《时间简史——从大爆炸到黑洞》

芜湖小李

译者序



    宇宙论是一门既古老又年轻的学科。作为宇宙里高等生物的人类不会满足于自
身的生存和种族的绵延，还一代代不懈地探索着存在和生命的意义。但是，人类理
念的进化是极其缓慢和艰苦的。从亚里士多德——托勒密的地心说到哥白尼——伽
利略的日心说的演化就花了2000年的时间。令人吃惊的是，尽管人们知道世间的一
切都在运动，只是到了本世纪20年代因哈勃发现了红移定律后，宇宙演化的观念才
进入人类的意识。人们甚至从来没有想到过宇宙还会演化。牛顿的万有引力定律表
明，宇宙的物质在引力作用下不可能处于稳定的状态。即使在爱因斯坦的广义相对
论中，情况也好不到哪儿去，为了得到一个稳定的宇宙模型，他曾将宇宙常数引进
理论中。他们都希望在自己的理论中找到稳定的宇宙模型。可见，宇宙演化的观念
并不是产生于这些天才的头脑之中。

    将哈勃的发现当成现代宇宙论的诞生是公平的。哈勃发现，从星系光谱的红移
可以推断，越远的星系以越快的速度离开我们而去，这表明整个宇宙处于膨胀的状
态。从时间上倒溯到过去，估计在100亿到200亿年前曾经发生过一桩开天辟地的大
事件，即宇宙从一个极其紧致、极热的状态中大爆炸而产生。伽莫夫在1948年发表
的一篇关于热大爆炸模型的文章中作出了一个惊人的预言，早期大爆炸的辐射仍残
存在我们周围，不过由于宇宙膨胀引起的红移，其绝对温度只余下几度左右，在这
种温度下，辐射是处于微波的波段。但在1965年彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙微波
背景辐射之前，人们并不认真对待此预言。

    一般认为，爱因斯坦的广义相对论是用于描述宇宙演化的正确的理论。在经典
广义相对论的框架里，霍金和彭罗斯证明了，在很一般的条件下，空间——时间一
定存在奇点，最著名的奇点即是黑洞里的奇点以及宇宙大爆炸处的奇点。在奇点处，
所有定律以及可预见性都失效。奇点可以看成空间时间的边缘或边界。只有给定了
奇点处的边界条件，才能由爱国斯坦方程得到宇宙的演化。由于边界条件只能由宇
宙外的造物主所给定，所以宇宙的命运就操纵在造物主的手中。这就是从牛顿时代
起一直困扰人类智慧的第一推动问题。

    如果空间——时间没有边界，则就不必劳驾上帝进行第一推动了。这只有在量
子引力论中才能做到。霍金认为宇宙的量子态是处于一种基态，空间——时间可看
成一有限无界的四维面，正如地球的表面一样，只不过多了两个维数而已。宇宙中
的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的最小起伏。从一些简单的模
型计算可得出和天文观测相一致的推论，如星系、恒星等等的成团结构，大尺度的
各向同性和均匀性，空间——时间的平性，即空间——时间基本上是平坦的，并因
此才使得星系乃至生命的发展成为可能，还有时间的方向箭头等等。霍金的量子宇
宙论的意义在于它真正使宇宙论成为一门成熟的科学，它是一个自足的理论，即在
原则上，单凭科学定律我们便可以将宇宙中的一切都预言出来。

    本书作者是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。70年代他和彭罗斯一道证
明了著名的奇性定理，为此他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他还证明了黑
洞的面积定理，即随着时间的增加黑洞的面积不减。这很自然使人将黑洞的面积和
热力学的熵联系在一起。1973年，他考虑黑洞附近的量子效应，发现黑洞会像黑体
一样发出辐射，其辐射的温度和黑洞质量成反比，这样黑洞就会因为辐射而慢慢变
小，而温度却越变越高，它以最后一刻的爆炸而告终。黑洞辐射的发现具有板其基
本的意义，它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。

    1974年以后，他的研究转向量子引力论。虽然人们还没有得到一个成功的理论，
但它的一些特征已被发现。例如，空间——时间在普郎克尺度（10^-33厘米）下不
是平坦的，而是处于一种泡沫的状态。在量子引力中不存在纯态，因果性受到破坏，
因此使不可知性从经典统计物理、量子统计物理提高到了量子引力的第三个层次。

    1980年以后，他的兴趣转向量子宇宙论。

    本书的副题是从大爆炸到黑洞。霍金认为他一生的贡献是，在经典物理的框架
里，证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性，黑洞越变越大；但在量子物理的框架
里，他指出，黑洞因辐射而越变越小，大爆炸的奇点不但被量子效应所抹平，而且
整个宇宙正是起始于此。

