《不断持续的幻觉（出版书）》
作者：[英]史蒂芬·霍金
译者：黄雄等
内容简介：
《不断持续的幻觉》是2013年1月湖南科技出版社出版的图书，作者是史蒂芬·霍金，译者是黄雄。丛书名是智慧巨人书系。 本书由霍金选编并评注爱因斯坦关于相对论、量子论的光辉篇章，以及涉及政治社会等问题的名篇。书名源自爱因斯坦的名言：就我们这些物理学家而言，过去、现在和将来之间的区别只是一种不断持续的幻觉。
“爱因斯坦”这个名字已成为天才的同义词，他的相对论是20世纪最重要的科学发现，而他的方程E=mc^2是有史以来最有名的方程。从《相对论原理》和《相对论的意义》到《物理学的进化》，爱因斯坦用自己的语言解释相对论。著名物理学家史蒂芬·霍金将爱因斯坦相对论的著作编成此书，为爱因斯坦的每一阶段撰写了历史回顾和科学展望。
爱因斯坦不仅因他在物理学中开创性的思想，还因他在政治、宗教以及科学和世界间的相互作用的卓识远见而名震天下。《不断持续的幻觉》追随爱因斯坦科学和哲学思考的足迹，收集了爱因斯坦自己论相对论的作品，以及对政治、宗教和他科学发现的终极意义的思考。
中译本序
牛顿曾经说过：“我不过就像是一个在海滨玩耍的小孩……而对于
展现在我面前的浩瀚的真理海洋，却全然没有发现。”“如果说我比别人
看得更远些，那是因为我站在了巨人的肩上。”
人们通常认为，在这里够格充当巨人的应是哥白尼、伽利略和开普
勒。但更为重要的巨人却应该是阿基米德。阿基米德的年代甚至比哥白
尼的年代还早17个世纪。有人说过，他是世界上第一个物理学家，第一
个应用数学家。他在物理学上的贡献主要是静力学、流体静力学和杠杆
原理，在数学上的贡献是原始的积分法和无穷级数求和。他是有史以来
最伟大的三位数学家之一（另外两位是牛顿和高斯）。尤为奇特的是，
在他之前没有一个巨人的肩膀可以让他站上去，可以说他几乎是无中生
有的。
牛顿的天才是无与伦比的。他是经典力学的创立者。他发现了白光
分解并提出了光的微粒说。他和莱布尼茨各自独立地发现或发明了微积
分。牛顿的动力学和微积分是阿基米德静力学和积分学思想的发展。他
认为地上的自由落体和星体的运行都起源于万有引力，从而发现了引力
定律。
爱因斯坦是牛顿之后的最伟大的科学家。他是狭义相对论的主要创
立者，量子论的重要创立者和广义相对论的创立者。他的贡献几乎涵盖
了物理学所有领域，甚至涉及化学领域。
在狭义相对论方面，他把伽利略-牛顿体系中的伽利略相对性原理
推广到法拉第-麦克斯韦的电磁学体系。他引进了光速不变原理，使得
同时性不再是绝对的，进而排斥了超距作用，并导致能量和质量的等效
性。
为了使引力论和他的相对论思想相协调，他引进了等效原理，加速
坐标系中的惯性力和引力是无法区分的。直至广义相对论的等效原理的
提出，伽利略比萨斜塔实验，即惯性质量和引力质量等同的科学含义才
得到充分的揭示。引力场由时空的弯曲度规来体现，自由粒子沿测地线
运行。物质的分布使时空弯曲甚至改变其拓扑结构。至此，无论在阿基
米德静力学中，还是在牛顿动力学中被认为固定的时空背景才参与到物
理演化中来。
爱因斯坦把他的场方程应用于整个宇宙，开创了相对论性宇宙学。
爱因斯坦学说变革了人类的时空观和宇宙观。
这本文集收录的只是爱因斯坦对相对论的贡献。本书的编者霍金是
剑桥大学卢卡斯数学教授，牛顿和狄拉克是他的这个教席的两位伟大的
前任。作为当代最伟大的引力物理学家，他对爱因斯坦学说的评论特别
值得关注。
2007年4月，他在佛罗里达体验了“失重之旅”，以身试法验证了等
效原理，可谓现代版的比萨斜塔实验。
霍金本人的最著名的贡献是发现了弯曲时空的热性，即通常称为黑
洞的霍金辐射。在这个场景中，引力论、量子论和热物理得到完美的统
