时间是从宇宙大爆炸开始算的吗，史蒂芬霍金给出了不同的答案

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20世纪初，爱因斯坦(Albert Einstein)的相对论在物理学界掀起巨大波澜，颠覆人们对时空和重力的理解；1974年，史蒂芬霍金(Stephen Hawking)发表《黑洞在爆炸吗？》（Black hole explosions）一文，不仅翻转科学家对黑洞本质的认知，在之后的一连串重要研究中，更陆续建构黑洞理论、无边界宇宙理论，同时以奇点定理验证爱因斯坦的广义相对论，对宇宙学的发展影响深远。

在研读科学史时，我们会发现一些重要科学家的出生与逝世时间具有某些神秘的巧合，让人联想到：这是否有深远的意义？例如十七世纪的物理学家伽利略(Galilei, Galileo)，是个科学革命先锋，他不但透过天文观测颠覆了亚里士多德的传统宇宙观，同时也为现代的科学研究方法奠定了深厚的基础。这位被后世称为「现代物理学之父」的伟大科学家，晚年被天主教会判定有强烈异端之嫌疑，因此受到严厉的宗教审判。最后在1642年科学革命志业未尽的情况下，逝世于意大利。巧的是同年，牛顿就在英国出生，并在科学的疆域上，创建了现代物理学的宏伟城堡，完成了科学革命的工作。从科学发展的角度来看，伽利略的逝世与牛顿的出生应该不只是时间上的巧合，似乎更意味着牛顿的出生是来承接伽利略科学革命的棒子，把这个世界推向科学的时代。

在科学革命后四百年的今天，另一个时间的巧合又让我们啧啧称奇。这个巧合开创了近代物理学的传奇，也串联着两个充满智慧的生命—爱因斯坦(Albert Einstein)与史蒂芬霍金(Stephen Hawking)。这两位科学巨擘都享年76岁，爱因斯坦生于1879年3月14日；史蒂芬霍金则在2018年3月14日告别人间，爱氏的生日恰为霍氏离世之日。相隔了139年，是否意味着史蒂芬霍金想透过他的辞世告诉人们时间的秘密﹣那个没有起点与终点的虚数时间？

20世纪的大脑—爱因斯坦

爱因斯坦与史蒂芬霍金同被称为「二十世纪的天才」，前者更被誉为是「整个世纪的大脑」。但这两位天才小时的表现均不甚出色。爱因斯坦因语言能力发展迟缓，到三岁了还不太会说话，令父母非常担心；在学校也被老师骂说将来不会有出息；甚至大学毕业后，一时间还无法找到适当的工作。但是，令人预料不到的是：他担任瑞士专利局的职员后，他开始在科学界投下一颗颗的核弹！首先，在号称为爱因斯坦奇迹年的1905年，他连续发表了4篇重量级的论文。其中关于『光电效应』的论文还让他荣获了1921年的诺贝尔物理奖。这篇论文告诉我们：光除了具有波动性外，同时也具有粒子性。就是这个概念启发了量子物理大师德布罗意提出物质的波粒二象性的想法，奠定了量子力学的基础。

爱因斯坦和史蒂芬霍金

E=mc 2引爆全球

虽然爱因斯坦系以「光电效应」获得诺贝尔物理奖，但在1905年发表的四篇论文中，最脍炙人口的应属「狭义相对论」论文。在论文中，爱因斯坦彻底颠覆了人们对时空的想法。他让人们知道：时间跟空间并非牛顿所说是绝对的，而是相对的。他曾用开玩笑的口吻跟人们解释什么是相对论：「当你把手放在滚热的炉子上一分钟，感觉上像是一小时。但坐在一个漂亮的女孩身边整整一小时，却感觉像一分钟，这就是相对论。」

这虽是玩笑话，却隐含着相对论的重点—时间是相对的。根据爱因斯坦的狭义相对论，假设站在地面上的人要比较地球上的时钟以及一艘以高速远离地球的太空船上的时钟时，他会很惊讶地发现这两个时钟指针移动的快慢是不一样的。然这并不是某一个钟坏了，而是相对论的效应！除了时间是相对的，爱因斯坦还告诉人们空间也是相对的，因为运动中的物体长度会缩短。例如有一位田径选手拿着一根20公尺长的杆子以80％的光速往一座15公尺长的谷仓冲过去，狭义相对论会告诉你谷仓长度虽然比较短，但仍装得下长度更长的杆子！