    理论物理学的细节在未来的20年中还会有变化，但就观念而言，现在已经相当
完备了。

    霍金的生平是非常富有传奇性的，在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学
家之一，他的贡献是在他20年之久被卢伽雷病禁锢在轮椅上的情况下做出的，这真
正是空前的。因为他的贡献对于人类的观念有深远的影响，所以媒介早已有许多关
于他如何与全身瘫痪作搏斗的描述。尽管如此，译者之一于1979年第一回见到他时
的情景至今还历历在目。那是第一次参加剑桥霍金广义相对论小组的讨论班时，门
打开后，忽然脑后响起一种非常微弱的电器的声音，回头一看，只见一个骨瘦如柴
的人斜躺在电动轮椅上，他自己驱动着电开关。译者尽量保持礼貌而不显出过分吃
惊，但是他对首次见到他的人对其残废程度的吃惊早已习惯。他要用很大努力才能
举起头来。在失声之前，只能用非常微弱的变形的语言交谈，这种语言只有在陪他
工作、生活几个月后才能通晓。他不能写字，看书必须依赖于一种翻书页的机器，
读文献时必须让人将每一页摊平在一张大办公桌上，然后他驱动轮椅如蚕吃桑叶般
地逐页阅读。人们不得不对人类中居然有以这般坚强意志追求终极真理的灵魂从内
心产生深深的敬意。从他对译者私事的帮助可以体会到，他是一位富有人情味的人。
每天他必须驱动轮椅从他的家——剑桥西路5号， 经过美丽的剑河、古老的国王学
院驶到银街的应用数学和理论物理系的办公室。该系为了他的轮椅行走便利特地修
了一段斜坡。

    在富有学术传统的剑桥大学，他目前担任着也许是有史以来最为崇高的教授职
务，那是牛顿和狄拉克担任过的卢卡逊数学教授。

    本书译者之一曾受教于霍金达四年之久，并在他的指导下完成了博士论文。此
书即是受霍金之托而译成中文，以供占人类五分之一的人口了解他的学说。

                                                      ——许明贤  吴忠超

感  谢



    1982年我在哈佛作过洛伊伯（Loeb）演讲之后，决定尝试写一本关于空间和时
间的通俗读物。从像史蒂芬·温伯格《最初三分钟》那么好的，到那些甚至我都不
想点名的差劲的，关于早期宇宙和黑洞的书已经出版了可观的数量。然而，我觉得
它们之中的任何一本都未真正提到那些导致我研究宇宙学和量子理论的动机的问题：
宇宙从何而来？它为什么，井怎么样开始的？它会有末日吗？如果有的话，会发生
什么？这些是我们大家都感兴趣的问题。但是现代科学变得如此之技术化，以至于
仅有极少数的专家能掌握解释这些问题所用到的数学。不过关于宇宙的起源和命运
的基本概念则可以离开数学，以一种没有受过科学训练的人也能理解的形式来加以
陈述。这就是我在这本书里试图要做的，是否成功则要由读者判断了。

    有人告诉我，我放在书中的每一个方程都会使本书的销售量减半，为此我决定
一个方程也不用。 然而，在最后我确实用了一个方程，即爱因斯坦著名的方程E＝
mc^2，我希望这个方程不会吓跑一半我的潜在读者。

    除了够倒霉地得了卢伽雷即运动神经细胞的病外，我几乎在其他每个方面都是
幸运儿。我从我的妻子筒、我的孩子罗伯特、露西和梯米那儿得到的帮助和支持，
使我能有一个相当正常的生活和成功的事业。我选择了理论物理是又一大幸，因为
它是整个用脑进行的。所以我的瘫痪并没有成为一个严重的障碍。我的科学同事无
一例外地都是非常乐于助人的。

    在我生涯的第一个“经典”相期间，我主要的合作者及助手有罗杰·彭罗斯、
罗伯特·格罗许、布兰登·卡特和乔治·埃里斯。我对他们给予我的帮助以及我们
一起做的工作深表感谢。这一相被概括为我和埃里斯合写于1973年的《空间时间的
大尺度结构》一书中。我并不主张本书的读者去啃那本书来获得进一步的了解：它
是高度技术性的，很难读通。我希望从写了那本书之后我懂得了用何种写法才能容
易被理解。

