從古至今，人們一直致力於探究宇宙的本源和歸宿：宇宙究竟是無限的還是有限的？它有一個開端嗎？如果有的話，在此之前發生了什麼？時間的本質是什麼？它會到達一個終點嗎？這些問題常讓普通大眾陷入沒有出口的思考，同樣也困擾著古往今來眾多的科學家和哲學家。

目前，人們普遍接受的時間觀念來自愛因斯坦的相對論。在相對論中，時間與空間一起組成四維時空，成為構成宇宙的基本結構。而史蒂芬·霍金在愛因斯坦之後通過對黑洞、紅移及微波背景輻射等的研究，融合了量子理論，提出了他驚人的論斷——宇宙是有限的，但無法找到邊際；宇宙在大約150 ～ 200 億年前的大爆炸開端有一個奇點，這也是時間的起點，在此之前，時間毫無意義；空間-時間可看成一個有限無界的四維面，宇宙中的所有結構都可歸結於量子力學的測不準原理所允許的小起伏。

為了便於讀者對宇宙學理論進行繫統、深入的解讀，我們編寫了這本《圖說時間簡史》。本書對於非科學專業的讀者來說，是享受人類文明成果的好機會，而對於各科學領域的讀者來說，本書無疑是他們寶貴靈感的源泉之一。書中整合了大量背景信息和理論資料，盡量將原著中一筆帶過或不甚明了的知識點分解開、詳細化地講清楚。刪除了純粹技術性的概念，諸如混沌的邊界條件的數學等。相反，包括相對論、彎曲空間以及量子論的課題，則予以詳細論述。

它帶我們遨遊到微觀和宏觀的奇異領域，帶我們去認識遙遠的星繫、神秘的黑洞、基本粒子和自然的力、誇克、反物質，理解膨脹的宇宙、不確定性原理、時間旅行及大統一理論，揭示當日益膨脹的宇宙崩潰時，時間倒溯引起人們不安的可能性。在這個奇境裡，粒子、膜和弦做十一維運動，黑洞後蒸發並且和它攜帶的秘密同歸於盡，而我們宇宙創生的種子隻不過是一粒微小的“堅果”……

書中配有大量照片、示意圖和解析圖，以直觀形像的方式闡述霍金那些驚人的觀點，尤其是一些難懂的數學解析和理論模型，為讀者更好地理解提供了捷徑。

總之，本書力圖將復雜高深的理論物理知識以通俗易解的語言展現給普通人看，人類從古至今對時間的探索歷程將在書中清晰展現，並在哲學層面理解科學成果，以科學成果烘托哲學理論。無論是廣袤星際間的復雜關聯，還是一個個物理學概念的闡釋，都變得更加引人入勝，使人遐想萬千。

檢測黑洞猶如在煤庫裡找黑貓

黑洞的邊界：事件視界

我們前面提到過， 英國科學家羅傑· 彭羅斯和霍金在1965~1970 年間在經典廣義相對論的框架裡證明了，在很一般的條件下，空間－時間一定存在奇點，著名的奇點即是黑洞裡的奇點以及宇宙大爆炸處的奇點。

根據目前的黑洞理論，黑洞中心存在一個密度與質量無限大的奇點，所以要定義黑洞，必須先定義奇點。

借用愛因斯坦的橡皮膜類比，假如一個物體的能量或者質量足夠大，它就會將橡皮膜刺出一個洞，而這個洞很可能就是所說的奇點。

其實從本質上來說，黑洞中心的奇點和大爆炸奇點相當類似，隻不過它是一個坍縮物體和航天員的時間終點而已。我們已知，在此奇點處，一切科學定律和我們預言將來的能力都將失效。然而，對任何留在黑洞之外的觀察者來說，這一影響顯得無足輕重，因為從奇點出發的無論是光還是任何其他信號都不能到達他那兒。這樣一個令人驚奇的事實促使羅傑·彭羅斯提出了宇宙監督假想，意譯即是“上帝憎惡裸奇點”。具體來說，宇宙監督假想指明的是這樣一種情形：由引力坍縮所產生的奇點隻能發生在像黑洞這樣的地方，在那兒它被事件視界遮住而無法被外界看見。嚴格來說，這被稱為弱的宇宙監督猜測，即它使留在黑洞外面的觀察者不致受到發生在奇點處的可預見性失效的影響，但這個觀察者無法幫助那位落到黑洞裡的可憐的航天員。

對於經典黑洞而言，黑洞外的物質和輻射可以通過視界進入黑洞內部，而黑洞內的任何物質和輻射均不能穿出視界，因此又稱視界為單向膜。視界並不是物質面，它表示外部觀測者從物理意義上看，除了能知它（指視界）所包含的總質量、總電荷等基本參量外，其他一無所知。