爱氏的相对论除了彻底改变人们对于时间与空间的观念外，更提出了著名的公式：E = mc 2。这个公式的论点是物质的质量与能量是可以互换的，即质量可以转变成能量，反之能量也可以转变成质量。这个原理不但让科学家了解到：原来我们的太阳光是从太阳内部的氢原子核的质量转变而来的，同时它也成为我们核能发电的基础。

「广义相对论」翻转世界

爱因斯坦在提出狭义相对论后并没有因此自满，因为他了解狭义相对论是不够周全的。为什么呢？因为它只适用在静止状态或等速率运动的观察者；但对紧急煞车的公车，或者不断加速的太空船中的观察者而言，这理论其实是不适用的，因为他们并非在均速运动的状态。为了求得物理上「放诸四海皆准」的真理，爱因斯坦希望能找到一个理论：不论观察者的运动状态为何，物理定律均具有完全一样的形式。在经过一阵苦思后，1907年的某一天，当爱因斯坦坐在专利局的椅子上工作时，一阵强大的灵感突然涌上心头。这时，他领悟到了等效原理﹣物体的加速度与重力其实是同一回事！爱因斯坦后来说这是他一生中最快乐的时刻。有了这个领悟后，1915年他正式提出广义相对论与爱因斯坦重力场方程式，这个理论为科学带来新一波的革命，因为它颠覆了人们对万有引力的理解。此刻，爱因斯坦的声望如日中天，许多单位想要授予他大学教授的职位，但他心里最渴望的却是当一名高中老师！

在广义相对论中，重力的根源并非像牛顿所想的那样：是物质与物质间存在着一种自然的吸引力，而是时空扭曲所造成的一种现象。即当一颗小小的微粒处在一个具有质量的物体旁边时，由于这个大物体扭曲了附近的时空，而这个弯曲的时空将致使那小微粒的运行路径受到影响。根据这个理论：当一道光线从遥远的星星发出，经过太阳时，这道光的路径将会受到太阳附近弯曲空间的影响而改变它前进的方向，而这会使这颗星星在天空上的位置看起来不一样。这大胆假设在1919年被英国天文学界最富盛名的爱丁顿爵士(Arthur Eddington)透过天文观测证实，再经全球媒体的争相报导后，爱因斯坦的声名在一夕之间变成家喻户晓。后来在美国纽约受访时，他还被大批民众夹道热烈欢迎，争相一睹这位世纪天才的风采。

上帝是怎么想的?

广义相对论的难度与深度远远超过二十世纪初人们的理解。当爱丁顿爵士被记者询问道：听说世界上只有3个人了解相对论时。爱丁顿爵士马上回答说：他还在想这第三个人是谁？在第一次世界大战时，德国物理学家史瓦西(Karl Schwarchild)在部队中的后勤单位工作，一面研究广义相对论。他从爱因斯坦方程式中得到了一个奇特的数学解，这个数学所描述的是一个极其特殊的时空扭曲状态，这种特殊的状态到了1970年代才被美国的物理学家惠勒(John Archibald Wheeler )定名为『黑洞』。黑洞到底是哪里特殊呢？这种状态最特殊的地方在于：它是存在星际间所有物体中，时空受到最极端扭曲的一种状态。时空的极端扭曲让黑洞产生了极其强大的重力，也让黑洞成为一只令人畏惧的猛兽。凡是进到黑洞这只怪兽的地盘－事件地界(event horizo??n)－内，任何的人事物都会被它强大的重力吞噬、撕碎在奇异点中。

人马座A超级黑洞

除了预测黑洞的存在外，广义相对论也被用来描述宇宙的起始、膨胀与演化，把原本属于宗教范畴的问题－万事万物从何而来－转变成科学研究的问题，成为现代天文物理学中「宇宙学」的基础。有趣的是，爱因斯坦曾为了描述他理想中的宇宙而在他的重力方程式中加入所谓的「宇宙常数」。但是，在美国天文学家哈勃(Edwin Hubble)发现宇宙膨胀后，爱因斯坦却又告诉他的朋友说：在方程式中加入宇宙常数是他一生最大的错误。但1990年代后，天文学家再次把这个宇宙常数放回到爱因斯坦方程式中，以解释近代天文观测所发现的一种神秘能量—黑暗能量。这种奇特的能量具有反重力的性质。据说，它有可能使宇宙的膨胀加速到可以撕毁星际间一切星球的程度。