    在我的工作的第二个“量子”相期间，从1974年起我主要的合作者是盖瑞·吉
朋斯、当·佩奇和詹姆·哈特尔。我欠了他们和我的学生们很多情。他们不仅在身
体上，而且在理论上都给了我极大的帮助。保持和我的学生相处在一起是一个巨大
的激励，同时我希望这能帮助我免于因循守旧。

    就这本书而言，我从我的一个学生布里安·维特那儿得到许多帮助。1985年我
在完成了第一稿后得了肺炎。我不得不接受穿气管的手术。这个手术使我丧失了说
话的能力，从而使我几乎无法和人交谈。我想可能完成不了这本书了。然而，布里
安不仅帮助我修改，还使我学会使用一个叫做“生活中心”的通讯程序。这是由加
利福尼亚太阳谷峨而兹·帕拉斯公司的瓦特·沃尔托兹捐赠的，我可以用它写书和
写论文，并用语言合成器对人讲话。这合成器也是由加利福尼亚太阳谷的语言及其
他公司捐赠的。语言合成器和一个小型的个人计算机由大卫·梅森装在我的轮椅上。
这个系统使我有了巨大的变化：实际上我现在能够通讯得比我失声之前还要好。

    我从大量看过最初稿的人那儿得到如何改进此书的建议，特别是我的拜泰姆书
社的编辑彼得·古查底送给我厚厚的一迭关于他觉得我还没有适当说清楚的地方的
评语和疑问。我必须承认。当我收到他长长的要修改的地方的清单时相当恼火。可
是，他是完全对的。我相信在他的酷使下，最终使这本书变得更好。

    我非常感谢我的助手柯林·威廉斯、大卫·托玛斯和雷蒙·拉夫勒蒙；我的秘
书朱迪·费拉、安·若尔夫、谢锐尔·比林顿和舒·马赛以及我的护士班。若没有
龚维尔和凯尔斯学院、科学工程研究协会、赖佛荷尔姆、马克阿瑟、纳菲尔德及若
尔夫·斯密斯基金会所提供的我的研究和医药费用，所有这一切都是不可能的。对
此谨表谢意。



                                                        ——史蒂芬·霍金

                                                          1987年10月20日

导  言



    我们在几乎对世界毫无了解的情形下进行日常生活。我们对于使生命得以实现
的阳光的产生机制，对于将我们束缚在地球上，否则我们就会以涡旋的轨道被抛到
太空去的重力， 对于我们由之构成并依赖其稳定性的原子思考得很少。 除了小孩
（他们知道太少，会不知轻重地问重要的问题），我们中很少人会用大量时间惊讶
自然界为何这个样子；宇宙从何而来或它是否总在这儿；时间会不会有朝一日倒流，
并因此导致果先于因；或者人类认识是否有一最终的权限。甚至我曾遇到一些小孩，
他们想要知道黑洞是什么样的？物质的最小的部份是什么？为何我们记住过去而不
是将来；如果早先是紊乱的，则今天显然是有序的，这究竟是怎么回事？为何存在
一个宇宙？

    在我们社会里，父母或老师仍然依惯例用耸肩膀或借助模糊回想起的宗教格言
去回答这些问题的大部份。有一些人则对这一类的问题感到不舒服，因为它们如此
生动地暴露了人类理解的局限性。

    但是，哲学和科学的大部份即是由这种好奇心所驱动的。越来越多的成年人愿
意问这类问题，并且他们偶尔得到一些使其惊奇的答案。我们这些离开原子和恒星
同样远的人类，正在扩大自己探索的视野去拥抱这非常小和非常大的对象。

    1974年初，大约在海盗空间飞船登陆火星之前两年，我参加在英国由伦敦皇家
学会主办的关于探索如何寻找天外生命的会议。

    在会议中间休息时，我注意到在隔壁的大厅里正举行一个更大得多的会议，出
于好奇心我进去了。我很快意识到自己见证了一个古代的仪式，是一个新会员参加
皇家学会——这个本行星上最古老的学术组织的授职式。前排一位在轮椅中的年轻
人正非常缓慢地将他的名字签在一本书上，而这本书的最前页是伊萨克·牛顿的签
名。当他最后签好时，大厅里响起了一阵响亮的掌声。史蒂芬·霍金，甚至在那时
就是一位传说中的人物。

    现在霍金是剑桥大学的卢卡逊数学教授。这个职务曾为牛顿，后来又为狄拉克，
这两位非常大和非常小的世界的有名的探索者担任过。他是他们的毫不逊色的继承
人。这本霍金首次为非专家写的书，会给外行读者以多种类的酬劳。和这本书的广
泛的内容一样有趣的是对作者智力工作的浏览。物理、天文、宇宙学和勇气的前沿
被清晰地呈现在本书之中。

