前言 

這不是一本內容單一的書，它彙集了趣味不同的文章，還殘留著拼接的痕跡。我們的編輯、W. W. Norton出版公司的Ed Barber自始至終支持著這件事情，盡管我們好像有幾回聽他不無憂慮地說起“大雜燴”，他還是支持的。其實，這本書本來就該是這個樣子，一本中庸的不同品味的文章的集合。科學和科學家也正是這樣的——不同的人物和事件混合在一起，沒有緊張的約束，也沒有十分明顯的組織。

不過，書的背後還是有著組織的原則：作品是優秀的，也是可讀的——幾乎沒有一個方程。它們都在談現代的時空物理學。重要的是，這些文章，原來都是2000年6月3日為祝賀加州理工學院的基普·索恩60大壽而做的普及演講。當然我們也承認，內容編排有點兒奇怪。三篇文章談科學，一篇談科學的普及，還有一篇談科學與科學普及之間的差別。

這本不純的書卻是精心策劃的產物。為重要的科學家做60大壽是傳統。索恩不但是一個重要的科學家，對我們個人也是重要的。我們想利用這個機會做一件不同尋常的事情。但是他的謙遜卻成了我們的障礙。於是，為了能讓基普答應並參加做壽，我們故意散布謠言，等他聽到呷呷叫時，鴨子已經烤熟了。5個名人答應來講話；學院的活動中心Beckman禮堂也預備好了。基普發現這一切的時候，已經無法退縮了。

呈現在這裡的文章是根據那天在學院的幾篇講話改編的。請來的講話者都是鼎鼎有名、碩果累累的，更能引來一大群人。我們沒有別的選擇，這也說明了基普在學術圈裡的地位。所有接到邀請的人都答應了，他們無償來做演講，又無償同意講稿編進這本書。2000年6月3日星期六，那天的演講也是免費的。本書的版稅將捐給加州理工學院的一個以基普名字命名的獎學基金。

那麼多被吸引到禮堂來的人感興趣的東西，對那些不能在那個時候到場的人來說，同樣是有趣的。這本書也許缺少演講者的音容，但是讀者能更從容地咀嚼那些本來就不能狼吞虎咽美味的大餐。

在開頭的一篇文章裡，丹麥Nordic理論物理研究所（NORDITA）天體物理中心主任諾維柯夫給我們講的是時間旅行——即使對那些看好黑洞的科學家來說，這個題目也是陌生而奇妙的。作者帶我們走進那個題目，通過簡單的解釋和簡單的力學模型，教我們如何避免回到過去所產生的怪圈。即使沒有怪圈，時間旅行也是不可能的——這是霍金的結論，他是劍橋大學盧卡西數學教授，也是世界上有名的科學家，他為我們講了“怎麼不可能”。我們知道，這個問題要把我們帶近物理學認識的邊緣，而它的答案還在更遠的地方。基普在文章裡想通過時間旅行走向未來。（其實我們都在做這樣的旅行，不過基普肩負探索的使命走到了前頭。）引力波天文學可能在不遠的將來成為現實，基普和我們分享了他對那些即將產生的激動人心的發現的熱情和憧憬。

後兩篇文章跟其他幾篇科學描寫多少有些不同。一篇來自著名科普作家和記者費裡斯，他通過《紅限》、《宇宙報告》和《銀河時代》等書，為解釋宇宙學和天文學確立並提高了標準。他向我們講了解釋科學的需要和困難，還展示了一個融合了科學和藝術的劇本片段。阿蘭·萊特曼當然生活在科學和藝術這兩個天地間。他從洋溢著創作激情的一流物理學家，成為充滿了物理學熱愛的一流作家。對那些不懂物理或者MIT寫作計劃的人來說，阿蘭為人所知的也許是他1993年的暢銷書《愛因斯坦的夢》。經歷過那麼多科學和藝術的不同的創造，他當然有資格來把科學與藝術進行比較。

