时间简史—从大爆炸到黑洞

    科学是认真的、严谨的，也是创造的。

    科学最基本的态度是质疑，最基本的精神是批评。

    然而，现实生活中，人们认为"科学是有用的"，对科学带来的后果接受和承认。对科学的原动力和精神却不接受和承认（也许因为它严谨，难懂）。

    这是霍金首次为非专家写的书，这本书是对作者智力工作的浏览，涉及到物理、天文、宇宙学的前沿知识，还有作者探索宇宙的勇气。

    本书的作者——史密斯·霍金，是21世纪最重要的广义相对论家和宇宙论家。

    本书的副标题是从大爆炸到黑洞，正反映了霍金一生主要的两个贡献:

    在经典物理框架里，证明了黑洞和大爆炸奇点的不可避免性；

    在量子物理框架里，指出了黑洞辐射。

    这是一本关于上帝……或许是关于上帝不存在的的书。

第一章 我们的宇宙图像

01宇宙图像

    我们对于宇宙了解多少，宇宙从何而来

    我们在几乎是在对世界毫无了解的情形下生活。

    从亚里士多德-托勒密的地心说到哥白尼的日心说，花了近2000年。但，这时的地球或太阳被认为是静止不动的。即静态宇宙模型。

    1687年，伊萨克·牛顿出版了著作—《数学的自然哲学原理》，提出了万有引力定律。即宇宙的任一物体被另一物体吸引。物体质量越大，距离越近，相互间的吸引力越大。这也就是我们悉知的牛顿被苹果砸到头的故事。但不足凭信。

    牛顿自己说过的只是:当我陷入沉思之时，一颗苹果的落下使我得到了万有引力的思想。

    由于引力总是吸引，恒星相互吸引，它们就不能保持不动。即不可能存在一个无限静态宇宙模型。

    那么由于相互吸引，它们一起落到某一处吗？

    在一个无限的宇宙中，每一点都可认为是中心点，因为在它的每一边都有无数颗恒星。因此不存在任何一个它们落去的中心点。

02宇宙开端—膨胀or收缩

    20世纪之前，一般都认为:宇宙是以一种不变的状态存在了无限长的时间；或宇宙是被创生于有限的过去。就像人们害怕生老病死，人们也倾向相信永恒，所以宇宙必须是不朽，不变的。以此才能给人以安慰。

    1781年，哲学家康德在《纯粹理性批评》一书中，深入思考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：在时间可以无限倒溯的情况下，证明宇宙有开端（正命题），和宇宙已经存在无限久（反命题）的论据同样多。

    也有人认为:时间是上帝所创造宇宙的一个性质，在宇宙开端之前不存在。

    1926年，埃德温·哈勃观测到:不管往哪个方向看，远处的星系正极速的远离我们而去。即宇宙在膨胀。这暗示了宇宙存在一个叫做大爆炸的时刻，那时宇宙的尺度无穷小，而且无限紧密。在这种情况下，科学定律的预见能力都会失效。

    如果在大爆炸前有过什么事件，它们也不会影响现在的一切。

    因此，更早的时间根本没有定义，进而可以说，时间在大爆炸时有一开端。

03用什么描述宇宙

    今天的科学家按照这两个理论来描述宇宙——广义相对论和量子力学。它们是人类伟大的智慧成就。

    广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构。即从几英里到几亿亿亿英里，可观察到的宇宙的范围。量子力学则是处理极小尺度的现象。如万亿分之一英寸。