    这又是一本关于上帝……或许是关于上帝不存在的书。处处充满了上帝这个字
眼。霍金着手回答爱因斯坦著名的关于上帝在创生宇宙时有无选择性的问题。正如
霍金明白声称的，他企图要去理解上帝的精神。这使得迄今所有努力的结论更加出
人意外：一个空间上无边缘、时间上无始无终、并且造物主无所事事的宇宙。


                                                          ——卡尔·沙冈

                                                              康奈尔大学
                                                          绮色佳，纽约州

wawamama

很不错的东西

yanlihua

好资料！值得中学生甚至大学生阅读！

chai679326

虽然很多读不懂,但是依然令人耳目一新!

chai679326

精彩的理论,但也比较难懂,需要继续学习!

miewendeng

谢谢，辛苦了。学习中。

xfddl

好长呀？
辛苦了？！

joyping

谢谢啦！太辛苦您啦！

jian0716

谢谢，进行了一次扫盲教育，辛苦了

芜湖小李

第十一章  结  论



    我们发现自已是处于使人为难的世界中。我们要为自己在四周所看的一切赋予
意义并问道：什么是宇宙的性质？我们在它之中的位置如何，以及宇宙和我们从何
而来？为何它是这个样子的？我们采用某种“世界图”’来试图回答这些问题，如
同无限的乌龟塔——一个支持平坦的地球是这样的一种图象一样，超弦理论也是一
种图象。虽然后者比前者更数学化、更精确，但两者都是宇宙的理论。两个理论都
缺乏观察的证据：没人看到一个背负地球的大龟，但也没有人看到超弦。然而，龟
理论作为一个好的科学理论是不够格的，因为它预言了人会从世界的边缘掉下去。
除非发现它能为据说在百慕达三角消失的人提供解释。这个预言和经验不一致！

    最早先在理论上描述和解释宇宙的企图牵涉到这样的思想，事件或自然现象是
由具备人类感情的灵魂所控制，它们的行为和人类非常相像，并且是不可预言的。
这些灵魂栖息在自然对象之中，诸如河流和山岳，包括诸如太阳和月亮这样的天体
之中。它们必须被祈祷并供奉，以保证土壤的肥沃和四季的变化。然而，一些规律
性逐渐地被注意到：太阳总是东升西落，而不管是否用牺牲去对之进贡。更进一步，
太阳、月亮和行星沿着以被预言得相当精确的轨道穿越天穹。太阳、月亮仍然还可
以是神祗，只不过是服从严格定律的神。如果你不将耶和华停止太阳运行之类的神
话当真，则这一切显然是毫不例外的。

    首先，只有在天文学和一些其他情形下，这些规则和定律是显而易见的。然而
随着文明的发展， 特别是近300年期间，越来越多的规则和定律被发现。这些定律
的成功，使得拉普拉斯在19世纪初主张科学的宿命论。他提议只要给定宇宙在某一
时刻的结构，由给定的一组定律即能精确地决定它的演化。

    拉普拉斯的宿命论在两个方面是不完整的。它没讲定律应该如何选择，也没指
定宇宙的初始结构。这些都留给了上帝。上帝会选择让宇宙如何开始并要服从什么
定律，但是一旦开始之后它将不再干涉。事实上，上帝是被限制于19世纪科学不能
理解的领域里。

    我们现在知道，拉普拉斯的宿命论的希望，至少在按照他头脑中的方式，是不
能实现的。量子力学不确定性原理表明，某些诸如粒子的位置和速度的对偶的量，
不能同时以完全的精确度去预言。

    量子力学通过一族量子理论来处理这种情形，粒子没有很好定义的位置和速度，
而是由一个波来代表。它们给出了这波随时间演化的定律，在这种意义上，这些量
子理论从属于宿命论。这样，如果某一时刻这个波是已知的，便可以将任一时刻的
波算出。只是当我们试图按照粒子的位置和速度对波作解释之时，不可预见性的紊
乱的要素才出现。但这也许是我们的错误：也许不存在粒子的位置和速度，只有波。
只不过是我们企图将波硬套到我们预想的位置和速度的观念之中而己。由此导致的
不一致乃是表面上不可预见性的原因。

