我們從何處來，我們向何處去，這是任何生命和文明與生俱來的最大詰問?？上У氖牵踔廖拿鞯臍v史和宇宙時(shí)空的尺度相比都是微不足道的。在它們非?？蓱z的感知中，時(shí)間似乎是從無限的過去向無限的未來流逝，而空間仿佛是向著三維的方向無限延伸。無論是屈子的《天問》，還是柳子的《天對(duì)》，都對(duì)時(shí)間和空間是無限的還是有限的迷惑不安。在《純粹理性批判》中，康德將其明晰地表述為二律背反。
對(duì)于宇宙以及時(shí)間和空間的認(rèn)識(shí)，人類經(jīng)歷了一個(gè)漫長的歷史。
伽利略相對(duì)論的精義是，在做相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的不同參考系中物理定律采取相同的形式；速度失去了絕對(duì)的意義。牛頓的經(jīng)典力學(xué)和萬有引力定律適用于地面萬物乃至天體的運(yùn)動(dòng)。牛頓理論在并只在所有的慣性參考系中成立，不同的慣性參考系做相互勻速運(yùn)動(dòng)。
法拉第-麥克斯韋的電磁學(xué)預(yù)言，電磁波，比如光，在真空中以恒定的常數(shù)-光速傳播。這就和伽利略相對(duì)論相沖突。為了解除這個(gè)沖突，愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論。在該理論中，時(shí)間和空間被合并成平坦的四維時(shí)空，而物體的尺度、同時(shí)性、時(shí)間間隔都喪失了絕對(duì)性。狹義相對(duì)論的一個(gè)重要推論是能量和質(zhì)量相等同。
馬赫質(zhì)疑伽利略相對(duì)論和狹義相對(duì)論中慣性系的優(yōu)越性，他明確排斥旋轉(zhuǎn)的絕對(duì)性。 他認(rèn)為慣性系不是先驗(yàn)的，它必然和宇宙中的物質(zhì)整體共動(dòng)。愛因斯坦的廣義相對(duì)論極大地發(fā)展了這個(gè)思想。愛因斯坦認(rèn)為，萬有引力應(yīng)該被體現(xiàn)為時(shí)空的彎曲，正是物質(zhì)的分布使時(shí)空彎曲，而自由粒子在彎曲時(shí)空中沿著最接近直線的所謂測(cè)地線運(yùn)動(dòng)。
愛因斯坦把廣義相對(duì)論應(yīng)用于整個(gè)宇宙標(biāo)志著現(xiàn)代宇宙學(xué)的誕生。為了在廣義相對(duì)論中得到一個(gè)靜態(tài)的宇宙解，他在自己的場(chǎng)方程中引進(jìn)一種反引力，即所謂的宇宙常數(shù)，因而無意間錯(cuò)過了一樁極其重要的預(yù)言：宇宙正在膨脹。
1929年，哈勃發(fā)表了紅移定律：星系正在飛離我們而去，其速度與它和我們之間的距離成正比。宇宙學(xué)家一致認(rèn)為，不是星系在飛離，而是攜帶星系的空間正在膨脹。這樣，如果在時(shí)間上回溯，宇宙在過去的某一時(shí)期應(yīng)該處于一個(gè)極其緊致的極熱的相，這個(gè)相就是后來稱為大爆炸的場(chǎng)景?，F(xiàn)在我們知道，大爆炸發(fā)生在138億年之前。膨脹宇宙的時(shí)空背景由弗里德曼在1922年發(fā)現(xiàn)的度規(guī)來描述。
1948年，伽莫夫等研究了大爆炸場(chǎng)景中的太初核合成。他認(rèn)為，早期的宇宙具有極大的物質(zhì)密度和極高的溫度。在大爆炸后的幾秒鐘，宇宙的物質(zhì)由電子、質(zhì)子、中子和它們的反粒子以及輻射組成，在更早的時(shí)刻則完全由基本粒子組成。
隨著宇宙膨脹，它逐漸冷卻。在大爆炸后38萬年左右，電子和核子結(jié)合成原子，其中主要是氫原子，宇宙因而變成透明的。伽莫夫認(rèn)為，我們還應(yīng)該能夠觀測(cè)到那個(gè)階段的光子，只是由于宇宙的膨脹引起的巨大紅移，它們現(xiàn)在變成了只有幾開氏度溫度的宇宙微波背景輻射。1964年，彭齊亞斯和威爾遜意外地發(fā)現(xiàn)了這個(gè)大爆炸的余輝。目前這個(gè)輻射的溫度被準(zhǔn)確地測(cè)量為2.725開氏度。
