。我们讨论的一个重要问题是

    宇宙的起源，以及是否需要上帝创造并启动它。我听说来自遥远星系的

    光向光谱的红端移动，这表明宇宙正在膨胀。但我确信必定有其他一些

    引起红移的原因。也许光线在向我们飞来的路途中累了，变得更红？一

    个基本上不变的和永恒的宇宙似乎更自然得多。(仅仅几年之后，在我

    攻读博士大约两年之后，宇宙微波背景被发现，我意识到自己过去错

    了。)

    我一直对事物的运行方式非常感兴趣，而且我常常把它们拆开，看

    看它们是如何工作的，但我不太擅长将它们重新组合起来。我的实践能

    力永远赶不上我的理论素质。我的父亲鼓励我对科学的兴趣，并且非常

    希望我能上牛津大学或剑桥大学。他本人上了牛津大学，所以他认为我

    也应该申请那里。当时，大学学院没有数学导师，所以我别无选择，只

    能尝试申请自然科学的奖学金。申请成功后连我自己都感到惊讶。

    牛津当时的风气是非常厌恶用功。你应该毫不费力地表现出色，或

    者接受你的平庸而获得四等学位。我把这当作不用功的最好借口。我不

    为此感到骄傲，我只是陈述了我当时的态度，我的大多数同学都表示赞

    同。我生病的一个结果就是改变那一切。当你面临早逝的可能时，它会

    让你意识到，在你的生命结束之前，还有很多事情要做。

    由于我不用功，我计划在期末考试时，避免花精力死记硬背，而是专注于理论物理问题。但考试的前一晚我没有睡觉，于是我考得不很

    好，成绩在第一等和第二等之间。我必须接受考官的面试才能确定我应

    该得到几等。在面试中他们问我未来的计划，我说我想要做研究。如果

    他们给我第一等，我会去剑桥，如果只得到第二等，我会留在牛津。他

    们给了我第一等。

    在期末考试后的长假中，学院提供一些小额的旅行补助金。我以为

    去的地方越远获得的机会越大，所以我说我想去伊朗。1962年夏天，我

    出发了，乘火车到伊斯坦布尔，然后到土耳其东部的埃尔祖鲁姆，然后

    到大不里士、德黑兰、伊斯法罕、设拉子和古代波斯王国的首都波斯波

    利斯。在回家途中，我和我的旅伴理查德·秦恩，被困于布安扎赫拉地

    震。这是一次里氏7.1级的强烈地震，造成12 000多人的死亡。我肯定一

    直在震中附近，但我没有意识到地震，因为我病了，当时正在一辆颠簸

    的公共汽车上。

    接下来，我们在大不里士度过了几天，我从严重的痢疾和肋骨骨折

    中恢复过来，后者是我被撞到汽车前面的座位上时受的伤。因为我们不

    会讲波斯语，仍然不知道那场灾难。直到到达伊斯坦布尔，我们才知道

    发生了什么。我给父母寄了一张明信片，他们已经焦急地等了十天，他

    们最后一次听到我的消息是在地震发生的当天，那时我正要离开德黑兰

    前往灾区。尽管发生了地震，但我对在伊朗的时光有很多美好的回忆。

    对世界的强烈好奇可能会让人受到伤害，但对我而言，这可能是我生命

    中唯一一次因好奇而受伤。

    1962年10月，我20岁，我到了剑桥的应用数学和理论物理系。我申

    请与当时最知名的英国天文学家弗雷德·霍伊尔合作。我称他为天文学

    家，因为那时宇宙学很难被认为是一个正统的领域。然而，霍伊尔已有

    足够的学生，所以我被分配给丹尼斯·西阿玛，这令我非常失望，我没

    有听说过他。不过，幸好我没有成为霍伊尔的学生，否则我必须去捍卫他的稳恒态理论，这个任务比脱欧谈判更难。我从阅读广义相对论的旧

    教科书开始做研究——一如既往，我被最大的问题吸引住。

    正如你们可能从电影中看到的，埃迪·雷德梅恩扮演了一个特别英

    俊的我，在牛津大学的第三年，我注意到自己似乎越来越笨拙。我跌倒

    了一两次并无法知道为什么，我发现我再也不能够正常地划船，很明显

    身体出问题了，医生告诉我要戒掉啤酒，但我有些不满。

    到剑桥的那年冬天非常寒冷。我回家过圣诞假期，妈妈说服我去奥

    尔本斯的湖上滑冰，尽管我知道身体很不适，不应该去，但还是去了。

    我跌倒了，再爬起来很困难。我的妈妈意识到出了什么问题，并带我去

    看医生。

    我在伦敦圣巴塞洛缪医院住了几个星期，并进行了很多检查。在

    1962年，检查比现在更落后一些。医生从我的手臂上取下一块肌肉样

    品，把电极插进我的身体，把X射线不能透过的流体注入我的脊椎，他

    们在X射线上看液体随着病床的倾斜在脊柱里上下移动。他们实际上从

    未告诉我出了什么问题，但我猜想到情况一定很糟糕，所以我不想问。

    我从医生的谈话中琢磨出，无论这是什么病，只会变得更糟，而且他们

    除了给我维生素之外束手无策。事实上，给我做检查的医生放弃了对我

    的治疗，我再也没见到过他。

    后来我还是知道了，我得了肌萎缩侧索硬化症(ALS)，一种运动

    神经元疾病，其中大脑和脊髓的神经细胞萎缩，然后结疤或硬化。我还

    了解到患有这种疾病的人逐渐失去控制行动、说话、吃饭和最终呼吸的

    能力。

    我的病情似乎发展很快。可以理解的是，我变得情绪低落，看不到

    继续研读博士学位的必要，因为我不知道自己能否活得足够长来完成学

    位。但随后病情进展缓慢下来，我对研究又重燃热情。在我的期望降低到零之后，新的每一天都成为奖赏，我开始珍惜所拥有的一切。只要有

    生命，希望就存在。

    当然，还有一位名叫简·王尔德的年轻女子，我在聚会上认识她。

    她非常坚定地认为，我们可以共同对抗我的疾病。她的信心给了我希

    望。订婚让我精神振奋，我意识到，如果我们要结婚，我必须得到一份

    工作并完成我的博士学位。一如既往，那些重大问题正在推动着我。我

    开始努力研究，我很享受。

    为了在学习期间获得资助，我申请了龚维尔和基斯学院的研究奖学

    金。令我大为惊讶的是，我中选并从那以后成了基斯的研究员。获得研

    究金是我生活的一个转折点。这意味着我可以继续我的研究，尽管我的

    残疾越来越严重。这也意味着我和简可以结婚，我们于1965年7月结

    婚。婚后大约两年，我们的第一个孩子罗伯特出生。又大约三年后，我

    们的第二个孩子露西出生。1979年我们的第三个孩子蒂莫西出生。

    作为父亲，我总尝试告诉孩子提问题的重要性。我儿子蒂莫西曾在

    一次接受采访时讲过一个故事，他小时候担心自己问的问题有点傻，他

    想要知道周围是否散落有许多小宇宙。我告诉他永远不要害怕想出一个

    主意或者一个假设，无论显得多么愚蠢(这是他的担心，不是我的)。

    ●

    在20世纪60年代早期，宇宙学中的大问题是“宇宙有一个开端

    吗？”许多科学家都本能地反对这个思想，因为他们觉得一个创生的点

    会是科学崩溃之处。人们必须诉诸宗教和上帝之手，以确定宇宙将如何

    开始。这显然是一个基本问题，而它正是我完成博士论文所需要的。罗杰·彭罗斯证明过，一旦垂死的恒星收缩到一定的半径，就不可

    避免地会出现奇点，这就是空间和时间结束之处。当然，我们已经知道

    没有任何东西可以阻止一颗巨大的冷星在自身引力作用下坍缩，直至达

    到无限密度的奇点。我意识到类似的论点可以应用于宇宙的膨胀。在这

    种情况下，我可以证明时空有一个开始的奇点。

    1970年，我的女儿露西出生几天后，我的尤里卡时刻出现了。那天

    晚上要睡觉时，由于残疾，我上床过程非常缓慢，我意识到我为奇点定

    理发展的因果结构理论可以应用到黑洞上。如果广义相对论是正确的，并且能量密度是正的，那么黑洞的边界——事件视界的面积具有这样的

    性质，当额外的物质或辐射落入黑洞时，它总是增加。此外，如果两个

    黑洞碰撞并合并形成单个黑洞，则围绕所产生的黑洞的事件视界的面积

    大于围绕原始黑洞的事件视界的面积之和。

    那是一个黄金时代，我们甚至在得到黑洞存在的任何观察证据之

    前，就解决了黑洞理论中的大部分主要问题。事实上，我们对经典广义

    相对论的研究获得了如此成功，1973年我和乔治·埃利斯合作出版了

    《时空的大尺度结构》之后，甚至感到有些无所事事。我和彭罗斯的研

    究工作证明了广义相对论在奇点处崩溃，所以很明显下一步是将非常大

    的理论(广义相对论)和非常小的理论(量子论)结合起来。我特别想

    知道，可以存在一个这样的原子吗，它的核是在早期宇宙中形成的一个

    微小的太初黑洞？

    为了回答这个问题，我研究了量子场或者粒子会如何被黑洞散射。

    我预料入射波的部分将被吸收，而剩下的被散射。但令我大为惊讶的

    是，我发现似乎存在从黑洞本身来的发射。起初，我以为这一定是我计

    算中的一个错误，后来我觉得那是真实的，因为该发射正好是把视界面

    积和黑洞熵相等同所需要的。这个熵，即是该系统无序的一种度量。黑

    洞的熵被总结在这个简单的公式中：该公式按照视界面积表达熵，它包含自然的三个基本常数：

    光速c、牛顿引力常数G以及普朗克常数 。从黑洞发出的这种热辐

    射现在被称为霍金辐射，我为发现了它而自豪。

    我的研究揭示了一个深刻的、以前未曾预料到的引力与热力学之间

    的关系，并解决了一个悖论，该悖论曾被争论了30年也没有太大进展：

    在缩小的黑洞遗留下的辐射里怎么能携带形成它的东西的所有信息？我

    发现信息没有丢失，但它没有以有用的方式返回——就像燃烧百科全书

    后，只有烟雾和灰烬留下。

    1974年，我当选为皇家学会会员。这次选举让我系的人感到惊讶，因为我年轻，只是一名初级研究助理。但在三年内，我被提升为教授。

    我对黑洞的研究给了我希望，我们将会发现万物的理论，而寻求该理论

    鞭策我继续前进。

    同年，我的朋友基普·S.索恩邀请我和我的小家庭以及另外一位研究

    广义相对论的学者到加州理工学院。在过去的四年里，我一直在使用手

    动轮椅和蓝色电动三轮车，其速度和缓慢骑自行车相当，我有时用它非

    法携带乘客。当我们在加利福尼亚时，我们住在校园附近，那座房子为

    殖民时期风格，属于加州理工学院。在那里，我第一次能够享受全天候

    使用电动轮椅。它给了我很大的独立性，特别是在美国，建筑和人行道

    比在英国更方便残疾人。1975年，我们从加州理工学院回来时，最初我情绪很低落。与在美

    国乐观敢闯的态度相比，在英国的一切似乎都狭隘受限。当时，随处都

    是因荷兰榆树病致死的树木，全国还为罢工所困扰。然而，我的研究取

    得了成功，并于1979年当选为卢卡斯数学教授，这是艾萨克·牛顿爵士

    和保罗·狄拉克曾经任职过的位置。因此，我的情绪又高昂起来。

    在20世纪70年代，我一直主要从事黑洞研究，但我对宇宙学的兴趣

    被重新唤起。其原因是，有人设想，早期宇宙经历过一个快速暴胀的时

    期。宇宙尺度在此期间以不断增加的速率增长，就像自英国脱欧投票以

    来价格增长的方式。我还花时间与吉姆·哈特尔合作，制定了一个我们

    称之为“无边界”的宇宙诞生理论。

    20世纪80年代初期，我的健康状况继续恶化，我忍受着长时间的窒

    息，因为我的咽喉功能正在减弱，并且在我吃东西的时候食物会进入我

    的肺部。1985年，我在瑞士的欧洲核子研究中心(CERN)之行中得了

    肺炎。这是一个生死攸关的时刻。我被紧急送往卢塞恩州立医院并用上

    呼吸机。医生向简建议，病情已经发展到束手无策的阶段，他们要关掉

    我的呼吸机来结束我的生命。但简拒绝了，让我乘坐紧急救护飞机飞回

    剑桥的爱登布鲁克医院。

    可以想象这是一个多么困难的时期，多亏爱登布鲁克的医生们努力

    让我恢复到访问瑞士之前的状态。然而，由于食物和唾液仍能通过喉部

    进入我的肺部，他们不得不施行了气管切开术。正如大多数人都知道

    的，气管切开术会导致说话能力的丧失。人的声音非常重要，如果声音

    像我的那样含糊不清，人们就会认为你精神上有缺陷，并采取相应的方

    式对待你。在气管切开术之前，我的讲话非常模糊，只有熟识我的人才

    能理解我，其中包括我的孩子们。在气管切开术后的一段时间里，一个

    人拿着拼写卡，指出上面的字母，我通过抬起眉毛认可，通过这种方式

    来逐个确认字母拼出单词，那是我能沟通的唯一方法。幸运的是，加利福尼亚的一位名叫瓦尔特·沃尔托兹的计算机专家

    听说了我的困难。他给我发来一个称为平衡器的电脑程序。这使我能从

    轮椅上的电脑屏幕的菜单中，通过按下手中的开关选择整个单词。从那

    时起，该系统已经得到发展。现在我使用英特尔开发的一个名为阿卡特

    的程序，我用眼镜里的一个小传感器，通过我的脸颊动作控制它。它有

    一部手机，让我访问互联网。我可以声称自己是与世界最有联系的人。

    然而，我保留了原先的语音合成器，原因是我没有听到比这更清晰的语

    音，而且我迄今仍然认同这种声音，尽管它带有美国口音。

    1982年，大约是在我进行无边界研究的时候，我首次想到写一本关

    于宇宙的科普书。我以为，这可以提供适量的帮助支持我上学的孩子，并支付不断上涨的护理花费，但主要原因是我想解释我们对宇宙的理解

    已经到了何等程度：我们多么接近找到一个完整的理论，它将描述宇宙

    和其中的一切。作为一名科学家，不仅提问并找到答案非常重要，我认

    为还有义务与世界交流我们获取的新进展。

    《时间简史》于1988年愚人节首次发表，真是恰逢其时。的确，这

    本书最初打算取名《从大爆炸到黑洞：时间短史》。书名被缩短并改

    为“简史”，其余的都已成为历史。

    我从未想过《时间简史》能够如此成功。毫无疑问，尽管我有残

    疾，但我如何成为理论物理学家和畅销书作家，人们对这故事的好奇也

    对本书有助益。不是每个人都能读完它或理解他们阅读的所有内容，但

    他们至少努力思考过关于我们存在的一个大问题，并认为我们生活在一

    个由理性定律制约的宇宙中，通过科学，我们可以发现和理解这些定

    律。

    对我的同事们来说，我只是一位物理学家，但对于公众，我可能是

    世界上最著名的科学家。部分原因是科学家除了爱因斯坦外，并不是广

    为人知的摇滚明星，另一部分原因是我符合残疾天才的刻板印象。我不能用假发和墨镜伪装自己——轮椅使我暴露无遗。众所周知且容易识别

    有其优点，也有其缺点，但优点远远超过缺点。人们似乎真的很高兴见

    到我。2012年，我在伦敦参加残奥会开幕式时，我甚至拥有了我有史以

    来最多的观众。

    我在这个星球上过着一种非凡的生活，我利用奇思异想和物理定律

    穿越宇宙。我到过银河系最远处，旅行进入过黑洞，还返回过时间的起

    点。在这个地球上，我经历了高潮和低谷、动荡与安宁、成功和痛苦。

    我遭遇贫穷，享用富裕，曾经矫健，又身患残疾。我既受到赞扬，也受

    到批评，但从未被忽视过。通过我的研究，我非常荣幸地能够为人类对

    宇宙的理解做出贡献。但如果宇宙中不存在我所爱且爱我的人，那的确

    会是一个空虚的宇宙。没有他们，它的一切奇迹都对我毫无意义。

    在所有这一切结束时，我们人类自身作为自然界的基本粒子的集

    合，已经能够理解制约我们和我们宇宙的规律，这是一个伟大的胜利。

    我想分享我对这些重大问题的激动以及我对此探索的热情。

    有朝一日，我希望我们能够知道所有这些问题的答案。但还有其他

    挑战，必须回答地球上的其他重大问题，这些也需要新一代感兴趣和参

    与，而且他们还得对科学有所了解。我们将如何养活不断增长的人口？

    如何提供干净的水、产生可再生能源、防止并治愈疾病、减缓全球气候

    变化？我希望科学技术能够回答这些问题，但需要人，有知识和理解力

    的人，去实施这些解决方案。让我们为每个女人和男人奋斗，为了让他

    们都能过上健康、安全，并充满了机会和爱的生活。我们都是时间旅行

    者，让我们一起踏入未来。让我们共同努力，使这个未来成为我们想去

    访问的地方。

    勇敢、好奇、坚定、战胜困难。我们一定能够做到。●

    当你还是个孩子时，你的梦想是什么，它实现了吗？

    “我想成为一名伟大的科学家。然而，当我在学校时，我

    不是一个非常好的学生，并且难得优于班级半数的同学。我的

    作业不整洁，我的书写不太好。但我在学校有好朋友。我们谈

    论所有的话题，特别是宇宙的起源。这就是我的梦想开始的地

    方，我很幸运它已经成真。”1 Is there a God？

    上帝存在吗？

    科学正在越来越多地回答曾经是宗教领域的问题。宗教是回答我们

    都问的问题的早期尝试：为什么我们在这里，我们来自何方？很久以

    前，答案几乎总是千篇一律：众神创造万物。世界是一个可怕的地方，所以即使像维京人一样强硬的人也相信超自然的存在，由此来理解诸如

    闪电、风暴、日食、月食等自然现象。如今，科学提供了更好、更一致

    的答案，但人们总是依附宗教，因为它给予了安慰，而他们不信任或不

    理解科学。

    几年前，《泰晤士报》在头版刊登了一篇文章，标题是：“霍金

    说：上帝并未创造宇宙。”文章附有插图。上帝的形象取自米开朗琪罗

    的一幅画，显得拥有雷霆万钧的威力。他们印了一张我显得颇为自得的

    照片。他们让我们看起来像是在进行一场决斗。但我对上帝不抱怨恨。

    我不想给人留下这样的印象，似乎我的研究是关于证明或反驳上帝的存

    在。我的研究是要找到理解围绕我们四周的宇宙的合理框架。

    几个世纪以来，人们认为像我一样的残疾人是生活在上帝的诅咒之

    下的。好吧，我想我可能使那里的某位感到不高兴，但我更愿意认为，一切都可以由自然定律给予另一种解释。如果你像我一样相信科学，你

    就会相信存在永远得遵守的一些定律。如果你愿意，你可以说这些定律

    是上帝的杰作，但那更是对上帝的定义，而非对其存在的证明。大约公

    元前300年，一位名叫阿利斯塔克的哲学家被日食、月食迷住了，特别

    是月食。他很勇敢地质疑它们是否真的是由神造成的。阿利斯塔克是一

    个真正的科学先驱。他小心翼翼地研究了天穹并获得一个大胆的结论：

    他意识到月食其实是地球的阴影越过月球，而不是一个神圣的事件。这一发现使他心灵解放，他能够弄清他的上空真正发生的事情，并绘制显

    示太阳、地球和月球的真实关系的图。从那里他得出了更为非凡的结

    论。他推断出地球不像众人以为的那样是宇宙的中心，而是围绕着太阳

    运行的。事实上，理解这种安排就解释了所有的日食和月食。当月球在

    地球上投下阴影时，就会发生日食。当地球遮挡月球时，就会发生月

    食。但是阿利斯塔克又更进了一步。不像他同时代的人以为的那样，他

    认为星星并非天穹上的缝隙漏下的一缕光，那些星星是其他的太阳，就

    像我们的太阳一样，只不过离得非常远。这是多么令人惊叹的发现啊!

