无中生有的宇宙——霍金阅读笔记（上）

山西｜张石山

第一章 霍金之死

2018年3月14日，霍金先生去世。作为当代最负盛名的科学巨人之一，他的去世引发了各界极大的关注。

对于仅仅知道霍金的名头而对他的伟大建树不甚了了的大众而言，恐怕更多会在意霍金极为奇巧的生日与忌日。而对霍金之死报道的种种文字里，自然也不乏专门追逐奇巧的花边写作。

霍金生于1942年1月8日，这一天，正好是伟大的科学家伽利略去世300周年忌日；而霍金去世之日，又恰恰是伟大的科学家爱因斯坦的生日。

一个巧合，已有几分极不寻常，两个巧合，就透出来一点说不清的神奇。

按照概率理论来解释，伽利略去世300年的那一天，世界上出生的男婴该是不少，但这些男婴中，能够成为像伽利略一样的科学巨匠者，能有几人呢？事实证明，有一个，就是霍金。就是这一个霍金，他的去世之日，偏偏又是爱因斯坦的生日。概率理论，能解释得了这个吗？

如果说，一个人不能选择自己的生日，从某种意义上讲，有些人却可以预设或决定自己生命结束的时间。霍金莫非是择日而亡的吗？

怀疑霍金择日而亡，没有依据。以他的建树与名头，以他所赢得的荣光与追捧，他还需要选择某一天死亡来给人们制造一点谈资吗？这是一种无聊的猜测，甚至是以己度人的大不敬。

那么，他的生与死，竟然就是上帝的安排了？

霍金不信上帝。或者说，霍金不相信有一个超乎大自然之外的万能上帝。上帝能够造出一块他自己举不起来的石块吗？这样的设问，即便带有几分乖戾，但也力有千钧。应该说，霍金就像我们中国古来的圣哲一样，只承认“造物”。正如伽利略、牛顿和爱因斯坦等科学巨匠一样，他们平生从事的科学研究，拒绝神秘论，拒绝相信是上帝确定了宇宙的起始与存在。作为实证主义科学家，霍金的任何研究，包括想象和假设，都要经过极为严苛的验证。大师们秉持的科学精神，高于一切。作为西方人，他们心目中的上帝，只是属于宗教情怀。

说到宗教界，比如有的佛教徒们特别喜欢牵强附会，说当代最前沿的科学研究成果，佛陀早已都讲过了。至大无外、至小无内，从宏观宇宙到微观粒子，佛主早已无所不知。这也只是自欺欺人的喧嚣罢了。佛陀有灵，对此恐怕还是拈花一笑，不置一词。

基督教说，上帝创造了宇宙；佛教称，佛陀早已看到并且预见了当代科学所发现的一切；相比之下，我们的圣贤孔子和老子们更为理性。这是一种伟大的东方理性。东方理性崇尚天人合一，敬畏造物，但从来没有声称创造了宇宙，或者完全洞察了宇宙奥秘。

霍金之死，在我心中引发动静，不是因为什么花边。

我读过他的科普著作。由于格外喜欢，曾经认真阅读，反复领悟。我差不多应该算是他的一个忠实读者。

第二章 天体物理之梦

说来已是半个世纪之前的事情了。公元1966年，我在太原三中高中毕业。大家已经填好了报考志愿书，“文革”突然爆发。所有学校的学生一律停课闹革命，千百万人的命运被迫改变。我们家族希望培养出一个大学生的梦想也因此而破灭。

时间仿佛一帖遗忘痛苦的万应灵药，半个世纪足够人们忘掉太多。况且，大家命运都一样，好比集体挨板子，谁的屁股就更豪华、更有喊痛的权利呢？

但我的记忆很难磨灭。具体而言，我报考的第一志愿，是北大天体物理系。过了30年之后，大致是在2000年，我的两个大孩子在北大读文学博士，父子们沿着未名湖畔游逛，在东北角那个方位，竟然看到了“天体物理系”的标牌。我在那里伫立良久，像是为那夭折的梦想默哀。

如同当年许多中学生的家长，父亲母亲没有多少文化，对于我究竟该报考什么志愿，从来没有任何意见，因为他们对此根本就没有什么概念。我自己也糊里糊涂，只是那年高考前夕，在若干大学的宣传招贴上，偶然看到了“天体物理”这几个字。我觉得这个名堂颇有几分神秘，不妨就上那儿去念书也不错。