    事实上，我们已经重新将科学的任务定义为发现能使我们在由不确定性原理设
定的极限内预言事件的定律。然而，还存在如下问题：宇宙的定律和初始条件是如
何及为何选取的？

    在本书中，我特别将制约引力的定律突出出来，因为正是引力使宇宙的大尺度
结构成形，即使它是四类力中最弱的一种。引力定律和直到相当近代还被坚持的宇
宙随时间不变的观念不相协调：引力总是吸引的这一事实意味着，宇宙必须或者在
膨胀或者在收缩。按照广义相对论，宇宙在过去某一时刻必须有一无限密度的状态，
亦即大爆炸，这是时间的有效起始。类似地，如果整个宇宙坍缩，在将来必有另一
个无限密度的状态，即大挤压，这是时间的终点。即使整个宇宙不坍缩，在任何坍
缩形成黑洞的局部区域里都会有奇点。这些奇点正是任何落进黑洞的人的时间终点。
在大爆炸或其他奇点，所有定律都失效，所以上帝仍然有完全的自由去选择发生了
什么以及宇宙是如何开始的。

    当我们将量子力学和广义相对论相结合，似乎产生了以前从未有过的新的可能
性：空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的没有奇点或边界的空间，这正如
地球的表面，但有更多的维数。看来这种思想能够解释观察到的宇宙的许多特征，
诸如它的大尺度一致性，还有像星系、恒星甚至人类等等小尺度的对此均匀性的偏
离。它甚至可以说明我们观察到的时间的箭头。但是如果宇宙是完全自足的、没有
奇点或边界、并且由统一理论所完全描述，那么就对上帝作为造物主的作用有深远
的含义。

    有一次爱因斯坦问道：“在制造宇宙时上帝有多少选择性？”如果无边界假设
是正确的，在选择初始条件上它就根本没有自由。当然，它仍有选择宇宙所服从的
定律的自由。然而，实在并没有那么多的选择性；很可能只有一个或数目很少的完
整的统一理论，它是自治的，并且允许复杂到像能研究宇宙定律和询问上帝本性的
人类那样的结构的存在。

    即使只存在一个可能的统一理论，那只不过是一组规则或方程。是什么赋予这
些方程以生命去制造一个为它们所描述的宇宙？通常建立一个数学模型的科学方法
不能回答，为何必须存在一个为此模型所描述的宇宙这样的问题。为何宇宙陷入其
存在性的错综复杂之中？是否统一理论是如此之咄咄逼人，以至于其自身之实现成
为不可避免？或者它需要一个造物主？若是这样，它还有其他的宇宙效应吗？又是
谁创造了造物主？

    迄今，大部分科学家太忙于发展描述宇宙为何物的理论，以至于没工夫去过问
为什么的问题。另一方面，以寻根究底为己任的哲学家不能跟得上科学理论的进步。
在18世纪，哲学家将包括科学在内的整个人类知识当作他们的领域，并讨论诸如宇
宙有无开初的问题。然而，在19和20世纪，科学变得对哲学家，或除了少数专家以
外的任何人而言，过于技术性和数学化了。哲学家如此地缩小他们的质疑的范围，
以至于连维特根斯坦——这位本世纪最著名的哲学家都说道：“哲学仅余下的任务
是语言分析。”这是从亚里士多德到康德以来哲学的伟大传统的何等的堕落！

    然而，如果我们确实发现了一套完整的理论，它应该在一般的原理上及时让所
有人（而不仅仅是少数科学家）所理解。那时，我们所有人，包括哲学家、科学家
以及普普通通的人，都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨论。如果我们对此找
到了答案，则将是人类理智的最终极的胜利——因为那时我们知道了上帝的精神。

阿尔贝特·爱因斯坦



    爱因斯坦和核弹政治的瓜葛是众所周知的：他签署了那封著名的致富兰克林·
罗斯福总统的信，说服美国认真考虑他的想法，并且他在战后从事阻止核战争的各
项努力。但是，这些不仅仅是一位科学家被拖入政界的孤立行动。事实上，爱因斯
坦的一生用他自己的话来说是“踌躇于政治和方程之间。”

    爱因斯坦最早从事政治活动是在第一次世界大战，当时他在柏林当教授。由于
目睹草菅人命而不胜厌恶，他卷入了反战示威。他拥护国内反抗以及公开鼓励人民
拒绝征兵，因而不讨他的同事们喜欢。后来，在战时他又致力于调解和改善国际关
系。这也不得人心，而且他的政治态度很快使他难以访问美国，甚至连讲学都有困
难。