    宇宙是一个受原理或定律制约的机器。这些定律是人类头脑可以理解

    的。

    我相信这些定律的发现是人类最大的成就，因为正是我们现在所称

    的这些自然定律将告诉我们究竟是否需要一位神来解释宇宙。自然定律

    描述了事物在过去、现在和未来的实际运行方式。在网球比赛中，球总

    是准确到达自然定律预告的位置。此外还有许多其他定律也在起作用。

    它们控制着正在发生的一切，从在运动员肌肉中如何产生射击的能量，到他们脚下的草的生长速度。但真正重要的是，这些物理定律以及定律

    之不可变是普适的。它们不仅适用于一个球的飞行，还适合于一个行

    星，以及宇宙中的其他一切的运动。与人类制定的法律不同，自然定律

    不能被打破。那就是为什么它们如此强大，而从宗教角度看时，也是有

    争议的。

    如果你像我一样接受自然定律是固定的，那么很快就会接着问：上

    帝有什么作用？这是科学和宗教之间矛盾的重要部分，虽然我的观点作

    为头条新闻亮出，但这实际上是一场古老的冲突。人们可以将上帝定义

    为自然定律的化身。然而，这并不是大多数人心目中的上帝。他们的意

    思是，上帝要像人一样地存在，与之可有个人关系。当你仰望无比浩瀚

    的天穹，栖居宇宙中的人生是如此微不足道和偶然啊，这似乎极其难以

    置信。我在非个人意义上使用“上帝”这个词，正如爱因斯坦那样，以之表

    述自然定律，所以知道了上帝的心灵正是了解了自然定律。我的预测

    是，到21世纪末，我们将会知道上帝的心灵。

    现在剩下的一个领域，宗教可以有发言权的是宇宙的起源，但即使

    在这里，科学也正在取得进展，应该很快就能提供关于宇宙如何开始的

    确切答案。我出版了一本书，询问上帝是否创造了宇宙，引起了一些轰

    动。对科学家在宗教问题上居然说三道四，人们感到不快。我不想告诉

    任何人该相信什么，但对我而言，问上帝是否存在是一个有效的科学问

    题。毕竟，很难想象一个比什么或谁创生了并控制宇宙更重要或更基本

    的奥秘。

    根据科学定律，我认为宇宙是自发地从无创生出来的。科学的基本

    假设是科学决定论。在给定某一时刻的宇宙的状态后，科学定律就确定

    宇宙的演化。这些定律可由也可不由上帝颁布，但他不能干涉使之违反

    定律，否则它们就不算是定律。这就留给上帝选择宇宙的初始状态的自

    由，但即使在这里似乎也可能存在定律。所以上帝也许根本就没有自

    由。

    不管宇宙的复杂性和多样性，制造一个宇宙其实只需要三种成分。

    试想象我们可以在某种宇宙食谱中列出它们。那么我们烹饪宇宙所需的

    三种成分是什么？首先是物质——有质量的东西。物质就在我们身边，脚下的地中和太空外面。灰尘、岩石、冰、液体。巨大的气体云、恒星

    的巨大螺旋，每个都包含数十亿个太阳，向外延伸到令人难以置信的距

    离。

    你需要的第二种成分是能量。即使你从未思考过它，我们都知道能

    量是什么。那是我们每天都遇到的东西。仰望太阳你可以在脸上感受到

    它：那是9 300万英里(1英里=1.609千米)外的一个恒星产生的能量。

    能量渗透宇宙，它驱动使宇宙永远充满活力，并不断变化的过程。这样我们有了物质，我们有了能量。为了建立宇宙，我们需要的第

    三种成分是空间。很多空间。你可以说宇宙有很多品质——可怕、美

    丽、暴烈。但有一个品质和它毫不相干，那就是狭窄。无论我们朝哪里

    看，我们都看到空间，更多空间，更多更多的空间。空间向所有方向伸

    展。它足以使你头晕。那么所有的这一切，物质、能量和空间又是从何

    而来呢？直到20世纪我们才明白。

    答案来自一个人的洞察力。此人可能是有史以来最杰出的科学家。

    他的名字叫阿尔伯特·爱因斯坦。遗憾的是，我从未见到他，因为他去

    世时我才13岁。爱因斯坦意识到某种极其非凡的东西：制造宇宙所需的

    两种主要成分，质量和能量，基本上是一个东西，如果你愿意的话，可

    以说两者是同一枚硬币的两面。他著名的等式E=mc2只是意味着质量可

    以被认为是一种能量，反之亦然。所以我们现在可以说，宇宙并没有三

    种成分，它仅有两种成分：能量和空间。那么，所有这些能量和空间又

    是从何而来的呢？科学家经过数十年的研究后找到了答案：空间和能量

    是在我们现在称为大爆炸的事件中自发产生的。

    在大爆炸的那一刻，整个宇宙出现，伴随着空间。这一切都胀大，就像气球被吹大一样。那么所有这些能量和空间从何而来？这充满能量

    的整个宇宙，这极端广袤的空间及其包容的万物，如何无中生有？

    对于一些人来说，这是上帝重新进入角色之处。正是上帝创造了能

    量和空间。大爆炸是创生的时刻。但科学讲的是另一个故事。冒着陷入

    麻烦的风险，我想我们更能理解恐吓维京人的自然现象。我们甚至可以

    超越爱因斯坦所发现的能量和物质的美丽对称。我们可以利用自然定律

    来解决宇宙的起源本身，并发现是否上帝的存在是唯一的解释。

    我于第二次世界大战后在英国长大，那是一个节衣缩食的时期。我

    们被告知你永远不会无代价地得到任何东西。但现在，经过一生的研

    究，我认为实际上可以免费获得整个宇宙。宇宙大爆炸核心的巨大神秘之处在于，解释不可思议的巨大的、拥

    有空间和能量的整个宇宙如何能无中生有。其秘密在于我们的宇宙最奇

    怪的一个事实。物理定律要求存在某种叫作“负能量”的东西。

    为了帮助你理解这个奇怪的但很关键的概念，让我借鉴一个简单的

    比喻。想象一下，一个人想在平地上建造一座小山。那座山将代表宇

    宙。为了造这座小山，他在地上挖了一个洞并用土来堆他的山。当然他

    不只是在建一座小山，他还挖了一个洞，实际上是山的一个负版本。那

    个洞里面的东西现在已经变成山丘，所以这一切都完美地平衡。这就是

    宇宙开端背后的原理。

    大爆炸产生了大量的正能量，它同时也产生同样多的负能量。通过

    这种方式，正的和负的加起来总是为零。这是自然的另一个定律。

    那么今天这些负能量在哪里呢？它在我们宇宙食谱中的第三种成分

    中：它在空间中。这可能听起来很奇怪，但根据引力和运动的自然定律

    ——科学中最古老的那些定律——空间本身就是一个巨大的负能量仓

    库，足以确保一切加起来为零。

    我得承认，除非你喜爱数学，这些很难掌握，但这是真的。数十亿

    个星系的无尽网络，每个星系都由引力相互拉扯，就像一个巨大的存储

    设备一样运行。宇宙就像一个储存负能量的巨大电池。事物的正面——

    我们今天看到的质量和能量——就像那座小山，相应的洞或事物的负面

    遍布整个太空。

    那么在我们寻找是否存在上帝的过程中，这意味着什么呢？这意味

    着，如果宇宙叠加起来是无，那么你就不需要上帝来创造它。宇宙是彻

    彻底底的“免费午餐”。

    既然我们知道正的和负的加起来都是零，那么我们现在需要做的就是弄清楚——或者我敢说——是谁首先触发了整个过程。是什么能够导

    致宇宙的自发出现？起初，这似乎是一个令人困惑的问题。毕竟，在我

    们的日常生活中，东西不会凭空出现。你想喝咖啡时，你做不到只用手

    指点击就可召唤来一杯咖啡。你必须用咖啡豆、水，也许还有一些牛奶

    和糖来制作它。但是进入这个咖啡杯，通过牛奶颗粒，一直到原子水

    平，一直到亚原子水平，你进入了一个世界，在这个世界里，可以变戏

    法般地从无创生出某种东西。至少在短时间可能这样。那是因为，在这

    个尺度上，粒子譬如质子的行为符合量子力学的自然定律。他们真的可

    以随机出现，持续一段时间，然后再次消失，重新出现在别的地方。

    因为我们知道宇宙本身一度非常小——也许比质子还小。这意味着

    某种非常了不起的东西。它意味着宇宙本身，尽管令人难以置信地广阔

    而复杂，在不违反已知的自然定律的情况下，可以就这样突然出现。从

    那一刻开始，随着空间本身的膨胀，数量巨大的能量被释放出来，而空

    间正是一个存放平衡账簿所需的全部负能量的地方。当然再次引出一个

    关键问题：上帝创造了允许发生大爆炸的量子定律吗？简而言之，我们

    需要一位上帝预先设置以使大爆炸可以爆炸吗？我不想冒犯任何有信仰

    的人，但我认为科学有比神圣的造物主更令人信服的解释。

    我们的日常经验让我们认为，发生的一切必须由某些发生在较早时

    期的事情引起，所以自然认为一定是某种事物——也许是上帝——导致

    了宇宙的产生。但是，当我们将宇宙作为一个整体来谈论时，就未必如

    此了。让我来解释一下。想象一条河沿着山边流下。那么是什么造成了

    河流？嗯，也许是早先在山上降下的雨。但是，那又是什么导致降雨？

    一个很好的答案就是太阳，它照在海洋上，将水蒸气升空，形成云层。

    那么是什么导致了太阳照耀？嗯，如果我们看到太阳的内部，我们就会

    看到称为聚变的过程，其中氢原子连接形成氦，在此过程中释放出大量

    的能量。到现在为止一切都挺好。但是氢从哪里来？答：大爆炸。但这

    里至关重要。自然本身的定律告诉我们，宇宙不仅像质子，不需任何辅助就突然涌现，宇宙还不需要任何能量，而且大爆炸由无产生是可能

    的，就是无。

    对此进行解释的依据是回到爱因斯坦的理论，以及他对宇宙中的空

    间和时间如何在根本上交织在一起的见解。大爆炸瞬间发生了一件对时

    间非常关键的事情，时间本身开始了。

    要理解这个令人费解的思想，可以考虑在太空飘浮的黑洞。一个典

    型的黑洞是一颗质量大到向自身坍缩了的恒星。它的质量如此大，即使

    光也不能逃脱它的引力，这就是为什么它几乎完全是黑的。它的引力如

    此强大，它不仅会弯曲光线，还会扭曲时间。要想知道这是如何进行

    的，想象一台时钟正被吸入进去。随着时钟越来越接近黑洞，它开始变

    得越来越慢。时间本身开始减速。现在想象一台进入黑洞的时钟——

    嗯，当然假设它可以承受极端的引力——它实际上停止了。它之所以停

    止，不是因为它被毁坏了，而是因为在黑洞内部时间本身并不存在。而

    这正是宇宙开始时发生的事情。

    在过去的一百年里，在对宇宙的理解方面，我们取得了惊人的进

    步。现在我们知道制约所有事物的定律，除了最极端条件之外，例如宇

    宙的起源或黑洞。我相信，时间在宇宙开始时所扮演的角色是消除对大

    设计师的需求，时间是揭示宇宙如何创生自己的最终关键。

    当我们在时间中回到宇宙大爆炸的那一刻，宇宙变得越来越小，直

    到它最终达到这样的程度，即整个宇宙是一个如此小的空间，它实际上

    是一个无限小的、无穷密集的黑洞。就像在太空中飘浮的现代黑洞一

    样，自然规律确定了一些非常特别的东西。它们告诉我们，在这里时间

    本身也必然停止。因为在大爆炸之前没有时间，所以你不可能到达大爆

    炸之前的时刻。我们终于找到了一个没有原因的东西，因为没有时间让

    一个原因存在其中。对我而言，这意味着没有造物主的可能性，因为没

    有时间让造物主存在其中。人们想要得到大问题，比如为什么我们在这儿的答案。他们估计答

    案不会简单，所以他们准备好要努力理解。当人们问是否是一位上帝创

    造了宇宙，我告诉他们那个问题本身毫无意义。大爆炸之前不存在时

    间，所以没有时间让上帝在其中创造宇宙。它就像询问到地球边缘的方

    向一样——地球表面是一个没有边缘的球面，所以寻找其边缘是徒劳

    的。

    我有信仰吗？我们每个人都可以自由地相信我们想要相信的，而我

    认为最简单的解释是不存在上帝。没有谁创造宇宙，也没有谁指引我们

    的命运。这让我彻底醒悟：可能没有天堂也没有来世。我认为相信来世

    只是痴心妄想。它没有可靠的证据，它和我们在科学中所知道的一切相

    悖。我认为当我们死的时候，我们会回到尘埃。不过在某种意义上我们

    还继续活着，在我们的影响中，在我们传给了孩子的基因中。我们拥有

    这一生，得以欣赏宇宙的宏伟设计，为此我极度感恩。●

    上帝的存在和你对宇宙开端和终结的理解如何

    相协调？如果上帝存在并且你有机会见到他，你会问他什么？

    “问题该是，‘宇宙开始的方式是由上帝出于我们不理解的

    原因选择的，还是由科学定律决定的？’我相信第二个。如果

    你愿意，你可以将科学定律称为‘上帝’，但它不会是你会遇到

    的并向他提问题的人格化的上帝。不过，如果存在这样的一位

    上帝，我想问他对任何像在11维中的M理论那样复杂的东西如

