这不是一本内容单一的书，它汇集了趣味不同的文章。我们的编辑、W. W. Norton出版公司的Ed Barber自始至终支持着这件事情，尽管我们好象有几回听他不无忧虑地说起“大杂烩”，他还是支持的。其实，这本书本来就该是这个样子，一本中庸的不同品味的文章的集合。科学和科学家也正是这样的——不同的人物和事件混合在一起，没有紧张的约束，也没有十分明显的组织。

不过，书的背后还是有着组织的原则：作品是优秀的，也是可读的——几乎没有一个方程。它们都在谈现代的时空物理。

最重要的时空理论家和观测者们将告诉我们，黑洞、引力波和时间旅行的科学会把我们引向何方。

大脑告诉我们，宇宙间的某些事情一定是真的。新物理学告诉我们不是那样的，这样便模糊了科学与科幻小说之间的界线。，这里的6篇文章，来自远远走在那条路线上的人们，他们发现了多彩的自然，让读者来分享他们对宇宙奥秘的迷恋。普莱斯介绍了空间和时间的新概念，带我们走近了爱因斯坦的广义相对论，后面5篇文章也都统一在这面大旗下：

史蒂芬·霍金 保卫历史

我们幻想时间旅行，然而它可能违背我们正在发现的物理学定律。

索恩 猜想未来

在新世纪里，关于广义相对论和它与量子理论的结合，我们能期待发现什么?

诺维柯夫 我们能改变历史吗?

时间机器给逻辑和自由意志带来了什么问题?

费里斯 谈科学普及

科学家如何向大众传达那些与直觉矛盾的时空新思想?

菜特曼 小说家样的物理学家

物理学家与小说家，不同的职业，相同的创造。

引言：时空欢迎你

我们能改变过去吗？

让历史学家放心的世界

时空弯曲与量子世界：对未来的思考

科学的普及

小说家与物理学家

名词

主题索引

人名索引

译后记

为什么时空有几何

尽管时空图、事件图和2维平面图明显存在着细节上的区别，但它们也有一些迷人的相似。这里存在两个问题：(1)它们真的是同类事物吗?(2)“同类事物”是什么意思?

旋转的数学(旋转变换方程)说明了平面存在几何的事实。有一个不容破坏的有序的距离关系，任何描述距离的方法都必须与那个基本的几何实在相容。旋转数学不过是我们必然遭遇的冰山的一角，几何才是那巨大而实在的冰山。

那么洛伦兹变换呢?它下面也藏着冰山吗?洛伦兹变换也许只是事件背后的几何所决定的一种关系的描述?这一点还没有答案，因为数学背后的实在性没有明确的意义。就算我们有了旋转的数学，知道它准确描述了不同参照系(桥上的不同观测者)所进行的测量之间的关系，形而上学家也可能会板着脸说，几何的存在不过是帮助我们记忆旋转数学的一种精神构造。没有必要把几何当成真实的东西。

多数物理学家都没有耐心去争论。在平面几何的情形，“假装说”几何不是真实的，就像一个毫无意义的游戏。但是，为几何的实在性辩护的，并不全在于像“我知道我看见的东西”那样的说法，而更多地在于，几何存在的观念是非常有用的。它不但帮我们记忆旋转的数学，还帮我们把握那些数学，发现新的关系。如果说几何不是真实的，那么，它的巨大作用也使它成为真实的了。

当爱因斯坦第一次提出洛伦兹变换描写了不同参照系下事件的坐标之间的关系时，他没有特指任何几何。在1905年建立相对论的原始论文中，爱因斯坦是把洛伦兹变换作为惟一的实在而提出的。后来，闵可夫斯基(Itermann Minkowski)才向他指出这些变换可以作为一个基础的几何的表达形式，那就是我们现在所说的“事件时空的闵可夫斯基几何”。闵可夫斯基的几何基于他定义了一种新的分隔事件的距离，一个结合了时间与空间的距离。在不同的参照系中，两个事件可能有不同的时间间隔，也可能有不同的空间距离，但它们的闵可夫斯基距离是相同的。

起初，闵可夫斯基几何似乎不过是一个有趣的结构，但那结构很快就发挥了作用，“不过是一个结构”的观点也烟消云散了。今天，我们普遍认为爱因斯坦的相对论是关于具有闵可夫斯基几何的事件时空的描述，而洛伦兹变换只是那个时空几何里的一种旋转。

