《时间的轮回：一种非同寻常的新宇宙观》

著：罗杰*彭罗斯（Roger Penrose）

《皇帝新脑》、《通向实在之路》的作者

PK《时间之箭》的物理哲学著作

评论

“关于宇宙起源的真诚的新思想…看来在理论上整合一起…必定严谨”---斯科特曼

“风格特异，内容深奥，正如他以前的著作…但许多快乐由此而来”---星期日泰晤士报，克里斯托弗*坡特尔

“发人深省，受益匪浅”---夜空杂志

“严重推荐《时间的轮回》，它可作为一位宇宙学家现在如何思考难以置信的…的典范”---文学评论

原文的一张插图请见：http://blog.sina.com.cn/s/blog_495c10c50100v5g3.html

浪漫的多重宇宙：新世代从黑洞奇点中涌出

简介

  自从他第一本书《通向实在之路》销售之后，我们这位最卓越的科学家之一，提出了一种关于宇宙起源和终结的全新理论。

  《时间的轮回：一种非同寻常的新宇宙观》是一本科学书籍，由数学物理学家罗杰*彭罗斯（Roger Penrose）所著，由伯德利*赫德（Bodley Head）出版社于2010年出版。本书思想深奥，文笔清晰，有94张插图，形象而美观。本书概括了彭罗斯的共形轮回宇宙学（Conformal Cyclic Cosmology，CCC）模型，它是广义相对论的延伸，但反对多维弦论所广泛赞同的观念以及大爆炸之后的宇宙学膨胀理论。

   大多数评论家发现完全理解本书是一种挑战，几位评论家如科库斯（Kirkus）和苏格兰的多哥*约翰斯顿（Doug Johnstone），欣赏彭罗斯发表的独特思想。支持者曼吉特*库马（Manjit Kumar）评论赞赏CCC概念的俄罗斯“套娃”几何观念，构架了一种M. C.埃舍尔“赞成”的思想。纽约期刊的格雷厄姆*斯托尔斯（Graham Storrs）承认这是不能不让人沉迷其中的著作。

原书简介

  罗杰*彭罗斯的突破性地畅销了《通向实在之路》（The Road to Reality，2005），为综合理解当前认为统治宇宙的定律提供了一种通俗易懂的向导。在《时间的轮回》一书中，他远远地超出了这个目的，而建立了一种关于宇宙的全新观念，而且为常问的问题“大爆炸之前发生了什么？”提供了一种相当以外的回答。

在这个新奇的见解之后隐藏着两个关键思想，对热力学第二定律的细致分析---源于我们世界的随机性持续增加---，并彻底检验时空的光锥几何。彭罗斯能将这两个中心问题进行了综合，表明我们加速膨胀宇宙的未来终极命运实际上可重新解释为新宇宙的“大爆炸”。

   一方面，本书还有许多其它基本组成部分，并详细讨论了它们的地位，但没有任何复杂的数学公式（这些全部放到附录中）。本书也介绍了各种标准的和非标准的宇宙学模型，因为宇宙微波背景起到了一种普遍而基本的作用，对于讨论银河系中心的巨型黑洞及其因霍金蒸发这种神秘过程而最终消失，宇宙微波背景辐射也是重要的。

概要

彭罗斯检查了热力学第二定律的含义，而必然导致宇宙向极大熵态演进。根据信息状态相空间来阐释熵（采用一维空间的每个自由度），粒子因为随机运动，随时间从较小的相空间粒度，最终移动经过甚至更大的相空间粒度。他不同意斯蒂芬*霍金的回溯（back-track）思想，当物质进入黑洞时，信息是否被破坏。这种信息丢失非平凡（non-trivially）地降低了宇宙总熵，无论黑洞因霍金辐射到哪里，导致信息丢失于相空间自由度中。