    然而，这两个理论互不协调——它们不可能都对。

第二章 时间和空间

存在宇宙，就存在时间和空间

01绝对静止？

    牛顿认为不存在静止的唯一标准。人们可以说A静止，B相对于A运动，也可以说B静止而A运动。两种说法是等价的。

    不存在绝对静止的标准表明:人们不能确定，在不同时间发生的两个事件，是否也发生在同一空间的同一位置。

    例如，火车上，一个乒乓球，在垂直上下地弹跳，1秒前后两次撞到桌面的同一位置。但在铁轨边的人看来，两次弹跳发生在相距100米的不同位置。

    这意味着，绝对静止不存在，事件的位置和它们的距离，对于在不同位置的人来说是不同的。所以，没有理由以为一个人的处境比他人更优越。

    同时表明：绝对位置（也称绝对空间）也不存在。

02绝对时间

    牛顿相信绝对时间。即人们可以毫不含糊地测出两事件的时间间隔，只要用好钟，不管谁去测量，时间都是一样的。时间相对于空间是完全分开并独立的。

    这是大部分人的常识观念。

    这种常识可以很好的对付运动比较慢的苹果，行星等问题。

    但我们必须改变这种关于时间和空间的观念，因为在处理光速或接近光速运动的物体时是完全失效的。

    光波以某一固定的速度运动。

    如果不存在绝对静止。那么光速是相对什么不变呢？

    起初，科学家认为真空中存在一种叫"以太"的物质，所以光速应该是相对以太而言。但1887年，科学家实验发现:在真空（以太）中和大气中的光速完全一样。

    此后，科学家们一直试图解释这个实验现象，直到……

  03 舍弃

    1905年，一个瑞士专利局职员——阿尔贝特·爱因斯坦，在他的论文中指出:只要人们愿意抛弃绝对时间这个观念，整个“以太”的观念是多余的。即不管观察者运动的多快，他们应测量到一样的光速。

  下面我们来看看这一样的光速是怎么测来的。

    ①牛顿理论告诉我们时间是绝对的，空间不是绝对的，故

光所走距离（每个测量者的测的距离不一样）/所花时间（一样）=不一样的光速

    ②相对论告诉我们抛弃绝对时间，即时间是相对的，空间是相对的。同理，就可以得出一样的光速。

    相对论的另个成就是:变革了人们对空间和时间的观念。

    它迫使我们从根本上改变时间和空间的观念，我们必须接受的观念是:时间不能完全脱离和独立于空间，必须和空间结合在一起形成所谓的空间——时间的客体。简单地说，时间是相对的。

  生活中，我们通常用三个数或坐标来描述空间一点的位置。那么，人们可以用一族互相交迭的坐标碎片来描述整个宇宙（四维）。在每个碎片中（三维），人们用不同的三个坐标集合来指明点的位置。

  一个事件是发生于特定时刻和空间中的特定一点的某种东西。人们可以用四个数和坐标来确定这一事件。

04画一个光锥

  根据相对论，我们试图描绘空间—时间的四维空间。假定一个事件:石头击到水面。（采取倒推模式）

  三维空间里，我们看到水面涟漪一圈一圈向四周散开。

  二维空间里，这些涟漪（平面的），随着时间变化 组成如下图的圆锥。

    类似的，在四维空间——时间里，形成了一个三维的圆锥，这个圆锥称为事件的维来光锥，同理我们可以画出过去光锥。

光锥把区域分成3份:

    ①未来光锥内部区域是所有可能被事件P影响到的事件的集合。（绝对将来）

    ②过去光锥内部区域是所有被事件P影响到的事件集合（绝对过去）

    ③过去和将来光锥之外的区域里的事件既不受P影响，也不影响P。

    假定太阳此刻熄灭，它不会对此刻地球产生影响。因为地球此刻在太阳熄灭这一事件的光锥之外。8分钟后我们才能知道太阳熄灭。如图

    同理，我们也不知道此刻,宇宙远方发生了什么。因为我们看到的星系的光都是几百万年前的。

  我们看宇宙时，我们在看它的过去。

05 空间—时间弯曲

    1915年，爱因斯坦提出广义相对论。指出，引力是空间—时间不是平坦造成的。

    空间—时间由于在它中间的质量和能量的分布而变弯曲或"翘曲"。

    像地球这样的的物体并非由于引力使之沿弯曲轨道运动，而是沿着弯曲空间中最接近直线的轨道运动。

    广义相对论中，物体总沿着四维空间——时间的直线走。但在我们的三维空间来看它则是弯曲的路径。

    正如一架在上空飞行的飞机，它沿着三维空间的直线飞，但在二维的地面上看它的影子却是沿着一条弯曲的路径飞。

06 时间的流逝

    广义相对论指出:在像地球这样的大质量物体附近，时间流逝显得更慢一些。即地球上不同高度的钟速度不同。

  著名的双生子佯谬便是一个例子。一对双生子，一个在山顶生活，一个在海平面生活，前者比后者老得快，当然，差别不明显。如果将其中一个孩子送去空间飞船，以接近光的速度做一次长途旅行，当他回来时，会发现另一个孩子要比他年轻得多。

