按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
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