为什么时空几何“弯曲”了

闵可夫斯基引进时空几何的思想，是一件重要的事情，原因之一是，它让爱因斯坦用弯曲的时空几何来描述引力。“弯曲时空”这个词令人感觉神秘，人们常常躲它远远的。然而，至少从某种意义说，引力弯曲了时空的说法，不但能够理解，而且非常迷人。真正令我们“绝望”的，只是不能像画2维空间曲面那样把弯曲的时空形象而清晰地画出来。不要指望时空理论家中能产生什么真能画4维弯曲时空的大师。我们画不了。(我想我在这儿说的不仅是我自己。)说到底，那可是时空啊!而且还是4维的!我们是要画图的，不过只是示意性的，通常是一些比喻，有时还可能引起误会。画不出弯曲的时空，耽误了我们对它的理解，但不会限制我们的认识。我们还有数学，而且还有语言。

时空思想首先考虑的是世界线，即代表物体在时间中向前运动的事件的曲线。图6和图7是不同参照系的两列火车的世界线。两条世界线的倾角(偏离垂直方向的角度)相同。这意味着它们在单位时间里改变的距离总是相同的：它们是常速度的世界线。如果在力的作用下，物体就不会以常速度运动。假定在图1l的时空区域里存在着强大的电力的作用，为明确起见，我们可以说那电力是隐藏在图右边的某个地方的大量正电荷引起的。

带电体在图11的区域里会因为电力的影响而加速 (即改变速度)。速度的改变(加速)在这个时空图里表现为世界线的倾向的改变。图中世界线1是直线，说明物体没有变化，从而也没有加速。(它不仅是直线，还是垂直的，意味着物体不仅没有加速，而且还一直停留在参照系的同一个地方。)世界线2的形态告诉我们，它代表的粒子一定带着正电荷，因为它在加速离开隐藏在右边发生作用的正电荷。同样，世界线3一定说明了一个负电荷粒子的事件。仔细看看，我们可以发现世界线3比世界线2偏转更大，它的粒子经历着更大的加速。世界线2和世界线3可能分别代表质子和电子。它们有大小相同、符号相反的电荷；电子质量比质子小得多，因而它的世界线3的偏转也严重得多。

图11说明的关键一点是，每一条世界线都能告诉我们一些它所代表的粒子的物理性质。现在我们拿它来跟引力作用下的世界线做比较。假定图12的时空区域存在某个隐藏在图右边的巨大物体的引力作用。世界线1，2和3分别代表一只保龄球、一张薄纱和一个“魔子”。没有空气阻力的时候，保龄球和薄纱在重力作用下的加速度是完全相同的；它们以相同的速度落下来。这里所谓的“魔子”，我指的是“绝对的任何东西”，不管它是什么，也会以跟球和纱相同的速度下落。

图12的意义在于，偏转的世界线说明了引力在这个时空区域发生影响的一切事情；同样的世界线也描写了引力对任何物体的影响。爱因斯坦的那个合理观点是，世界线形态本身——而不是什么“力”——才是引力的恰当描述。在爱因斯坦的图景里，仅受引力作用的物体只沿着特殊的世界线运动。这些世界线的细节包含着引力作用的细节。

时空里的那些特殊世界线是什么呢?在没有引力的时空区域(即闵可夫斯基的时空区域)，不受其他作用的物体总是以不变的速度在固定方向上运动。它们的世界线是直线。这样，我们有了特殊世界线的一个例子，它也启发我们猜想我们需要明白的一般情形。结果证明，直线并不是任何一个几何都存在的。假如我们想构造具有一切直线性质的曲线，通常是要失败的。考虑一个寻常的例子(也是一个很好的例子)：理想球形的地球表面。我们能画出两条像平行直线那样处处等距离间隔的曲线吗?假如我们在任何方向通过任何一点都能画出一条直线，我们就说自己处在“平直”的空间(或时空)。除此而外的任何情形，都定义为弯曲的。

在弯曲的空间或时空，直线的概念有了简单的推广：它是我们能画出的最可能直的曲线。这样的曲线有一个奇特的名字：“测地线”。如果我们看弯曲几何的一个微小局部，会发现它几乎是平直的。如果经过那个小区域画一条测地线，测地线几乎是直线。

P29-33

这不是一本内容单一的书，它汇集了不同趣味的文章，还残留着拼接的痕迹。我们的编辑W.W.Norton出版公司的Ed Barber自始至终支持着这件事情，尽管我们好像有几回听他不无忧虑地说起“大杂烩”，他还是支持的。其实，这本书本来就该是这个样子，一本中庸的不同品味的文章的集合。科学和科学家也正是这样的——不同的人物和事件混合在一起，没有紧张的约束，也没有严格的组织。