弗里德曼時(shí)空度規(guī)的一個(gè)顯著特征是，宇宙起始于一個(gè)尺度為零的奇點(diǎn)。一些前蘇聯(lián)科學(xué)家認(rèn)為，這種奇性是起因于空間的均勻性和各向同性的假設(shè)，而實(shí)際的宇宙并不具備這樣高的對(duì)稱性，所以宇宙應(yīng)壓倒性地不具有大爆炸奇點(diǎn)。盡管如此，1970年，霍金和彭羅斯證明了，在經(jīng)典廣義相對(duì)論中，在非常合理的物質(zhì)條件下，宇宙的大爆炸奇點(diǎn)是不可避免的。經(jīng)典物理和因果性在奇點(diǎn)處都崩潰了。完整的宇宙圖像，尤其是大爆炸起始的物理圖像，應(yīng)借助于還未被發(fā)現(xiàn)的量子引力論來加以描述。
人們可以用已有的物理理論的描述盡可能地逼近大爆炸奇點(diǎn)，直至?xí)r空量子效應(yīng)開始顯著地影響宇宙整體的經(jīng)典演化。但宇宙的行為極端敏感地依賴于它極早期的初始條件。為何現(xiàn)在的宇宙如此平坦？在早先演化中從未有過因果接觸的不同方向上微波背景輻射的溫度為何一致？在極早期宇宙的量子場(chǎng)中，由于一些鄰近的因果不相關(guān)的多個(gè)區(qū)域在相變時(shí)可能形成單極子，而且它們還應(yīng)存活到今天。但為何它們從未被觀測(cè)到？在大爆炸模型中，這三個(gè)所謂的“平性”、“視界”和”單極子”問題都未能得到解釋。
固斯和林德等人認(rèn)為，只要假定在熱大爆炸相之前還存在一個(gè)暴脹相，那時(shí)宇宙的尺度指數(shù)式地快速膨脹，就可以祛除以上三個(gè)問題。暴脹模型的優(yōu)越性在于，宇宙在暴脹之前的無規(guī)性都被攤平并被掃到視界之外，而且宇宙中的結(jié)構(gòu)則純粹地起源于暴脹相的量子場(chǎng)漲落?；艚鹗紫葘?duì)此進(jìn)行計(jì)算。他和吉本斯意識(shí)到這種漲落和他們?cè)缦妊芯窟^的宇宙視界的溫度相關(guān)聯(lián)。漲落的標(biāo)量部分將體現(xiàn)在微波背景輻射的溫度變化，它是星系、星系團(tuán)等宇宙結(jié)構(gòu)的籽。其張量部分就呈現(xiàn)為太初引力波。在之后的歲月里，這些計(jì)算得到很大的改善。標(biāo)量的漲落計(jì)算和觀測(cè)符合得相當(dāng)完美，但太初引力波還未被觀測(cè)到。
1998年，珀?duì)栺R特、施密特與里斯發(fā)現(xiàn)了宇宙正在加速膨脹。人們認(rèn)為，這種加速是由于所謂的暗能量引起的。通過天文學(xué)家和宇宙學(xué)家的不懈努力，人們達(dá)到共識(shí)，宇宙空間是平坦的，宇宙的現(xiàn)有物質(zhì)組成中百分之六十八為暗能量，通常被認(rèn)為就是宇宙常數(shù)，還有百分之五的可見物質(zhì)和百分之二十七的看不見的暗物質(zhì)。
在暴脹模型中，相當(dāng)一般的但并非一切初始條件都導(dǎo)致相同的宇宙演化，所以該模型只能算是一個(gè)半自足的理論模型。如果我們認(rèn)為宇宙是唯一的、包容一切的，則宇宙就必須是完全自足的。做為觀測(cè)者的我們是它的一部分，此外我們的生命和智慧又是宇宙孕育的，所以宇宙學(xué)的研究極端困難，也最富有挑戰(zhàn)性。這比“不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中”要深刻得多！
宇宙學(xué)的最重要問題是它的創(chuàng)生。這是哲學(xué)、神學(xué)和科學(xué)都極端關(guān)注的問題，亦是各種宗教的《創(chuàng)世紀(jì)》的主題。宇宙的創(chuàng)生轉(zhuǎn)換成科學(xué)的術(shù)語應(yīng)是“第一推動(dòng)”。是什么在創(chuàng)生時(shí)刻給宇宙擰上發(fā)條，接著使它遵循著科學(xué)定律演化至今？