    爱因斯坦第二个伟大的事业是犹太复国主义。虽然他在血统上是犹太人，但他
拒绝《圣经》上关于上帝的说法。然而，第一次世界大战之前和期间，他越发看清
反犹主义，这导致他逐渐和犹太团体相认同，而后成为一个直言不讳的犹太复国主
义的拥护者。再度不受欢迎也未能阻止他发表自己的主张。他的理论一发表就受到
攻击，甚至成立了一个反爱因斯坦的组织。有一个人被定罪为教唆他人去谋杀爱因
斯坦（只罚了6美金）。但爱因斯坦是冷静的：当一本书以题为《100个反爱因斯坦
的作家》出版时，他反驳道：“如果真是我错了的话，那么一个人反对我就足够了！”

    1933年，希特勒上台了，爱因斯坦正在美国，他宣布不再回德国。后来纳粹义
勇军抄查了他的房子，并没收了他的银行账号。一家柏林报纸的头条写道：“来自
爱因斯坦的好消息——他不回来了。”面对着纳粹的威胁，爱因斯坦放弃了和平主
义，终于忧虑到德国科学家会制造核弹，因而建议美国应该发展自己的核弹。但是，
即使在第一枚原子弹爆炸之前，他就曾经公开警告过核战争的危险，并提议对核武
器进行国际控制。

    贯穿爱因斯坦一生，他致力于和平的努力可能成效甚微——肯定只说服了很少
的朋友。然而，他对犹太复国主义事业的口头支持在1952年被及时承认，其时他被
推荐为以色列的总统。但他谢绝了。他说他认为自己在政治上太天真。可是，也许
其真正的原因却并非如此，再次引用他自己的话：“方程对我而言更重要些，因为
政治是为当前，而一个方程却是一种永恒的东西。”


伽利雷·伽利略



    伽利略可能比任何其他的人更有资格称为近代科学的奠基人。其与天主教会名
闻遐迩的冲突是他哲学的中心事件。这是因为伽利略是作如下论断最早的人之一：
人类有望理解世界是怎样运行的，而且我们还能通过观察现实世界来做到这一点。

    伽利略很早就相信哥白尼理论（即行星绕太阳公转），但只有当他发现了证据
来支持这一学说时，才公开表示支持。他用意大利文写有关哥白尼理论的文章（没
有用普通的学院式拉丁文），并且他的观点很快就广泛地得到大学界之外的支持。
这惹怒了亚里士多德派的教授们，他们联合起来反对他，并极力说服天主教会禁止
哥白尼主义。

    伽利略为此而担心，他赶到罗马去向天主教权威当面申诉。他争辩道，《圣经》
并未试图告诉我们任何关于科学理论的东西，通常都是假定，当《圣经》和常识发
生矛盾时，就成为比喻。但是教会害怕这丑闻可能伤害它对新教徒的斗争，所以采
取了镇压的手段。1616年，它宣布哥白尼主义是“虚伪的、错误的”，并命令伽利
略不准再“保卫或坚持”这一学说。伽利略勉强接受了。

    1623年，伽利略的一位长期朋友成为教皇。伽利略立即试图为1616年的判决翻
案。他失败了，但他设法获得了准许，在两个前提下写一本叙述亚里士多德派和哥
白尼派理论的书：他不能有倾向，同时要得出结论，人类在任何情况下都无法决定
世界是如何运行的，因为上帝会以人类不能想像的方法来达到同样的效果，而人类
不能限制上帝的万能。

    这本题为《关于两个主要世界体系的对话》的书，于1632年在检查官的全面支
持下完成并出版了，并且立刻被全欧洲欢呼为文学和哲学的杰作。不久教皇就意识
到，人们把这本书看作是确认哥白尼主义的论证，后悔允许该书出版。教皇指出，
虽有检查官正式批准出版该书，但伽利略依然违背了1616年的禁令。他把伽利略带
到宗教法庭面前，宣布他终身软禁，并命令他公开放弃哥白尼主义。伽利略又第二
次被迫从命。

    伽利略始终是一个忠实的天主教徒，但是他对科学独立的信仰从来未被动摇过。
1642年， 即他逝世前4年，当他仍然被软禁时，他第二本主要著作的手稿被私下交
给一个荷兰的出版商。正是这本被称为《两种新科学》的书，甚至比支持哥白尼更
进一步，成为现代物理学的起源。

伊萨克·牛顿



    伊萨克·牛顿不是一个讨人喜欢的人物。他和其他院士的关系声名狼藉。他晚
年的大部分时间都是在激然的争吵纠纷中渡过。随着那部肯定是物理学有史以来最
有影响的书——《数学原理》的出版，牛顿很快就成为名重一时的人物。他被任命
为皇家学会主席，并成为第一个被授予爵士的科学家。