事件視界，也叫事像地平面，是一種時空的曲隔界線，也就是空間－時間中不可逃逸區域的邊界。它要說明的是，事件視界以外的觀察者，無法利用任何物理方法獲得事件視界以內的任何事件的信息，或受到事件視界以內事件的任何影響。這一點依然跟光速有關，因為即便速度快如光也無法逃出事件視界的範圍。也正因為如此，產生了“視界”這樣的譯詞，作為外界觀察者可看見範圍的界線。在霍金看來，黑洞的事件視界酷似詩人但丁口中的“地獄”——從這兒進去的人必須拋棄一切希望。對任何人或任何事件來說，一旦進入事件視界，就如同進入了永久的“地獄”，再也不會有任何東西留下，更不會被任何人觀察或記錄到。

黑洞的形狀

黑洞有形狀嗎？這個問題，說起來非常復雜。

廣義相對論預言，運動的重物會導致引力波的輻射，那是以光速旅行的空間曲率的漣漪。而事實上，引力波和電磁場的漣漪光波非常類似，但更難被探測到——它像光一樣帶走了發射它們的物體的能量。不過，借助於引力波引起的臨近自由落體之間距離非常微小的變化，人們有望觀察到它。目前，美國、歐洲和日本正在建造一些檢測器，試圖將10 萬億億分之一的位移，或把在10 英裡距離中的比一個原子核還小的位移測量下來。

我們可以肯定，因為任何運動中的能量都會被引力波的輻射所帶走，所以在引力坍縮形成黑洞的過程中，運動會被引力波的發射阻斷。這樣一來，能預料到的情況是，不需要太長時間，黑洞就會平靜下來，並逐漸趨於某種穩定狀態。以現實中的情形來模擬就是，假設你扔一塊軟木到水中，軟木一開始會翻上翻下折騰好一陣，然而一旦水面的漣漪將其能量帶走，軟木就會平靜下來。不過，對星繫而言情況更復雜。例如，繞太陽公轉的地球就產生引力波，這個能量損失的效應會改變地球的軌道，讓其越來越接近太陽，並終撞到太陽上去。然而實際情況是，地球和太陽在此種情形下的能量損失非常小，也就隻能點燃一個電熱器，完全沒辦法短時間內撞到太陽上去！所以，擔憂這個問題的人完全可以高枕無憂了。

與地球和太陽相比，恆星在引力作用下坍縮成黑洞時，產生的任何運動都要快得多。正因為如此，相應的能量被帶走的速率也要高得多。因此很短時間內就會達到某種穩定的狀態。可問題是， 這個終狀態究竟是什麼樣子呢？是像地球一樣呈現橢圓形還是完美的圓形？過去的人們曾認為，終狀態應該取決於形成黑洞的恆星的所有特征和細節。因此，黑洞可能會大小不一，形體各異，且其形狀有可能是不斷變化的。

形狀不斷變化？一會兒是圓形一會兒是方形？黑洞可能是這樣的嗎？為找出終答案，加拿大科學家外奈·伊斯雷爾在1967年發表了一篇關於黑洞的革命性論文。在該論文中，伊斯雷爾證明了：任何無自轉的黑洞都必須呈現完美的球形，其大小隻依賴於它們的質量，且任何兩個這樣的同質量的黑洞必須是等同的。事實上，這可以由愛因斯坦方程的一個解來表述，這個解是在廣義相對論發現後不久的1917 年由卡爾·史瓦西找到的。一開始，伊斯雷爾的這一發現結果，被許多人甚至他本人認為是黑洞隻能從具有完美圓球形的天體坍縮而成的證據。然而，由於實際上任

何一個真實的天體都不可能是完美無缺的圓球形，因此這個結論意味著一般情形下的引力坍縮會形成裸奇點。

這該如何解釋呢？如果恆星在引力坍縮下形成的是裸奇點，那黑洞從何而來？為解釋這一矛盾點，英國科學家羅傑·彭羅斯和美國物理學家約翰·惠勒提出了一種全新的見解，且解釋得非常細致。他們認為，黑洞的行為看起來就像一個液體球。一開始，盡管一個天體的初始狀態並非完美的圓球形，但隨著它坍縮並形成黑洞，在引力波的發射過程中該天體會逐漸平靜下來，並終形成圓球狀態。不久後，這種觀點得到了更詳細的計算支持，並終為人們普遍接受。需要注意的是，伊斯雷爾的結果隻處理了由無自轉天體形成的黑洞。而與液體球相類似，人們也會想到一個有自轉的但並非由完美球形天體形成的黑洞。考慮到自轉效應，這樣的黑洞應該會在其赤道周圍表現出某種隆起。事實上，人們已經在太陽上觀測到了這種隆起。而在1963 年，新西蘭人羅伊·克爾發現了廣義相對論的黑洞解，且比史瓦西解更具有普遍意義。這些“克爾”黑洞以恆常速度自轉，其大小和形狀隻取決於它們的質量和自轉速率。假如自轉速率為零，黑洞便具有完美的球形，此時的解就和史瓦西解一致。假如有自轉，黑洞便會在其赤道附近向外隆起。由此人們推測，對一個有自轉的天體來說，它經歷坍縮形成黑洞的終狀態就應該用克爾解來描述。

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