    这个理论具有相当的实用性。人们用卫星做精确导航，如果人们对广义相对论无知，所计算出来的位置会错几英里。

第三章 膨胀的宇宙

01我们居住的地方

    用望远镜可以看到几千亿个星系，每个星系都包含了几千亿颗恒星。

    我们生活在宽约10万光年，并慢慢旋转着的星系中，太阳是一个平常的、平均大小的黄色恒星。

    恒星离我们很遥远，我们只能看到极小的光点，看不到它们的形状和大小。那么我们怎么区分恒星的种类呢？—光的颜色。

    太阳光通过三棱镜会分解成像彩虹一样的不同颜色（即太阳的光谱）。不同的恒星具有不同的光谱。每一化学元素都可以吸收特定的光谱线族，将化学元素和恒星光谱中缺失的谱线比较，就可以确定该恒星大气中有什么元素了。

02宇宙膨胀

    天文学家观察发现:宇宙中其他星系的光谱线族都向光谱红端移动了同样相对的量。

多普勒效应告诉我们：当光源远离我们，光波的波峰间隔越长，频率变低，光谱便更靠近最低频的红端，反之，则蓝移。

    例如，小汽车的声音，越近音调越高（频率越高），越觉得刺耳。警察测车速也是这个原理。

  事实上，大部分星系是红移，几乎所有星系都离我们而去。—宇宙在膨胀。

  宇宙膨胀的发现是20世纪最伟大的智慧革命之一。

  现在假定宇宙正在膨胀，如果它膨胀得很慢，引力会使之最终停止膨胀，开始塌缩。

如果它膨胀得比某一临界速率快，引力则永远不足够强而使其停止膨胀，宇宙将永远继续膨胀下去。

    例如，如果火箭的速度相当慢，引力将最终使其停止并折返地面。如果火箭以一个比某一临界值（约每秒7英里）更高的速度运动，引力的强度则无法将其拉回，它将永远继续飞离地球。

03 弗里德曼模型

模型一

表示，随时间增加，两个邻近星系的距离变化刚开始为0，慢慢增长到最大，最后又减小到0。（宇宙先膨胀，然后坍缩）

模型二

表示，邻近星系距离刚开始为0，最后以稳定速度相互离开。（宇宙膨胀，且永远不会坍缩）

模型三

表示，临近星系距离从0开始，永远增大，但分开的速度越来越慢。（宇宙膨胀，且速度刚好足以避免坍缩）

    究竟用哪个弗里德曼模型来描述宇宙?我们必须知道现宇宙膨胀速度和平均密度。

    然而，我们对宇宙的平均密度测量不准，因为宇宙中还有大量不能直接看到的"暗物质"。

我们只知道:宇宙每10亿年膨胀5%～10%。

    1965年英国数学家物理学家罗杰·彭罗斯指出:坍缩的恒星在自己引力作用下被陷入到一个区域中，其表面最终缩，小到零，并且体积也随之缩小到零。恒星中的物质被压缩到一个零体积的区域里。故而物质的密度和空间——时间的曲率变成了无限大。换句话说，人们得到了一个奇点，它被包含在一个叫做黑洞的空间——时间的的一个区域中。

    1970年，在彭罗斯和我合作的论文中，证明了，假定广义相对论是正确的，则过去必须有一个大爆炸奇点。

    但颇具讽刺的是，现在我改变了想法，宇宙的开端并没有奇点。——只要我们考虑了量子效应，奇性就会消失。

第四章  不确定性原理

01量子力学

    1900年，德国科学家普朗克提出，光波，X射线和其他波不能一任意速度辐射，必须以某种称为量子的形式发射。波的频率越高，量子的能量越大。

    1926年，德国科学家威纳·海森堡提出著名的不确定性原理。人们可以通过准确测量一个粒子现在的位置和速度，来预言它在未来的位置和速度。办法是用波长短的光照在这个粒子上，一部分光波被粒子散开，以此测量它的位置。