    何作想。”2 How did it all begin？

    一切如何开始？

    哈姆雷特说：“我可以被束缚在果壳之中，但把自己视为无限空间

    之王。”我认为他的意思是说，虽然我们人类在身体上非常受限，特别

    是我这样的情况，但我们的思想可以自由探索整个宇宙，并勇敢地去甚

    至连《星际迷航》都不敢造访之处。宇宙真的是无限的，还是仅仅非常

    大？它有一个开端吗？它会持续无限的时间，还是很长一段时间？我们

    有限的思想何以理解无限的宇宙？哪怕我们仅仅试图理解，这难道不是

    自命不凡吗？

    普罗米修斯从古代神祇那里偷来了给人类使用的火，遭到了宙斯的

    惩罚——我宁愿冒险重蹈他的覆辙，也要说，我相信人类可以也应当去

    理解宇宙。普罗米修斯遭到的惩罚是被永久地拴在岩石上，但最终他被

    赫拉克勒斯快乐地解放了。我们在理解宇宙方面进展显著。我们还没有

    一个完整的图景。我愿意相信，我们可能离它已经不远了。

    据中非的波桑戈人说，在太初只有黑暗、水和伟大的本巴神。有一

    天，本巴胃痛不堪，呕吐出太阳。太阳晒干了一些水，留下土地。本巴

    仍陷在痛苦中，他呕吐月亮、星星，然后是一些动物——豹子、鳄鱼、乌龟，最后是男人。

    像许多其他民族一样，这些创世神话试图回答我们都要问的问题。

    我们为什么在这里？我们来自何处？通常给出的答案是，人类起源是比

    较近世的事，因为人类还一直在改善其知识和技术，这应是显而易见

    的。所以它不可能已经存在了很长时间，否则它本应取得更大的进展。

    例如，根据厄谢尔主教的说法，《创世记》把时间的开端设在公元前4004年10月22日的下午6点。另一方面，物质环境，诸如山岳河流，在

    人的一生中变化甚小。因此它们被认为是一个不变的背景，要么作为一

    个空洞的景观亘古存在，要么与人类同时被创造出来。

    然而，并不是每个人都对宇宙有一个开端这个思想感到满意。例

    如，亚里士多德，这位最著名的希腊哲学家，相信宇宙永远存在。永恒

    的东西比创生的东西更完美。他认为，我们能看到文明进展的原因是洪

    水或其他自然灾害一再使文明返回开始。人们愿意相信宇宙是永恒的，这是因为人们渴望不必援引神力来创造宇宙并使之运行。相反，那些相

    信宇宙有一个开端的人用它来证明上帝作为宇宙的第一个原因或第一推

    动者的存在。

    如果有人相信宇宙有一个开端，那么显而易见的问题是，“在开端

    之前发生了什么？在创造世界之前，上帝在做什么？他是否为提出这些

    问题的人准备了地狱？”宇宙是否有一个开端的问题是德国哲学家伊曼

    纽尔·康德极为关注的问题。无论有无开端，他觉得都存在逻辑上的矛

    盾或二律背反。如果宇宙有一个开端，那为什么它在开端之前需等待无

    限的时间？他称之为正题。另一方面，如果宇宙已经存在了无限久，那

    为什么到达现阶段需要无限的时间？他称之为反题。正题和反题都依赖

    于康德的假设，也是几乎所有其他人都认为的，时间是绝对的。也就是

    说，它从无限的过去走向无限的未来，独立于任何可能或不可能存在的

    宇宙。

    这仍然是当今许多科学家心目中的图景。然而，1915年，爱因斯坦

    引入了他革命性的广义相对论。其中，空间和时间不再是绝对的，不再

    是事件的固定的背景。相反，它们是动力学的，是由宇宙中物质和能量

    塑造的量。它们只在宇宙中才被定义，所以谈论宇宙开端之前的时间是

    没有意义的。这就像询问南极以南的一点，它是没有定义的。

    虽然爱因斯坦的理论统一了时间和空间，但它没有告诉我们太多关于空间本身的信息。有关空间的一些东西似乎是显而易见的，即它一直

    在不停地延伸出去。我们预料宇宙不会在一堵砖墙处结束，虽然没有逻

    辑的理由说它为什么不能。不过现代仪器如哈勃太空望远镜让我们深入

    探究太空。我们看到的是数万亿个各种形状和尺度的星系。存在巨大的

    椭圆星系和像我们银河系一样的螺旋星系。每个星系都包含数千亿颗恒

    星，其中许多会有行星围绕。我们自己的星系在某些方向阻挡了我们的

    视线，但除此之外，星系在整个太空大致分布均匀，有些局部浓密，还

    有一些空洞。星系的密度似乎在很远的距离下降，但那似乎是因为它们

    离我们过远，过于黯淡，我们看不见。我们可以说的是，宇宙永远在太

    空中延伸出去，无论它延伸多远，都是几乎一样的。

    尽管宇宙中处处似乎都一样，但它在时间上肯定在改变。这一点直

    到20世纪初才被人们意识到。此前，人们认为宇宙在时间上是基本不变

    的。它可能已经存在了无限的时间，但这似乎导致荒谬的结论。如果恒

    星在无限时间内辐射，它们应使宇宙加热至恒星自己的温度。那么即使

    在夜晚，整个天空都会像太阳一样明亮，因为每一道视线都会终止于一

    颗恒星或一团尘埃。这些尘埃应已被加热到像恒星一样热。所以我们所

    有人观察到的现象，即夜晚的天空是黑暗的，是非常重要的。这意味

    着，宇宙不可能以我们今天看到的状态存在了无限久。过去肯定发生过

    一些事件，让恒星在有限的时间前点亮，那么来自遥远恒星的光线还来

    不及到达我们。这可以解释为什么夜空不是所有方向都发光。

    如果恒星以前永远就在那里，那它们为什么在几十亿年前突然亮起

    来？什么东西充当时钟告诉它们闪耀的时刻到了？这使那些相信宇宙永

    远存在的哲学家们深感困惑，如伊曼纽尔·康德。但对于大多数人而

    言，这和宇宙就以现在差不多的样子，仅在几千年前被创造出来的思想

    相一致，正如厄谢尔主教所得的结论。然而，随着20世纪20年代我们在

    威尔逊山上用百英寸的望远镜观测宇宙，不同的思想出现了。首先，埃

    德温·哈勃发现了许多被称为星云的微弱的光斑。它们实际上是其他星系，那是庞大的恒星集合。这些恒星就像我们的太阳一样，但距离很

    远。它们之所以显得如此微小而黯淡，距离必定大到来自它们的光要花

    数百万年甚至数十亿年才能到达我们。这表明了宇宙的开端绝不会在区

    区几千年前。

    但哈勃发现的第二件事更加惊人。通过分析来自其他星系的光，哈

    勃能够衡量它们是否正在趋近或离开我们。令他惊讶的是，他发现它们

    几乎都在离开。此外，它们离我们越远，就离开得越快。换句话说，宇

    宙正在膨胀，星系正相互离开。

    宇宙膨胀的发现是20世纪伟大的智力革命之一。这个发现完全出乎

    意料，它彻底改变了关于宇宙起源的讨论。如果这些星系正在分离，那

    么它们在过去必定相互靠得更近。从目前的膨胀速度来看，我们可以估

    计，大约在100亿年到150亿年前，它们确实一度非常接近。因此，似乎

    宇宙那时就开始了，此刻万物都处在空间中的同一点。

    但是许多科学家对宇宙有一个开端不满，因为它似乎意味着物理学

    崩溃了。人们将不得不求助于一个外部机制，为方便起见，可以称之为

    上帝，来决定宇宙如何开始。因此，他们推出了宇宙当前正在膨胀，但

    没有开端的理论。其中之一是由赫曼·邦迪、托马斯·戈尔德和弗雷德·霍

    伊尔于1948年提出的稳恒态理论。

    稳恒态理论的思想是，随着星系分离，新星系将由设想的在整个太

    空中不断产生的物质形成。宇宙已经存在了无限久，并且在任何时候都

    显得是一样的。最后一个属性具有明确预言的突出优点，它可以通过观

    察被检验。20世纪60年代早期，剑桥射电天文学组在马丁·赖尔的领导

    下，对微弱的射电波源进行了一次调查。这些源相当均匀地分布在天

    空，表明大部分源都位于我们的银河系的外面。平均来说，越弱的源离

    我们越远。稳恒态理论预测了源的数量和它们的强度之间的一种关系。但观察

    显示存在比预测更多的微弱的源，这表明源的密度在过去较高。这与稳

    恒态理论的基本假设相冲突，该假设说，所有一切都不随时间而改变。

    出于这个以及其他原因，稳恒态理论被抛弃了。

    避免宇宙具有开端的另一种尝试认为，早先存在过一个收缩的相，不过因为旋转和局部无规性，物质不会全部都落到同一点上。相反，物

    质的不同部分会彼此错过，宇宙将再次膨胀，而密度始终保持有限。两

    个俄罗斯人，叶夫根尼·栗弗席兹和伊萨克·哈拉特尼科夫声称，他们已

    经证明了不具准确对称性的一般收缩总会导致反弹，而密度保持有限。

    这个结果对于辩证唯物论非常方便，因为它避免了关于宇宙创生的尴尬

    问题。因此，对于苏联科学家，它成了一篇信仰的文章。

    大约就在栗弗席兹和哈拉特尼科夫发表他们的结论，即宇宙没有开

    端的时候，我开始进行宇宙学研究。我意识到这是一个非常重要的问

    题，但我并不相信栗弗席兹和哈拉特尼科夫使用的论证。

    我们习惯于这样的思想，事件由较早期事件引起，而较早期事件又

    由更早期事件引起。存在一系列的因果关系，可以一直追溯到过去。但

    假设这个链有一个开头，即假设存在第一个事件，那它是由什么引起

    的？这不是许多科学家想要解决的问题。他们要么像俄罗斯人和稳恒态

    理论家那样，声称宇宙没有开端，要么认为宇宙的起源不属于科学领域

    而属于形而上学或宗教，由此试图避免它。在我看来，这不是任何真正

    的科学家应该采取的立场。如果科学定律在宇宙开始时暂时失效，那么

    它们不也可能在其他时候失效吗？如果定律只是有时有效，则定律不成

    其为定律。我相信我们应该在科学的基础上尝试理解宇宙的起源。这可

    能是超出我们能力的任务，但至少我们应该进行尝试。

    罗杰·彭罗斯和我设法证明了几何定理，表明如果爱因斯坦的广义

    相对论是正确的，并且某些合理的条件得到满足，那么宇宙就必定有过一个开端。人们很难辩赢数学定理，所以栗弗席兹和哈拉特尼科夫最终

    承认宇宙应该有一个开端。虽然宇宙有开端的思想可能不怎么受苏联人

    欢迎，不过他们绝不允许意识形态阻碍物理学中的科学。由于核弹需要

    物理学，而它是否成功很重要。然而，苏联的意识形态否认遗传学的真

    理，确实阻碍了生物学的进步。

    虽然罗杰·彭罗斯和我证明的定理表明宇宙必定有过一个开端，但

    它们没有提供有关那个开端性质的多少信息。它们指出宇宙开始于一次

    大爆炸，这时整个宇宙和其中万物都被皱缩成无限密度的单一的点，一

    个时空奇点。爱因斯坦的广义相对论在这一点崩溃了。因此，它不能用

    来预测宇宙以何种方式开始。遗留下的宇宙起源的问题显然超出了科学

    范围。

    1965年10月，在我得到第一个奇点结果的几个月后，人们获得了宇

    宙有一个非常致密的开端的观察证据，那是在整个太空发现了微弱的微

    波背景。这些微波与你的微波炉中的相同，但功率却低得多。它们只会

    把你的比萨加热到零下270.4摄氏度，对于解冻比萨没什么用，更不用

    说烹饪了。你实际上可以亲自观察到这些微波。那些记得模拟信号电视

    的人几乎肯定看过这些微波。如果你曾经把电视机调到一个空的频道，你在屏幕上看到的雪花的百分之几就是由这个微波背景引起的。对这个

    背景唯一合理的解释是，它是由早期非常热和密集的状态遗留下的辐

    射。随着宇宙膨胀，辐射会冷却，直到它变成我们今天观察到的微弱残

    余。

    我和其他许多人都不喜欢宇宙始于一个奇点的思想。爱因斯坦广义

    相对论在大爆炸附近崩溃的原因在于它是所谓的经典理论。也就是说，它隐含地假设从常识中看似显而易见的事，即每个粒子都具有明确定义

    的位置和明确定义的速度。在这种所谓的经典理论中，如果知道宇宙中

    所有粒子在某时刻的位置和速度，就可以计算出它们在过去或将来的任何其他时刻的值。然而，在20世纪初，科学家们发现，他们无法准确计

    算出在非常短的距离会发生什么。这不仅仅是他们需要更好的理论。在

    自然中似乎存在一定程度的随机性或者不确定性，无论我们的理论有多

    好，都无法将它们移除。它可以被概括为德国科学家沃纳·海森伯在

    1927年提出的不确定性原理。人们不能准确地同时预测一个粒子的位置

    和速度。你把位置预测得越准确，你能预测的速度就越不准确，反之亦

    然。

    爱因斯坦强烈反对宇宙由偶然性制约的思想。他的感受可用他的一

    句名言来概括：“上帝不掷骰子。”但是所有证据都表明，上帝是位地地

    道道的赌徒。宇宙就像一个巨大的赌场，随时都有骰子不停被投掷，赌

    轮盘不停旋转。赌场老板在每次骰子被掷或赌轮盘旋转时，都有赔钱的

