人人可以读懂的霍金。本书讲述我们最想了解的时间真相。

时间和空间的本质何在？上帝与宇宙的起源，有何关系？宇宙的过去和未来是什么样的？自然·经济·历史·宗教·思想等等。荟萃基础学科、传统经典与潮流新知，现代生活必读藏书。一页文字加一页图解，图文互动，生动解读。

人类从古至今对时间的探索历程将在本书清晰展现。在《时间简史》一书中，斯蒂芬·霍金对时间本质、宇宙由来作出了权威性的总结，他的理论和构想已成为科学领域的里程碑。本书以《时间简史》为底本，对霍金的思想进行了系统、全面的解读，并采用了文字、图示和表格等多种编辑手法，以通俗易懂和富有亲和力的形式来阐释霍金令人敬畏的发现。这将是一本每个人都可以读得懂的科普书。

时间和空间的本质何在？上帝与宇宙的起源有何关系？宇宙的过去和未来是什么样的？

编者序：调侃时间

本书阅读导航

第1章　霍金与《时间简史》

　1.霍金：有史以来最杰出的科学家之一

　2.霍金的作品：从《时间简史》到《果壳中的宇宙》

　3.量子宇宙论：霍金讲述宇宙的由来

第2章　狭义相对论

　1.爱因斯坦：20世纪最伟大的物理学家

　2.光速：亘古不变的速度

　3.永恒不变：绝对时间与绝对空间

　4.绝对空间：一直在找却没有找到的空间

　5.爱因斯坦之前的解释：运动中的物体长度会缩小

　6.光速不变原理：爱因斯坦的破空之解

　7.相对性原理：伽俐略提出的相对论

　8.四维：时间与空间的集合

　9.何谓同时：同时也是相对的

　10.钟表变慢：光速恒定带来的奇特现象之一

　11.测定值会缩小：光速恒定带来的奇特现象之二

　12.验证时间变慢：穿过大气层的中微子流

　13.再度相逢时谁更年轻：双子吊诡之谜

　14.男孩更年轻：双子吊诡的解答

　　专题 水桶实验：牛顿寻找的绝对空间

第3章　广义相对论

　1.改写重力法则：爱因斯坦提出广义相对论

　2.加速度与重力：爱因斯坦将两个问题合二为一

　 专题 望远镜：伽俐略的伟大发明

　3.等价原理：重量不同的物体为什么同时落地

　4.光线折射：重力的作用

　5.时空的弯曲：时空并非是平坦的

　　专题 时空的涟漪：一种不寻常的涟漪

　6.重力透镜：光线因重力而弯曲的现象

　7.疲惫的光芒：光线因重力而变慢

　8.黑洞是什么：证明黑洞存在

　9.时间冻结：黑洞周围的时间停止了

　10.黑洞里面是什么：奇异点与宇宙检阅官

　11.黑洞的形成：星球重力崩坏的结果

第4章　霍金的宇宙学说

　1.爱因斯坦的挑战：对宇宙原理的革命

　2.封闭的宇宙：宇宙是有限的

　3.银河渐远：银河系在不断扩大

　4.宇宙膨胀：关于宇宙的新思维

　5.两种观点：恒常宇宙论与膨胀宇宙论

　6.宇宙背景辐射：新的发现

　7.高温：宇宙创始时的状态

　8.大爆炸：宇宙的起源

　9.膨胀的限度：膨胀会永远持续吗

　10.两种空间：封闭空间与开放空间

　11.大爆炸的困惑：不能解决的困难

　12.通货式膨胀：宇宙起源的比喻

第5章　时间之矢

　1.时间之矢：时间的单一方向性

　2.普遍的物理法则：时间不会从过去流向未来

　3.硬币实验：过去和未来的区别

　4.时间本质：时间是一种可能性的流逝

　5.硬币试验的发现：熵增大法则

　6.两种状态：宏观状态与微观状态

　7.玻尔兹曼：深受哲学困扰的物理学家

　8.不同的时间之矢：宇宙论的时间之矢

　　专题 意识中的时间：我们如何觉察时间

　9.时间指向的标志：熵增大与宇宙创始

　10.宇宙创始状态：宇宙膨胀与收缩