    然而，普朗克的量子假设表明，用于测量的光的量子会扰动这个粒子，并以改变粒子的速度。位置测量得越准确，所需量子的能量就越大，这样粒子的速度被扰动的就越厉害。

    换句话说，对粒子位置测量得越准确，对速度的测量就越不准确。反之亦然。

    海森堡的不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质。

20世纪20年代，在不确定性原理的基础上，海森堡、厄文·薛定谔和保尔·狄拉克将力学重新表达成叫量子力学的新理论。在此理论中，粒子成了以位置和速度结合物的量子态。

    量子力学不是对一次观察预言一个单独的确定结果，而是预言一组的可能发生的不同结果，并告诉我们每个结果出现的概率。但爱因斯坦却不接受此观点，曾说过"上帝不玩弄骰子"

    这个观点却被其他大多数科学家接受，因为它为科学引进了不可避免的非预见性，和实验符合得很完美。

    它一个极其成功的理论。它几乎成为所有现代科学的基础。如制约晶体管和集成电路的行为，这些都是电子设备，电视，计算机的基本元件。但，它唯一没有进入的领域是引力和宇宙的大尺度结构。

02极小到极大

    本世纪初，人们认为原子和行星绕太阳公转类似。正电荷和负电荷的吸引力被认为是用以维持电子的轨道，就像行星和太阳之间的万有引力维持行星的轨道一样。

    一个绕核运动的电荷可以看成一种波，其波长依赖于其速度。对于一定的轨道，轨道的长度对应于整数倍的波长。

  运用这些思想，可以计算原子、分子的运行轨道。由于分子间的反应又构成了化学和生物的基础。

    除了受测不准原理限制外，量子力学在原则上允许我们于预言围绕我们的一切东西。

    看来，爱因斯坦广义相对论制约了宇宙大尺度结构，它仅能称为经典理论，因其中没有考虑到量子力学的不确定性原理。但我们必须考虑。

    目前，我们没有一个完整的、协调的统一广义相对论和量子力学的理论。为此，科学家们试图去了解自然界的其他力，以合并成一个单独的量子理论。

第五章 基本粒子和自然的力

02谁是最小粒子

    物质由原子组成，原子核包含质子，中子。质子又由更小的夸克组成。夸克又存在几种不同的类型—上、下、奇、魅、底、顶六种“味”。

    那么什么才是真正的基本粒子呢——构成世间万物的最基本结构。

    以目前的科技，相信我们已经拥有或者接近拥有自然界的终极构件的知识。

    科学家预言，构成物质质量的质子会自发地衰变成诸如反电子之类更轻的粒子。但质子的衰变非常偶然而且概率极低，至少要等100万亿亿亿年才有那么一次。这比宇宙大爆炸以来约100亿年还要久得多。

02正与反

  1923年保尔·狄拉克提出一个了理论，电子必须有它的配偶——反电子和正电子。任何粒子都有和它相湮灭的反粒子。

  地球上的物质主要是由质子和中子构成，也就是由夸克构成。

  —但为什么现实中夸克比反夸克多?

  我们目前不太清楚。但至少对我们是好的，否则在宇宙初期它们必定相互湮灭，只留下一个充满辐射几乎没有任何物质的宇宙。也就不会有我们了。

  也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。如果，你遇到了反你，注意不要握手，否则，你们两个都会在巨大的闪光中消失。

第六章  黑洞

    黑洞就是由恒星坍缩和围绕它们的强大引力所产生的。

01恒星的生命周期

    起初，大量气体（氢）受自身引力吸引，开始向自身坍缩，形成恒星。

    收缩时，气体温度上升，最后，氢原子碰撞后聚合成氦。就如同一个受控氢弹爆炸，释放出的热是恒星发光。同时释放的热使气压升高，直到气压足以平衡引力的吸力。这时气体停止收缩。恒星可以很长时间保持这种平衡。直到燃料耗尽。

