时间简史-第3章
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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
个沿水平方向每走10米即下降1米的斜面上，你释放一个球，则1秒钟后球的速度为每秒
1米，2秒钟后为每秒2米等等，而不管这个球有多重。当然，一个铅锤比一片羽毛下落得
更快，那是因为空气对羽毛的阻力引起的。如果一个人释放两个不遭受任何空气阻力的
物体，例如两个不同的铅锤，它们则以同样速度下降。
伽利略的测量被牛顿用来作为他的运动定律的基础。在伽利略的实验中，当物体从
斜坡上滚下时，它一直受到不变的外力（它的重量），其效应是它被恒定地加速。这表
明，力的真正效应总是改变物体的速度，而不是像原先想像的那样，仅仅使之运动。同
时，它还意味着，只要一个物体没有受到外力，它就会以同样的速度保持直线运动。这
个思想是第一次被牛顿在1687年出版的《数学原理》一书中明白地叙述出来，并被称为
牛顿第一定律。物体受力时发生的现象则由牛顿第二定律所给出：物体被加速或改变其
速度时，其改变率与所受外力成比例。（例如，如果力加倍，则加速度也将加倍。）物
体的质量（或物质的量）越大，则加速度越小，（以同样的力作用于具有两倍质量的物
体则只产生一半的加速度。）小汽车可提供一个熟知的例子，发动机的功率越大，则加
速度越大，但是小汽车越重，则对同样的发动机加速度越小。
除了他的运动定律，牛顿还发现了描述引力的定律：任何两个物体都相互吸引，其
引力大小与每个物体的质量成正比。这样，如果其中一个物体（例如A）的质量加倍，则
两个物体之间的引力加倍。这是你能预料得到的，因为新的物体A可看成两个具有原先质
量的物体，每一个用原先的力来吸引物体B，所以A和B之间的总力加倍。其中一个物体质
量大到原先的2倍，另一物体大到3倍，则引力就大到6倍。现在人们可以看到，何以落体
总以同样的速率下降：具有2倍重量的物体受到将其拉下的2倍的引力，但它的质量也大
到两倍。按照牛顿第二定律，这两个效应刚好互相抵消，所以在所有情形下加速度是同
样的。
牛顿引力定律还告诉我们，物体之间的距离越远，则引力越小。牛顿引力定律讲，
一个恒星的引力只是一个类似恒星在距离小一半时的引力的4分之1。这个定律极其精确
地预言了地球、月亮和其他行星的轨道。如果这定律变为恒星的万有引力随距离减小得
比这还快，则行星轨道不再是椭圆的，它们就会以螺旋线的形状盘旋到太阳上去。如果
引力减小得更慢，则远处恒星的引力将会超过地球的引力。
亚里士多德和伽利略——牛顿观念的巨大差别在于，亚里士多德相信存在一个优越
的静止状态，任何没有受到外力和冲击的物体都采取这种状态。特别是他以为地球是静
止的。但是从牛顿定律引出，并不存在一个静止的唯一标准。人们可以讲，物体A静止而
物体B以不变的速度相对于物体A运动，或物体B静止而物体A运动，这两种讲法是等价的。
例如，我们暂时将地球的自转和它绕太阳的公转置之一旁，则可以讲地球是静止的，一
列火车以每小时90英哩的速度向北前进，或火车是静止的，而地球以每小时90英哩的速
度向南运动。如果一个人在火车上以运动的物体做实验，所有牛顿定律都成立。例如，
在火车上打乓乒球，将会发现，正如在铁轨边上一张台桌上一样，乓乒球服从牛顿定律，
所以无法得知是火车还是地球在运动。
缺乏静止的绝对的标准表明，人们不能决定在不同时间发生的两个事件是否发生在
空间的同一位置。例如，假定在火车上我们的乓乒球直上直下地弹跳，在一秒钟前后两
次撞到桌面上的同一处。在铁轨上的人来看，这两次弹跳发生在大约相距100米的不同的
位置，因为在这两回弹跳的间隔时间里，火车已在铁轨上走了这么远。这样，绝对静止
的不存在意味着，不能像亚里士多德相信的那样，给事件指定一个绝对的空间的位置。
事件的位置以及它们之间的距离对于在火车上和铁轨上的人来讲是不同的，所以没有理