    牛顿不久就与皇家天文学家约翰·夫莱姆斯梯德发生冲突。他早先曾提供牛顿
许多《原理》一书所需的数据，后来他扣压了牛顿需要的资料。牛顿是不许别人回
答“不”字的，他自封为皇家天文台的大总管，然后迫使立即出版这些数据。最后，
他指使夫莱姆斯梯德的冤家对头爱德蒙·哈雷夺得夫莱姆斯梯德的工作成果，并且
准备出版。可是夫莱姆斯梯德告到法庭去，在最紧要关头，赢得了法庭的判决：不
得散发这剽窃的著作。牛顿被激怒了，作为报复，他就在后来的《原理》版本中系
统地删除所有来自夫莱姆斯梯德的引证。

    他和德国哲学家高特夫瑞德·莱布尼兹之间发生了更严重的争吵。莱布尼兹和
牛顿各自独立地发展了叫做微积分的数学分支，它是大部分近代物理的基础。虽然
现在我们知道，牛顿发现微积分要比莱布尼兹早若干年，可是他很晚才出版他的著
作。随着关于谁是第一个发现者的严重争吵的发生，科学家们激烈地为双方作辩护。
然而值得注意的是，大多数为牛顿辩护的文章均出自牛顿本人之手，只不过仅仅用
朋友的名义出版而已！当争论日趋激烈时，莱布尼兹犯了向皇家学会起诉来解决这
一争端的错误。牛顿作为其主席，指定了一个清一色的由牛顿的朋友组成的“公正
的”委员会来审查此案。更有甚者后来牛顿自己写了一个委员会报告，并让皇家学
会将其出版，正式地谴责莱布尼兹剽窃。牛顿还不满意，他又在皇家学会自己的杂
志上写了一篇匿名的、关于该报告的回顾。据报道，莱布尼兹死后，牛顿扬言他为
伤透了莱布尼兹的心而洋洋得意。

    在这两次争吵期间，牛顿已经离开剑桥和学术。在剑桥他曾积极从事反天主教
运动，后来在议会中也很活跃，最终作为酬报，他得到皇家造币厂厂长的肥缺。在
这里，他以社会上更能接受的方式，施展他那狡狯和刻薄的能耐，成功地导演了一
场反对伪币的重大战役，甚至将几个人送上了绞刑架。