    风险。但是赌了大量次数，各种输赢就被平均了，而赌场老板确保它们

    的平均对自己有利。那就是为什么赌场老板这么富有。你赢他们的唯一

    机会是把你所有的钱赌上几把，无论是掷骰子或转赌轮盘。

    宇宙也是一样。当宇宙很大时，存在巨量掷骰子行为，结果平均到

    人们可以预测的程度。但是当宇宙非常小，在宇宙大爆炸附近，只有少

    量掷骰子行为，而不确定性原理就非常重要。因此，为了理解宇宙的起

    源，人们必须将不确定性原理并入爱因斯坦的广义相对论。至少在过去

    的30年里，这一直是理论物理学的巨大挑战。我们尚未解决它，但取得

    了很多进展。

    现在假设我们试图预测未来。因为我们只知道粒子的位置和速度的

    某种组合，所以我们无法对粒子的未来位置和速度做出精确的预测。我

    们只能为特定的位置和速度组合赋以概率。因此宇宙的特定未来有一定

    的可能性。但现在假设我们试图以同样的方式理解过去。

    鉴于我们现在可以做出的观察的性质，我们所能做的全部就是将概

    率赋予宇宙的特定历史。因此，宇宙必然拥有许多可能的历史，每个历史都有自己的概率。存在一个宇宙的历史，英格兰再次赢得世界杯，尽

    管概率很低。宇宙有多个历史的观点听起来可能像科幻小说，但它现在

    已被接受为科学事实。这要归功于理查德·费曼，他曾在极具声望的加

    州理工学院工作，并在附近的脱衣舞酒吧打邦戈鼓。费曼理解事物如何

    运行的方式是，给每个可能的历史分配特定的概率，然后使用这个思想

    做出预测。它预测未来的效果非常好。因此我们认为它也可以倒推过

    去。

    科学家们正在努力将爱因斯坦的广义相对论与费曼的多重历史的思

    想结合成为一个完整的统一理论，它将描述宇宙中发生的一切。这个统

    一理论将使我们能够计算出宇宙会如何演化，只要我们知道它在某时刻

    的状态。但统一理论本身并没告诉我们宇宙是如何开始的，或者它的初

    始状态是什么。为此，我们需要额外的东西。我们所需要的被称为边界

    条件，它告诉我们在宇宙的边界，即空间和时间的边缘发生了什么。不

    过如果宇宙的边界只是处于空间和时间的正常点的话，我们可以越过它

    并宣称超越的领域还是宇宙的一部分。另一方面，如果宇宙的边界是锯

    齿状的边缘，那里的空间或时间被压缩，而且密度为无限，那么要定义

    有意义的边界条件就非常困难。所以尚不清楚需要什么样的边界条件。

    似乎没有逻辑基础排斥一族边界条件，而选择另外一族。

    然而，加州大学圣巴巴拉分校的吉姆·哈特尔和我意识到第三种可

    能性。也许宇宙在空间和时间上没有边界。乍一看，这似乎与我前面提

    到的几何定理直接矛盾。这些定理表明宇宙必须有一个开始，一个时间

    边界。然而，为了使费曼技巧在数学上得到很好的定义，数学家们发展

    了一个叫作虚时间的概念。它与我们所经验的实时间无关。这是一个使

    计算成立的数学技巧，它取代了我们经验的实时间。我们的思想是说，在虚时间里没有边界。这就使试图发明边界条件没有必要。我们把这个

    思想称为无边界设想。如果宇宙的边界条件是它在虚时间中没有边界，那么它不止存在一

    个历史。在虚时间里存在许多历史，其中每个都将确定在实时间中的历

    史。因此，我们拥有极丰富的宇宙历史。是什么从宇宙所有可能的历史

    中挑选出我们生活其中的特定历史或一组历史呢？

    我们很快注意到的一点是，这些可能的宇宙历史中很多不能经历形

    成星系和恒星的次序，后者对我们自身的发展至关重要。也许智慧生命

    会在没有星系和恒星的情况下进化，但那似乎不太可能。这样，我们作

    为能诘问“为什么宇宙是这样的？”的生命存在这一确凿事实本身就是对

    我们生活其中的历史的限制。这意味着它是少数拥有星系和恒星的历史

    之一。这是所谓“人存原理”的一个例子。人存原理说，宇宙必须或多或

    少是我们看到的样子，因为如果它是不同的，那么就没有任何人在这里

    观察它。

    许多科学家不喜欢人存原理，因为它似乎只比虚晃一招稍好，而不

    具有很强的预言能力。但是人存原理可以给出一个精确的表述，它在处

    理宇宙起源时似乎必不可少。M理论是我们完备的统一理论的最好候选

    者，它允许非常大量的可能的宇宙历史。大多数这些历史非常不适合智

    慧生命的发展。要么它们是空的，要么是过于短命的，要么是过于高度

    弯曲的，或在其他方面出错。然而，根据理查德·费曼的多重历史思

    想，这些无人居住的历史可能有相当高的概率。

    我们并不关心存在多少不包含智慧生命的历史。我们只对智慧生命

    在其中发展的历史子集感兴趣。这种智慧生命不必像人类一样。小绿人

    也行。事实上，他们可能做得更好。人类智慧行为的记录不很光彩。

    作为人存原理威力的一个例子，让我们考虑空间方向的数量。我们

    生活在三维空间中是一个常识。也就是说，我们可以用三个数字来表示

    空间中一个点的位置。例如，纬度、经度和海拔。但为什么空间是三维

    的？为什么它不是两维、四维，或其他一些维数，如科幻小说中那样？事实上，在M理论中，空间有十个维度(这理论也具有一维时间)，但

    人们认为，十维空间方向中的七维被卷曲得非常小，留下三维大而近似

    平坦的方向。它就像一根吸管。吸管的表面是二维的。然而，一个方向

    被卷曲成一个小圆圈，因此隔开距离看，吸管就像一根一维的线。

    为什么我们不生活在一个历史中，其中八个维度被蜷缩得很小，只

    留下我们注意到的两维？原因是，两维动物将难以消化食物。如果它像

    我们一样，有一个直通的肠道，它就会将那只动物分裂成两部分。这个

    可怜的生物就被分解了。因此，对于任何像智慧生物这样复杂的事物，两个平坦的方向是不够的。三个空间维度有一些特殊之处。在三维空间

    中，行星可以在恒星周围具有稳定的轨道。这是服从由罗伯特·胡克在

    1665年发现并由艾萨克·牛顿详细阐述的引力服从平方反比定律的结

    果。考虑两个物体在特定距离处的引力，如果该距离加倍，则它们之间

    的力减到四分之一。如果距离增加3倍，则将力除以9，如果是4倍，则

    将力除以16，依此类推。这导致了稳定的行星轨道。现在让我们考虑四

    个空间维度。万有引力就会遵循立方反比律。如果两个物体之间的距离

    加倍，那么引力将被除以8，3倍则除以27，如果是4倍，则除以64。这

    种立方反比律的改变使行星在它们的恒星周围不可能拥有稳定的轨道。

    它们要么落入它们的恒星，要么逃逸到外面的黑暗和寒冷中去。同样，原子中的电子轨道也不稳定，这样我们所知道的物质就不会存在。因

    此，虽然多重历史的思想允许任何数目的几乎平坦的方向，但只有拥有

    三个平坦方向的历史将包含智慧生命。只有在这样的历史中这个问题才

    会被提出：“为什么空间具有三个维度？”

    我们在阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊发现的微波背景中观察到宇

    宙的一个显著特征。它本质上是宇宙在非常年轻时的场景的一种化石记

    录。这个背景几乎是相同的，不管我们往哪个方向看。不同方向之间的

    差异约为十万分之一。这些差异不可思议的小，而需要给予解释。对这

    种光滑性的普遍被接受的解释是，在宇宙历史的极早期，它经历过一个急剧膨胀的时期，宇宙膨胀了至少一千亿亿亿倍。这个过程被称为暴

    胀。与过于经常折磨我们的通货膨胀形成对比，暴胀对于宇宙是个好东

    西。如果这就是它的全部故事，那么微波辐射在四面八方都会是完全一

    样的。那么这微小的差异来自何处？

    1982年初，我写了一篇论文，提出这些差异源自于暴胀时期的量子

    涨落。发生量子涨落是不确定性原理的结果。此外，这些波动是形成宇

    宙中的星系、恒星和我们的种子。这个思想基本上和我在十年前预言的

    从黑洞视界来的霍金辐射机制一样，除了现在它来自于宇宙视界。宇宙

    视界是把宇宙中我们能看到的部分和我们看不到的部分分开的面。那年

    夏天，我们在剑桥举办了一个研讨会，该领域的所有主要专家都参加

    了。在这次会议上，我们建立了现有的关于暴胀的大部分图景，包括引

    起星系形成以及由此我们存在的最重要的密度涨落。有几个人为最终答

    案做出了贡献。这是在1993年COBE卫星发现宇宙微波背景涨落之前的

    十年，由此可见理论遥遥领先于实验。

    再过十年后的2003年，宇宙学成为精密科学，WMAP卫星得到最初

    的结果。WMAP制作了一幅关于宇宙微波背景天穹温度的精彩天图，是

    宇宙在大约当前年龄的万分之一时的快照。你看到的无规性是被暴胀预

    言过的，它们意味着宇宙的某些区域的密度略高于其他区域。额外密度

    的引力吸引减缓了该区域的膨胀，并最终导致它坍缩形成星系和恒星。

    所以仔细看看微波天穹图，它是宇宙中所有结构的蓝图。我们是极早期

    宇宙中量子涨落的产物。上帝确实是在掷骰子。

    今天我们拥有普朗克卫星，它超越了WMAP，能获得具有高得多的

    分辨率的宇宙天图。普朗克正在认真测试我们的理论，甚至可能检测由

    暴胀预言的引力波的印记。这将是量子引力在整个天穹画出的印记。

    有可能存在其他宇宙。M理论预言，从无到有创生了许多宇宙，它

    们对应于许多不同的可能历史。随着其年龄增长到现在直至未来，每个宇宙都有许多可能的历史及许多可能的状态。这些状态的大多数都非常

    不同于我们观察到的这个宇宙。

    我们仍然希望在日内瓦CERN的大型强子对撞机，即LHC粒子加速

    器上看到验证M理论的第一个证据。从M理论的角度，它只探测低能

    量，但是我们可能有运气看到基本理论的一个较弱的信号，诸如超对

    称。我认为，发现已知粒子的超对称伙伴会彻底变革我们对宇宙的理

    解。

    2012年，日内瓦CERN的LHC宣布发现希格斯粒子。这是21世纪首

    次发现的一个新的基本粒子。LHC还有一些希望发现超对称性。但即使

    是LHC没有发现任何新的基本粒子，在目前正在计划的下一代加速器中

    仍可能发现超对称性。

    宇宙本身在热大爆炸中的开端是测试M理论，以及时空和物质构件

    的思想的终极高能实验室。不同的理论在当前的宇宙结构中留下了不同

    的指纹，因此天体物理数据可以为我们提供统一所有自然力的线索。所

    以也很可能还存在其他宇宙，但不幸的是我们永远无法探索它们。

    我们已经看到了宇宙起源的一些东西，但这留下了两个大问题：宇

    宙会结束吗？宇宙是独一无二的吗？

    那么宇宙中最可能的历史将会有什么样的未来行为？似乎存在各式

    各样与智慧生命的出现相容的可能性。它们取决于宇宙中的物质数量。

    如果超过一定的临界量，星系之间的引力将减缓膨胀。

    最终他们将开始相互吸引，并将在一次大挤压中聚集在一起。这将

    是宇宙历史在实时间中的终结。当我在远东时，我被要求不要提到大挤

    压，因为它可能会动摇市场信心。但市场还是崩溃了，也许这故事不知

    怎么搞的还是被泄露出去。在英国，人们似乎不太担心20亿年后可能的末日。在那之前，你仍然可以大吃大喝，并寻欢作乐。

    如果宇宙的密度低于临界值，则引力太弱，不足以阻止星系永远飞

    离。所有的恒星都会燃尽，而且宇宙将变得越来越虚空，越来越寒冷。

    所以，万物又要终结，不过是以一种不太戏剧化的方式终结而已，我们

    仍然还有几十亿年的时间可过。

    在这个回答中，我试图解释一些有关我们宇宙的起源、未来和本性

    的事情。过去的宇宙是小而密集的，所以它就很像我开始说的果壳那

    样。然而这个果壳编码了在实时间里发生的一切。所以哈姆雷特是完全

    正确的。我们可以被束缚在果壳之中，但把我们自己视为无限空间之

    王。●

    大爆炸之前发生了什么？

    “根据无边界设想，询问大爆炸之前发生什么毫无意义

    ——就像问南极之南是什么一样——因为没有时间概念可供参

    照。时间的概念只存在于我们的宇宙中。”3 Is there other intelligentlife in the universe？

    宇宙中存在其他智慧生命吗？

    我想稍微推测一下宇宙中生命的发展，特别是智慧生命的发展。我

    将把人类也包括在此，尽管人类在整个历史中的很多行为都是相当愚蠢

    的，并未顾及其他物种的存活。我将要讨论的两个问题是，“宇宙中其

    他地方存在生命的概率是多少？”“生命在未来可能会如何发展？”