   彭罗斯进而声称，极长时间（超过10¹⁰⁰年）距离不再是有意义的，因为全部质量衰变成极限红移光能，在那里对时间没有任何影响，而宇宙继续无事件地膨胀。这种大爆炸的无限膨胀时期表现为一个世代（aeon）。先前世代被光滑“无毛”地无限遗忘，演变为下一轮回世代的低熵大爆炸状态。共形几何学保持角度不变，而前一世代的距离发生变化，并允许新世代的宇宙看起来最初相当小，因为它开始于一种新的相空间。

  彭罗斯引用WMAP宇宙微波背景观测中发现的同心环作为他模型的初步证据，并预测因为前一世代的黑洞碰撞而产生的引力波纹可留下这种结构。

格雷厄姆*斯托尔斯的评论

   彭罗斯教授是世界主要的数学家之一，也是一位对理论物理学作出了显著贡献的人。他与斯蒂芬*霍金对黑洞的研究工作，几乎与他在镶嵌领域的纯数学贡献一样著名，然而他对科学的贡献完全不止这些。所以，当他写这本副标题为“一种非同寻常的宇宙新视野”的书时，对于世界上任何感兴趣的人来说，关于他如何写作、如何理解，在此谈谈。

   然而，他确实提出了一种相当异端的假说。他认为宇宙是反复轮回的，从一次大爆炸到另一次大爆炸；从单调枯燥的极低熵的特殊状态，爆发出存在，其膨胀遵循热力学第二定律（即平均熵递增---大部分变成黑洞产物），而这种加速膨胀直至无限，经历一个至少10¹⁰⁰年的周期，而黑洞蒸发散逸，甚至电子和正电子的静止质量逐渐消失为零。然后，通过一种简便的几何技巧，古宇宙终结于单调的低熵“类空面”（spacelike surface），变成新宇宙大爆炸单调的低熵“类空面”。

  为了理解从大爆炸到大爆炸，彭罗斯教授领我们进入如下旅程：从令人奇怪的熵增必然性以及第二定律开始，经过大爆炸的特殊状态，而结束于他所谓的“共形轮回宇宙学”（共形是因为他猜想在未来某段时间，所有粒子实际上是无质量的，因此粒子的“世界线”限制于闵可夫斯基四维空间内的“零锥”外表面）。但如果你对此迷惑不解，那么《时间的轮回》可能不适合于你的口味。

  为外行写的科普书籍，通常向我们介绍已建立的科学，或总结科学的新领域，它们尽可能避免复杂的数学，循循善诱地介绍较艰深的思想，重复常内容，方式略不同，帮助外行沿着论述寻找自己的理解。

  而《时间的轮回》不是那种书籍。它描述了作者自己在宇宙学中令人争论的开创性探索。本书力避重复，将较难阅读和把握的深奥复杂的内容，放入首次介绍或讨论的材料作为参考。即使读者数学功底薄弱（无论如何，那些集中于附录中），大多数外行也足以理解它，但所提到的物理观念不适合于谨守陈规者。

  本书值得阅读思考。彭罗斯博士是一位思想清澈、文笔清晰的作家，甚至他的学术论文是一种清晰得令人惊叹。如果这些思想看似艰深，大概是因为他甚至是世界上最好的科学作家之一，表达得不能再简单了。《时间的轮回》中多处提及彭罗斯教授以前篇幅达1000页的研究成果《通向实在之路》，而基本上可公正地说明这本前作是简易的，所以当将《时间的轮回》作为它的姊妹篇来阅读。当然，读者的数学物理知识也是有益的。

  为何本书是值得思考的了？好，对熵、热力学第二定律的本质，及其与大爆炸乃至黑洞的关系，本书有大量深刻的见解。即使彭罗斯博士作了一些假设，甚至对外行看起来也觉得怀疑（如，电子和正电子的质量将经历足够的时间而消失，黑洞中的信息丢失与自由度的丢失有关，因为奇点毁灭了粒子），但他预测其中至少有一个假说（宇宙微波背景CMB中的同心各向异性是由于前爆炸黑洞相互作用产生的引力波）已被检验，并在观测数据中发现它。