    例如，太阳还可以燃烧50多亿年。

02恒星的归宿

    如果一颗恒星的质量比强德拉塞卡极限（太阳质量的1.5倍）小，它最后会停止收缩并终于变成一颗半径为几千英里和密度为每立方英寸几百吨的"白矮星"。我们观察到大量这样的白矮星。

  如果一个质量比强德拉塞卡极限大的恒星，在某种情况下，它会爆炸或抛出足够的物质，是自己的质量减到极限之下。—每个恒星都设法失去足够质量以避免坍缩。

03恒星变了

    恒星的引力场会改变光的路径。当恒星收缩到某一临界半径时，引力会强大到使光线偏折到无法逃逸出去。

    根据相对论，没有东西走得比光快，如果光都逃不出去，其他东西更逃不出去，都会被引力拉回。也就是说，存在一个事件的集合或空间——时间区域，光和其他任何东西都无法从该区域逃逸。这个区域我们叫做黑洞。

    将其边界称为事件视界，是能逃逸和不能逃逸光线的边界。

    下面来做假定，在坍缩表面有一个无畏的航天员和恒星一起坍缩，按照他得表每一秒，发一个信号到绕着该恒星转的空间飞船上去。

    在某一刻，譬如11点钟，恒星刚好收缩到临界半径，它的信号再也无法传回飞船。

    11点时，他飞船的伙伴必须要为11点的信号等待无限长时间。

    从飞船上看，恒星消失不见，空间中只有一个黑洞，然而，此恒星（黑洞）继续以同样的引力作用到飞船，使飞船继续绕黑洞旋转。

    然而，以上情景不是完全现实的，因为，由于恒星作用于宇航员脚上和头上的力差，在恒星还未收缩到临界值之前，就已经将宇航员拉成意大利面条，或者撕裂。

    彭罗斯和我研究指出，根据广义相对论，在黑洞中必然存在无限大密度的空间——时间曲率的奇点。也就是一个坍缩物体和宇航员的时间的终点。在此奇点，科学定律和预言都失效。这个奇点只能发生在黑洞这样的地方。

    ①发生在将来的奇点—引力坍缩的奇点

    ②发生在过去的奇点—大爆炸

    ③在接近裸奇点处，可能旅行到过去。当宇航员避免撞到奇点上，从而穿过一个"虫洞"来到宇宙的另一区域。但这个奇点只会发生在他的将来，因为在此之前他就不会存在。

    任何东西可以通过事件视界落到黑洞里，但无法通过事件视界逃离黑洞。正如但丁所说:“从这儿进去的人必须抛弃一切希望。”

04黑洞无毛

    1971年，我证明了任何稳态旋转的黑洞确实有一个对称轴。所以，在黑洞坍缩后，一个黑洞必须最终演变成一种能够旋转，但不能搏动的态。它的大小和形状只取决于它的质量和旋转速度，而与坍缩前原先物体性质无关。

    也就是我们周知的"黑洞没有毛"。无毛定理使我们无法从黑洞得知其原先物质的大量信息。

    在漫长的宇宙中，很多恒星应该已经烧尽了核燃料并坍缩了。黑洞的数目比可见恒星的数目大得多。巨大的黑洞数量，产生额外的引力，就能解释为何我们星系具有如此的转动速率—单可见恒星的质量肯定是不够的。

黑洞不能发光，那我们，怎么找到它呢。—黑洞存在引力作用于它周围物体上。

第七章  黑洞没那么黑

01事件视界

    事件视界，即黑洞边界—是由刚好不能从黑洞逃逸，永远只能在边缘上徘徊的光线的空间—时间里的路径形成的。

    正如，警察和比警察快一步的逃犯，逃犯没被抓到，也不能被彻底逃脱。

    所以,这些光线的路径永远不可能互相靠近，如果靠近，他们最终必须撞上，被抓；或落到黑洞。

    但如果落到黑洞，那么它们就不可能在黑洞边界待过。所以，事件视界上的光线路径必须永远互相平行运动或散开。那么，其事件视界的面积可以保持不变或者随时间增大。但永远不会减少。即事件视界面积的非减性。