    随着时间的推移，事情变得更加混乱和混沌，这是大家共同的经

    验。这种观测甚至有其自己的定律，即所谓的热力学第二定律。这个定

    律是说，宇宙中的无序或熵的总量总是随着时间的推移而增加。不过，定律仅指无序总量。一个物体的秩序可以增加，只要其周围的无序量增

    加得更多即可。

    这就是在生物中发生的事情。我们可以将生命定义为一个有序的系

    统，该系统可以维持其对抗无序的倾向，并能复制自身。也就是说，它

    可以造出类似但独立的有序系统。要完成这些，系统必须把某种有序形

    式的能量，例如食物、阳光或电力转变成热的形式的无序的能量。以这

    种方式，系统就可以在满足总的无序量增加的要求的同时，它自身和它

    的后代有序量增加。这听起来就像住在房子里的父母每添一个新生儿，他们的住房就变得越来越混乱。

    像你我这样的生命通常有两个要素：一组告诉系统如何继续进展和

    如何复制自己的指令，一种执行这些指令的机制。在生物学中，这两部

    分被称为基因和新陈代谢。但值得强调的是，它们根本不必和生物有

    关。例如，电脑病毒就是一个程序，它会在电脑记忆体中复制自己，并

    将自己转移到其他的电脑里。因此，它符合我所给出的生命系统的定义。像生物病毒一样，它是一种相当退化的形式，因为它只包含指令或

    基因，并没有任何自身的新陈代谢。相反，它为主电脑或细胞的代谢重

    新编程。有些人质疑病毒是否应该算作生命，因为它们是寄生虫，不能

    独立于寄主而存在。但是，包括我们自己在内的大多数生命形式都是寄

    生虫，因为他们食用并依赖其他生命形式而存活。我认为电脑病毒应该

    算作生命。也许这揭示了人性的某些阴暗，到目前为止，我们创造的唯

    一生命形式纯粹是破坏性的。你瞧，这就是按照我们自己的形象创造的

    生命。稍后我将回到电子生命形式。

    我们通常认为的“生命”是基于碳原子链，还有一些其他原子，如氮

    或磷。人们可以推测，可能存在一些基于其他化学主要成分的生命，例

    如硅，但碳似乎是最有利的情况，因为它的化学最丰富多彩。碳原子得

    以存在并具有它的那些特性，需要对物理常数进行微调才可能，例如

    QCD标度、电荷甚至空间维数。如果这些常数具有显著不同的值，要么

    碳原子的核不稳定，要么电子将坍缩到核上去。乍一看，宇宙如此精细

    的调准似乎非同寻常。也许这就是宇宙被专门设计来产生人类的证据。

    然而，由于人存原理，即我们关于宇宙的理论必须与我们自身的存在相

    协调的思想，对于这种论证，我们必须小心。这是基于不言而喻的真

    理，要是宇宙不适合生命的话，我们就不会在问为什么它这么精细地调

    准。人们可以使用强或弱版本的人存原理。对于强人存原理，人们认为

    存在许多不同的宇宙，每个宇宙物理常数都有不同的值。其中少数宇

    宙，物理常数的值会允许像碳原子这样的东西存在，它可以作为生命系

    统的基石。既然我们必须生活在其中的一个宇宙中，我们就不应对物理

    常数被精细地调准感到惊讶。如果它们没被调准，我们就不会在这里。

    而对于所有那些其他宇宙，人们可以赋予什么样的操作意义？因此强人

    存原理并不令人十分满意。而且如果它们与我们自己的宇宙是分开的，发生在它们中的事情怎么可能影响我们的宇宙？相反的，我会采用所谓

    弱人存原理。也就是说，我将采用给定的物理常数的值。不过我会看

    到，从处于宇宙历史的现阶段在这颗行星上存在生命的事实可以得出什么结论。

    宇宙在大约138亿年前的大爆炸启始时，不存在碳。因为太热了，所有的物质都处于被称为质子和中子的粒子的形式。最初会存在相同数

    量的质子和中子。然而，随着宇宙的膨胀，它冷却下来了。大爆炸后大

    约1分钟，温度会下降到大约10亿度，大约是太阳温度的100倍。在这个

    温度下，中子开始衰变成更多的质子。

    如果这就是发生过的一切，那么宇宙中的所有物质最终都会成为最

    简单的元素氢，其核由一个质子组成。然而，一些中子与质子碰撞并粘

    在一起，形成下一个最简单的元素氦，其核由两个质子和两个中子组

    成。但是在早期宇宙中不会形成更重的元素，如碳或氧。很难想象可以

    只用氢和氦建立一个生命系统。无论如何，早期的宇宙仍然实在太热，原子无法结合成分子。

    宇宙继续膨胀和冷却。但是有些区域的密度略高于其他区域，这些

    区域的多余物质的引力减缓并最终阻止了膨胀。在大爆炸后大约20亿年

    后开始，这些区域反而坍缩形成了星系和恒星。一些早期的恒星质量会

    比我们的太阳更大，会比太阳更热，并把最初的氢和氦燃烧成为较重的

    元素，如碳、氧和铁。这可能只需几亿年。此后，一些恒星作为超新星

    爆炸，把重元素散落回太空，变成后代恒星的原料。

    其他恒星离我们太远，我们无法直接看到是否有行星围绕其运行。

    然而，有两种技术可以让我们发现围绕其他恒星的行星。第一种是观测

    恒星，看来自它的光量是否恒定。如果一颗行星在恒星前面运动，那么

    来自恒星的光线会被略微遮盖。恒星会变得稍微有点暗淡。如果这种情

    况有规律地发生，那就是因为行星轨道将行星反复地带到恒星前面。第

    二种方法是准确测量恒星的位置。如果一颗行星围绕着其运行，它就会

    导致恒星的位置产生微小的摆动，这可以被观察到。如果是有规则的摆

    动，我们就可以推断这是行星围绕恒星运行引起的。从大约20年前人们开始应用这些方法，到现在已发现了几千个围绕着遥远的恒星运行的行

    星。据估计，每5颗恒星中就有1颗类似地球的行星围绕着它公转，而且

    它离恒星的距离可以让我们所知的生命存活。我们自己的太阳系是由被

    早期恒星残骸沾染过的气体形成的，形成于大约45亿年前，或大爆炸后

    90余亿年的时候。地球主要由比较重的元素构成，包括碳和氧。不知何

    故，其中有些原子排列成了DNA分子的形式。这就是著名的双螺旋形

    式，是弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森于20世纪50年代在位于剑桥新博

    物馆遗址的一间小屋里发现的。核酸的碱基对把螺旋的两条链连在一

    起。核酸有四种，其碱基分别是腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。

    一条链上的腺嘌呤总是与另一条链上的胸腺嘧啶配对，而鸟嘌呤则与胞

    嘧啶配对。因此，一条链上的核酸序列就决定了另一条链上的序列是独

    特并与之互补的。这两条链可以分开，每条链充当模板以合成新的互补

    链。DNA分子因此得以复制其核酸序列中编码的遗传信息。序列的某些

    片断也可以用于制造蛋白质或其他化学分子；这些分子能够执行编码在

    序列中的指令，并组织原料供DNA以自我复制。

    如前所述，我们并不知道DNA分子最早是如何产生的。因为DNA

    分子由随机起伏而产生的机会非常小，有的人认为生命是从其他地方来

    到地球的，例如，在行星仍然不稳定的时候，被脱离火星的石块带到这

    里来；而且银河系中有生命的种子四处飘浮。然而，DNA似乎不太可能

    在太空辐射中长时间存活。

    既然生命很难在任何星球上出现，我们会假设它需要很长时间形

    成。更准确地说，我们会假设生命姗姗来迟，但会在太阳膨胀起来并吞

    没地球之前，给它留出足够的时间，以进化到类似我们一样的智能生

    物。可能发生这种情况的时间窗口是太阳的生命周期：大约100亿年。

    可以想象，在此期间，某种智慧生命形式已能掌握太空飞行技术，并能

    逃到另一颗恒星去。如果无路可逃，那地球上的生命将注定灭绝。有化石证据表明，大约35亿年前，地球上已经存在某种形式的生

    命。这也许是在地球变得稳定和足够冷却、使生命得以发展最简单形式

    之后的短暂的5亿年。但生命本可以在漫长的70亿年岁月中的任何时候

    在宇宙中发展最简单形式，并仍有足够时间进化出像我们一样的，能够

    询问生命起源的生物。如果在一个给定行星上产生生命的概率非常小，为什么它只花了大约十四分之一的可用时间，就在地球上出现了呢？

    地球上生命出现这么早，说明在适当的条件下，自发产生生命的机

    会并不小。也许DNA是由更简单的生命形式合成的。而DNA一旦出

    现，就非常成功，以至于完全取代了早期的形式。我们不知道这些早期

    的形式是什么样的，但一种可能性是RNA。

    RNA很像DNA，但简单多了，也没有双螺旋结构。短片断的RNA

    可以像DNA一样自我复制，最终还可能会合成DNA。我们尚不能在实

    验室中用非生物材料合成核酸，更不用说RNA了。但是，给予5亿年的

    时间，在覆盖了大部分地球的海洋之中，也许存在偶然合成出RNA的合

    理概率。

    DNA自我复制时，会出现随机错误。其中很多都是有害的，因而被

    淘汰了；有些是中性的，这些不影响基因的功能；而一些错误会有利于

    物种的生存，这些就会被达尔文提出的自然选择法则保留下来。

    生物进化过程起初非常缓慢。最早的细胞进化成多细胞生物大约花

    了25亿年。但接下来不到10亿年的时间内，有的就进化成了鱼类；随

    后，有的鱼类又进化成哺乳动物。再往后，进化似乎更快了。从早期的

    哺乳动物进化到我们人类，只花了大约1亿年。个中原因是早期的哺乳

    动物已经具有了我们基本器官的初级版本。从早期的哺乳动物进化到人

    类只需要一点点微调。

    但随着人类进化达到一个关键阶段，其重要性与DNA的产生相当。这就是语言的发生，尤其是书面语言的出现。它意味着，除了DNA的基

    因传递之外，信息也可以代代相传。在有记载的1万年的历史之中，由

    生物进化导致的人类DNA变化有些是可以检测到的，但代代相传的知识

    量增长巨大。我写过几本书，给你们介绍我在漫长的科学生涯中所掌握

    的关于宇宙的知识。这样做的过程中，就把知识从我的大脑里转到了书

    上，这样你就可以阅读。

    人类的卵子或精子中的DNA含有大约30亿个核酸碱基对。但是，这

    个序列中编码的很多信息似乎是冗余或不活动的。因此，我们基因中有

    用信息的总量可能大约是1亿比特。1比特信息是对是否问题的答案。

    相比之下，平装小说可能包含200万比特的信息。因此，一个人大约相

    当于50本《哈利波特》，一个国家图书馆可收藏大约500万本书，或大

    约10万亿比特。书籍或互联网上传递的信息量是DNA中的10万倍。

    更重要的是，书籍中的信息可以更快地更改和更新。我们用了几百

    万年的时间，从不太先进的早期猿类进化而来。在那段时间里，我们

    DNA中的有用信息可能只改变了几百万比特，因此人类生物进化的速度

    大约是每年1比特。相比之下，每年约有50 000种以英文出版的新书，它们包含1 000亿比特数量级的信息。当然，这些信息的绝大多数都是

    垃圾，对任何形式的生命都没用。但是，即便如此，有用信息的增加速

    度仍然是数百万，如果到不了数十亿，也远高于DNA。

    这意味着，我们已经进入了一个新的进化阶段。起初，进化是通过

    自然选择进行的——来自随机突变。这个达尔文阶段持续了大约35亿年

    并产生了我们，即发展语言来交换信息的人。但在过去的1万年左右，我们处于所谓的外部传输阶段。在此阶段，虽然在DNA中传递到后代的

    内部记录的信息有些变化，但与此相比，在书籍和其他持久的存储形式

    中的外部记录却已经极大增加。

    有些人会把“进化”这个术语仅用于内部传播的遗传物质，反对将其应用于在外部传递的信息。但我认为这种观点过于狭隘。我们不仅仅是

    我们自身的基因。我们可能不比我们的穴居人祖先更强大或者天性上更

    聪明。但是与他们的不同之处在于我们在过去1万年，特别是过去300年

    积累的知识。我想采取更开阔的观点，将外部传播的信息和DNA一起包

    括在人类的进化内是合理的。

    外部传播进化期间的时间尺度就是信息积累的时间尺度。这曾经是

    数百甚至数千年。但是现在这个时间尺度缩小到大约50年或更短。另一

    方面，我们处理这些信息的大脑只以数十万年的达尔文的时间尺度来演

    化。这开始引起问题。在18世纪，据说有人读过每一本著作。但是现

    在，如果你每天读一本书，你会花几万年才能读遍一座国家图书馆的藏

    书。到了那个时候，又有更多的书已经写好了。

    这意味着个人最多只能掌握人类知识的一小部分。人们必须专注于

    越来越狭窄的领域。这可能是未来的一个主要的限制。我们肯定不能长

    久地保持过去300年里知识的指数增长率。对后代的更大的限制和危险

    在于我们仍然拥有本能，特别是我们在穴居人时代就有的好斗的冲动。

    直至现在，侵略者征服或杀害其他男人，并掠夺他们的女人和食物，这

    种侵略方式明显具有生存优势。但现在它可以摧毁整个人类和地球上其

    余的大部分生命。核战争仍然是最急迫的危险，但还有其他一些危险，例如基因工程病毒的释放，或者温室效应变得不稳定。

    我们来不及等待达尔文进化论把我们变得更聪明、更善良。而我们

    现在正进入一个可称为自我设计进化的新阶段，在这个阶段，我们将能

    够改变和改善我们的DNA。我们现在已经绘制了DNA，这意味着我们

    已经阅读了“生命之书”，所以我们可以开始改写更正。起初，这些改变

    将局限于遗传缺陷的修复——像囊性纤维化和肌营养不良症是由单个基

    因控制的，因此相当容易识别和纠正。其他品质如智力，可能受到大量

    基因的控制，要找到它们并找出它们之间的关系，就会困难得多。尽管如此，我相信在21世纪，人们会发现如何改善智慧和诸如好斗的本能。

    反对人类基因工程的法律可能会被通过。但是有些人无法抵抗改善

    人类特征的诱惑，例如记忆力、抗病能力和生命长度。一旦这样的超人

    出现，未经改善的人类将面临重大的政治问题，他们将无法赢得竞争。

    想象得到，他们会死绝，或被边缘化。相反的，将会出现一群自我设计

    的生物，他们正以不断增长的速度完善自己。

    如果人类设法重新设计自己，减少或消除自我毁灭的风险，它可能

    会散布到其他行星和恒星上去，并在那里殖民。但是，对于化学基础的

    生命形式，比如像我们这样的基于DNA的，长途太空旅行将很困难。这

    些生命的自然寿命与旅行时间相比太短。根据相对论，没有什么能比光

    旅行得更快，所以从我们到最近的恒星的往返旅程将至少需要8年，而

    到银河系的中心则大约需要5万年。在科幻小说中，他们通过空间弯

    曲，或通过额外的维度来克服这个困难。但我认为这些都是永远不可能

    的，无论生命变得多么智慧。在相对论中，如果一个人可以比光旅行得

    更快，那么他也可以旅行回到过去，这会导致人们回到并改变过去的问

    题。人们还会预料已经看到大量来自未来的游客，他们好奇地瞧着我们

    古怪过时的生活方式。

    我们也许可能使用基因工程使以DNA为基础的生命无限延长，或者

    至少存活10万年。但是，发送机器将是更容易的，这几乎已在我们的能

    力范围内。可以把机器设计得持续足够久直至完成星际旅行。当它们到

    达一颗新的恒星时，它们可以降落在合适的行星上并挖掘材料制造更多

    的机器，后者可以被发送到更多的恒星上。这些机器将是生命的一种新

    形式，它们是基于机械和电子元件而不是大分子。它们最终可以取代基

    于DNA的生命，就像DNA可能已经取代了早期的生命形式一样。●

    当我们探索银河系时，我们遇到一种外星生命形式的机会是多少？

    如果关于地球上生命出现的时间尺度的论证是正确的，那么应该存在许

    多其他恒星，其行星上拥有生命。其中一些恒星系统可能在地球之前50

    亿年就形成了。那么为什么银河系没有爬满着自我设计的机械或生物的

    生命形式？为什么地球没被它们访问甚至被殖民过？顺便说一句，我不

    太相信不明飞行物携带来自外太空生物的说法，因为我认为外星人的任

    何访问都会更加明显得多——而且可能也更不愉快得多。

    那么为什么我们没被访问过？也许生命自动发生的概率就是如此之

    低，以至地球是银河系中或者在可观察的宇宙中唯一出现生命的行星。

    另一种可能性是存在合理概率形成自我复制系统，比如细胞，但大多数

    这些生命形式并没有演化出智慧。我们过去认为智慧生命是进化的不可

    避免的后果，但如果它并非如此又怎么办？人存原理应警告我们要警惕

    这些论点。进化更可能是一个随机过程，智慧只是众多可能的结果之

    一。

    甚至智慧是否具有任何长期生存价值，这一点尚不清楚。如果地球

    上的所有其他生命都被我们消灭，细菌和其他单细胞生物可能继续存

    在。从演化的年表来看，也许地球上的生命不太可能进化出智慧，因为

    从单细胞到多细胞生物，它花了很长时间——25亿年，而多细胞生物是

    智慧的必要前提。这是太阳爆炸之前可用总时间的很大一部分，所以它

    与生命进化出智慧的概率很低的假设相符。在这种情况下，我们可能会

    在银河系中发现许多其他生命形式，但我们不太可能找到智慧生命。

    另外，如果小行星或彗星与这个星球相撞，这是生命不能发展到智

    慧阶段的另一种可能原因。1994年，我们观察到了肖梅克·利维彗星与木星的碰撞。它产生了一系列巨大的火球。有人认为，大约6 600万年

    前一个小得多的天体与地球的碰撞，造成恐龙的灭绝。一些小的早期哺

    乳动物幸存下来，但任何像人类一样大的东西几乎肯定会被消灭。很难

    说这种碰撞发生的频率，但平均每两千万年可能是一个合理的猜测。如

    果这个数字是正确的，那就意味着地球上智慧生命的发展只是因为在过

    去的6 600万年中地球没有发生重大碰撞。银河系中的其他行星发展的

    生命可能没有足够长的无碰撞时期来进化成智慧生物。

    第三种可能性是存在生命形成并演化为智慧生命的合理概率，但系

    统变得不稳定，智慧生命自我毁灭。这将是一个非常悲观的结论，我非

    常希望它不是真的。

    我更喜欢第四种可能性：外太空还有其他形式的智慧生命，但我们

    却被忽视了。2015年，我参与了突破聆听计划的启动。突破聆听使用射

    电观测来寻找智慧的外星生命，并拥有最先进的设施、慷慨的资金和数

    千小时的专用射电望远镜时间。它是有史以来旨在寻找地球以外文明证

    据的规模最大的科学研究计划。突破性信息是一个国际竞争，旨在创造

    可让先进文明阅读的信息。但我们需要警惕，直到我们进一步发展之

    前，不要回答外星生命。在我们现阶段，遭遇更先进的文明，可能有点

    像美洲原住民遭遇哥伦布一样——我想他们认为他们的生活因之变得更

    糟。●

    如果智慧生命存在于地球以外的其他地方，它会与我们所知道的形式相似，还是不同？

    “地球上存在智慧生命吗？不过说认真的，如果其他地方

    有智慧生命，那么它必须在非常遥远之处，否则此前它就应访

    问过地球。我想如果我们被访问过，我们就已经知道了，这就

    像那部电影《独立日》。”4 Can we predict the future？

    我们能预测未来吗？

    在古代，世界似乎非常任性。诸如洪水、瘟疫、地震或火山等灾害

    似乎总在没有任何警告或明显原因的情况下发生。原始人将这种自然现

    象归咎于众神，他们的行为既反复无常，又异想天开。没有办法预测他

    们会做什么，唯一的希望是通过礼物或行动赢得其青睐。当今许多人仍

    然部分赞同这一信念，并尝试与幸运缔结契约。如果他们的课程可以获

    得A等或通过他们的驾驶考试，他们就愿意改善行为或更好心。

    然而，人们一定渐渐地注意到自然行为的某些规律性。这些规律在

    天体穿越天穹的运动中最为明显。所以天文学是第一门被发展的科学。

    300多年前，正是牛顿给予它坚实的数学基础，而我们仍然使用他的引

    力理论预测几乎所有的天体运动。跟随天文学的例子，人们发现其他自

    然现象也遵守明确的科学定律。这就导致了科学决定论的思想，这个思

    想似乎首先是由法国科学家皮埃尔-西蒙·拉普拉斯公开表达的。我想为

    你引用拉普拉斯的原话，可惜拉普拉斯就像普鲁斯特一样，爱写冗长和

    复杂的句子。所以我决定改述。实际上，他所说的是，如果我们知道宇

    宙中的所有粒子在某一时刻的位置和速度，那么我们就能够计算出它们

    在过去或将来任何其他时刻的行为。有一个可能是杜撰的故事说，当拿

    破仑问拉普拉斯如何将上帝纳入这个系统时，他回答说：“阁下，我不

    需要那个假设。”我不认为拉普拉斯声称上帝不存在。只是上帝没有介

    入打破科学规律。那应该是每个科学家的立场。如果科学定律只在某位

    超自然存在决定让事物自身运行而不介入时才成立，那么科学定律就不

    成其为科学定律。

    拉普拉斯时代以来，宇宙在一个时刻的状态确定其他所有时间的状态的思想一直是科学的中心信条。这意味着我们至少在原则上可以预测

    未来。然而，在实践中，我们预测未来的能力受限于方程的复杂性以及

    它们通常具有称为混沌的属性这一事实。正如那些看过《侏罗纪公园》

    的人都知道，这意味着一个地方的微小干扰会导致另一个地方发生重大

    变化。一只蝴蝶在澳大利亚扇动翅膀会导致在纽约中央公园的大雨。麻

    烦的是，它不可重复。下一次蝴蝶拍翅膀时，其他很多东西会有所不

    同，也会影响天气。这种混沌因素是天气预报如此不可靠的原因。

    尽管存在这些实际困难，科学决定论仍然是整个19世纪的正式教

    条。然而，在20世纪，有两项发展表明拉普拉斯对未来的完整预言的观

    点无法实现。其中第一项发展是所谓的量子力学。这是为了解决一个突

    出的悖论，由德国物理学家马克斯·普朗克于1900年提出的一个临时假

    设。根据可追溯到19世纪拉普拉斯时代的经典思想，一个热的物体，例

    如一块炽热的金属，应该发出辐射。它会在射电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线中都以相同的速率失去能量。这不仅意味着