一。他由此开创了引力热力学的新学科。
他还把费曼的路径积分量子论和广义相对论相结合，提出无边界宇
宙的思想，实现了宇宙创生的无中生有的场景，进而摒除了长期困扰人
类的第一推动问题，从而开创了量子宇宙学的新学科。宇宙没有以外，
宇宙创生也没有以前，因为宇宙和时空不可分离。霍金认为，这是他的
更重要的贡献。
书名“不断持续的幻觉”取自爱因斯坦悼念好友贝索的文字：“对于
像我们这些信仰物理学的人而言，过去、现在和未来之间的区别只不过
是一种不断持续的幻觉。”众生万象都将在时间中寂灭，唯有科学艺术
之花永葆其青春。
吴忠超
2008年8月26日于杭州望湖楼
引言
史蒂芬·霍金
几年前，全世界庆祝爱因斯坦奇迹年的一百周年纪念日。他在那个
奇迹年的一系列令人吃惊的新观念，多方面地变革了物理学，并深刻改
变了科学家的宇宙观。人的直觉告知我们，空间是我们活动的事件的舞
台，而时间是由一台普适的钟制约的。但在1905年以及随后的10年，爱
因斯坦证明，对于坐在椅子上的，在飞机上航行的，在地球上和我们一
道公转的，还有在室女座星系团某处饮茶的，或者正被黑洞吸入的观察
者，空间和时间的含义是不相同的。
爱因斯坦的思想一度使物理学界震惊。现在这些思想已被自动地纳
入每个物理专业本科生学习的方程和公式之中。爱因斯坦在本文集的一
篇文章中写道，只要这些思想成立，德国人就称他为“德国天才”，而英
国人则称他为“瑞士犹太人”。但是他的思想一旦受到质疑，他写道，对
于德国人而言，他就成为“瑞士犹太人”，而对于英国人而言他就成
为“德国天才”。把爱因斯坦作为一名活生生的诙谐者印象留在记忆中的
物理学家，在世的已寥寥无几了。他的空间和时间相互纠缠的思想今天
已深深地在大众文化之中扎根，好几代作家都描述过它。但是最清晰
的，且不说最有趣的爱因斯坦思想的支持者总是非他本人莫属。
正如爱因斯坦在本卷中描述的，他于1905年提出的狭义相对论起源
于一个简单的观察。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦1860年代发现的电磁学理
论证明，无论你是迎向还是离开一束光，光都以相同的速率趋近你。这
在我们日常世界的经验中是不成立的。如果你逃离奔驰而来的列车比你
向它冲去能多存活几秒钟（假定你没想跑到旁边去的话）。在前一种情
形下，列车趋近你的速率是它的速率和你相对于铁轨速率之差。在后一
种情形下，其速率为两速率之和。根据麦克斯韦理论，这同样的说法不
适用于从列车车头照明灯发射出的光。光速在前一种情形下怎能不显得
较慢，而在后一种情形下怎能不显得较快呢？
速率指的是行进的距离除以行进的时间。由此，爱因斯坦意识到，
如果我们对麦克斯韦理论坚信不疑，就必须改变我们的时间和空间观
念。它们不是固定不变的，而要依观察者而调整，要以恰好使光速保持
常数的必要方式弯曲或者拉伸。这同样的弯曲和拉伸当然意味着，列车
本身趋近的速率也不是简单的和或者差，不像我前面描述的那样。但在
远比光速低得多的速率的情形下，在爱因斯坦推导出的与相加或相减之
间的差异只有可忽略的效应。相同的逻辑之链还进一步要求质量和能量
等价，这正是我们能拥有原子能，以及很不幸地，也是原子武器的原
因。我们在这里从爱因斯坦自己的语言中，比所有其他地方都更好地解
释了他推理的细节以及它背后的简单代数。
爱因斯坦的广义相对论也起源于一个简单的观察。在牛顿的运动定
律中出现了一个叫作质量的量，它确定一个物体受外力作用时被加速的
容易程度。一辆大质量的卡车比一辆质量小很多的大众汽车获得速度要
困难得多。在牛顿时代已经知道三种力：电力、磁力和引力。在牛顿运
动定律中对速度改变的抵抗与外力的种类无关。但是牛顿还发现了制约