硬要找一点更内在的心理缘由，应该也有。

小时候在村子里，无知少年有着若干不着边际的遐想。白天上山砍柴，看着波涛一般奔向天际的山海，会想：山的那面，那面的那面，会是什么呢？夜间仰望深不可测的星空，更要在心里发问：天有尽头吗？星星和我们之间，到底存在着一种什么样的关系？后来看到“天体物理”几个字，忽忽焉心有所动，或者就和童年时代的天问有关，也未可知。

生活这部车子，载了我们颠簸前行。当它错过了某个岔道口，便是永远的错过。好像一棵树，一旦长成某种样子，再也没有办法重新生长一回。

说话间我就到了50岁。大概是在未名湖畔伫立凭吊前后，先是在张锐锋那儿看到了一本《时间简史》。那时，两个人都是刚刚离婚鳏居，如同老话所言“家有梧桐招凤凰，家有光棍招棍光”，寻常厮混在一搭。那本书一旦拿起，就放不下，就在他的旧居小楼那儿，一口气翻看完毕，记住了这本书的作者正是霍金。

过了些时候，在府西街外文书店近边的一间书屋，偶然瞥见了橱窗里的新书广告，是《时间简史》的姊妹篇《果壳中的宇宙》。我个人几乎很少买书，这时不惧破钞，登时买到。我说的读过霍金的科普著作，就是指这两本书。

反复阅读，也不敢说全懂；半懂不懂，而又能读得津津有味，岂不怪哉？貌似怪哉，毕竟又有心理轨迹可寻。以为读懂了很少的部分，应该说有所收获。愿将小小心得归纳总结，并与有兴趣的朋友们共享。

第三章 时间的起点

唯一的一次读《时间简史》，竟然放不下，竟然要一口气读完，原因很简单，就是我被“惊到了”。那是一种震惊，足以振聋发聩。

在我们的常识中，在大家的习惯思维里，或者人们不思不想却往往秉持着一种观念：时间不仅无休无止，而且无始无终。时间的长河，向无尽的远端流淌而去；反向追溯，它该是从无尽的远端流淌而来。这差不多便是天经地义，不可怀疑。

然而，这样的断言，却是错误的。

时间，如果还不能确定将在何时终结，科学研究成果表明：时间有一个确定的开端。

时间之矢，从那一个确定的起点开始，向着未来的方向而去。

时间，因而成为我们生活于其中的宇宙的一个“性质”。在它开始之前，对我们没有意义。

时间具有开端，有科学家们的设问、思考，也有严格的科学检测的证明。

仅仅是科学家们的思考，应该说已经足以引发我们产生相应的思考。

时间如果没有开端，那么，显然的结论便是：我们的宇宙应该已经存在了无限久。

但是，如果宇宙已经存在了无限久，那么我们当今观察到的宇宙，就不应该是这个样子的。

经过了无限久的时间，太阳，以及像太阳一样无数的发光发热的恒星，它们已经无限久发出的热量，应该使得整个宇宙达到了一个“热平衡”。

我们不妨这样来理解“热平衡”：设想一个限定的空间，比如一个灯泡内，钨丝发热已经无限久，那么，整个灯泡里都达到了热平衡，与钨丝的温度一样了。

灯泡外部的条件就不考虑吗？整个宇宙，就像由无数灯泡紧挨着的蜂窝状结构，此一灯泡外，恰是其他灯泡内。当然，灯泡云云，只是协助我们理解的某种假设。没有什么灯泡，宇宙是一个几乎各处都一样的连续体。一个存在了无限久的宇宙连续体，在无数发光发热的恒星永久照耀下，各处的温度应该早已达到一致。这便是整个宇宙的热平衡。

宇宙没有达到热平衡，证明发光发热的恒星们，确实还没有燃烧了无限久。

进一步思考，假如恒星已经燃烧了无限久，他们应该已经耗尽了燃料，归于死寂。

仅仅从抽象思考出发，宇宙既然没有达到热平衡，也没有归于寂灭，因而科学家们得出一个结论：宇宙一定是从某个时候开始的。在那个时间点，宇宙开始“点亮”。恒星们方才开始发光发热。

第四章 宇宙正在膨胀

恒星们不仅发热，亦且发光。所以，假如宇宙已经存在了无限久，那就不仅应该已经达到热平衡，亦且应该已经达到了“光平衡”。“光平衡”，是我此刻生造的一个概念，只是为着说明问题。