    我们都会死于皮肤癌，而且宇宙中的一切都将处于相同的温度，显然事

    实并非如此。

    然而，普朗克证明，如果放弃辐射量可取任何值的想法，而是说辐

    射仅以特定大小的波包或量子出现，就可以避免这场灾难。这有点像说

    你不能从超市买到散装的糖，它必须是每千克的袋装糖。紫外线和X射

    线的波包或量子中的能量比红外线或可见光的要高。它的意思是，除非

    物体非常热，如太阳，它甚至没有足够的能量发出紫外线或X射线的单

    独量子。这就是为什么我们不会被一杯咖啡灼伤。

    普朗克认为量子的概念只是一种数学技巧，而不具有任何物理现

    实，无论这意味着什么。然而，物理学家们开始去找只能用某种量解释

    的其他行为——这种量的值是离散或量子化而非连续变化的。例如，人

    们发现基本粒子的行为和小陀螺相当像，它围绕一个轴旋转。但是其旋转量不能取任意值。它必须是一个基本单位的某个倍数。因为这个单位

    非常小，人们没注意到，正常的陀螺真的以快速的离散步骤的序列，而

    不是以一个连续的过程减慢速度。但是，对于小到像原子那样的陀螺，自旋的离散性质非常重要。

    过了一段时间，人们才意识到这种量子行为对决定论的影响。直到

    1927年，另一位德国物理学家沃纳·海森伯才指出，你无法同时准确地

    测量粒子的位置和速度。要看到粒子的位置，人们就必须把光线照射在

    它上面。但是根据普朗克的研究，人们不能使用任意少量的光。一个人

    必须使用至少一个量子。这将扰乱粒子并以不可预测的方式改变其速

    度。要准确测量粒子的位置，你必须使用短波长的光，如紫外线、X射

    线或伽马射线。但是，还是根据普朗克的研究，这些形式的光的量子比

    可见光的能量更高。因此它们会更多地扰乱粒子的速度。这是一个绝望

    的情况：你越准确地测量粒子的位置，你就越不能准确地知道速度，反

    之亦然。这被概括为海森伯制定的不确定性原理：粒子位置的不确定性

    与速度的不确定性的乘积，总是大于普朗克常数与2倍粒子质量的商。

    拉普拉斯科学决定论的观点涉及知道粒子于某一瞬间在宇宙中的位

    置和速度。所以它被海森伯不确定性原理严重破坏。当一个人不能同时

    准确测量粒子此刻的位置和速度时，怎么能预测未来？不管你有一台多

    么强大的电脑，如果你把糟糕的数据输入，你就会得到糟糕的预测。

    对于自然中的这个显然的随机性，爱因斯坦非常不快。他那著名

    的“上帝不掷骰子”反映了他的观点。他似乎认为不确定性只是暂时的，而且存在一个潜在的现实，其中粒子会有明确定义的位置和速度，根据

    拉普拉斯本意的确定性定律演化。上帝可能知道这个现实，但光的量子

    性质会阻止我们看到它，充其量也只能用不允许我们看到其细节的工具

    去观测。

    爱因斯坦的观点现在被称为隐变量理论。隐变量理论可能是把不确定性原理融入物理学的最明显的方式。它们构成了许多科学家和几乎所

    有的科学哲学家持有的宇宙心理图像的基础。但这些隐变量理论是错误

    的。英国物理学家约翰·贝尔设计了一个实验检测，可以证伪隐变量理

    论。当人们小心翼翼地完成了该实验，发现结果与隐变量不一致。因

    此，似乎连上帝也受到不确定性原理的约束，无法同时知道粒子的位置

    和速度。所有的证据都表明上帝是一个上瘾的赌徒，他会在每一个可能

    的场合投掷骰子。

    其他科学家比爱因斯坦更愿意修正19世纪经典决定论的观点。海森

    伯、奥地利的埃尔温·薛定谔和英国物理学家保罗·狄拉克提出了一种新

    的理论——量子力学。狄拉克的剑桥大学卢卡斯教席只在我的前任之

    前。虽然量子力学已经存在了将近70年，但它仍然没有得到普遍理解或

    欣赏，即使是那些使用它进行计算的人也如此。然而它应和我们所有的

    人都有关，因为它完全不同于物理宇宙和现实本身的经典图景。在量子

    力学中，粒子不具有明确的位置和速度。相反的，它们由所谓的波函数

    表示。这是在空间的每一点的一个数。波函数的大小给出了在该位置找

    到粒子的概率。波函数从点到点的变化率给出了粒子的速度。人们可以

    拥有在一个小区域取极大峰值的波函数。这将意味着在此位置不确定性

    很小。但是波函数在靠近峰顶会变化很大，一边向上，另一边向下。因

    此，速度的不确定性将很大。同样，人们可以拥有波函数，其速度的不

    确定性很小，但位置的不确定性很大。

    波函数包含人们能够知道的关于粒子的一切，包括其位置和速度。

    如果你知道某一时刻的波函数，那么根据所谓的薛定谔方程就知道它在

    其他时刻的值。因此，人们仍然拥有一种决定论，但它不是拉普拉斯设

    想的那种。我们可以预测的全部只是波函数，而不能够预测粒子的位置

    和速度。这意味着，我们只能预测到根据19世纪的经典观点预测的一

    半。当我们试图预测位置和速度时，虽然量子力学导致了不确定性，它

    仍然允许我们确切地预测位置和速度的一种组合。但是，即使是这个程

    度的确定性似乎还受到更新近的科学发展的威胁。问题的出现是因为引

    力可以把时空弯曲到某种程度，以至存在我们观察不到的空间区域。

    这些区域是黑洞的内部。这意味着即使在原则上我们也不能观察到

    黑洞内的粒子。所以我们根本无法测量它们的位置或速度。那么就存在

    这是否会引入比在量子力学中发现的更进一步的不可预测性的问题。

    总结一下，拉普拉斯提出的经典观点，如果人们知道某一时刻粒子

    的位置和速度，那么它的未来运动是完全确定的。当海森伯提出了他的

    不确定性原理之后，这种观点必须加以修改。该原理说，人们无法同时

    准确知道位置和速度。然而，仍有可能预测一个位置和速度的结合。但

    是如果考虑到黑洞，甚至这种有限的可预测性也可能消失。●

    制约宇宙的定律是否允许我们准确地预测到将

    来会有什么发生在我们身上？

    “简短的回答既是否定的，也是肯定的。在原则上，定律

    允许我们预测未来。但在实践中，通常计算都太难了。”5 What is inside a black hole？

    黑洞中是什么？

    据说事实有时候比小说更奇怪，而且找不到比黑洞的情况更能真实

    地体现这一点的了。黑洞比科幻作家梦想的任何东西都更奇怪，但它们

    是坚实的科学事实。

    1783年，剑桥人约翰·米歇尔首次讨论了黑洞。他的论证如下：如

    果一个人垂直向上发射一个粒子，诸如一个炮弹，它会由于引力而减

    速。最终，粒子将停止向上运动，并将回落。然而，如果最初的向上速

    度大于某个临界值(称为逃逸速度)，则引力永远不会强到足以阻止粒

    子，它就会逃脱。地球的逃逸速度仅稍大于每秒11千米，而太阳的逃逸

    速度约为每秒617千米。两者都是远远高于真正的炮弹的速度。但它们

    与光速相比又较低，光速是每秒30万千米。因此光可以轻而易举地离开

    地球或太阳。然而，米歇尔认为可能存在质量比太阳大得多的恒星，其

    逃逸速度比光速还大。我们将无法看到它们，因为它们发出的任何光都

    会被引力拖曳回来。因此它们被米歇尔称为暗星，而我们现在称之为黑

    洞。

    为了理解它们，我们需要从引力开始。爱因斯坦的广义相对论描述

    了引力，这是一个空间和时间的，也是引力的理论。空间和时间的行为

    受制于一组称为爱因斯坦方程的方程，那是爱因斯坦于1915年提出的。

    虽然引力是迄今为止已知的自然力中最弱的，但它有两个比其他力更关

    键的优势。首先，它的作用是长程的。太阳距离我们9 300万英里，它

    将地球保持在轨道上，而太阳被保持在围绕银河系中心的轨道上，该中

    心大约在10 000光年远。第二个优势是引力总是吸引的，不像电力，它

    可以吸引，也可以排斥。这两个特征意味着，对于一个足够大的恒星，粒子之间的引力可以支配所有其他的力，并导致引力崩溃。尽管存在这

    些事实，科学界仍然未能很快地意识到大质量的恒星可能会在自己的引

    力作用下往自身坍缩，并弄清楚留下的天体会如何行为。阿尔伯特·爱

    因斯坦在1939年甚至写了一篇论文，声称恒星在引力作用下不能坍缩，因为物质不能被压缩超过某种程度。许多科学家分享了爱因斯坦的直

    觉。美国科学家约翰·惠勒是主要的异见者，他在很多方面都是黑洞故

    事中的英雄。在他20世纪50年代和60年代的研究中，他强调许多恒星最

    终会坍缩，并探讨了这对理论物理学带来的问题。他还预见到坍缩恒星

    变成的天体——黑洞的许多属性。

    在一颗普通恒星超过数十亿年寿命的大部分时间中，它将依赖把氢

    转化为氦的核过程产生的热压来抵抗其自身的引力。然而，这颗恒星最

    终将耗尽其核燃料，恒星将收缩。在某些情况下，它可能成为白矮星，那是恒星核心的密集残余。然而，1930年，苏布拉马尼扬·钱德拉塞卡

    证明白矮星的最大质量约为太阳的1 .4倍。俄罗斯物理学家列夫·兰道计

    算出一个类似的最大质量，适用于完全由中子构成的恒星。

    那些质量大于白矮星或中子星最大质量的无数恒星，一旦耗尽了核

    燃料其命运将会如何？后来因原子弹成名的罗伯特·奥本海默研究了这

    个问题。1939年，他在和乔治·沃尔科夫与哈特兰·斯奈德合作的两篇论

    文中，证明了压力不可能支持这样的恒星。而如果人们忽视压力，均匀

    的球状对称的恒星就会收缩到一个无限密度的点。这样的点被称为奇

    点。我们所有的空间理论都是在基于时空是光滑的、几乎平坦的假设之

    上而表述的，所以它们在奇点处，即时空曲率无限处崩溃了。事实上，它标志着空间和时间本身的终结。这正是令爱因斯坦非常反感的东西。

    然后第二次世界大战爆发了。包括罗伯特·奥本海默在内的大多数

    科学家，改为关注核物理，而引力坍缩问题基本上被遗忘了。随着被称

    为类星体的遥远天体的发现，对这个论题的兴趣又复活了。第一个类星体3 C 273于1963年被发现，许多其他类星体也很快相继被发现了。尽管

    它们远离地球，它们仍然很明亮。因为核过程作为纯粹的能量只释放出

    它们静止质量的一小部分，所以这无法解释它们的能量输出问题。唯一

    的替代解释是引力坍缩释放的引力能量。

    恒星的引力坍缩被重新发现了。当发生这种情况时，物体的引力将

    其周围的所有物质向内吸引。很清楚，一个均匀的球状恒星将收缩到无

    限密度的一点，即奇点。但如果这颗恒星不是均匀的球状，将会发生什

    么呢？这种恒星物质的不对称分布是否会引起不均匀的坍缩，并避免出

    现奇点？在1965年的一篇引人注目的论文中，罗杰·彭罗斯证明，只要

    根据引力是吸引的这个事实，仍然会存在一个奇点。

    爱因斯坦方程不能在奇点处定义，这意味着在这一具有无限密度的

    点上，人们无法预测未来。这意味着，只要一颗恒星坍缩就会发生奇怪

    的事情。如果奇点不是赤裸的，也就是说，它们对外界屏蔽的话，我们

    就不会受到预测崩溃的影响。彭罗斯提出了宇宙监督猜想：由恒星或其

    他天体坍缩而形成的所有奇点都隐藏在黑洞内部而不被看到。黑洞是引

    力太强以至于光线无法逃逸的区域。宇宙监督猜想几乎肯定是正确的，因为许多证伪它的尝试都失败了。

    约翰·惠勒在1967年提出“黑洞”这个术语，它取代了早先的“冻星”这

    个名字。惠勒的新造词强调，坍缩恒星的残余本身就很有趣，和它如何

    形成无关。新名字很快就广为流行。

    从外面看，你不能知道黑洞里面是什么。无论你投入什么，或者无

    论它如何形成，黑洞看起来都是一样的。约翰·惠勒由于以“黑洞无

    毛”来表达这个原理而闻名于世。

    黑洞有一个被称为事件视界的边界。正是在这个地方，引力刚好强

    到足以将光线拖曳回来并防止它逃脱。因为没有东西可以旅行得比光快，所以其他一切也都会被拖曳回来。跌入事件视界有点儿像乘独木舟

    越过尼亚加拉大瀑布。如果你是在瀑布上方，要是你足够快速划桨离

    开，你可以逃脱落下的命运。但是一旦你越过边缘就会完蛋，根本无法

    返回。当你越来越接近瀑布时，水流就变得越来越急。这意味着，拉独

    木舟的前部的力比拉后部的力更强大，独木舟会有被拉断的危险。黑洞

    的情形也一样。如果你的脚首先跌入黑洞，引力拉你的脚比拉你的头更

    厉害，因为脚离黑洞更近。结果你的纵向被伸展，而横向被压扁。如果

    黑洞的质量是我们太阳的几倍大，在到达视界之前，你就会被撕裂，变

    成意大利面条。然而，如果你陷入了一个大得多的黑洞，其质量超过太

    阳的100万倍，那么作用到你整个身体的引力拉力将是相同的，你就会

    毫无困难地到达视界。所以，如果你想探索一个黑洞的内部，一定要选

    择一个大黑洞。在我们的银河系中心有一个黑洞，其质量约为太阳的

    400万倍。

    尽管当跌入黑洞时，你不会注意到任何特别的东西，但是从远处看

    你的人永远不会看到你越过事件视界。相反的，你似乎会放慢速度并在

    外面盘旋。你的形象会越来越暗淡，越来越红，直到你实际上从视线中

    消失。就外部世界而言，你将永远逝去。

    在我的女儿露西出生后不久，我有了一个尤里卡时刻。我发现了面

    积定理。如果广义相对论是正确的，并且物质的能量密度是正的，就像

    通常这种情况，那么事件视界，即黑洞的边界的表面积，具有当额外物

    质或辐射落入黑洞时总是增加的性质。此外，如果两个黑洞碰撞并合并

    成一个黑洞，则围绕被产生的黑洞的事件视界的面积大于围绕原先黑洞

    的事件视界的面积之和。面积定理可以通过激光干涉仪引力波天文台

    (LIGO)的实验测试。2015年9月14日，LIGO探测到来自两个黑洞的

    碰撞和合并的引力波。人们可以从波形估计黑洞的质量和角动量，并按

    照无毛定理确定视界面积。这些性质暗示，在黑洞事件视界的面积和传统的经典物理学，特别

    是热力学中熵的概念之间存在相似之处。熵可以被视为对一个系统的混

    乱的测度，或者相当于对其精确状态的缺乏了解的测度。著名的热力学