　　专题 生物赖负熵为生：薛定谔与负熵

　11.进化的起源：宇宙的起点

　12.彭罗斯的假说：用奇异点区分过去和未来

第6章　时间机器

　1.真的可能吗：神奇的时间机器

　2.封闭的时间轴：时间的特质

　3.旋转黑洞：另一种黑洞

　4.时光隧道：连接平行宇宙的通道

　5.虫洞：连接时间的隧道

　6.使用虫洞：时光机器的制造原理

　7.宇宙绳：宇宙中的绳状能源群

　8.能源的最低状态：真空的互相转换

　9.缺口：宇宙绳周围的时空

　10.使用宇宙绳：制造时光机器

　11.保存历史：霍金关于历史保存的假说

　12.反粒子：朝过去行走的粒子

　13.使用反物质：相对生成与相对消灭

　14.终极答案：回答“时光机器可能吗”

附录一：我们如何感受时间与空间

附录二：不可不知的科学家

附录三：不可不知的物理名词

第1章　霍金与《时间简史》

1　霍金：有史以来最杰出的科学家之一

霍金的生平是极富有传奇性和戏剧色彩的。在科学成就上，他是有史以来最杰出的科学家之一。他担任的职务是剑桥大学有史以来最为崇高的教授职务——卢卡斯数学教授，那是牛顿和狄拉克担任过的职务。他同时拥有几个荣誉学位，还是皇家学会的会员。他因患卢伽雷氏症（肌萎缩性侧索硬化症），被禁锢在一张轮椅上长达40多年，但他却身残志坚，克服了残疾之患而成为国际物理界的超新星。他不能书写，而且口齿不清，但他却超越了相对论、量子力学、大爆炸等理论而迈入创造宇宙的“几何之舞”——他的思想出色地遨游到广袤的时空，解开了许多宇宙之谜。

20世纪70年代，霍金与彭罗斯一道证明了著名的奇异点定理。为此，他们共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。他也因此被誉为继爱因斯坦之后世界上最著名的科学思想家和最杰出的理论物理学家。此外，他还证明了黑洞的面积定理，即随着时间的增加而黑洞的表面积不减的定理。1973年，他考虑黑洞附近的量子效应，发现黑洞会像黑体那样发出辐射。并且其辐射的温度与黑洞质量成反比，这样黑洞就会因为辐射而逐渐变小直到以爆炸告终。黑洞辐射的发现具有重大意义——将引力、量子力学和热力学统一在了一起。1974年以后，他将研究方向转向了量子引力领域。他利用费恩曼的“对历史求和方法”，自然地处理了时空的非平凡的拓扑效应，开创了引力热力学。1980年，他的兴趣又转向了量子宇宙学，专门研究宇宙的“无中生有”的初创理论，希望从根本上解决宇宙的第一推动问题。

2　霍金的作品：从《时间简史》到《果壳中的宇宙》

优秀的天文科作品：《时间简史》

霍金的代表作当推l988年撰写的《时间简史》，这是一本优秀的天文科普作品。作者想象丰富，构思宏伟瑰丽，语言优美，一出版便引起了世人的极大关注。它使人们认识到：在世界之外，未来之变，是如此的神奇和美妙。这本书至今累计发行量已达2500万册，被译成近40种语言。这本书是一本关于探索时间本质和宇宙最前沿的通俗读物，是一本当代有关宇宙科学思想最重要的经典著作，它改变了人类对宇宙的观念。

《时间简史》对于我们这些喜欢用言语表达甚于方程表达的读者而言是一本具有里程碑式意义的好书，这是一本对知识无限追求之作，是对时空本质之谜的不懈探讨之作。在《时间简史》一书的开头，霍金曾说：“有人告诉我，我在书中每写一个方程式，都将使销量减半。于是我决定不写什么方程。不过在书的末尾，我还是写进一个方程，爱因斯坦的著名方程E=mc2。我希望此举不致吓跑一半我的潜在读者。”就目前来看，霍金完全是多虑了。