宇宙之间有无数的发光恒星，在夜间，星光刺激了我们眼球上的感光细胞，于是我们就看到了星星。任何人的经验都能证明，即便是在乡间最清澈的夜空，我们也只是看到有限的星星。借助巨型望远镜乃至射电望远镜，我们克服了人的肉眼局限，当然看到了更多的星星，包括极远处的河外星云。但射电望远镜看到的广阔星空，依然没有被发光的星星全部填满。

这充分说明，宇宙是太大了，太过浩渺。即便是光速达到每秒30万公里，有些发光的恒星的光芒，过了数十亿年，仍然没有来到我们地球。

从恒星发光这个角度来思考，仍然能够得出结论：宇宙并没有存在了无限久，所以许多恒星或河外星云的光芒，还在射向我们地球的旅途上。

所以，宇宙点亮，一定有一个时间起点。据科学家们精确计算，宇宙起始已经有137亿年。在这样长的时间内，还有星光没能抵达地球。因而我们看到的是号称“繁星满天”的夜空，而不是星星真的覆盖了整个夜空。

除了距离太过遥远，有些恒星的光芒还没有来到地球，另外由于人的肉眼感光能力的局限，我们还看不到许多在事实上已经来到了地球的光线。

望远镜应运而生，著名的哈勃望远镜，人们耳熟能详。

据科学家哈勃先生用望远镜观察，除了看到许多肉眼看不到的星系之外，他还同时发现：绝大多数星系，正在飞速离我们远去。

星系是否正在离我们远去？结论是肯定的。支持这一结论的，是所谓“红移现象”。

红移现象，可以用我们常人的经验来加以理解。

比如，声音在空气中是通过震动空气的声波来达于我们的耳鼓。火车面对我们奔驰而来，然后飞驰而去，声音的速度没有改变，但声波的频率却有先是逐渐加快然后逐渐变慢的变化。

星云向我们发射来的光线，其光波的变化规律也是这样。当星云离我们远去，光的速度没有变化，但光波的频率就会变慢。换言之，光波的波长变长了。光波变长的时候，它在光谱仪上就会呈现出向红色一端移动的情况。通过这样的红移现象，证明了绝大多数星系确实是在远离我们而去。

连续观察记录下来的数据，进一步证明：宇宙正在膨胀，而且是按照一个固定的膨胀率在膨胀。

第五章 曾经的收缩态

宇宙在膨胀，按科学家的说法，许多星系“正在飞速离开我们远去”。那么，那些极远处的星系，我们是否有可能永远看不到？这个，倒是无须担心。因为，宇宙间任何物体运动的速度，都不可能超过光速。星系是在离我们远去，但他们离去的速度，绝对不会超过光速。那些星系早些年发出的光芒，最终一定会抵达我们地球。

我们现今居于其中的宇宙，仍然处于按照一个固定的膨胀率来膨胀的过程之中。依据这个膨胀率来计算，宇宙已经膨胀了大约137亿年。这便是宇宙的年龄。

依据宇宙正在膨胀的事实，反推回去，宇宙一定曾经有一个收缩态。

据霍金介绍，爱因斯坦曾经设想，宇宙在将来停止膨胀后，会开始收缩；收缩到某一紧致状态，再开始反弹。我们现今所处的宇宙，也许正处在它的某次反弹之中。

霍金与同时代的几位科学家却证明了：宇宙最早的收缩态，曾经是一个奇点。奇点的边界，收缩为零，物质的密度趋近无限大。

宇宙，在这个奇点开始大爆炸，这便是时间的起点。

我们所处的宇宙，正是这次大爆炸的产物。这个宇宙仍然处在膨胀过程之中，只是那场大爆炸的后续反应。

大爆炸理论，关于奇点的理论，得到了种种证明，包括可以建构出与之相应的数学模型。

经过几十年的时间，人们已经普遍接受了大爆炸理论。

尽管爱因斯坦本人几乎从未认真地接受过大爆炸，但大爆炸理论恰恰是爱因斯坦著名的广义相对论推导出来的结果。

按照广义相对论，霍金与彭罗斯证明了，宇宙从大爆炸起始，时间于是有了一个开端。

我个人对大爆炸是这样理解的：

我们被局限在地球这个点上，在人类的视角看来，四面八方看到的星系们都在离我们远去，仿佛我们地球处在了宇宙的中心。其实，宇宙从任何一点出发去看，都是一样的。

我们可以想象，一只气球，上面绘有各种星系，当气球被吹大，它就开始膨胀。上面绘有的星系，便随着气球的不断膨胀而相互离开，越来越远。而在最初，那气球竟然小到无形。我们的地球，在那只“气球”的图案上，只是一个不起眼的星系银河系中的一个不起眼的小小星体。