    第二定律说，熵总是随着时间的推移而增加。这个发现是这个关键联系

    的第一个提示。

    黑洞性质和热力学定律之间的类比可以被扩展。热力学第一定律

    说，一个系统的熵的微小变化伴随着该系统的能量的成比例变化。布兰

    登·卡特、吉姆·巴丁和我发现了一道类似的定律，它把黑洞质量的变化

    和视界面积的变化联系起来。这里的比例因子涉及一个被称为表面引力

    的量，它是在事件视界上的引力场强度的度量。如果人们接受事件视界

    的面积类似于熵，那么似乎表面引力类似于温度。事件视界上的所有点

    的表面引力都是相同的，这一事实使这个类似得到加强，正如处于热平

    衡的物体的温度处处相同一样。

    尽管熵与事件视界的面积之间存在清楚的相似性，但该面积如何被

    确认为黑洞本身的熵对我们并非显而易见。黑洞的熵意味着什么？雅各

    布·贝肯斯坦于1972年提出了关键的建议，当时他是普林斯顿大学的一

    名研究生。该建议是这样的：当黑洞通过引力产生坍塌时，它迅速安定

    到一种静止状态，这种状态由质量、角动量和电荷这三个参数来表征。

    这使得黑洞的最终状态似乎与坍缩的天体是由物质还是反物质组

    成，或者它是球状还是高度不规则形状无关。换句话说，给定质量、角

    动量和电荷的黑洞可由大量物质的不同配置中任何一个的坍缩而形成。

    这样看起来同样的黑洞可能是由大量的不同类型的恒星坍缩形成的。确

    实，如果忽略量子效应，由于黑洞本身可以由无限多的质量无限小的粒

    子云的坍缩形成，配置的数目将是无限的。但是，配置的数目真的可以

    是无限的吗？

    众所周知，量子力学涉及不确定性原理。它断言，人们不可能同时测量任何物体的位置和速度。如果有人精确地测量某物的位置，那么它

    的速度就是不确定的。如果有人测量某物的速度，那么它的位置就是不

    确定的。在实践中，这意味着无法对任何东西进行局域化。假设你想要

    测量某物的大小，那么你需要找出这个移动物体终端的位置。你永远不

    能准确地做到这一点，因为它将涉及测量该物在同一时刻的位置及速

    度。由此，则无法确定一个物体的尺寸。由于不确定性原理，你不可能

    准确地说出某物的大小真正是多少。其结论是，不确定性原理对物体大

    小施加了限制。经过些微计算后，人们发现，对于一个物体的给定质

    量，存在一个最小的尺度。对于重物而言，这个最小尺度很小，但是当

    看到越来越轻的物体时，最小尺度变得越来越大。这个最小尺度可被认

    为是在量子力学中物体可以同时被认为是波或粒子的这一事实的结果。

    物体越轻，其波长越长，因此更加分散。物体越重，其波长越短，因此

    看起来更紧凑。当这些思想与广义相对论相结合时，意味着只有比特定

    重量更重的物体才能形成黑洞。这个重量与一粒盐的重量大致相同。这

    些想法的进一步结果是，形成给定质量、角动量和电荷的黑洞的配置数

    目尽管可以非常大，但也还是有限的。雅各布·贝肯斯坦建议，从这个

    有限数目，人们可以解释黑洞的熵。这就是在创生黑洞的坍缩期间似乎

    无法挽回丧失的信息量的测度。

    贝肯斯坦建议显然的致命缺陷是，如果黑洞拥有与其事件视界的面

    积成比例的有限的熵，那么它也应该具有非零温度，该温度与其表面引

    力成比例。这意味着黑洞能与某一非零温度下的热辐射处于平衡。然而

    根据经典概念，不存在这样的平衡，因为黑洞会吸收落在它上面的任何

    热辐射，但根据定义不能够反过来发出任何东西。它不能发射任何东

    西，也不能发射热。

    这就产生了有关黑洞——由恒星坍缩创造的令人难以置信的密集天

    体——的性质的一个悖论。一种理论建议，具有相同性质的黑洞可以由

    无限数目的不同类型的恒星形成。另一个建议说，这个数字可能是有限的。这是一个信息论问题——宇宙中的每个粒子和每个力都包含信息的

    思想。

    因为正如科学家约翰·惠勒所说，黑洞无毛，除了它的质量、电荷

    和旋转，人们无法从外面说出黑洞内部是什么。这意味着，黑洞必须包

    含大量对外面世界隐藏的信息。但是能塞到一个空间区域的信息量有个

    极限。信息需要能量，而根据爱因斯坦著名的方程E=mc2，能量具有质

    量。所以，如果在一个空间区域存在太多信息，它将坍缩变成黑洞，而

    黑洞的大小会反映信息量的多少。这就像把越来越多的书籍堆进图书

    馆。最终，书架就会垮掉，图书馆就会坍缩成黑洞。

    如果隐藏在黑洞内的信息的数量取决于黑洞的大小，人们从一般原

    则能预期到黑洞会有一个温度，并会像一块热的金属一样发光，但那是

    不可能的，因为正如每个人都知道的那样，没有任何东西可以摆脱黑

    洞。至少那时候都是这么认为的。

    这个问题一直持续到1974年初，当时我正在根据量子力学来研究黑

    洞附近物质的行为。令我十分惊讶的是，我发现黑洞似乎以恒定的速度

    发射粒子。和当时的其他人一样，我接受了黑洞无法发出任何东西的定

    论。因此，我相当努力想摆脱这种令人尴尬的效应。但是我越深入思

    考，它越拒绝消失，最后我不得不接受它。最终让我确信这是一个真实

    的物理过程的原因是，向外飞离粒子的谱恰好是热的。我的计算预测，黑洞会产生并发射粒子和辐射，就好像它是一个普通的热体一样，其温

    度与表面引力成正比，与质量成反比。这使得雅各布·贝肯斯坦提出的

    那个有问题的建议，即黑洞拥有有限的熵，完全自洽，因为它暗示黑洞

    可以在某个非零的有限温度下处于热平衡状态。

    从那时起，其他许多人采用各种不同方法，证实了黑洞发出热辐射

    的数学证据。可以用以下的一种方法来理解黑洞发射。量子力学意味着

    整个空间充满了成对的虚的粒子和反粒子，这些粒子和反粒子不断成对出现、分离，然后再次聚集在一起，并相互湮灭。这些粒子被称为虚粒

    子，因为它们与真实粒子不同，所以不能直接用粒子探测器观察到。尽

    管如此，它们的间接影响仍然可以被测量到，而且已经由称为兰姆移位

    的小移动证实了它们的存在，兰姆移位是它们在来自受激氢原子的光的

    能谱中产生的。现在，在存在黑洞的情况下，一对虚粒子中的一个可能

    落入该黑洞中，而另一个失去了要与其相互湮灭的伙伴。被抛弃的粒子

    或反粒子可能在其伴侣之后也落入黑洞，但它也可能逃逸到无限远，在

    那里它就呈现为黑洞发出的辐射。

    另一种看待该过程的方法是将落入黑洞的该对粒子的一员，比如说

    反粒子，视为真正的正在时间中向后倒退的粒子。就这样反粒子落入黑

    洞可以算是作为从黑洞出来但正在时间中向后倒退的粒子。当该粒子到

    达其反粒子对原先出现的那一点时，它被引力场散射，这样它就在时间

    中前进。一个太阳质量的黑洞会以如此缓慢的速率泄漏粒子，其速率无

    法被检测到。然而，可能会存在更小的迷你黑洞，比如具有一座山的质

    量。这些可能已经在极早期宇宙中形成，如果那时宇宙是混沌和无规的

    话。山岳大小的黑洞会发射X射线和伽马射线，其功率约为1 000万兆

    瓦，足以为世界供电。然而，利用迷你黑洞并不容易。你无法将它保存

    在发电站中，因为它会穿过地板掉落并最终结束于地球的中心。如果我

    们有这样的黑洞，保持它的唯一方法是让它在围绕地球的轨道上运行。

    人们一直在寻找这种质量的迷你黑洞，但到目前为止还未找到。这

    太可惜了，因为，如果他们找到，我就会获得诺贝尔奖。然而，另一种

    可能性是我们可能在额外的时空维度上创造微小的黑洞。根据某些理

    论，我们所经历的宇宙只是十维或十一维空间中的四维面。电影《星际

    穿越》给出了一些有关这些思想的画面。我们看不到这些额外的维度，因为光不能通过它们传播，而只能通过我们宇宙的四个维度传播。然

    而，引力会影响额外的维度，并且比在我们的宇宙中强得多。这样在额

    外的维度上形成一个小黑洞可能会容易得多。有可能在瑞士CERN的LHC大型强子对撞机上观察到这一点。这包括一条27千米长的圆形隧

    道。两束粒子以相反的方向围绕该隧道行进并且被迫碰撞。一些碰撞可

    能会产生微黑洞。这些黑洞会以易于识别的模式辐射粒子。所以我终究

    可以获得诺贝尔奖[1]。

    当粒子从黑洞中逃逸出来时，黑洞将失去质量并收缩。这将增大粒

    子的发射速率。最终，黑洞将失去其所有质量并消失。那么落入黑洞的

    所有粒子和不幸的宇航员会发生什么呢？当黑洞消失时，它们不能就那

    么重新出现。从黑洞中出来的颗粒似乎是完全随机的，并且和落进去的

    是什么无关。关于落进东西的信息，除了总质量和旋转量外，似乎都丢

    失了。但如果信息丢失，这引发了一个直击我们理解科学的核心的严重

    问题。200多年来，我们一直相信科学决定论。也就是说，科学定律决

    定了宇宙的演化。

    如果信息真的丢失在黑洞中，我们就不能够预言未来。因为黑洞可

    以发射任何粒子集合，它可能放出一台正常工作的电视机或皮质精装版

    的莎士比亚的全集，尽管这种奇异发射的可能性非常低。它发出热辐射

    的可能性要大得多，正如炽热的金属发光。我们不能预言从黑洞会出来

    什么似乎无关紧要。我们附近毕竟没有任何黑洞。但这是一个原则问

    题。如果决定论，即宇宙的可预测性因黑洞而崩溃，它在其他情况下也

    可能崩溃。可能存在虚拟黑洞，它表现为偏离真空的涨落。虚拟黑洞吸

    收一组粒子，发射另一组粒子，并再次消失在真空中。甚至更糟糕的

    是，如果决定论崩溃，我们也就不能确定我们过去的历史。历史书籍和

    我们的记忆可能只是幻想。正是过去告诉我们，我们是谁。没有它，我

    们就失去了自己的本我。

    因此，确定信息是否确实在黑洞中丢失，或者在原则上是否可以恢

    复信息非常重要。许多科学家认为信息不应该丢失，但多年来没有人提

    出可以保持信息的机制。这种明显的信息丢失，被称为信息悖论，在过去的40年中一直困扰着科学家们，并且仍然是理论物理学中最大的未解

    决问题之一。

    最近，随着关于引力和量子力学统一的新发现，已重新唤起人们对

    信息悖论的可能解决方案的兴趣。这些新近突破的核心是理解时空的对

    称性。

    假设没有引力，而时空是完全平坦的。这就像一个完全没有特色的

    沙漠。这样的地方有两种对称。第一种称为平移对称性。如果你从沙漠

    中的一个点移动到另一个点，你就觉察不到任何变化。第二种是旋转对

    称性。如果你站在沙漠中的某个地方并开始转身，你再次觉察不到所见

    有何不同。这些对称性也是“平坦”时空，也就是在没有任何物质的时空

    中具有的对称性。

    如果一个人把某物放进这个沙漠，这些对称性就会被打破。假设在

    沙漠中有一座山、一片绿洲和一些仙人掌，那么在不同的地方和不同的

    方向就显得不同。时空也是如此。如果人们把物体放入时空，平移和旋

    转对称性就被破坏。而放入时空的物体也就是产生引力的东西。

    黑洞是时空的一个区域，那里的引力强大，时空被剧烈扭曲变形，所以人们可以预料它的对称性被打破。然而，当人们远离黑洞，时空的

    曲率就越变越小。在离开黑洞非常遥远的地方，时空看起来非常像平坦

    时空。

    早在20世纪60年代，赫曼·邦迪、A.W.肯尼思·梅茨纳、M.G.J.范德

    堡和赖纳·萨克斯就有真正卓越的发现，远离任何物质的时空拥有称为

    超平移对称的无数集合。这些对称中的每一个都和被称为超平移荷的一

    个守恒量相关联。守恒量是不会随着系统的演化而改变的量。这些是人

    们更为熟悉的守恒量的推广。例如，如果时空不随时间变化，那么能量

    就守恒。如果时空在空间的不同点处看起来相同，则动量就守恒。发现超平移的非凡之处在于远离黑洞之处存在无限数目的守恒量。

    正是这些守恒定律为引力物理中的过程提供了非凡和意想不到的洞察。

    2016年，我和我的合作者马尔科姆·佩里和安迪·斯特罗明格一起努

    力将这些新结果及其相关的守恒量用于寻找信息悖论的可能解决方案。

    我们知道，黑洞的三个可辨识特性是它们的质量、电荷和角动量。这些

    是早已被理解的经典的荷。然而，黑洞还携带有超平移荷。因此，黑洞

    可能拥有比我们最初以为的要多得多的荷。它们并不是秃头或只有三根

    毛，实际上有非常大量的超平移的毛。

    这些超平移毛可能会编码有关黑洞内部有什么的一些信息。这些超

    平移荷可能不包含所有信息，但其余的可能会由一些额外的守恒量，超

    旋转荷来解释，后者与称为超旋转的某些额外相关的对称相关联，然

    而，对于它们我们还理解得不太透彻。如果以上所叙是对的，而关于黑

    洞的全部信息可以按照它的“毛”来理解，那么信息也许没有损失。这些

    想法刚刚被我们最近的计算所确认。斯特罗明格、佩里和我以及研究生

    萨沙·哈科已经发现这些超旋转荷也许可以解释任何黑洞的全部的熵。

    量子力学继续成立，而信息存储在视界，即黑洞表面上。

    黑洞仍然只由它们的整体质量、电荷和事件视界外的旋转来表征，但事件视界本身以某种方式，包含除了黑洞拥有的这三个特征外有关落

    进的东西的信息。人们还在研究这些问题，因此信息悖论仍未解决。但

    我对此很乐观，我们正趋向解决这个悖论。请关注此领域的进展。●

    对于太空旅行者，跌入黑洞是否为坏消息？

    “绝对是坏消息。如果它是一个恒星质量的黑洞，你会在

    到达视界之前被制成意大利面。另一方面，如果它是一个超大

    质量的黑洞，你将轻松地越过视界，但在奇点处被毁灭。”6 Is time travel possible？

    时间旅行可能吗？

    在科幻小说中，空间和时间弯曲可谓司空见惯。它们用于在银河系

    周围快速旅行或穿越时间。不过今天的科幻小说通常是明天的科学事

    实。那么时间旅行的可能性如何？

    空间和时间可以弯曲或扭曲的想法是很近代时才出现的。2 000多

    年来，欧几里得几何学的公理被认为是不言而喻的。正如那些被迫在学

    校学习几何学的人所记得的那样，这些公理的推论之一是三角形的内角