不过，书的背后还是有着组织的原则：作品是优秀的，也是可读的——几乎没有一个方程。它们都在谈现代的时空物理学。最重要的是，这些文章，原来都是2000年6月3日为祝贺加州理工学院的基普·索恩60大寿而做的普及演讲。当然我们也承认，内容编排有点儿奇怪。三篇文章谈科学，一篇谈科学的普及，还有一篇谈科学与科学普及之间的差别。

这本内容复杂的书却是精心策划的产物。为重要的科学家做60大寿是传统。基普不但是一位重要的科学家，对我们个人也是重要的。我们想利用这个机会做一件不同寻常的事情。但是他的谦逊却成了我们的障碍。于是，为了能让基普答应并参加做寿，我们故意瞒着他，等他听到嘎嘎叫时，鸭子已经烤熟了。5个名人答应来讲话；学院的活动中心：Beckman礼堂也预备好了。基普发现这一切的时候，已经无法退缩了。

呈现在这里的文章是根据那天在学院的几篇讲话改编的。请来的讲话者都是鼎鼎有名、硕果累累的，更能引来一大群人。我们没有别的选择，这也说明了基普在学术圈里的地位。所有接到邀请的人都答应了，他们无偿来做演讲，又同意无偿把讲稿编进这本书。2000年6月3日星期六，那天的演讲也是免费的。本书的版税将捐给加州理工学院的一个以基普名字命名的奖学基金。

能把那么多人吸引到礼堂来的东西，对那些不能在那个时候到场的人来说，同样是有趣的。这本书也许缺少演讲者的音容，但是读者能更从容地咀嚼那些本来就不能狼吞虎咽的美味大餐。

在开头的一篇文章里，位于丹麦的北欧理论原子物理学研究所(NORDITA)天体物理中心主任诺维柯夫给我们讲的是时间旅行——即使对那些看好黑洞的科学家来说，这个题目也是陌生而奇妙的。作者带我们走进那个题目，通过简单的解释和简单的力学模型，教我们如何避免回到过去所产生的怪圈。即使没有怪圈，时间旅行也是不可能的——这是霍金的结论，他是剑桥大学卢卡斯数学教授，也是世界上最有名的科学家，他为我们讲了“怎么不可能”。我们知道，这个问题要求走近物理学认识的边缘，而它的答案还在更远的地方。基普在文章里想通过时间旅行走向未来。(其实我们都在做这样的旅行，不过基普肩负探索的使命走到了前头。)引力波天文学可能在不远的将来成为现实，基普和我们分享了他对那些即将产生的激动人心的发现的热情和憧憬。

最后两篇文章跟其他几篇科学描写多少有些不同。一篇来自著名科普作家和记者费里斯，他通过《红限》、《宇宙报告》和《银河时代》等书，为解释宇宙学和天文学确立并提高了标准。他向我们讲述了解释科学的需要和困难，还展示了一个融合了科学和艺术的剧本片段。阿兰·莱特曼当然生活在科学和艺术两个天地里。他从洋溢着创作激情的一流物理学家，成为充满了物理学热爱的一流作家。对那些非物理学领域或者MIT写作计划之外的人来说，阿兰最为人所知的也许是他1993年的畅销书《爱因斯坦的梦》。经历过那么多科学和艺术的不同创造，他当然最有资格来把科学与艺术进行比较。

除了改编五篇讲话，犹他州立大学物理系的理论物理学家普莱斯还写了一个引言，简单介绍了有关时空物理学的思想和那些思想的历史。这个引言为费里斯、霍金、莱特曼、诺维柯夫和索恩表现他们的科学提供了舞台。  致谢

本书的产生要归功于2000年6月初在加州理工学院举行的基普生日庆祝会，所以要感谢对大会有过帮助的人们。我们7个是组织者，但提供过帮助的人还有很多，我们要在这里特别感谢他们。

这本书和这个庆祝会，假如没有加州理工学院行政部门在经费和后勤方面的支持，是不可能成功的。我们特别感谢学院院长David Baltimore和物理、数学与天文学系主任ThomasTombrello，还要感谢学院副教务长David Goodstein主持了演讲大会。

除了学院的财政支持以外，大会还收到李立(David Lee)和他的环球光纤电缆公司(Global Crossing)的必要资助。谢谢李立。

还有很多人以不同的方式帮助过我们：Beckman礼堂的工作人员、学院公关部、学院“雅典娜神庙”俱乐部、LyndaWilliams(“物理学的女歌手”)，以及所有漂洋过海和穿越校园来参加会议的人们，谢谢你们!

