时间简史-第3节
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样一个开端，有一种议论是感到必须有“第一原因”来解释宇宙的存在。（在宇宙中，
你总可以将一个事件解释为由于另一个更早的事件所引起的，但是宇宙本身的存在只有
当存在某个开端时才能被解释。）另一种论证是圣·奥古斯丁在他的《上帝之城》的著
作中提出的。他指出，文明在进步，我们将记住创造这些业绩和发展技术的人们。这样
人，也许宇宙，不可能已经存在了太长的时间。圣·奥古斯丁根据《创世纪》一书，接
受公元前5000年作为宇宙的被创生的时间。（有趣的是，这和上一次的冰河时间的结束，
大约公元前1 年相距不远。考古学家告诉我们，文明实际上是从那时开始的。）
另一方面，亚里士多德和大多数其他希腊哲学家不喜欢创生的思想，因为它带有太
多的神学干涉的味道。所以他们相信，人类及其周围的世界已经并且将继续永远存在。
古代的人们已经考虑到上述的文明进步的论点，用周期性洪水或其他灾难的重复出现，
使人类回到文明的开初，来回答上面的话难。
1781年，哲学家伊曼努尔·康德发表了里程碑般的（也是非常模糊的）著作——
《纯粹理性批判》，在这本书中，他深入地考察了关于宇宙在时间上是否有开端、空间
上是否有极限的问题。他称这些问题为纯粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因为他感
到存在同样令人信服的论据，来证明宇宙有开端的正命题，以及宇宙已经存在无限久的
反命题。他对正命题的论证是：如果宇宙没有一个开端，则任何事件之前必有无限的时
间。他认为这是荒谬的。他对反命题的论证是：如果宇宙有一开端，在它之前必有无限
的时间，为何宇宙必须在某一特定的时刻开始呢？事实上，他对正命题和反命题用了同
样的论证。它们都是基于他的隐含的假设，即不管宇宙是否存在了无限久，时间均可无
限地倒溯回去。我们将会看到，在宇宙开端之前时间概念是没有意义的。这一点是圣·
奥古斯丁首先指出的。当他被问及：上帝在创造宇宙之前做什么？奥古斯丁没有这样地
回答：他正为问这类问题的人准备地狱。而是说：时间是上帝所创造的宇宙的一个性质，
在宇宙开端之前不存在。
当大部分人相信一个本质上静止不变的宇宙时，关于它有无开端的问题，实在是一
个形而上学或神学的问题。按照宇宙存在无限久的理论，或者按照宇宙在某一个有限时
刻，以给人的印象似乎是已经存在了无限久的样子启动的理论，我们可以同样很好地解
释所观察到的事实。但在1929年，埃德温·哈勃作出了一个具有里程碑意义的观测，即
是不管你往那个方向看，远处的星系正急速地远离我们而去。换言之，宇宙正在膨胀。
这意味着，在早先星体相互之间更加靠近。事实上，似乎在大约100亿至200亿年之前的
某一时刻，它们刚好在同一地方，所以那时候宇宙的密度无限大。这个发现最终将宇宙
开端的问题带进了科学的王国。
哈勃的发现暗示存在一个叫做大爆炸的时刻，当时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧
密。在这种条件下，所有科学定律并因此所有预见将来的能力都失效了。如果在此时刻
之前有过些事件，它们将不可能影响现在所发生的一切。所以我们可以不理它们，因为
它们并没有可观测的后果。由于更早的时间根本没有定义，所以在这个意义上人们可以
说，时间在大爆炸时有一开端。必须强调的是，这个时间的开端是和早先考虑的非常不
同。在一个不变的宇宙中，时间的端点必须由宇宙之外的存在物所赋予；宇宙的开端并
没有物理的必要性。人们可以想像上帝在过去的任何时刻创造宇宙。另一方面，如果宇
宙在膨胀，何以宇宙有一个开端似乎就有了物理的原因。人们仍然可以想像，上帝是在
大爆炸的瞬间创造宇宙，或者甚至在更晚的时刻，以便它看起来就像发生过大爆炸似的
方式创造，但是设想在大爆炸之前创造宇宙是没有意义的。大爆炸模型并没有排斥造物