虽然广义相对论解答了宇宙的许多奥秘，也预测了重力波与黑洞的存在，但爱因斯坦并未因此满足。爱因斯坦曾经说过：他对细节没兴趣，他只想了解上帝是怎么想的。因此，发表广义相对论后直至去世，爱因斯坦的科学研究重心始终放在寻找所谓的『统一场论』—一个能够将电磁理论、量子力学、以及广义相对论统一起来的理论，并且能够用一组简单的数学方程式来解释宇宙间一切的物理现象。从某种角度来说，爱因斯坦在寻找的这个统一场论就是上帝在创造宇宙时的想法，也可以说是整个宇宙大剧场背后的剧本。一旦能掌握这个最终的物理定律，就能了解宇宙当初是怎么被创造出来的，进而洞见宇宙间一切千变万化现象的由来。

站在巨人肩膀的史蒂芬霍金

然在追寻物理终极真理的过程中，如同寻找广义相对论的重力定律般，爱因斯坦是孤独的。由于这个理论过于困难，许多原本跟爱因斯坦一起寻找统一场论的科学家一个个都打了退堂鼓，仅剩爱因斯坦与少数几人孤单地奋斗。虽然尼采说过「孤独者之路即是创造者之路」。但作为爱因斯坦一生的最后追寻，仍无法以其天赋参透上帝的想法，只能待有「智」之士来延续他的努力。爱因斯坦死后，想要追寻爱因斯坦的脚步，寻找究竟物理定律的不乏人在，而其中最富盛名的当属英国天文物理学家史蒂芬．史蒂芬霍金。

史蒂芬霍金于爱因斯坦辞世前13年出生于英国牛津。如同爱因斯坦，求学阶段的史蒂芬霍金并没有杰出的表现。11岁左右，史蒂芬霍金曾因考试成绩不佳而在学校被打落到后段班，此后再也没有进步到前半段。史蒂芬霍金的作业总是乱七八糟，同学们笑封他「爱因斯坦」。虽说如此，史蒂芬霍金还是进入英国最顶尖的牛津大学就读。大学时期他并不是一位认真读书的学生，他的回忆录曾提到：牛津三年，他平均每天只花一个小时读书，只因为当时他深感读书非常无聊，没有什么值得努力的。但是，后来的一场大病却改变了他的想法。生病让史蒂芬霍金意识到：当一个人面对早死的可能时，反而会让人意识到人生是值得活的，因为想做的事情真是无限多。

当史蒂芬霍金在20岁进入剑桥大学就读博士班时，他被诊断罹患了不治之症—运动神经元疾病，俗称「渐冻人症」，极可能在几年内就会死亡。死神即将来临让史蒂芬霍金感到震惊，他意识到：若死神能够暂缓行刑，他将可以做许多有意义的事情。此时，虽然乌云笼罩着未来不可知的天空，但一个女孩—珍．王尔德(Jane Wilde)让他有了活下去的动力。在他病情逐渐恶化时，史蒂芬霍金与珍结了婚，并继续刚起步的广义相对论以及宇宙学的研究。

黑洞探秘

先前曾提到：爱因斯坦在1907年28岁时，曾经在瑞士专利局的椅子上有过一次很深刻的领悟—等效原理，成为他研究广义相对论最重要的契机。巧合的是，史蒂芬霍金在28岁时(1970年)，一次上床睡觉前，也对黑洞的研究突然「大彻大悟」。之后，即使是手脚与身体完全不能自主的情况下，史蒂芬霍金依然写下了黑洞理论研究史上最重要的几篇论文，其中最著名的就是会让黑洞蒸发消失的「史蒂芬霍金辐射」以及美国物理学家约翰．惠勒所提出的「黑洞无毛定理」(no hair theorem)的证明。

这个定理告诉我们：无论构成黑洞的物质是什么，黑洞的物理特性可以只由包括质量在内的3个基本物理量来描述。在现代的天文观测中，即使是最先进的技术，依然未能侦测到黑洞所发出的史蒂芬霍金辐射，但黑洞的无毛定理却成为现代天文物理学家要验证爱因斯坦的广义相对论在黑洞的重力场下是否仍然正确的重要参考。在过去的十年中，透过次毫米波特长基线干涉阵列(submillimeter Very Long Baseline Interferometry)的发展，由美国、欧洲的天文学家所组成的国际团队已经有办法利用无线电望远镜(事件地界望远镜， Event Horizo??n Telescope)模拟出一个跟地球一样大的望远镜。这个望远镜的超高解析度让人类得以一睹黑洞的神秘面貌，并透过黑洞无毛定理来验证广义相对论在黑洞附近的正确性。