   许多物理学家认为CMB中的这些圆环只是统计性痕迹，或者它们是类型很不同的多重宇宙相互碰撞的产物。然而，有事实支持彭罗斯博士这个“非同寻常的观点”。最后，只有观测数据才是科学中真正重要的。

  最好先深呼一口气，浏览了一下这本吸引人的科普书籍，然后猛然钻入其中。

  这篇评论的作者格雷厄姆*斯托尔斯，以前是一位研究科学家和软件设计师，他现在写作科幻小说。他是《时间之露，一个临近未来的科幻故事》（Time Splash，a near-future sci-fi thriller）（里瑞克出版社）的作者。

目录

《时间的轮回：一种非同寻常的新宇宙观》... 4

中文目录... 7

英文目录... 8

前言... 9

鸣谢... 9

序言... 10

第一篇 第二定律的神秘性... 14

1.1 随机性的残酷进行... 14

1.2 熵，作为状态的计数... 15

1.3 相空间与波尔兹曼的熵定义... 20

1.4 熵概念的稳健性... 26

1.5 不可阻挡的熵增

1.6 为何过去不同？... 35

第二篇 大爆炸的奇异性... 38

2.1 我们的膨胀宇宙... 38

2.2 无处不在的微波背景... 44

2.3 时空，零锥，度规，共形几何... 50

2.4 黑洞与时空奇点... 61

2.5 共形图解与共形边界... 67

2.6 理解大爆炸如何特殊... 81

第三篇 共形轮回宇宙学... 90

3.1 连接无限... 90

3.2 CCC的结构... 90

3.3早期的前爆炸提议... 90

3.4公平的第二定律... 90

3.5 CCC与量子引力... 90

3.6 观测的意义... 90

后记... 90

附录... 90

注记... 90

索引    90

前 言

     我们宇宙最深奥的谜题之一就是“宇宙来自何处之谜”。

   在1950年代初，当我作为一名数学系研究生进入剑桥大学，一个迷人的宇宙学理论占据了主流，以稳态模型著名。根据这种图景，宇宙没有开始，而总体上在全部时期或多或少保持相同。尽管宇宙膨胀，稳态宇宙模型能实现这个方案，因为物质的持续亏损起因于宇宙的膨胀，这被视为以一种极其弥散的氢气形式，为新物质的持续创生所补偿。我在剑桥大学的朋友和顾问，宇宙学家丹尼斯*赛亚马（Dennis Sciama），从他那里，我了解到如此多的新物理学的兴奋，在那时就有强烈拥护稳态宇宙学，而他给我留下了非同寻常的事物图景的优美和力量。

    然而，这种理论还未经受时间的考验。在我首次进入剑桥大约10年前之后，也逐渐了解阿诺*彭兹亚斯（Arno Penzias）和罗伯特*威尔逊（Robert Wilson）发现的理论，它对于他们自身也感到惊讶，一种完全普遍的电磁辐射，从所有方向入射，现在指示为宇宙微波背景或CMB。这很快为罗伯特*迪克（Robert Dicke）辨别出来，作为宇宙大爆炸成因‘闪耀’的预示迹象，现在推测已发生在140亿年前---乔治*雷蒙特（Georges Lemaître）阁下于1927年严格地做了首次研究，他的研究工作暗示了爱因斯坦1915年的广义相对论和宇宙膨胀的早期观测迹象。丹尼斯*赛亚马以巨大的勇气和科学诚实（当CMB数据变得更加证实时），公开发表了他的早期观点，并从那时起，强烈支持宇宙大爆炸起源思想。