再想象得立体一些，一块大到无以复加的海绵，仍在继续膨大，构成海绵的每一点，和其他点的距离在不断增大。而在最初，那海绵只是一个“奇点”。质量无限大，而体积趋于零。

从大爆炸从一个奇点开始的说法来推断，我们的宇宙，正是“无中生有”。

第六章 神奇的光速

光在真空（太空）中传播的速度每秒约30万公里，这已经成为中学生的常识。地球被大气层所包裹，光线在大气中传播的速度则略有减小。这样的常识，是科学家经过了各种严格的科学测试，最终确定的。常人不可能人人都去做类似的测试，我们相信科学，也可以讲正是对那些科学家的信任。他们的结论，经受住了严格的验证。

太阳距离地球有多么远呢？根据测试得知，阳光抵达地球，大约需要8分20秒。而太阳是所有天体中距离我们最近的恒星。

天体之间更大的距离，不得不使用“光年”这一尺度。所谓光年，就是光线在一年里所经过的距离。距我们最近的恒星，半人马座的比邻星，与太阳系之间也有4.22光年的距离。

至于太阳系所处的银河系，其直径有着十多万光年的长度。

阅读《时间简史》，关于光速，最令人惊异的是：光速在真空中的速度是恒定的，它在任何测量者的测量中，都是每秒30万公里！

依照我们的常识，速度应该是一个相对概念。一列火车以某一速度行驶，那应该只是相对于地面的速度。我们带一只时钟迎着火车跑去，这时测出的火车速度应该快一些；顺着火车奔跑，这时测出的火车速度要慢一些。这非常容易引申出一个想法：我们待在地球上测得的光速，与向着光源飞驰的火箭上测得的光速，应该有所不同。然而，对于光线来说，哪怕你乘坐火箭，是向着光线而去还是顺着光线而去，包括待在火箭发射场原地不动，测出的光速竟然恒定不变！

事实上，宇宙正在膨胀，星系正在加速相互离开，无数发光的星系在离开地球远去，星系们对于地球本身有着变化中的并且各不相同的相对速度，然而任何星系所发出的光线，其光速却始终不变。科学家们曾经进行过更为严谨的测试，果然得出了光速在任何情况下都不变的结果。

这样说吧，宇宙间有无数恒星，他们各自以不同的相对速度在运动，运动状态千差万别，然而从他们那里发出的光线，却一概保持绝对相同的光速。

众多进行着各种相对运动的物体，都测得了相同的光速，这只能推导出一个结论：它们具有各自的时间。

所谓“各自的时间”，需要稍做解释。在宇宙之中，并没有一个时间的普适的量。只要星体们在做相对运动，它们的时间就是有差异的。向着发光恒星飞去的火箭，它与光的相对速度，比之于发射场这儿原地不动的观察者，分明应该更大些，然而，火箭上所测得的光速，依然是每秒30万公里。这只能推导出下面的结果：火箭上的时钟竟然变慢了！或曰，它的“秒”变大了。

万物都在相对运动，而没有一个普适或绝对的时间，这成为相对论产生的原始基础。

因而，科学家们提出了一个有趣的“孪生子佯谬”。

一对孪生子，哥哥乘坐火箭去做星际航行，弟弟留在地球上。如果火箭的速度接近光速，火箭上面的时钟变慢了，秒变大了，哥哥按自己的时间航行一年，或许弟弟在地球上就过了几十年。当哥哥回到地球，他的弟弟早已变成了一个老翁。

