第二章 空間與時間 【19】

為了將過去、現在和將來分開人們設置了三種不同的時間箭頭，從而使時間有了方向，第一種就是心理學箭頭，也就是我們自我感覺的時間流逝的方向；在這個箭頭方向下，我們可以記憶過去而不是未來。第二種是熱力學時間箭頭，在這個時間方向上，無序度或熵只增不減。第三種是宇宙學箭頭，在這個時間方向上宇宙是在膨脹不是收縮的。

另外，廣義相對論還預言了在像地球這樣的大質量的物體附近，時間會流逝得慢一些。這是因為光從地球的引力場往上走時要失去能量，因而頻率降低了。這個預言在1962年被驗證，人們測出安裝在水塔頂上的鐘，比塔底下的鐘要走的快一些。這一原理對於要利用衛星發出的信號來做非常精確的導航來說顯得相當重要，如果對此預言無知，所計算的位置會錯幾里地。

廣義相對論的奇特之處，還在於它將空間——時間實際上結合在三維空間和一維時間共同的四維聯繫體之中，並且空間——時間的維度能夠相互轉換。同時愛因斯坦又指出，能量與質量也能夠相互轉換。

他說這是為了保留能量守恆定律和動量守恆定律，不得不改變一些陳舊的觀念。必須認識到質量不是固定不變的，它能夠和能量相互轉化，也就是說質量會轉變為能量；能量也能夠轉變成質量。

根據廣義相對論中空間與時間維度能夠相互轉換的理論，時間可以轉換成空間米，這個空間米被定義為以鉑原子鐘測量的0.000000003335640952秒走過的距離；它實際上也就是歷史上米的定義——保存在巴黎的特定鉑棒上的兩個刻度之間的距離。

廣義相對論還預言了當大質量恆星耗盡了它的核燃料後會向自身塌縮。霍金進一步證明了它們會繼續塌縮直至達到無限密度的奇點。霍金指出，至少對於該恆星來說這個奇點即是時間的終點。而奇點的引力場太強了，甚至連光線都無法逃逸。光都不能從那裡逃逸的區域就叫做黑洞，黑洞的邊界叫做事件視界。任何掉進黑洞事件視界的人或物體都在奇點處達到時間的終點。在經典廣義相對論中預言奇點將會發生，說奇點是空間與時間的具有無限曲率的一點，空間與時間在該處完結。霍金與彭羅斯的一些定理也曾指出，時空向它自身彎曲的事實表明，必須存在奇性，也就是時空具有一個開端或終結的地方。

霍金在1974年以後轉向研究量子引力論，提出過空間與時間在普朗克尺度（10^－33厘米）下不是平坦的，而是處於一種泡沫的狀態，並且由於在量子引力中因果性受到破壞，因而不存在純態而具有量子引力論中的統計性。1980以後他興趣轉向了量子宇宙論。

在量子引力論中空間與時間可以看成一個有限無界的四維面，也就是說空間與時間可以形成一個沒有邊界的封閉曲面，無論時間還是空間在範圍上都是有限的，卻又是沒有任何邊界，就類似於地球的表面只不過多了兩維。而同時由量子力學測不準原理所允許的最小起伏，決定了宇宙中的所有結構。霍金的量子宇宙論是一個自足的理論，在原則上單憑定律就可以將宇宙中的一切都預言出來。

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