关于生命宇宙和时间的独到见解：《黑洞、婴儿宇宙及其他》

1993年，《黑洞、婴儿宇宙及其他》一书出版。此书是由霍金在1976～1992年间所写文章和演讲稿共13篇结集而成。

书中讨论了虚时间由黑洞引起的婴儿宇宙的诞生以及科学家寻求完全统一理论的努力，并对自由意志、生活价值和死亡作出了独到的见解。

阐释着宇宙内核的万物理论：《果壳中的宇宙》

《果壳中的宇宙》是出版于2001年的霍金的又一著作，它也可以被称做是《时间简史》的姐妹篇。

在这部新作中，霍金继续向我们闽释着宇宙内核的万物理论，从超对称到超引力，从量子理论到M理论，从全息论到对偶论。书中告诉人们：我们生活的宇宙具有多重历史，每一个历史都是由微小的硬果确定；同时还预期了“我们的未来”。正如霍金自己所说的：“距离《时间简史》一书已经有13年了，这门学科发展了，我希望自己说明问题的能力也提高了。”这部新作与《时间简史》相比，确有很多不同之处。这本书所阐述的理论内容有了更新的发展。

人们经常会去思索：宇宙是永恒存在的，还仅仅是年代久远的？有限的思维何以能理解无限的宇宙？时间旅行可能吗？13年过去了，作者从事的这些科学研究领域有了非常多的新成果，正如作者在这本书中所述的“我们能够而且应该试图去理解宇宙。我们在这方面已有了显著的进步，尤其是在前几年。当然，我们还未得到完整的图像，但已为期不远。”

3　量子宇宙论：霍金讲述宇宙的由来

由于不同的初始状态会导致不同的演化。大爆炸奇性的状态从何而来，宇宙又从何而来——即“第一推动”的问题让众多物理学家开始了苦索答案的行程。

寻找第一推动问题的答案

20世纪80年代初，科学家们提出了所谓的暴涨宇宙模型。在大统一破缺之后，宇宙出现了一个以指数形式膨胀的阶段。这种暴涨导致的结果和今天观察到的宇宙大致相似：宇宙是十分平坦、均匀、各向同性的，而且宇宙中包括星系团、星系、恒星和生命形成等物质分布的模式也是这样的。但是，人们仍然没有彻底解决第一推动的问题。

霍金解决了第一推动的问题

真正解决第一推动问题的是霍金。在霍金提出的无边界条件的量子宇宙论中，宇宙的诞生源自一个欧氏空间向洛氏时空的量子转变。欧氏空间是一个四维球，在四维球转变成洛氏时空的最初阶段，时空是处于暴涨阶段。接着，膨胀减缓，我们可以用大爆炸模型来描述。在这个宇宙模型中，空间是有限却无边界的，可以说是封闭的宇宙模型。在1982年霍金提出这个理论后，几乎所有的量子宇宙学都围绕着这个模型展开研究。这是因为这个模型的理论框架对封闭宇宙的研究非常起作用。

目前的观测和推断

很多人曾经尝试将霍金的封闭宇宙的量子论推广到开放的情形，但未能成功。之后，霍金和图鲁克在他们的新论文《没有假真空的开放暴涨》中提及了这个问题。霍金仍然运用了四维球的欧氏空间来说明问题。由于四维球具有非常高的对称性，在进行解析开拓时，就可以得到双曲面为空间截面的宇宙。按照三维双曲面空间继续演化下去，宇宙就不会重新收缩，这样的演化是无穷无尽的。

如果宇宙的重新坍缩，造成的结果将是到重新回到高温的大挤压状态。而开放宇宙的无限膨胀的前景也很难说，或许宇宙将不断地冷却下来。不过就目前来说，人们无法知晓世界末日何时来临，因为那是极其遥远的事情。P16-20

奥古斯丁的困惑：时间是什么

“……时间究竟是什么？没有人问我，我倒清楚，有人问我，我想给他解释，却茫然不解了……”伟大的神学家圣·奥古斯丁，在《忏悔录》一书中道出了自己的困惑。由于无法说明时间为何物，奥古斯丁还补充道，在提出关于时间的疑问后，他深感抱歉，因为他不知道自己不知道的是什么。