其中一种力即引力的定律。在该定律中还出现了另一种量，它确定一个
物体在另一个物体存在时施加和感受到的引力拉力的大小。这个量也被
称作质量。这两个质量定义起着完全不同的作用，但它们有充分理由都
被称作质量：结果它们是同一个东西。为什么它们必须等同？这个问题
加上爱因斯坦天才横溢的逻辑使爱因斯坦意识到，空间和时间的结构是
对物质和能量存在的反应。
爱因斯坦写道：“就像目前这样，当经验迫使我们寻求更新更坚实
的基础时，物理学家不能轻易地屈从于哲学家对理论基础的批评性的思
索，因为他本人最清楚地知道，并更深切地感觉何处不适。”爱因斯坦
并非狭隘地只对科学，而且还对科学哲学和科学语言，甚至还对它的伦
理含义有兴趣。有关这些主题的若干文章也收录于此。而且，尽管爱因
斯坦上述言论是在1936年写下的，但现在仍然是物理学家寻找新基础的
时期，也仍然是这类形而上论题正和当年一样具有直接关系的时期。今
天，鉴于爱因斯坦已把空间和时间描写成了动力量，于是我们可以认为
宇宙不仅拥有一个，而且拥有所有可能的历史。我们不仅思考弯曲的空
间和时间，还研究宇宙是否具有额外的维度。我们猜测那些概念的真正
意义，它们是否被很好地定义，或者只不过是近似。我们现在寻找所有
力的统一理论，以及我们在其中领略宇宙呈现千姿万态的空间和时间的
框架。这正是爱因斯坦想必会赞成的探索，而本卷中的杰出工作为此探
索奠定了基础。
（吴忠超译）
第一部分
相对论原理
导言
有时我们会误解，以为诸如爱因斯坦相对论这样伟大的科学突破是
从零开始的，而与此前的研究完全无关。在《相对论原理》一篇中，我
们可以看到爱因斯坦发展其理论的背景，包括作为基础的几篇重要论
文。
最好了解一下物理学在19世纪和20世纪之交的状态，以便在这个背
景中考察他的贡献。1864年，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦发展了完备的电
磁学理论，并且指出静电荷产生电场，而动电荷产生磁场。这两种力看
起来是根本不同的。
亨德里克·A.洛伦兹于1895年和1904年发表的一系列论文中询问似
乎简单的问题。如果电荷静止，而我们从它边上跑过去会发生什么？洛
伦兹指出，对于运动的观察者，静止电荷“就像”运动电荷，并由此电场
就会显得像磁场。洛伦兹证明，电磁波对于一个运动的观察者，正如对
于一个静止的观察者一样，会以相同的速率——光速传播。
1905年爱因斯坦得到相似的结论，电力和磁力是根本上相互关联
的，对于以不同速率运动的观察者，它们以不同的比例显现。但是爱因
斯坦走得远得多。他假定在任何“惯性参考系”（以固定速率和方向运动
的）中所有物理定律必须同样成立，而且对于任何这样的观察者光速都
必须是常数。
无论是麦克斯韦理论，还是迈克耳孙-莫雷实验都很好地支持这些
假设。迈克耳孙和莫雷的实验显示，无论地球如何运动，光总是以常速
率行进。爱因斯坦假定，两位携带相同钟表和米尺并做相互运动的观察
者，每位都会测量出另一位的米尺被缩短，而且测量出另一位的钟表变
慢。这表观上似是而非的矛盾处于相对论的核心。
运动参考系之间的变换习惯上被称作洛伦兹变换。这种变换对艾萨
克·牛顿爵士的运动定律有另一个重要改正。根据牛顿的观点，对一个
物体施加不变的力将使它加速，这样不断地进行会无限地增加物体速
率。然而，爱因斯坦相对论显示，没有东西可以超过光速，只能趋近于
光速这个极限值——牛顿是错误的。
爱因斯坦承认相对论是不完备的。它只能解释以常速度运动的物体
系统，而在引力场中物体一直在被加速。这样他在从1911年至1916年的
几篇里程碑式的论文中发展了“广义相对论”。其主要结果在《相对论原