由以为一个人的处境比他人更优越。
牛顿对绝对位置或被称为绝对空间的不存在感到非常忧虑，因为这和他的绝对上帝
的观念不一致。事实上，即使绝对空间的不存在被隐含在他的定律中，他也拒绝接受。
因为这个非理性的信仰，他受到许多人的严厉批评，最有名的是贝克莱主教，他是一个
相信所有的物质实体、空间和时间都是虚妄的哲学家。当人们将贝克莱的见解告诉著名
的约翰逊博士时，他用脚尖踢到一块大石头上，并大声地说：“我要这样驳斥它！”
亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说，他们相信人们可以毫不含糊地测量
两个事件之间的时间间隔，只要用好的钟，不管谁去测量，这个时间都是一样的。时间
相对于空间是完全分开并独立的。这就是大部份人当作常识的观点。然而，我们必须改
变这种关于空间和时间的观念。虽然这种显而易见的常识可以很好地对付运动甚慢的诸
如苹果、行星的问题，但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效。
光以有限但非常高的速度传播的这一事实，由丹麦的天文学家欧尔·克里斯琴森·
罗麦于1676年第一次发现。他观察到，木星的月亮不是以等时间间隔从木星背后出来，
不像如果月亮以不变速度绕木星运动时人们所预料的那样。当地球和木星都绕着太阳公
转时，它们之间的距离在变化着。罗麦注意到我们离木星越’远则木星的月食出现得越
晚。他的论点是，因为当我们离开更远时，光从木星月亮那儿要花更长的时间才能达到
我们这儿。然而，他测量到的木星到地球的距离变化不是非常准确，所以他的光速的数
值为每秒14 英哩，而现在的值为每秒186000英哩。尽管如此，罗麦不仅证明了光以
有限速度运动，并且测量了光速，他的成就是卓越的——要知道，这一切都是在牛顿发
表《数学原理》之前11年进行的。
直到1865年，当英国的物理学家詹姆士·马克斯韦成功地将当时用以描述电力和磁
力的部分理论统一起来以后，才有了光传播的真正的理论。马克斯韦方程预言，在合并
的电磁场中可以存在波动的微扰，它们以固定的速度，正如池塘水面上的涟漪那样运动。
如果这些波的波长（两个波峰之间的距离）为1米或更长一些，这就是我们所谓的无线电
波。更短波长的波被称做微波（几个厘米）或红外线（长于万分之一厘米）。可见光的
波长在百万分之40到百万分之80厘米之间。更短的波长被称为紫外线、X射线和伽玛射线。
马克斯韦理论预言，无线电波或光波应以某一固定的速度运动。但是牛顿理论已经
摆脱了绝对静止的观念，所以如果假定光是以固定的速度传播，人们必须说清这固定的
速度是相对于何物来测量的。这样人们提出，甚至在“真空”中也存在着一种无所不在
的称为“以太”的物体。正如声波在空气中一样，光波应该通过这以太传播，所以光速
应是相对于以太而言。相对于以太运动的不同观察者，应看到光以不同的速度冲他们而
来，但是光对以太的速度是不变的。特别是当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球通过
以太运动的方向测量的光速（当我们对光源运动时）应该大于在与运动垂直方向测量的
光速（当我们不对光源运动时）。1887年，阿尔贝特·麦克尔逊（后来成为美国第一个
物理诺贝尔奖获得者）和爱德华·莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细
的实验。他们将在地球运动方向以及垂直于此方向的光速进行比较，使他们大为惊奇的
是，他们发现这两个光速完全一样！
在1887年到1905年之间，人们曾经好几次企图去解释麦克尔逊——莫雷实验。最著
名者为荷兰物理学家亨得利克·罗洛兹，他是依据相对于以太运动的物体的收缩和钟变
慢的机制。然而，一位迄至当时还不知名的瑞士专利局的职员阿尔贝特·爱因斯坦，在
1905年的一篇著名的论文中指出，只要人们愿意抛弃绝对时