除了改編五篇講話，猶他州立大學物理繫的理論物理學家普萊斯還寫了一個引言，簡單介紹了有關時空物理學的思想和那些思想的歷史。這個引言為費裡斯、霍金、萊特曼、諾維柯夫和索恩表現他們的科學提供了舞臺。

引言 時空歡迎你（部分）

為什麼時空有幾何

  盡管時空圖、事件圖和2維平面圖明顯存在著細節上的區別，但它們也有一些迷人的相似。這裡存在兩個問題：（1）它們真的是同類事物嗎？（2）“同類事物”是什麼意思？

  旋轉的數學（旋轉變換方程）說明了平面存在幾何的事實。有一個不容破壞的有序的距離關繫，任何描述距離的方法都必須與那個基本的幾何實在相容。旋轉數學不過是我們必然遭遇的冰山的一角，幾何纔是那巨大而實在的冰山。

  那麼洛倫茲變換呢？它下面也藏著冰山嗎？洛倫茲變換也許隻是事件背後的幾何所決定的一種關繫的描述？這一點還沒有答案，因為數學背後的實在性沒有明確的意義。就算我們有了旋轉的數學，知道它準確描述了不同參照繫（橋上的不同觀測者）所進行的測量之間的關繫，形而上學家也可能會板著臉說，幾何的存在不過是幫助我們記憶旋轉數學的一種精神構造。沒有必要把幾何當成真實的東西。

  多數物理學家都沒有耐心去爭論。在平面幾何的情形，“假裝說”幾何不是真實的，就像一個毫無意義的遊戲。但是，為幾何的實在性辯護的，並不全在於像“我知道我看見的東西”那樣的說法，而更多地在於，幾何存在的觀念是非常有用的。它不但幫我們記憶旋轉的數學，還幫我們把握那些數學，發現新的關繫。如果說幾何不是真實的，那麼，它的巨大作用也使它成為真實的了。

  當愛因斯坦次提出洛倫茲變換描寫了不同參照繫下事件的坐標之間的關繫時，他沒有特指任何幾何。在1905年建立相對論的原始論文中，愛因斯坦是把洛倫茲變換作為惟一的實在而提出的。後來，閔可夫斯基（ItermannMinkowski）纔向他指出這些變換可以作為一個基礎的幾何的表達形式，那就是我們現在所說的“事件時空的閔可夫斯基幾何”。閔可夫斯基的幾何基於他定義了一種新的分隔事件的距離，一個結合了時間與空間的距離。在不同的參照繫中，兩個事件可能有不同的時間間隔，也可能有不同的空間距離，但它們的閔可夫斯基距離是相同的。

起初，閔可夫斯基幾何似乎不過是一個有趣的結構，但那結構很快就發揮了作用，“不過是一個結構”的觀點也煙消雲散了。今天，我們普遍認為愛因斯坦的相對論是關於具有閔可夫斯基幾何的事件時空的描述，而洛倫茲變換隻是那個時空幾何裡的一種旋轉。

為什麼時空幾何“彎曲”了

  閔可夫斯基引進時空幾何的思想，是一件重要的事情，原因之一是，它讓愛因斯坦用彎曲的時空幾何來描述引力。“彎曲時空”這個詞令人感覺神秘，人們常常躲它遠遠的。然而，至少從某種意義說，引力彎曲了時空的說法，不但能夠理解，而且非常迷人。真正令我們“絕望”的，隻是不能像畫2維空間曲面那樣把彎曲的時空形像而清晰地畫出來。不要指望時空理論家中能產生什麼真能畫4維彎曲時空的大師。我們畫不了。（我想我在這兒說的不僅是我自己。）說到底，那可是時空啊！而且還是4維的！我們是要畫圖的，不過隻是示意性的，通常是一些比喻，有時還可能引起誤會。畫不出彎曲的時空，耽誤了我們對它的理解，但不會限制我們的認識。我們還有數學，而且還有語言。