事实上，时间的本质不仅让奥古斯丁感到困惑，还让很多人陷入了没有出口的思考。过去和未来真的存在吗？我们可以穿越时光隧道去旅行吗？时间的方向是一定吗？时间会发生由未来指向过去的逆转吗？这些无法解决的问题让宛如陷阱一般困住了众多的哲学家和科学家。

人类一思考，上帝就发笑

时间无处不在，而我们是如何知晓它的呢？早在4000多年前，聪明的古埃及人已经会通过看石塔的阴影来测量时间了，同时，他们还发明了一种有流水经过的石制容器来测量时间；到了公元前19世纪，古巴比伦人已经能够相当精确地计算时间了，他们依据太阳和星星的方位把一天分为若干个小时，把每个小时分为60分钟，再把每分钟分为60秒，这样测量时间的误差是非常小的；此外，人们的自身也是一个相当精确的钟表，例如，人们的心脏在正常情况下的跳动频率和生理周期都具有节律性；更为神奇的是，人们的内心可以在不借助任何计时工具的情形下觉察出时间的流逝，可以回忆过去，也可以憧憬未来，能够估算客观的时间，虽然情绪会引起一定程度的偏差。总而言之，时计和内心是时间的两个基本来源。

于是，人们开始了对时间的探索。奥古斯丁认为时间并不是真正独立于大脑而存在的，波斯哲学家阿维森那表示赞同，认为时间只是人们记忆和期望的体现，同时，法国哲学家亨利·柏格森也认同这个观点，他觉得对于新生儿而言，是没有时间体验的。或者说，在对于时间流逝的感受上人们可能没有达成共识，但是对于事件发生的顺序人们是基本承认的。

谈及时间，必然涉及宇宙的由来，从而人们又开始了关于宇宙开端的争论。当奥古斯丁被问及“上帝在宇宙创始之前做了什么”时，他从神学的角度作出了回答：时间是上帝赋予宇宙的性质中的一种。经典力学之父艾萨克·牛顿爵士则认为，时间不依赖于宇宙中的任何特定物质，它独立于宇宙中的内容之外，他的观点赋予了上帝更多的荣誉。然而，德国的哲学家威廉·莱布尼茨却反驳道：如果牛顿正确，那么世界为什么在这个时刻产生而不是在其他某个时刻呢？他认为，没有充足的理由，上帝是不会创造世界的。二人引发的争论一直延续到20世纪人们争论爱因斯坦的广义相对论属于相对主义还是绝对主义。

上帝笑了，霍金也笑了

长期以来，人们对时间的认识不断地发生着变化，直到20世纪初，人们都认同绝对时间的理论，也就是说，每一件事，都可以由一个称为“时间”的数以唯一的方式来标记，然而，在相对论中，时间却会根据计时者的改变而改变，即时间更具有主观意义了。因此，科学定律并不能区分过去和未来。

那么时间的指向何在呢？霍金认为至少有三种时间之矢：第一，热力学时间之矢，即无序度和熵值增加决定时间的指向；第二，心理学时间之矢，即感觉中时间流逝的方向是过去而不是未来；第三，宇宙学时间之矢，即宇宙膨胀而不是收缩的方向决定时间的指向。霍金论证了三种时间之矢的同一方向性，并推断，宇宙始于一种无序的状态。这就是霍金令人敬畏的发现之一——对时间本质和宇宙由来的权威性总结。我们一起参与时间的探索

爱因斯坦说：“宇宙中最不可理解的就是宇宙可以被理解。”在浩瀚的宇宙中，人类平凡而渺小，但是人类从来都没有停止过探索的脚步。就像霍金，他的探索精神将引领每个人去探索，去发现，去实现人类的进步。然而，探索不是物理学家的特权，而是每一个人都可以参与的活动。以时间为例，走近它，感受它，思考它，将带领我们以全新的视角看待宇宙、生命和个体，让我们的人生更富有价值和意义。

本书以《时间简史》为底本，对霍金的思想进行了诠释和解读，并采用了文字、图示和表格等多种适合阅读的编辑方法，以富有亲和力的形式来阐释霍金令人敬畏的发现：时间和空间的本质何在？上帝与宇宙的起源有何关系？宇宙的过去和未来是什么样的？相信这是一本每个人都可以读得懂的科普书。