这便仿佛有点“天上方七日，地下已千年”的意味了。

在“孪生子佯谬”的假想中，做相对运动的哥哥和弟弟，尽管使用标准的相同的石英钟，他们却显然有着各自不同的时间。

第七章 时间之维

在爱因斯坦和霍金之前，伟大的牛顿奠定了现代天体物理学的基础。

牛顿提出了“万有引力”的概念，很好地解释了月亮环绕地球、地球等行星环绕太阳运动的现象。

牛顿的理论，限于当时的科技能力局限，建立在宇宙有一个普适客观的时间和恒定的空间这样的条件之上。

而当代天体物理学突飞猛进，日新月异，发生了几乎可以称之为颠覆性的革命性进展。

宇宙在膨胀之中，这推翻了宇宙空间恒定的设想。

时间并非一个普适客观的量，它与宇宙内的天体各自的运动紧密相关。时间与空间，纠缠在一起，而并非漠不相关。

爱因斯坦的广义相对论认为：时空是弯曲的。他用时空弯曲，对万有引力做出了当代解释。

他提出，星体的质量和能量，足以弯曲时空。

爱因斯坦找到了表述这种现象的正确的方程，数学家大卫·希尔伯特甚至早几天也独自找到了这一方程。

弯曲时空的全新理论，被称为广义相对论。

1919年，一支英国探险队赴西非观察日食，观察到了光线经过太阳附近而发生了稍微偏折的现象。

至此，广义相对论所预言的时空弯曲，得到了辉煌的确认。

从此，空间与时间，不再是宇宙之内发生事件的背景，而是那些事件的参与者。

从此，惯常理解上的三维空间，应该表述为四维空间。时间，成为不可忽视不能或缺的一维。

——时空弯折，不禁会让人产生种种联想：

宇宙间众多的星系，究竟是附着在“气球”的膜上，还是均匀散布在“海绵”之中。看似立体的空间，也许只是膜上的假象。所谓宇宙之弦，看似一维，然而在那弦内，也许另有高度弯曲的时空。只要你能有办法到达那里，那里便别有洞天。

第八章 核武器的原理

相对论引申出一个重要推论，是质量与能量的关系。

科学家用能量加速任何物体，莫要说火箭那样庞大的设备，即便是对粒子加速，粒子的速度也永远达不到光速。一个粒子，将其加速到光速，会耗费无穷大的能量，而这是人类无法完成的。当赋予粒子更多能量，它的速度越快，其质量也将越大，当它接近光速，它的质量趋于无限大，继续对其加速则越来越困难。只有光和其他没有内秉质量的波，才能以光速运动。这就在同时意味着，没有任何东西可以运动得比光速快。

爱因斯坦的著名公式E=mc²说明，能量（E）和质量(M)是等效的。

像爱因斯坦这样的顶级大师，他希望自己发现的公式，是宇宙间的基本定律。它应该在任何情况之下都能成立，无论是以光年度量的巨大尺度，还是粒子那样的微小尺度。

正是从质量和能量等效的概念出发，科学家们产生出了一个新颖的意识：施加能量，会增加粒子的质量，那么反过来考虑，设法减少某些粒子的质量，它将释放出巨大的能量。比如，让铀原子发生核裂变，使之变成两个总质量稍小的核，质量减少，就会释放出巨大的能量。这便是原子弹等核武器能产生巨大威力的基本原理。

爱因斯坦并没有参与原子弹的具体研究，是有些科学家在爱因斯坦发现的基本定律的基础上，开始了核研究。

当“二战”迫在眉睫威胁世界和平，这些科学家说服了爱因斯坦，以他的权威地位出面，给罗斯福总统写信，要求美国开始这个核研究计划。美国政府予以批准，是为著名的“曼哈顿规划”。

这一规划的进展，导致原子弹产生。到“二战”接近尾声，美国在日本的长崎与广岛投下了原子弹，造成了极其巨大的伤亡。

有人为此谴责爱因斯坦。

霍金幽默地说：将原子弹的发明，归咎于爱因斯坦发现了质能关系，这就如同将飞机失事，归咎于牛顿发现了万有引力。

其实，科学的进步不可阻遏。如果不是原子弹，也许日本军国主义不会乖乖投降，那将会死伤更多的军人与平民。况且，用常规武器三八枪和烧夷弹来杀人，是否就更人道一点？

事实上，自从有了核武器，在它的威慑之下，全人类在“二战”之后方才迎来了长时期的相对和平。

和平利用原子能，已经给人类带来了巨大的好处。

当然，科学的进步从来都是一柄双刃剑。对于科学上的新发明，如何正确使用，严格管控，成为永不停止进步的人类的永恒课题。