02黑洞与熵

    熵是测量一个系统的无序的程度。如果我们不加干涉，事物总是倾向于增加它的无序彻底。如停止保养房子。

    如果黑洞有熵，黑洞就必须有温度,也一定会发出辐射。（具有特定温度的物体必须以一定的速率发出辐射。）

    很多科学家也通过不同的计算，证实了黑洞必须如一个热体一样发射粒子和辐射。

    但按其定义，黑洞是不发出任何东西的物体。何以黑洞会发生粒子和辐射呢？

    量子力学的回答是:粒子不是从黑洞发出，而是紧靠黑洞的事件视界的外面的空的空间发出的。

    空的空间里，存在光或引力的粒子对，这些粒子对在某一刻同时出现，相互离开，互相湮灭。这些粒子在空的空间里发生不同行为，有些粒子“逃跑”，看上去就像黑洞辐射。我们称为黑洞辐射。如图

黑洞辐射模拟图

实际黑洞辐射观测图

02太初黑洞

    在宇宙极早期，存在无规则坍缩形成的质量极小的太初黑洞（质量越小，黑洞温度越高）。10亿吨初始质量的太初黑洞的寿命接近宇宙的寿命。

    这样的黑洞，实际上是白热的，正以1万兆瓦功率发生能量。

如果我们能驾驭黑洞功率，就相当于有了是个大型发电站。然而，黑洞质量很大，体积却被压缩成万亿分之一英寸小，如果在地球表面，将会无法阻止地落到地心。所以，仅有的办法是把黑洞放在绕地轨道上，用一个大质量引力托住它。

    黑洞辐射的存在，意味着，引力坍缩不像我们认为的那样是最终的，不可逆转的。也就是说当一个宇航员落到黑洞，黑洞质量增加了，也等质量辐射出去，某种意义上被“再循环”了，这是一种非常可怜的不朽。

第八章 宇宙的起源和命运

01量子力学如何影响宇宙的起源和命运

    大爆炸时，宇宙体体积为零，无限热。宇宙膨胀，产生中微子和反中微子并没有碰撞湮灭。如果我们观察到它们，就会为描绘早期宇宙图像提供证据。它们是暗物质的一种，具有足够的引力遏制宇宙膨胀，并使之坍缩。

    在大爆炸的几个钟头内，氦和其他元素大量产生并完成。之后的100万年，宇宙只是膨胀没有发生什么。

    最后，温度降低到几千度，电子和核子结合成原子。区域内，由引力吸引，膨胀停止并开始坍缩。区域外，物体受引力和拉力影响，开始慢慢旋转。最终，蝶状旋转星系就诞生了。另一些区域，刚好没有旋转，形成了椭球状的椭圆星系（没有旋转）。

    随着时间流逝，星系中的氢和氦气被分割成星云。正如我们的太阳一样，它们将氢燃烧成氦，并以热和光的形式辐射出来。直到燃料耗尽。

    一些恒星在生命终点时产生重元素，抛回星系的气体里，为下一代恒星提供原料。

太阳包含约2%的重元素，它是二代或者三代恒星。50亿年前从包含一代恒星碎片的气体云中形成。云里少量重元素集聚，形成了像地球这样，绕太阳公转的物体。

    地球原先非常热，没有大气。很长时间后冷却，从岩石里溢出气体，形成大气。

这时大气没有氧气，不能使人存活。

    然而，有其他生物能活—原始生命。可能是由原子偶然结合成的宏观分子的大结构，在海洋中发展。并能够将海洋中其他原子集聚成与它类似的结构，复制并繁殖。因为复制有误差，最终灭亡。其中的一些误差产生了新宏观分子，在复制时误差较少，它们取代了原先的分子。这是进化的开始。