人們嘗試了各種手段來研究宇宙的“第一推動(dòng)”，也就是設(shè)定宇宙創(chuàng)生時(shí)刻的邊界條件?；艚鹪?981年于梵蒂岡提出了“無邊界設(shè)想”：宇宙的邊界條件是它沒有邊界！沒有一種邊界條件比霍金提出的“無邊界設(shè)想”更為簡單、更為合理，也因此而更為美麗！
“無邊界設(shè)想”使物理定律不僅制約宇宙的演化，還制約宇宙的創(chuàng)生，使上帝在宇宙中沒有存身之處。宇宙本身是物理定律的實(shí)現(xiàn)。時(shí)空不能外在于宇宙。這個(gè)思想揭示了宇宙無中生有的場(chǎng)景?，F(xiàn)在問題歸結(jié)為宇宙為什么存在？而存在卻是沒有定義的。
霍金曾經(jīng)對(duì)我說過，他對(duì)科學(xué)的最重要貢獻(xiàn)是提出了“無邊界設(shè)想”，但學(xué)界卻公認(rèn)黑洞物理，尤其是霍金輻射是他的最大貢獻(xiàn)。霍金認(rèn)為，這是因?yàn)楹诙次锢硪呀?jīng)被普遍接受。他提出黑洞輻射理論時(shí)，人們還在爭論黑洞是否存在。現(xiàn)在再也沒有人懷疑它的存在了。
黑洞遵循所謂的“無毛定理”，它可僅僅由三個(gè)參數(shù)質(zhì)量、電荷和角動(dòng)量來描述。因此黑洞就成為極度純粹的研究對(duì)象。在經(jīng)典物理中，黑洞的表面即視界是只允許物質(zhì)落進(jìn)去而不能逃逸出來的單向膜?；艚鹩?970年發(fā)現(xiàn)的黑洞面積不減定律最清晰地體現(xiàn)了這一不可逆的過程：黑洞的視界面積永遠(yuǎn)不可能減小；當(dāng)多個(gè)黑洞合并時(shí)，其視界面積的總和也是如此。
人們通常認(rèn)為，所有的不可逆過程都應(yīng)該由熱力學(xué)第二定律即熵增定律來制約。當(dāng)然我們現(xiàn)在知道這和時(shí)間箭頭相關(guān)聯(lián)。自然存在多種時(shí)間箭頭，人們還在探尋究竟何種箭頭最為基本。在黑洞面積定律發(fā)表后不久，柏肯斯坦就很自然地將黑洞的視界面積猜測(cè)為黑洞的熵。但在經(jīng)典物理中，無物可以從黑洞離開，所以它的溫度必須為零；而熱力學(xué)第三定律說，零溫度意味著熵根本是零。這就導(dǎo)致一個(gè)尖銳的矛盾。
1974年，霍金研究了黑洞時(shí)空背景的量子場(chǎng)。真空充滿了不斷創(chuàng)生不斷湮滅的粒子反粒子對(duì)。在視界附近這些對(duì)的一個(gè)成員可能落進(jìn)黑洞，而另一個(gè)成員可能也落進(jìn)去，但也可能飛往無限遠(yuǎn)處。這些飛離的粒子具有黑體輻射的譜。在最簡單的黑洞情形下，譜的溫度和黑洞的質(zhì)量成反比。這樣隨著黑洞輻射，黑洞的質(zhì)量降低，相應(yīng)的溫度升高，輻射加劇，溫度就變得更高，如此反復(fù)正反饋，黑洞最終在一次爆炸中消失殆盡。
引力坍縮形成黑洞，落進(jìn)黑洞的物質(zhì)的信息全部消逝，除了“無毛定理”的三個(gè)參數(shù)之外。這就引起了信息丟失問題。這個(gè)問題在物理學(xué)界爭論了四十年。最近霍金等人認(rèn)為，這些信息作為軟毛被編碼到視界上，因此信息并沒有丟失。
總之，黑洞的霍金輻射的場(chǎng)景體現(xiàn)了引力論、量子論和信息論的一種統(tǒng)一。受黑洞輻射的啟發(fā)，人們提出了引力全息原理。人們進(jìn)而詰問，時(shí)空和信息何者更為基本。從牛頓、康德的先驗(yàn)的時(shí)間和空間，到馬赫與宇宙物質(zhì)共動(dòng)的空間，再到愛因斯坦與粒子相互作用的時(shí)空，乃至對(duì)時(shí)空本體論的質(zhì)疑，理性的鋒芒所向披靡，銳不可擋。