主，只不过对他何时从事这工作加上时间限制而已！
为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在开端或终结的问题，你必须清楚什么是
科学理论。我将采用头脑简单的观点，即理论只不过是宇宙或它的受限制的一部分的模
型，一些联结这模型和我们所观察的量的规则。它只存在于我们的头脑中，（不管在任
何意义上）不再具有任何其他的实在性。如果它满足以下两个要求，就算是好的理论：
它必须在只包含一些任意元素的一个模型的基础上，准确地描述大批的观测，并对未来
观测的结果作出确定的预言。例如，亚里士多德关于任何东西是由四元素，土、空气、
火和水组成的理论是足够简单的了，但它没有做出任何确定的预言。另一方面，牛顿的
引力理论是基于甚至更为简单的模型，在此模型中两物体之间的相互吸引力和它们称之
为质量的量成正比，并和它们之间的距离的平方成反比。然而，它以很高的精确性预言
了太阳、月亮和行星的运动。
在它只是假设的意义上来讲，任何物理理论总是临时性的：你永远不可能将它证明。
不管多少回实验的结果和某一理论相一致，你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。
另一方面，哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实，即可证伪之。正如科学
哲学家卡尔·波帕所强调的，一个好的理论的特征是，它能给出许多原则上可以被观测
所否定或证伪的预言。每回观察到与这预言相符的新的实验，则这理论就幸存，并且增
加了我们对它的可信度；然而若有一个新的观测与之不符，则我们只得抛弃或修正这理
论。至少被认为这迟早总会发生的，问题在于人们有无才干去实现这样的观测。
实际上经常发生的是，所设计的新理论确实是原先理论的推广。例如，对水星的非
常精确的观测揭露了它的运动和牛顿理论预言之间的很小差异。爱因斯坦的广义相对论
所预言的运动和牛顿理论略有不同。爱因斯坦的预言和观测相符，而牛顿的预言与观测
不相符，这一事实是这个新理论的一个关键证据。然而我们在大部分实际情况下仍用牛
顿理论，因为在我们通常处理的情形下，两者差别非常小。（牛顿理论的另一个巨大的
优点在于，它比爱因斯坦理论容易处理得多！）
科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。然而，大部分科学家遵
循的方法是将这问题分成两部分。首先，是一些告诉我们宇宙如何随时间变化的定律；
（如果我们知道在任一时刻宇宙是什么样子的，则这些定律即能告诉我们以后的任一时
刻宇宙是什么样子的。）第二，关于宇宙初始状态的问题。有些人认为科学只应过问第
一部分，他们认为初始状态的问题应是形而上学或宗教的范畴。他们会说，全能的上帝
可以随心所欲地启动这个宇宙。也许是这样。但是，倘若那样，他也可以使宇宙以完全
任意的方式演化。可是，看起来他选择宇宙以一种非常规则的、按照一定规律的方式演
化。所以，看来可以同样合理地假定，也存在着制约初始状态的定律。
毕全功于一役地设计一种能描述整个宇宙的理论，看来是非常困难的。反之，我们
是将这问题分成许多小块，并发明许多部分理论。每一部分理论描述和预言一定有限范
围的观测，同时忽略其他量的效应或用简单的一组数来代表之。可能这方法是全错的。
如果宇宙中的每一件东西都以非常基本的方式依赖于其他的任何一件东西，很可能不能
用隔离法研究问题的部分去逼近其完备的答案。尽管如此，这肯定是我们在过去取得进
展所用的方法。牛顿引力理论又是一个经典的例子，它告诉我们两个物体之间的引力只
决定于与每个物体相关的一个数——它的质量；而与物体由何物组成无关。这样，人们
不需要太阳和行星结构和成份的理论就可以计算它们的轨道。
今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们