Eanna Flanagan Clifford Will

Sandor Kovacs Leslie Will

Richard Pl-iee Elizabeth Wood

Bernard Schutz

在中国传统中，60岁是一个甲子，老人常常以它作为人生坐标的另一个单位。在物理学圈子里，物理学家大过60岁生日，也是一个传统。爱因斯坦在普朗克60岁生日的庆祝会上发表了《探索的动机》的讲话，开头的那段，在这里重复也似乎很恰当：

在科学的庙堂里有许多房舍，住在里面的人真是各式各样，而引导他们到那里去的动机实在也各不相同。有许多人所以爱好科学，是因为科学给他们以超乎常人的智力上的快感，科学是他们自己的特殊娱乐，他们在这种娱乐中寻求生动活泼的经验和雄心壮志的满足；在这座庙堂里，另外还有许多人所以把他们的脑力产物奉献在祭坛上，为的是纯粹功利的目的。如果上帝有位天使跑来把所有属于这两类的人都赶出庙堂，那么聚集在那里的人就会大大减少，但是，仍然还有一些人留在这里，

其中有古人，也有今人……

普朗克是当年的“今人”里的一个；而今天我们有着更多的“今人”：给基普祝寿的人，为本书写文章的人，还有来读这本书的人——不问动机，来者是客。

在纸上参加这个贺寿的会，跟其他欢乐聚会一样，不为学多少东西，重要的是把自己融入一种新的氛围。就像墨老夫子说的：“染于苍则苍，染于黄则黄，所入者变，其色亦变，五入必，而已则为五色矣。”(《墨子·所染篇》)我们现在来听几个人的讲话，感染不同的颜色：物理学的，数学的，科学家的，文学家的，还有藏在它们背后的大自然的。从这个染缸里走出来，可能不知道该相信数学还是直觉?相信想象还是现实?

英国皇家学会会长William Spottiswood在1878年的就职演讲中说过，“与空间和时间共存的是数学的王国；在这个王国里她是至高无上的，不可能存在违背她的秩序的东西，也不可能发生对抗她的法律的事情。”一年以后爱因斯坦才出生。说话者一定“想象”不出今天能给它增添新的意思。我们看到，时空离开数学来想象，王国便失去国王，秩序也化为怪圈，惹起霍金和他的伙伴们“豪”赌的热情。那些赌博是一种选择，色彩的选择，永远没有结果；所以我们更多的“今人”只好在想象与现实间永远地游荡。

更有趣的是，物理想象往往发生在数学现实的后面。我们听过牛顿的苹果的故事，数学王子高斯不信有那样的事情：“如果你愿意，当然可以相信它。”王子认为事实是这样的：牛顿为了躲避一个笨蛋的纠缠，就说苹果落下来砸在他的鼻子上。那人听懂了，高高兴兴走开了。现在物理学家们自己成了牛顿和高斯眼里的笨蛋，幻想一个个怪圈，把自己包裹在里面。有的爱好者，喜欢从几个名词出发，然后凭着无限的想象去构筑他自己半物理半哲学的桃花源。我想，这些朋友特别应该记住“小说家的物理学家”Lightman的那句话：“对一个现代物理学家来说，‘电子’这个词就意味着一个特殊的方程。”

当然，我们还是有权力对虫洞提出疑问，也许那些能在倏忽之间穿过的虫洞，只不过是“美水村”百姓的心愿的另一种幻觉(《百喻经》)：

昔有一聚落，去王城五由旬。村中有好美水，王敕村人，常使日日送其美水。村人疲苦，悉欲移避远此村去。时彼村主语诸人言：“汝等莫去。我当为汝日王改五由旬作三由旬，使汝得近往来不疲。”即往白王。王为改之作三由旬。众人闻已便大欢喜。

(“由旬”是印度的里程单位，从30—60里的说法都有。)我们不知道是不是可以拿传统的尺子去度量幻想的空间；或者拿幻想的字眼来“名”现实的事物。

本书的题目，“时空的未来”(The Future旷sj9acetime)，也藏着一个怪圈，因为“未来”就在“时空”里。这又应了一句不那么老的话，“任何可靠的推理过程，都不可能产生不包含在前提里的结果”(J.W.Mellor)。喜欢想象的读者，千万不要从这句话引出更多的怪圈来。

译者

2004年9月，成都