    自从那以后，宇宙学从一门探索性科学成长为一门精密科学，CMB的强度分析---完全来自详细的数据，产生于许多卓越的实验---构成了这种革命的主要部分。然而，存在许多谜题，大量探索继续为之奋斗。本书中，我不仅描述了经典相对论宇宙学主要模型，而且也描述了满足其各种发展及自那以后产生的迷惑问题的描述。最特别的是，热力学第二定律和大爆炸本质之后隐藏着一种奥妙。与此有关，我进而提出我自己的探索主体，它将我们已知宇宙的许多不同特征整合在一起。

    我自己的非传统方法开始于2005年夏，虽然许多细节是最近作出的。这种解释认真地进入了某些几何领域，但我避免把方程或其它技术方法中严格的东西包含在本文主体中，将所有这些放于附录。只有专家才参考书的那些部分。我在此赞成的方案实际上是非传统的，仍然基于几何物理思想，它听起来很可靠。虽然有些完全不同，这种建议对古老的稳态模型产生强烈共鸣！

我惊叹丹尼斯*赛亚马已经理解了它。

鸣谢

   我非常感谢许多朋友与同事他们的重要帮助，也感谢他们与我分享宇宙学定理有关的思想，我正要进一步提到它。最重要的是，与保罗*托德（Paul Tod）的详细讨论，对有关外尔曲率猜想的共形-扩展（conformal-extension）版有重要影响，而其分析的许多特征被证明对于共形轮回宇宙学方程的具体建立是极为重要的，我将在此提到它们。在其它事情结束之后，赫尔姆特*弗瑞德里希（Helmut Friedrich）对共形无穷性（conformal infinity）的有力分析，特别是他对于具有正宇宙学常数情况的研究，为该定理的数学存在性提供了一种有力的支持。另外一位多年来作出了重要贡献的是沃尔夫冈*润德乐（Wolfgang Rindler），尤其是他对宇宙学视界（cosmological horizon）的关键理解，而且与我长期合作研究2旋量形式体系，也对膨胀宇宙学作了探讨。

   显然的帮助来自弗洛伦斯*周（春生，Sheung Tsun）和张宏模（Hong-Mo Chan），他们与我分享了粒子物理学中的质量本性思想，而詹姆斯*布约肯（James Bjorken）也提供了一种与此有关的重要认识。在曾对我产生重要影响许多其他人之中是戴维德*斯坡尔格（David Spergel）、阿米尔*哈吉安（Amir Hajian）、詹姆斯*皮波里斯（James Peebles）、迈克*伊斯特伍德（Mike Eastwood）、厄德*斯佩格尔（Ed Speigel）、阿贝*阿希提卡（Abhay Ashtekar）、内尔*图罗克（Neil Turok）、皮德罗*费雷拉（Pedro Ferreira）、法和*古扎德彦（Vahe Gurzadyan）、李*斯默林（Lee Smolin）、保罗*斯坦哈德（Paul Steinhardt）、安德鲁*霍奇思（Andrew Hodges）、莱昂尔*梅森（Lionel Mason）、皮德罗*费雷拉（Pedro Ferreira）和特德*纽曼（Ted Newman）。瑞查得*劳伦斯英雄式的支持是无法估量的，极重要的帮助来自托马斯*劳伦斯（Thomas Lawrence），尤其他对第一篇提供了许多丢失的信息。感谢保罗*纳什（Paul Nash）作了索引。

   我妻子法尼萨（Vanessa）在经常困难的情况下，对我的强烈支持、爱和理解，我表示深深感激，感谢她在仓促的情况立即提供了某些所需要的图件，但尤其对于引导我克服现代电子技术的一些连续挫折，否则在插图上就会完全击败我。最后，我们的十岁的儿子马科斯，感谢他连续打气，也感谢他自己把玩中而有助于我认识这种眼花缭乱的技术。

   我感谢M.C.埃舍尔公司的霍兰德（Holland），允许复印图2.3中的图像。感谢海德尔堡大学理论物理研究所提供图2.6。我还感谢NSF的PHY00-90091项目支持。

注：我曾翻译此书前几章，后来了解到有出版社联系了别人在翻译，故停止。