    和是180度。

    然而，在20世纪，人们开始意识到可能存在其他形式的几何，其中

    三角形的内角和不必是180度。例如，考虑一下地球表面。在地球表面

    上最接近直线的就是所谓的大圆。它们是两点之间的最短路径，因此也

    是航空公司使用的路线。现在考虑地球表面上的三角形，它是由赤道、通过伦敦的0度经线和通过孟加拉国的东经90度经线组成。这两条经度

    线以直角或90度与赤道相遇。这两条经线也在北极呈直角，或90度相

    遇。因此这是一个三个直角的三角形。这个三角形的内角和是270度，这显然比平面上的三角形的180度更大。如果一个人在马鞍形面上画了

    一个三角形，就会发现其内角和小于180度。

    地球表面就是所谓的二维空间。也就是说，你可以在地球表面上相

    互成直角的两个方向上移动，你可以在南北或东西方向移动。不过当然

    存在与这两个方向成直角的第三个方向，那是上升或下降的方向。换句

    话说，就是地球表面存在于三维空间中。该三维空间是平坦的，也就是

    说它服从欧几里得几何——三角形的内角和为180度。然而，人们可以想象一种二维动物，它们可以在地球表面上运动，但不能体验向上或向

    下的第三个方向。它们不会知道地球表面所处的平坦三维空间。对于它

    们来说，空间将是弯曲的，而几何将是非欧几里得的。

    但正如人们可以想到二维生物生活在地球表面一样，人们可以想象

    我们所居住的三维空间是在我们看不到的另一个维度中的球体表面。如

    果球体非常大，则空间几乎是平坦的，欧几里得几何在小距离上是非常

    好的近似。但是我们会注意到欧氏几何在很远的距离上会失效。作为它

    的一个图解，想象一群油漆工往一个大球的表面添加油漆。

    随着涂料层厚度的增加，表面积会增加。如果球是在一个平坦的三

    维空间中，人们可以无限地添加油漆，并且球会变得越来越大。然而，如果三维空间确实是另一个维度的球体表面，那么它的体积会很大但是

    有限。随着人们添加更多的涂料层，球最终会填充一半的空间。在那之

    后，油漆工会发现他们被困在一个尺度不断缩小的区域中，几乎整个空

    间都会被这球和它的油漆层占据。所以他们会知道自己生活在弯曲的空

    间而不是平坦的空间中。

    这个例子表明人们无法像古希腊人认为的那样，从第一原理出发推

    断出世界的几何。相反，我们必须测量我们居住的空间，通过实验找出

    它的几何形状。然而，虽然早在1854年德国人波恩哈德·黎曼就发展了

    一种描述弯曲空间的方法，但它在60年间仍然只是一门数学。它可以描

    述存在于抽象中的弯曲空间，但似乎没有理由认为我们生活其中的物理

    空间应该是弯曲的。只到1915年爱因斯坦提出广义相对论后，这个理由

    才出现。

    广义相对论是一场重大的智慧革命，它变革了我们对宇宙的思考方

    式。它不仅是弯曲空间的理论，也是弯曲或翘曲的时间的理论。爱因斯

    坦在1905年就意识到空间和时间彼此密切相关，那是当他的狭义相对论

    诞生之时，狭义相对论使得空间和时间相互关联起来。人们可以将一个事件的位置由四个数字表示。三个数字描述事件的位置。它们可能是从

    牛津广场往北和往东以及高于海平面的英里数。在更大的尺度，它们可

    能是银河系的纬度、经度和到银河系中心的距离。

    第四个数字是事件发生的时间。从而人们可以将空间和时间视为一

    个四维的称为时空的实体。时空的每一点由四个数字标记，指定其在空

    间和时间中的位置。如果只能够以一种特定的方式分解空间和时间，那

    么这种将空间和时间结合成时空的方式将是相当平常的。也就是说，只

    有某种特定的方式来定义每个事件的时间和位置。然而，1905年当爱因

    斯坦担任瑞士专利局职员时，他在一篇非凡的论文中证明了，一个人认

    为事件发生的时间和地点取决于他或她如何运动。这意味着时间和空间

    彼此密不可分。

    如果不同观察者不做彼此相对运动，则他们指定给事件的时间将是

    一致的。但是他们的相对速度越快就越不一致。因此，人们可以问，一

    个人需要运动多快，才能使一个观察者的时间前进而相对于另一个观察

    者的时间倒退。答案在下面的打油诗中给出：

    有位名叫怀特的姑娘

    旅行速度赛过了光

    她在某天出发

    却凭相对论到达

    出发前一天的晚上所以我们做时间旅行只需一艘走得比光还快的宇宙飞船。不幸的

    是，在同一篇论文中爱因斯坦还证明了，宇宙飞船的速度越接近光速，对它进行加速所需的火箭功率就越来越大。因此，它需要耗费无限的功

    率才能被加速到超过光速。

    爱因斯坦1905年的论文似乎排除了回到过去的时间旅行的可能性。

    它还表明空间旅行到其他恒星将是一个非常缓慢和乏味的事。如果一个

    人不能比光走得更快，那么从我们到最近的恒星来回之旅至少需要8

    年，而到银河系中心约需5万年来回。如果宇宙飞船以非常接近光速的

    速度飞行，对在船上的人而言，到银河系中心也许只用了几年时间。但

    那实在没什么值得安慰的，因为当你返回时，你认识的所有人都早已在

    几千年前死去并被遗忘了。这也不是科幻小说的好题材，所以作家们不

    得不寻找摆脱这种困难的办法。

    1915年，爱因斯坦展示了引力的效应可被描述为时空被其中的物质

    和能量所弯曲或扭曲，而这个理论被称为广义相对论。我们可以从光或

    者射电波在太阳附近掠过时被稍微偏折的现象中，实际观测到太阳质量

    引起的时空弯曲。

    当太阳位于地球和源之间时，会导致恒星或射电源的表观位置略微

    移动。移动非常小，大约千分之一度，相当于一英里距离的一英寸移

    动。尽管如此，它还是可以被非常精确地测量，并且与广义相对论的预

    测一致。我们有实验证据表明空间和时间是弯曲的。

    因为太阳系中的所有引力场都很弱，所以我们附近的弯曲量非常

    小。然而，我们知道可能会发生很强的场，例如在大爆炸或黑洞中。那

    么空间和时间是否能被弯曲到足够程度，以满足科幻对超空间引擎、虫

    洞或时间旅行等方面的需要？乍一看似乎所有这些都是可能的。例如，1948年，库尔特·哥德尔找到了爱因斯坦广义相对论场方程的一个解，它代表了一个所有物质都在旋转的宇宙。在这个宇宙中，你可以乘宇宙飞船出发，而在出发前回来。哥德尔曾在普林斯顿高级学术研究所工

    作，爱因斯坦也在那里度过了他的晚年。哥德尔名震天下的原因是他证

    明了，即使在像算术这样一个看似简单的学科中，你也无法证明所有真

    的命题。不过他证明了广义相对论允许时间旅行，这真的让爱因斯坦感

    到不安，爱因斯坦早先认为这是不可能的。

    我们现在知道哥德尔的解无法代表我们生活其中的宇宙，因为它不

    在膨胀。此外，此解中称为宇宙常数的量具有相当大的值，而一般我们

    相信其数值很小。但是，从那以后允许时间旅行的显然更合理的一些解

    被发现了。从弦理论的方法出发，可以得到一个特别有趣的解，它包含

    两道以非常接近但略低于光速的速度彼此滑动而过的宇宙弦。宇宙弦是

    理论物理学的一个非凡的想法，科幻作家们似乎还未能领略其奥妙。正

    如它们的名字所暗示的那样，它们像弦一样，拥有长度，但横截面很

    小。实际上它们更像橡皮筋，因为它们承受巨大的张力，诸如十万亿亿

    亿吨。把一根宇宙弦系到太阳上仅用三十分之一秒就能把它从零加速到

    每小时60英里。

    宇宙弦可能听起来很牵强，像纯粹的科幻，但有很好的科学理由相

    信它们可在大爆炸后不久的极早期宇宙中形成。因为它们是处在这样大

    的张力之下，人们可以预料到它们被几乎加速到光速。

    哥德尔宇宙和快速运动宇宙弦时空的共同点就是它们一开始就如此

    变形和弯曲，时空曲折地回到自身，并始终可能旅行到过去。也许上帝

    本可以创造这样一个弯曲的宇宙，但我们没有理由认为他真这么做了。

    所有证据都表明宇宙始于大爆炸，没有允许旅行进入过去所需的弯曲。

    由于我们不能改变宇宙开始的方式，时间旅行是否可能的问题就变成，我们是否可以随后使时空如此弯曲，以至于人们可以回到过去？我认为

    这是一个重要的研究课题，但必须注意不要被标记为怪物。如果有人申

    请研究补助来研究时间旅行，它将立即被驳回。任何政府机构都不许把公共资金花费在任何像时间旅行这么异端的项目上。相反，人们必须使

    用技术术语，如闭合时间曲线，作为时间旅行的代名词。然而，这是一

    个非常严肃的问题。由于广义相对论可以允许时间旅行，那在我们的宇

    宙中允许吗？如果不允许，那又为什么呢？

    与时间旅行密切相关的是从太空中的一处快速运动到另一处的能

    力。正如我以前说过的，爱因斯坦证明，需要无限的火箭能量才能将宇

    宙飞船加速到超光速。因此，在合理的时间内从银河系的一侧到达另一

    侧的唯一方法似乎是我们将时空弯曲到足够程度，从而制造出一个小管

    或虫洞。这可以连接银河系的两侧并充当从一侧到另一侧的近路，在你

    返回时，你的朋友还活着。人们非常认真地暗示这种虫洞可在未来文明

    的能力范围内实现。不过，如果你可以在一两个星期内从银河系一边旅

    行到另一边，你就能够通过另一个虫洞返回，并在你出发之前到家。你

    甚至可以设法用一个虫洞在时间中旅行到过去，如果它的两端彼此相对

    运动的话。

    人们可以证明，创造一个虫洞需要以与正常物质弯曲时空相反的方

    式来弯曲它。普通物质将时空向自身弯曲，使之像地球表面一样。然

    而，要创建一个虫洞，就需要物质以相反的方式弯曲时空，使之像马鞍

    面一样。如果宇宙开始时并没有弯曲到允许时间旅行，那么对于弯曲时

    空使之能允许旅行到过去的任何其他方式，这同样成立。人们需要的是

    拥有负质量和负能量密度的物质，得以使时空以所需的方式弯曲。

    能量和金钱相当像。如果你有正的银行存款余额，你可以通过各种

    方式分发。但是，根据直到不久前还被人相信的经典定律，你不允许透

    支能量。因此，这些经典定律将排除我们以允许时间旅行所需的方式弯

    曲宇宙的可能性。然而，经典定律被量子理论推翻了，量子理论是除了

    广义相对论之外我们的宇宙图景的另一次伟大革命。量子理论更加放

    松，允许你对一两个账户透支，只要银行那么通融的话。换句话说，量子理论允许能量密度在某些地方是负的，倘若它在其他地方是正的。

    量子理论允许能量密度为负的原因在于它是基于不确定性原理。这

    表示某些量，诸如粒子的位置和速度，不可以都具有明确定义的值。一

    个粒子的位置定义得越精确，其速度的不确定性就越大，反之亦然。不

    确定性原理也适用于电磁场或引力场等领域。这意味着即使在我们认为

    是空的空间中，这些场也不能精确为零。因为如果它们精确为零，那么

    它们的值将具有明确定义的零位置和明确定义的速度，该速度也为零。

    这将违反不确定性原理。相反，这些场必须具有一定的最小涨落量。人

    们可以将这些所谓的真空涨落解释为，粒子和反粒子对突然一起出现，分开然后再一起回来，并相互湮灭。

    这些粒子和反粒子对被称为是虚拟的，因为人们不能用粒子探测器

    直接测量到它们。但是，人们可以间接地观察它们的影响，其中一种方

    法是所谓的卡西米尔效应。想象一下，你有两块平行的相距很近的金属

    板，板的作用就像虚粒子和反粒子的镜子。这意味着板之间的区域有点

    像一个风琴管，只会允许光波的某些共振频率。结果是板之间的真空涨

    落或虚粒子的数量与在它们外面的数量略有不同，而在外面，真空涨落

    可有任意波长。板块之间与外部的虚粒子数量相比的差异意味着，它们

    在板的一侧与另一侧不会施加相同的压力。因此存在将板推到一起的轻

    微的力，这个力已被实验测量到。所以，虚粒子实际存在并产生真实效

    应。

    因为板之间的虚粒子或真空涨落较少，它们相比外面区域拥有较低

    的能量密度。但远离板的空虚空间的能量密度必须为零，否则它会弯曲

    时空，而宇宙就不会是几近平坦的。因此，板之间区域的能量密度必须

    为负的。

    这样，我们从光的偏折中获得了实验证据，即时空是弯曲的，并且

    卡西米尔效应证实我们可以在负方向上弯曲它。因此，看起来随着我们在科学和技术方面的进步，我们也许能够构建虫洞或以其他方式弯曲空

    间和时间，从而能够旅行到我们的过去。如果这种情况发生，就会引发

    一大堆疑问和问题。其中之一就是如果将来可以进行时间旅行，为什么

    还没有人从未来回来告诉我们该怎么做。

    即使有充分的理由让我们处于无知之中，根据人性使然，很难相信

    有人不会炫耀并告诉我们这些无知之人关于时间旅行的秘诀。当然，有

    些人会声称我们已经被未来的客人访问过。他们会说，不明飞行物来自

    未来，政府正忙于进行一场巨大的阴谋来掩盖它们，并自己保留这些游

    客带来的科学知识。我能说的只是，如果政府隐藏某些东西，他们在从

    外星人身上提取有用信息方面做得很差。我对阴谋论相当怀疑，因为我

    相信更可能是荒唐的理论。关于不明飞行物的目击报告不能都是外星人

    引起的，因为它们是相互矛盾的。但是，一旦你承认了一些是错误或幻

    觉，它们全都如此的可能性难道不比从未来，或从银河系的另一边来的

    人访问我们的可能性更大吗？如果他们真的想要殖民地球或警告我们某

    些危险，那么他们相当无效率。

    一种可能协调时间旅行与我们似乎从未见过任何来自未来的访客这

    一事实的办法，一方面，是说这种旅行只能发生在将来。根据这个观

    点，人们会说时空在我们过去是固定的，因为我们观察过它，而且看到

    它没有足够的弯曲允许旅行到过去。另一方面，未来是开放的。所以我

    们也许能够将它弯曲得足以允许时间旅行。不过因为我们只能在未来弯

    曲时空，我们无法回到现在或更早。

    这个设想可以解释为什么我们没有被来自未来的游客淹没。但它仍

    然会留下大量的悖论。假设有可能搭乘火箭飞船出发，而且在你出发前 ......