是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构，也就
是从只有几英哩直到大至1亿亿亿（1后面跟24个0）英哩，即可观测到的宇宙范围的尺度
的结构。另一方面，量子力学处理极小尺度的现象，例如万亿分之一英寸。然而，可惜
的是，这两个理论不是互相协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个主要的努力，
以及这本书的主题，即是寻求一个能将其合并在一起的理论——量子引力论。我们还没
有这样的理论，要获得这个理论，我们可能还有相当长的路要走，然而我们已经知道了
这个理论所应具备的许多性质。在以下几章，人们将会看到，我们已经知道了相当多的
量子引力论所应有的预言。
现在，如果你相信宇宙不是任意的，而是由确定的定律所制约的，你最终必须将这
些部分理论合并成一套能描述宇宙中任何东西的完整统一理论。然而，在寻求这样的完
整统一理论中有一个基本的自相矛盾。在前面概括的关于科学理论的思想中，假定我们
是有理性的生物，既可以随意自由地观测宇宙，又可以从观察中得出逻辑推论。在这样
的方案里可以合理地假设，我们可以越来越接近找到制约我们宇宙的定律。然而，如果
真有一套完整的统一理论，则它也将决定我们的行动。这样，理论本身将决定了我们对
之探索的结果！那么为什么它必须确定我们从证据得到正确的结论？它不也同样可以确
定我们引出错误的结论吗？或者根本没有结论？
对于这个问题，我所能给出的回答是基于达尔文的自然选择原理。这思想是说，在
任何自繁殖的群体中，存在有不同个体在遗传物质和发育上的变异。这些差异表明，某
些个体比其他个体对周围的世界更能引出正确的结论，并去适应它。这些个体更可能存
活、繁殖，因此它们的行为和思维的模式将越来越起主导作用。这一点在过去肯定是真
的，即我们称之为智慧和科学发现的东西给我们带来了存活的好处。这种情况是否仍会
如此不是很清楚：我们的科学发现也可以将我们的一切都毁灭。即使不是这样，一个完
整的统一理论对于我们存活的机会不会有很大影响。然而，假定宇宙已经以规则的方式
演化至今，我们可以预期，自然选择赋予我们的推理能力在探索完整统一理论时仍然有
效，并因此不会导致我们得到错误的结论。
因为除了最极端的情况外，我们已有了对所有一切都足够给出精确的预言的部分理
论，看来很难以现实的理由为探索宇宙的终极理论辩护。（值得指出，虽然可用类似的
论点来攻击相对论和量子力学，但这些理论已给我们带来了核能和微电子学的革命！）
所以，一套完整的统一理论的发现可能对我们种族的存活无助，甚至也不会影响我们的
生活方式。然而自从文明开始，人们即不甘心于将事件看作互不相关而不可理解的。他
们渴求理解世界的根本秩序。今天我们仍然渴望知道，我们为何在此？我们从何而来？
人类求知的最深切的意愿足以为我们所从事的不断的探索提供正当的理由。而我们的目
标恰恰正是对于我们生存其中的宇宙作完整的描述。
北极星书库｜｜ ebook007/ 第二章 空间和时间
我们现在关于物体运动的观念来自于伽利略和牛顿。在他们之前，人们相信亚里士
多德，他说物体的自然状态是静止的，并且只在受到力或冲击作用时才运动。这样，重
的物体比轻的物体下落得更快，因为它受到更大的力将其拉向地球。
亚里士多德的传统观点还以为，人们用纯粹思维可以找出制约宇宙的定律：不必要
用观测去检验它。所以，伽利略是第一个想看看不同重量的物体是否确实以不同速度下
落的人。据说，伽利略从比萨斜塔上将重物落下，从而证明了亚里士多德的信念是错的。
这故事几乎不可能是真的，但是伽利略的确做了一些等同的事——将不同重量的球从光
滑的斜面上滚下。这情况类似于重物的垂直下落，只是因为速度小而更容易观察而已。
伽利略的测量指出，不管物体的重量是多少，其速度增加的速率是一样的。例如，在一
个沿水平方向