史蒂芬霍金生平最著名的著作是《时间简史》( A Brief History of Time )。此书被翻译成四十种语言，全球销售超过一千万本。虽然史蒂芬霍金写这本书的原因是为了要支付女儿的学费，但他更想要做的是跟社会大众分享：科学家已经多么接近一个完整的理论可以描述宇宙的一切。在《时间简史》书中，史蒂芬霍金从我们所认识的宇宙与时空开始谈起，中间讨论到黑洞以及宇宙的起源与命运，最后归终到整个物理理论的统一。在《时间简史》书中所谈过的观念，最特别的一点就是「虚数时间」(imaginary time)这个新颖的观念。这个看似奇异的时间观念跟我们平常所认知的时间以及可以解释整个宇宙万有的理论有什么关系呢？

时间可能有分身吗?

我们平常所认知的时间(以下称之为真实的时间)，可以回忆过去，但却无法「回忆」未来，时间就像一条急切奔向大海的河流，朝某个特定方向流逝，一去不返。在史蒂芬霍金的博士论文中，他用了严格的数学来证明，从真实时间的角度来看，爱因斯坦的广义相对论隐含着宇宙的开始—大爆炸，必然是一个物理上的「奇异点」 ，在这个点上，密度与温度都是无限大。由于在奇异点上所有物理定律都会失效，使得物理学家无法了解宇宙是怎么开始的。

然而，史蒂芬霍金从量子力学中借用了本来只被当作是数学计算工具的虚数时间概念，并与美国物理学家哈托(James Hartle)一起提出了「无边界假说」(The No Boundary Proposal)。他们认为宇宙的开端不是一个令物理定律都失效的奇异点，而是一个温度与密度都是有限大的物理状态。在这状态中，所有的物理定律都正常地运作着，并决定我们在「真实的时间」中所看到的一切。史蒂芬霍金提出：我们的宇宙在本质上是由三维的空间与一个维度的虚数时间所构成的整体，在这个虚数时间的时空中，宇宙无论在时间上或空间上的范围都是有限的，但没有一个绝对的边界。就像一个人从地球的北极出发，不断地朝着某个方向前进后，终还是会回到北极。这个人走的距离是有限的，但他在绕地球的过程中并没有遇到绝对的边界。无边界宇宙论中的虚数时空亦是如此，在虚数时间中，宇宙可以有一个像地球北极般的开端，但这却不是一个绝对的起始点，一个人在虚数时间中前进可以像转圈圈一样，不断地回到原点。

此外，在虚数时间中，宇宙的温度与密度在任何时候都仍是有限的—奇异点不曾在虚数时间中存在过。然而，在我们以为的真实时间中，宇宙仍可以看似有一个密度无限大的开端，但这个绝对开端却可能是我们可以经验到所谓的真实时间的假象。史蒂芬霍金的宇宙论中，我们以为的真实时间比较可能是我们内心虚构出来的产物，而所谓的虚数时间反而比较具有真实的物理意义，因为它能够帮助我们更深入地了解宇宙的创生与变化。史蒂芬霍金的这个宇宙论不禁令人想起古希腊哲学家柏拉图著名的洞穴寓言，这个譬喻告诉人们我们所经验的世界是虚幻的世界，它只是真实世界的投影。真实的世界无法被我们直接经验，而只能透过人的理性来认知。

根据史蒂芬霍金的理论计算，他提出的「无边界宇宙论」可以正确地预测出宇宙的膨胀以及膨胀的速率。此外，宇宙大爆炸所留下来的宇宙微波背景辐射(Cosmic Microwave Background Radiation) 中所看到的极微小温度变化也与史蒂芬霍金的学说相吻合。虽然无边界宇宙论还需要更多严格的科学检验，但史蒂芬霍金的天才与创见却留给世人一个崭新的角度去看待宇宙的起源以及了解时间的秘密与本质。史蒂芬霍金的忌日与爱因斯坦的生日同为3月14日，似乎是在告诉人们，时间可能有另一个维度的分身。在这个虚数时间中，时间的流逝就像一个圆圈圈般旣无始也无终，任何一点都可以是时间的起点，同时也是终点。

本文选自：今日头条

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宇宙大爆炸不是宇宙的起点，它应该是宇宙的终点！！！