小辞典



    绝对零度：所能达到的最低的温度，在这温度下物体不包含热能。

    加速度：物体速度改变的速率。

    人择原理：我们之所以看到宇宙是这个样子，只是因为如果它不是这样，我们
就不会在这里去观察它。

    反粒子：每个类型的物质粒子都有与其相对应的反粒子。当一个粒子和它的反
粒子碰撞时，它们就湮灭，只留下能量。

    原子：通常物质的基本单元，是由很小的核于（包括质子和中子）以及围着它
转动的电子所构成。

    大爆炸：宇宙开端的奇点。

    大挤压：宇宙终结的奇点。

    黑洞：空间—时间的一个区域，因为那儿的引力是如此之强，以至于任何东西，
甚至光都不能从该处逃逸出来。

    强德拉塞卡极限：一个稳定的冷星的最大的可能的质量的临界值，若比这质量
更大的恒星，则会坍缩成一个黑洞。

    能量守恒：关于能量（或它的等效质量）既不能产生也不能消灭的科学定律。

    坐标：指定点在空间—时间中的位置的一组数。

    宇宙常数：爱因斯坦所用的一个数学方法，该方法使空间—时间有一固有的膨
胀倾向。

    宇宙学：对整个宇宙的研究。

    电荷：粒子的一个性质，由于这性质粒子排斥（或吸引）其他与之带相同（或
相反）符号电荷的粒子。

    电磁力：带电荷的粒子之间的相互作用力，它是四种基本力中第二强的力。

    电子：带有负电荷并绕着一个原子核转动的粒子。

    弱电统一能量： 大约为100吉电子伏的能量，在比这能量更大时，电磁力和弱
力之间的差别消失。

    基本粒子：被认为不可能再分的粒子。

    事件：由它的时间和空间所指定的空间—时间中的一点。

    事件视界：黑洞的边界。

    不相容原理：两个相同的自旋为1／2的粒子（在测不准原理设定的极限之内）
不能同时具有相同的位置和速度。

    场：某种充满空间和时间的东西，与它相反的是在一个时刻，只存在于空间—
时间中的一点的粒子。

    频率：对一个波而言，在1秒钟内完整循环的次数。

    伽玛射线：波长非常短的电磁波，是由放射性衰变或由基本粒子碰撞产生的。

    广义相对论：爱因斯坦的基于科学定律对所有的观察者（而不管他们如何运动
的）必须是相同的观念的理论。它将引力按照四维空间—时间的曲率来解释。

    测地线：两点之间最短（或最长）的道路。

    大统一能量：人们相信，在比这能量更大时，电磁力、弱力和强力之间的差别
消失。

    大统一理论（GUT）：一种统一电磁、强和弱力的理论。

    虚时间：用虚数测量的时间。

    光锥：空间—时间中的面，在上面标出光通过一给定事件的可能方向。

    光秒（光年）：光在1秒（1年）时间里走过的距离。

    磁场：引起磁力的场，和电场合并成电磁场。

    质量：物体中物质的量；它的惯性，或对加速的抵抗。

    微波背景辐射：起源于早期宇宙的灼热的辐射，现在它受到如此大的红移，以
至于不以光而以微波（波长为几厘米的无线电波）的形式呈现出来。

    裸奇点：不被黑洞围绕的空间—时间奇点。

    中微子：只受弱力和引力作用的极轻的（可能是无质量的）基本物质粒子。

    中子：一种不带电的、和质子非常类似的粒子，在大多数原子核中大约一半的
粒子是中子。

    中子星：一种由中子之间的不相容原理排斥力所支持的冷的恒星。

    无边界条件：宇宙是有限的但无界的（在虚时间里）思想。

    核聚变：两个核碰撞并合并成一个更重的核的过程。

    核：原子的中心部份，只包括由强作用力将其束缚在一起的质子和中子。

    粒子加速器：一种利用电磁铁能将运动的带电粒子加速，并给它们更多能量的
机器。

    相位：一个波在特定的时刻的在它循环中的位置——一种它是否在波峰、波谷
或它们之间的某点的标度。

    光子：光的一个量子。

    普郎克量子原理：光（或任何其他经典的波）只能被发射或吸收其能量与它们
频率成比例的分立的量子的思想。

    正电子：电子的反粒子（带正电荷）。

    太初黑洞：在极早期宇宙中产生的黑洞。

    比例：“X比例于Y”表示当Y被乘以任何数时，X也如此；“X反比例于Y”，表
示，当Y被乘以任何数时，X被同一个数除。

    质子：构成大多数原子中的核中大约一半数量的、带正电的粒子。

    量子：波可被发射或吸收的不可分的单位。

    量子力学：从普郎克量子原理和海森堡不确定性原理发展而来的理论。

    夸克：感受强作用力的带电的基本粒子。每一个质子和中子都是由三个夸克组
成。

    雷达：利用脉冲无线电波的单独脉冲到达目标并折回的时间间隔来测量对象位
置的系统。

    放射性：一种类型的原子核自动分裂成其他的核。

    红移：由于多普勒效应，从离开我们而去的恒星发出的光线的红化。

    奇点：空间—时间中空间—时间曲率变成无穷大的点。

    奇点定理：这定理是说，在一定情形下奇点必须存在——特别是宇宙必须开始
于一个奇点。

    空间—时间：四维的空间，上面的点即为事件。

    空间的维：空间—时间的类空的、也就是除了时间的维之外的三维的任一维。

    狭义相对论：爱因斯坦的基于科学定律对所有进行自由运动的观察者（不论他
们的运动速度）必须相同的观念。

    谱：诸如电磁波对它的分量频率的分解。

    自旋：相关于但不等同于日常的自转概念的基本粒子的内部性质。

    稳态：不随时间变化的态：一个以固定速率自转的球是稳定的，因为即便它不
是静止的，在任何时刻它看起来都是等同的。

    强力：四种基本力中最强的、作用距离最短的一种力。它在质子和中子中将夸
克束缚在一起，并将质子和中子束缚在一起形成原子。

    不确定性原理：人们永远不能同时准确知道粒子的位置和速度；对其中一个知
道得越精确，则对另一个就知道得越不准确。

    虚粒子：在量子力学中，一种永远不能直接检测到的，但其存在确实具有可测
量效应的粒子。

    波／粒二象性：量子力学中的概念，是说在波动和粒子之间没有区别；粒子有
时可以像波动一样行为，而波动有时可以像粒子一样行为。

    波长：对于一个波，在两相邻波谷或波峰之间的距离。

    弱力：四种基本力中第二弱的、作用距离非常短的一种力。它作用于所有物质
粒子，而不作用于携带力的粒子。

    重量：引力场作用到物体上的力。它和质量成比例，但又不同于质量。

    白矮星：一种由电子之间不相容原理排斥力所支持的稳定的冷的恒星。