《時間簡史》都講了些什麼之一:我們的宇宙圖像

宇宙從何而來,又向何處去?宇宙有開端嗎?如果有的話,在開端之前發生了什麼?時間的本質是什麼?它可以倒流嗎?它會有一個終結嗎?

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哈勃望遠鏡拍攝的HDF.“最深”的圖中可以看到幾百個星系

關於宇宙的起源,在人類歷史上有著種種的說法從民間的“世界是烏龜背上的平板一隻馱著一隻”到亞里士多德的“地球是圓的”到貝特蘭.羅素的”地球繞著太陽公轉“直到天文科技發展到現在我們認識到了銀河系以及更多的無限的星系,意識到我們的地球不過是廣袤無垠的宇宙中的一粒塵埃。

我們依然不直到宇宙究竟是怎樣的,正如霍金先生所說:”即使到了今天,我們又憑什麼認為自己知道的更正確呢?“ 確實,沒有人真正知道我們這個世界真正的樣子。

我們對它的的探究從來都沒有停止過.

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亞里士多德

在公元前340年,希臘哲學家亞里士多德在《論天》一書中論證了地球是一個圓而不是平板的概念.

第一,月食是由地球運行到太陽與月亮之間引起的。地球在月亮上的影子總是圓的,這隻有地球本身就是球行的條件下才成立。

第二:在南方觀測北極星比在較北地區,北極星在天空中顯得較低。(北極星位於北極的正上方,所以它出現在北極觀察者的頭頂上而對於赤道上的觀察者而言則在水平線上.

而亞里士多德認為地球是不動的,太陽,月亮,行星以及其他恆星都圍繞地球公轉. 而地球是宇宙的中心. 當時已知的星體是:太陽,月亮,恆星和水星,金星,火星,木星,土星.

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爾尼古拉.哥白尼(1473-1543)

爾尼古拉.哥白尼(1473-1543)的觀點則是太陽靜止地位於中心,地球和行星們圍繞著太陽做圓周運動,並作出了托勒密模型系統.精密地預言天體在天空中的位置. 哥白尼也因此被教會譴責為異端. 將近一個世紀以後,人們才接受他的觀點.

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托勒密模型系統

1609年,亞里士多德和托勒密的理論宣告死亡。那一年,伽利略用剛發明的望遠鏡來觀測夜空.當觀測木星時,發現有幾個小衛星或月亮圍繞著它運動. 因此,並不是像他們所說,的星體都圍繞著地球抑或是太陽旋轉. 而同時約翰斯.開普勒提出行星不是沿著圓周而是沿著橢圓運動.

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伽利略

到了1987年,艾薩克.牛頓出版了它的《自然哲學的數學原理》不但提出物體如何在空間和時間中運動的理論,切發展了分析這些運動所需的複雜數學.包括我們熟知的萬有引力定律:宇宙中的任一物體都被另外的問題吸引。物體質量越大相互距離越近,則相互之間的引力越大. 而宇宙中的所有星體以引力為前提做圓周運動.

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牛頓

然而不息地運動著的宇宙是在膨脹還是收縮呢?它在何時開始又會在何時結束?1789年哲學家曼努爾.康德發表了著作《純粹理性批判》。他稱這些問題為純粹理性的二律被反(也就是矛盾).如果宇宙有沒有開端,則任何事件之前必有無限的時間;如果宇宙有一開端,在祂之前必有無限的時間. 為何宇宙要在某一個特定的時刻開始呢.

不管宇宙是否存在了無限久,時間均可無限地倒溯回去,我們將會看到,在宇宙開端之前,時間是沒有意義的.

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埃德溫.哈勃

1924年,埃德溫.哈勃做出了個里程碑式的觀測,即不管你往哪個方向觀測,遠處的星系都正在急速地飛離我們而去。換言之,宇宙正在膨脹. 這意味著在古老時期,星體應該比現在更加相互靠近。似乎在約100-200億年前的某一時刻,塔門剛好在同一地方. 所以那時的宇宙密度為無限大. 而在某一個瞬間,他開始因內部的原子的斥力而爆炸. 上帝是在大爆炸的瞬間創生宇宙.

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大爆炸模擬圖

在不斷演化的天文物理理論中我們知道,一個好的理論必須滿足兩個要求:首先這個理論必須能準確地描述大量觀測--這些觀測是根據只包含少數任選的元素的模型所做出的;其次這個理論能對未來觀測的結果做出明確的預言.

然而,在同時。任何的物理理論總是臨時性的:因為你永遠不可能證明它(因為你不可能跳出 宇宙站在高處來向人們證實它的樣子)另一方面:哪怕你找到任何一個和理論預言不一致的觀測事實,即可證明該理論是錯誤的 .

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今天,科學家按照兩個基本的部分理論---廣義相對論和量子力學來描述宇宙。他們是20世紀上半頁的偉大成就: 廣義相對論描述引力和宇宙的大尺度結構 ,也就是從只有幾英里直到大致幾億億億(1後面24個0)英里(1英里=1.609千米)及可觀測到的宇宙的尺度的結構;另一方面,量子力學處理極小尺度,例如萬億分之一英寸(1英寸=2.54cm). 可惜的是,這兩個理論不是相互協調的,他們不可能都對。

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廣義相對論將引力描述成因為時空中的質量和能量而引起的時空彎曲.

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量子力學描述 原子水平以及更微觀的水平現象

我們一直都在致力於觀測制約著我們的宇宙理論,這些理論無論我們是否知曉都在制約和決定著我的行動. 這樣,其實理論本身就決定了我們對之探索的結果!即我們以什麼樣的角度去觀測宇宙就必定得出什麼樣的結果。那麼,為什麼它保證我們從證據中得出正確的結論?難道它不也可以同樣保證我們得出錯誤的結論嗎?或者根本沒有結論?

然而,我們仍然想知道我們為何在此,我們從何而來?人類求知的最深切的意願足以為我們從事的不斷探索提供充足的理由 。

下集預告:《時間簡史》都講了些什麼之二:時間與空間

小編寄語:《時間簡史》是霍金先生偉大的科學鉅著.它從各種物理學的研究中探索時間的由來以及對我們人類的影響及意義. 天文物學也許離我們的日常生活很遠,但是,他可以打開我們用量一種方式看世界的大門,更高的,更深遠的角度,讓我們意識到那些日常的瑣事其實是微不足道的.

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