    之后，越来越复杂的组织出现。

    第一种原始生命形式消化了硫化氢等物质，放出氧气。

    尽管我们知道了宇宙的从非常热开始，膨胀并冷却到如今的景像，但还有许多问题未被回答。

    或许宇宙初始状态是随机选择的，这意味着，早期宇宙可能是非常紊乱，无序的宇宙。从这样的早期宇宙，怎样变成了如此光滑和规则的宇宙。

    是否，我们只是恰好生活在一个光滑一致的区域里。

    正如人择原理:我们看到的宇宙之所以是这个样子，是因为我们的存在。人则原理有强弱之分。

    ①弱人择原理：智慧生物需要100多亿的漫长演化。

    ②强人择原理：像我们这样的智慧生物是宇宙的特例。宇宙仅是因为我们存在而存在。

    然而，强人择原理很难让人相信，因为它否定了—我们花了很长时间，一代代科学家不懈努力，思考，观测，实验，得到了宇宙的图像。

    如果能表明，宇宙的其他地方也能演化出生命，地球并不是唯一智慧生物存在处。多少会给人以安慰。

02宇宙的可能

    经典引力论:宇宙可能的行为只有两种，已存在无限长时间；在有限过去的某一时刻的奇点上有个开端。这里的时间我们称为实时间

    在量子引力论中，还存在第3种可能，在那儿时间方向和空间方向是等同的，空间-时间的尺度有限，但却没有边界和边缘。简单地说，空间和时间就像地球的表面（地球面积有限，但没有边界和边缘），只不过多了两维。

    人们可以说:“宇宙的边界是没有边界。”宇宙完全自给自足，不被任何东西影响，不被创生，不被消灭，它就是存在。这里的时间我们称为虚时间。

    在实时间里，宇宙有开端和终结的奇点，奇点使科学定律失效，使科学定律也有了空间-时间的边界。

    但，虚时间里，没有奇点和边界。

    这也许暗示了：

    虚的时间是真正的实时间。而我们叫做实时间的东西才是子虚乌有的空想。

第九章 时间箭头

    穆菲定律告诉我们，事情总是趋向于越变越糟。例如我们总是看到杯子会碎掉，不会看到碎杯子合好跳回桌上。

    无序度随着时间增加就是一个所谓的时间箭头的例子。

    时间箭头—将过去和将来区别开。使时间有了方向，

    有三种不同的时间箭头

        ①热力学箭头 如果一个系统初始时高度有序，那无序度会随时间的增加而增大。

例如拼玩具，有且只有一种排列使拼图拼完整。假定玩具拼图初始是有序完整的，那么你越摇动，这些有序的拼图越可能混乱，无序。

        ②心理学箭头 时间流逝的方向。我们生活中能记住过去而不是将来。

但假定早期宇宙可能处于无序状态，这意味着无序度随时间而减少。你会看到杯子碎片集合起来并跳回桌面。这样，看到这样现象的人会有一个倒溯的心理箭头。记住将来事。

        ③宇宙学箭头 宇宙不断膨胀这一方向。

    这三个箭头可能并一定完全一致，但只有它们一致时，对于智力生命（人）才有合适的条件发展下去。

    因为我们不曾到过三个箭头不一致的地方，人类理解宇宙的进步，也许是在一个无序度增加的宇宙中建立了一个很小的有序的角落。

第十章 物理学的统一

    我们是否能增加我们头脑中的有序度，将部分理论结合形成一个完整统一的理论，这个理论适用于宇宙中任何东西

    科学家试图将不确定性原理合并到广义相对论，这个理论预言空间-时间曲率无穷大，但实践观察测量的曲率是有限的。

    1984年，人们更喜欢弦理论，弦理论的基本对象不是粒子，而是一跟无限细的像弦的东西。有开开弦，闭弦。如图

    但弦理论有一个问题，似乎只有当空间-时间是十维，二十六维时它们才能协调。

    那么，确实存在一个统一的理论吗？或者我们追求的仅仅是一个虚无，有三种可能：

        ①确实存在一个完整统一的理论，如果我们足够聪明，总有一天会找到。

        ②并不存在宇宙终极理论，仅仅存在一个越来越精确描述宇宙的理论序列。

        ③并不存在宇宙理论，事件在一定程度之外不能被预言，它仅仅是紊乱任意发生的。

    如果我们确实发现了宇宙的终极理论，我们将永远不能肯定那是正确的理论，因为它不能被证明。

    我们处在一个使人为难的世界中，我们要为自己所看到的一切赋予意义。如果我们找到了完整的理论，并被所有人理解和讨论；如果我们找对了答案，那将是人类理智的最终极胜利—因为那时我们知道了上帝的精神。