📄 010.htm
字号:
<html>
<title>书路--黑洞、婴儿宇宙及其他</title>
<body bgcolor=99cccc>
<font size="+1"><pre>
黑洞、婴儿宇宙及其他
八、爱因斯坦之梦[13]
二十世纪初叶的两种新理论完全改变了我们有关空间和时间以及实在本身的思维方
式。在超过七十五年后的今天，我们仍在消化它们的含义，以及想把它们合并成能描述
宇宙中万物的统一理论之中。这两种理论便是广义相对论和量子力学。广义相对论是处
理空间和时间，以及它们在大尺度上如何被宇宙中的物质和能量弯曲或卷曲的问题。另
一方面，量子力学处理非常小尺度的问题。其中包括了所谓的不确定性原理。该原理说，
人们永远不可能同时准确地测量一颗粒子的位置和速度，你对其中一个量能测量得越精
密，则只能对另一个量测量得越不精密。永远存在一种不确定性或几率的因素，这就以
一种根本的方式影响了物体在小尺度下的行为。爱因斯坦几乎是单独地创立了广义相对
论，他在发展量子力学中起过重要的作用。他对后者的态度可以总结在“上帝不玩弄骰
子”这句短语之中。但是所有证据表明，上帝是一位老赌徒，他在每一种可能的场合掷
骰子。 [13]作者注；这是1991年7月在东京日本电话电报资讯交流系统公司的模式会议上的讲演。
我将在这篇短文中阐述在这两种理论背后的基本思想，并说明爱因斯坦为什么这么
不喜欢量子力学。我还将描述当人们试图把这两种理论合并时似乎要发生的显著的事物。
这些表明时间本身在大约一百五十亿年前有一个开端，而且它在将来的某点会到达终结。
然而，在另一种时间里，宇宙没有边界。它既不被创生，也不被消灭。它就是存在。
让我从相对论开始。国家法律只在一个国家内有效，但是物理定律无论是在英国、
美国或者日本都是同样的。它们在火星和仙女座星系上也是相同的。不仅如此，不管你
以任何速度运动定律都是一样的。定律在子弹列车或者喷气式飞机上正和对站立在某处
的某人是一样的。当然，甚至在地球上处于静止的某人在事实上正以大约为每秒18.6英
里（30公里）的速度绕太阳公转。太阳又是以每秒几百公里的速度绕着银河系公转，等
等。然而，所有这种运动都不影响科学定律，它们对于一切观测者都是相同的。
这个和系统速度的无关性是伽利略首次发现的。他发展了诸如炮弹或行星等物体的
运动定律。然而，在人们想把这个观测者速度无关性推广到制约光运动的定律时就产生
了一个问题。人们在十八世纪发现光从光源到观测者不是瞬息地传播的，它以某种大约
为每秒186000英里（3 0公里）的速度旅行。但是，这个速度是相对于什么而言的呢？
似乎必须存在弥没在整个空间的某种介质，光是通过这种介质来旅行的。这种介质被称
作以太。其思想是，光波以每秒186000英里的速度穿越以太旅行，这表明一位相对于以
太静止的观测者会测量到大约每秒186000英里的光速，但是一位通过以太运动的观测者
会测量到更高或更低的速度。尤其是人们相信，在地球绕太阳公转穿越以太时光速应当
改变。然而，1887年麦克尔逊和莫雷进行的一次非常精细的实验指出，光速总是一样的。
不管观测者以任何速度运动，他总是测量到每秒186000英里的光速。
这怎么可能是真的呢？以不同速度运动的观测者怎么会都测量到同样的速度呢？其
答案是，如果我们通常的空间和时间的观念是对的，则他们不可能。然而，爱因斯坦在
1905年写的一篇著名的论文中指出，如果观测者抛弃普适时间的观念，他们所有人就会
测量到相同的光速。相反地，他们各自都有自己单独的时间，这些时间由各自携带的钟
表来测量。如果他们相对运动得很慢，则由这些不同的钟表测量的时间几乎完全一致，
但是如果这些钟表进行高速运动，则它们测量的时间就会有重大差别。在比较地面上的
和商业航线上的钟表时就实际上发现了这种效应，航线上的钟表比静止的钟表走得稍微
慢一些。然而，对于正常的旅行速度，钟表速率的差别非常微小。你必须绕着地球飞四
亿次，你的寿命才会被延长一秒钟，但是你的寿命却被所有那些航线的糟糕餐饮缩短得
更多。
人们具有自己单独时间这一点，又何以使他们在以不同速度旅行时测量到同样的光
速呢？光脉冲的速度是它在两个事件之间的距离除以事件之间的时间间隔。（这里事件
的意义是在一个特定的时间在空间中单独的一点发生的某种事物。）以不同速度运动的
人们在两个事件之间的距离上看法不会相同。例如，如果我测量在高速公路上奔驰的轿
车，我会认为它仅仅移动了一公里，但对于在太阳上的某个人，由于当轿车在路上行走
时地球移动了，所以他觉得轿车移动了1800公里。因为以不同速度运动的人测量到事件
之间不同的距离，所以如果他们要在光速上相互一致，就必须也测量到不同的时间间隔。
爱因斯坦在1905所写的论文中提出的原始的相对论是我们现在称作狭义相对论的东
西。它描述物体在空间和时间中如何运动。它显示出，时间不是和空间相分离的自身存
在的普适的量。正如上下、左右和前后一样，将来和过去不如说仅仅是在称作时空的某
种东西中的方向。你只能朝时间将来的方向前进，但是你能沿着和它夹一个小角度的方