霍金對(duì)宇宙學(xué)和黑洞研究的精華被凝聚在這部《時(shí)間簡史》中。不少讀者對(duì)這個(gè)書名有許多疑惑。就沒有定義而言，仿佛時(shí)間并不比存在稍好些，對(duì)于如此沒有內(nèi)容的時(shí)間，何謂歷史？其實(shí)，回顧霍金的研究生涯，對(duì)這問題就豁然貫通了。
廣義相對(duì)論的奇性定理的研究使他在早年就已成為耀眼的明星，黑洞面積定律，尤其是霍金輻射的發(fā)現(xiàn)使他成為當(dāng)代最重要的引力物理學(xué)家，而“無邊界設(shè)想”終于祛除了長期折磨人類文明的“第一推動(dòng)”問題。所有這一切研究都是與時(shí)間的有限無限、時(shí)間的起始和終結(jié)、實(shí)時(shí)間和虛時(shí)間息息相關(guān)。三十年前可以設(shè)想，實(shí)際上歷史已經(jīng)證明，如果這本書直接用宇宙或黑洞做主名，那么這個(gè)名字早就被磨損了。因?yàn)榧兇?，必將永恒。?dāng)然，宇宙和黑洞是最美麗的科學(xué)對(duì)象，否則何以世上最好的頭腦無怨無悔地將生命奉獻(xiàn)給它們！正如音樂是最純粹的藝術(shù)，宇宙學(xué)是最純粹的科學(xué)。
這部書被公認(rèn)為近幾十年來影響最大的科學(xué)著作，其原因如下：
本書的主題是認(rèn)識(shí)我們居住其中的宇宙，這正是生命和文明的最重要的詰問。
作者輝煌的學(xué)術(shù)生涯主導(dǎo)著引力物理和宇宙學(xué)前沿的潮流。
全書洋溢著創(chuàng)造的激情，一切從事科學(xué)甚至藝術(shù)的人士都可從中得到靈感。
作者與疾病搏斗的歷史，體現(xiàn)了人類的堅(jiān)強(qiáng)意志，無疑是生命的奇跡。
他以重病之身對(duì)地球上乃至宇宙中的文明命運(yùn)之持續(xù)關(guān)注和思考，并不時(shí)發(fā)出獨(dú)特聲音，起到一種無可替代的社會(huì)活動(dòng)家功能。
上世紀(jì)六十年代，宇宙學(xué)和天體物理即將轉(zhuǎn)變成科學(xué)主流，而劍橋是近現(xiàn)代學(xué)術(shù)三個(gè)中心之一（另外兩個(gè)中心是哥廷根和普林斯頓）。劍橋不僅是牛頓經(jīng)典力學(xué)和麥克斯韋電磁學(xué)的發(fā)源地，也和生物學(xué)兩次最重大的變革相關(guān)，提出進(jìn)化論的達(dá)爾文在此受教育，克里克和華森在此發(fā)現(xiàn)了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。此地群星燦爛，輝映古今。霍金正是上個(gè)世紀(jì)60年代和劍橋的時(shí)空交匯點(diǎn)涌現(xiàn)的歷史人物。
1980年，霍金被選為劍橋大學(xué)崇高的盧卡斯數(shù)學(xué)教授，成為牛頓和狄拉克的傳人。他對(duì)同類的貢獻(xiàn)是這個(gè)星球的驕傲。
本人有幸在霍金的指導(dǎo)下于1984年初獲得劍橋大學(xué)博士學(xué)位，研究的主題是極早期宇宙相變泡碰撞的時(shí)空度規(guī)。我在博士論文完成后，跟隨他研究量子宇宙學(xué)。1985年，霍金和我合作發(fā)表了第一個(gè)宇宙波函數(shù)的數(shù)值解。1988年2月24日，他致函給我，授意將其新著《時(shí)間簡史》譯成中文，并隨即寄來了首版書。同年愚人節(jié)這部英文原著正式在全球發(fā)行。
上個(gè)世紀(jì)末，神州大地風(fēng)云際會(huì)，長期封閉的社會(huì)吸納新思想如饑似渴。三十年來，此書對(duì)整個(gè)社會(huì)進(jìn)步的啟蒙推動(dòng)作用，可與這個(gè)古老國度近世引進(jìn)的幾部經(jīng)典相媲美。所有這些都完全出乎人們意料之外。令人欣慰的是，占全球五分之一的人口得以分享這位不世而出的天才的智慧結(jié)晶。（文/吳忠超）
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