向前进。这就是为什么时间能以不同的速率流逝。
狭义相对论把时间和空间合并到一起，但是空间和时间仍然是事件在其中发生的一
个固定的背景。你能够选择通过时空运动的不同途径，但是对于修正时空背景却无能为
力。然而，当爱因斯坦于1915年提出了广义相对论后这一切都改变了。他引进了一种革
命性的观念，即引力不仅仅是在一个固定的时空背景里作用的力。相反的，引力是由在
时空中物质和能量引起的时空畸变。譬如炮弹和行星等物体要沿着直线穿越时空，但是
由于时空是弯曲的卷曲的，而不是平坦的，所以它们的路径就显得被弯折了。地球要沿
着直线穿越时空，但是由太阳质量产生的时空曲率使它必须沿着一个圆圈绕太阳公转。
类似地，光要沿着直线旅行，但是太阳附近的时空曲率使得从遥远恒星来的光线在通过
太阳附近时被弯折。在通常情况下，人们不能在天空中看到几乎和太阳同一方向的恒星。
然而在日食时，太阳的大部分光线被月亮遮挡了，人们就能观测到从那些恒星来的光线。
爱因斯坦是在第一次世界大战期间孕育了他的广义相对论，那时的条件不适合于作科学
观测。但是战争一结束，一支英国的探险队观测了1919年的日食，并且证实了广义相对
论的预言：时空不是平坦的，它被在其中的物质和能量所弯曲。
这是爱因斯坦的伟大胜利。他的发现完全变革了我们思考空间和时间的方式。它们
不再是一件在其中发生的被动的背景。我们再也不能把空间和时间设想成永远前进，而
不受在宇宙中发生事件影响的东西。相反的，它们现在成为动力学的量，它们和在其中
发生的事件相互影响。
质量和能量的一个重要性质是它们总是正的。这就是引力总是把物体相互吸引到一
起的原因。例如，地球的引力把我们吸引向它，即便我们处于世界的相反的两边。这就
是为什么在澳大利亚的人不会从世界上掉落出去的原因。类似地，太阳引力把行星维持
在围绕它公转的轨道上并且阻止地球飞向黑暗的星际空间。按照广义相对论，质量总是
正的这个事实意味着，时空正如地球的表面那样向自身弯折。如果质量为负的，时空就
会像一个马鞍面那样以另外的方式弯折。这个时空的正曲率反映了引力是吸引的事实。
爱因斯坦把它看作重大的问题。那时人们广泛地相信宇宙是静止的，然而如果空间特别
是时间向它们自身弯折回去的话，宇宙怎么能以多多少少和现在同样的状态永远继续下
去？
爱因斯坦原始的广义相对论方程预言，宇宙不是膨胀便是收缩。因此爱因斯坦在方
程中加上额外的一项，这些方程把宇宙中的质量和能量与时空曲率相关联。这个所谓的
宇宙项具有引力的排斥效应。这样就可以用宇宙项的排斥去和物质的吸引相平衡。换言
之，由宇宙项产生的负时空曲率能抵消由宇宙中质量和能量产生的正时空曲率。人们以
这种方式可以得到一个以同样状态永远继续的宇宙模型。如果爱因斯坦坚持他原先没有
宇宙项的方程，他就会做出宇宙不是在膨胀便是在收缩的预言。直到1929年埃德温·哈
勃发现远处的星系离开我们而去之前，没人想到宇宙是变化的。宇宙正在膨胀。后来爱
因斯坦把宇宙项称作“我一生中最大的错误”。
但是不管有没有宇宙项，物质使时空向它自身弯折的事实仍然是一个问题，尽管它
没有被广泛认识到事情会是这样子的。这里指的是物质可能把它所在的区域弯曲得如此
厉害，以至于事实上把自己从宇宙的其余部分分割开来。这个区域会变成所谓的黑洞。
物体可以落到黑洞中去，但是没有东西可以逃逸出来。要想逃逸出来就得比光旅行得更
快，而这是相对论所不允许的，这样，黑洞中的物质就被俘获住，并且坍缩成某种具有
非常高密度的未知状态。
爱因斯坦为这种坍缩的含义而深深困扰，并且他拒绝相信这会发生。但是罗伯特·
奥本海默在1939年指出，一颗具有多于太阳质量两倍的晚年恒星在耗尽其所有的燃料时
会不可避免地坍缩。然后奥本海默受战争干扰，卷入到原子弹计划中，而失去对引力坍
缩的兴趣。其他科学家更关心那种能在地球上研究的物理。关于宇宙远处的预言似乎不
能由观测来检验，所以他们不信任。然而在二十世纪六十年代，天文观测无论在范围上
还是在质量上都有了巨大的改善，使人们对引力坍缩和早期宇宙产生新的兴趣。直到罗
杰·彭罗斯和我证明了若干定理之后，爱因斯坦广义相对论在这种情形下所预言的才清
楚地呈现出来。这些定理指出，时空向它自身弯曲的事实表明，必须存在奇性，也就是
时空具有一个开端或者终结的地方。它在大约一百五十亿年前的大爆炸处有一个开端，
而且对于坍缩恒星以及任何落入坍缩恒星留下的黑洞中的东西它将到达一个终点。
爱因斯坦广义相对论预言奇性的事实引起物理学的一场危机。把时空曲率和质量能
量分布相关联的广义相对论方程在奇性处没有意义。这表明广义相对论不能预言从奇性
会冒出什么东西来。尤其是，广义相对论不能预言宇宙在大爆炸处应如何启始。这样，
广义相对论不是一个完整的理论。为了确定宇宙应如何启始以及物体在自身引力下坍缩
时会发生什么，需要一个附加的要素。
⌨️ 快捷键说明
复制代码
Ctrl + C
搜索代码
Ctrl + F
全屏模式
F11
切换主题
Ctrl + Shift + D
显示快捷键
?
增大字号
Ctrl + =
减小字号
Ctrl + -