《时间简史》读书笔记

一,时间、空间,力

1. 牛顿定律不适用于宇宙实际——先考虑有限的情形,这时所有恒星都相互落到一起,然后在这个区域以外,大体均匀地加上更多的恒星,看情况会如何改变。按照牛顿定律,这额外的恒星平均地讲对原先的那些根本没有什么影响,所以这些恒星还是同样快地落到一起。我们愿意加上多少恒星就可以加上多少,但是它们仍然总是坍缩在一起。

2. 今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论是描述引力和宇宙的大尺度结构,也就是从只有几英里直到大至1亿亿亿(1后面跟24个0)英里,即可观测到的宇宙范围的尺度的结构。另一方面,量子力学处理极小尺度的现象,例如万亿分之一英寸(1英寸=2.54厘米)。然而,可惜的是,这两个理论不是互相协调的——它们不可能都对。

(一),时空相对论

3. 我们必须接受的观念是:时间不能完全脱离和独立于空间,而必须和空间结合在一起形成所谓的时空的客体。

4. 太阳的质量引起时空的弯曲,使得在四维的时空中地球虽然沿着直线的轨迹,它却让我们在三维空间中看起来是沿着一个圆周运动。

5. 空间是弯曲的事实又一次意味着,在空间中光线看起来不是沿着直线走。这样,广义相对论预言光线必须被引力场所折弯。

6. 在像地球这样的大质量的物体附近,时间显得流逝得更慢一些。这是因为光能量和它的频率(每秒钟里光振动的次数)有一关系:能量越大,则频率越高。当光从地球的引力场往上走,它失去能量,因而其频率下降(这表明两个波峰之间的时间间隔变大)。

7. 牛顿运动定律使空间中绝对位置的观念告终。而相对论摆脱了绝对时间。考虑一对双生子,假定其中一个孩子去山顶上生活,而另一个留在海平面,第一个将比第二个老得快。这样,如果他们再次相会,一个会比另一个更老。在这种情形下,年纪的差别非常小。但是,如果有一个孩子在以近于光速运动的空间飞船中作长途旅行,这种差别就会大得多。当他回来时,他会比留在地球上另一个人年轻得多。这即是被称为双生子的佯谬。但是,只是对于头脑中仍有绝对时间观念的人而言,这才是佯谬。在相对论中并没有一个唯一的绝对时间,相反地,每个人都有他自己的时间测度,这依赖于他在何处并如何运动。

8. 相对论限制任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。只有光或其他没有内禀质量的波才能以光速运动。

9. 相对论终结了绝对时间的观念!这样,每个观察者都有以自己所携带的钟测量的时间,而不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致。由于光速等于这距离除以所花的时间,不同的观察者就测量到不同的光速。

10. 当一个物体运动时,或一个力起作用时,它影响了空间和时间的曲率;反过来,时空的结构影响了物体运动和力作用的方式。空间和时间不仅去影响、而且被发生在宇宙中的每一件事所影响。

11. 宇宙必须有个开端,并可能有个终结。

12. 就我们而言,发生于大爆炸(开端)之前的事件不能有后果,所以并不构成我们宇宙的科学模型的一部分。因此,我们应将它们从我们模型中割除掉,并宣称时间是从大爆炸开始的。

13. 每一化学元素都有非常独特的吸收光谱线族,将它们和恒星光谱中失去的谱线相比较,我们就可以准确地确定恒星大气中存在什么元素。将一个望远镜聚焦在一个单独的恒星或星系上,人们就可类似地观察到从这恒星或星系来的光谱线。恒星离开我们而去时,它们的光谱向红端移动(红移);而当恒星趋近我们而来时,光谱则蓝移;星系越远,则它离开我们运动得越快,是在膨胀;不同星系之间的距离一直在增加着。

14. 宇宙在空间上不是无限的,并且是没有边界的。引力是如此之强,以至于空间被折弯而又绕回到自身,使之相当像地球的表面。牛顿或其他人应该会意识到,静态的宇宙在引力的影响下会很快开始收缩。然而现在假定宇宙正在膨胀,如果它膨胀得相当慢,引力会使之最终停止膨胀,然后开始收缩。

15. 第一种力是万有引力,比其他三种力都弱得多,但会作用到非常大的距离去,并且总是吸引的;第二种力是电磁相互作用力;第三种力称为弱核力;第四种力是强作用力。电磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。

16. 一个质量足够大并足够紧致的恒星会有强大的引力场,以致于连光线都不能逃逸——任何从恒星表面发出的光,还没到达远处即会被恒星的引力吸引回来。该恒星收缩时,其表面的引力场变得很强,光线向内偏折得更多,从而使得光线从恒星逃逸变得更为困难。对于在远处的观察者而言,光线变得更黯淡更红。最后,当这恒星收缩到某一临界半径时,表面的引力场变得如此之强,使得光锥向内偏折得这么多,以至于光线再也逃逸不出去。根据相对论,没有东西会走得比光还快。这样,如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能逃逸,都会被引力拉回去。也就是说,存在一个事件的集合或空间——时间区域,光或任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者。现在我们将这区域称作黑洞。黑洞就是由恒星的坍缩和围绕它们的强大的引力场所产生的。

17. 黑洞中必然存在无限大密度和空间——时间曲率的奇点。这和时间开端时的大爆炸相当类似,只不过它是一个坍缩物体和航天员的时间终点而已。

18. 黑洞根本不是真正黑的,它们像一个热体一样发光,它们越小则发热发光得越厉害。所以看起来荒谬,而事实上却是,小的黑洞也许可以比大的黑洞更容易地被探测。

19. 第四维时间的范围也是有限的,然而它像一根有两个端点或边界即开端和终端的线。以后我们会看到,当人们将广义相对论和量子力学的测不准原理结合在一起时,就可能使空间和时间都成为有限的、但却没有任何边缘或边界。

20. 但正如我们将看到的,只要考虑了量子效应,奇性则会消失(奇性定理——现在的宇宙膨胀相的开端,时空被高度地畸变,并且具有很小的曲率半径)。

(二),量子力学

21. 人们被迫从对极其巨大范围的理论研究转到对极其微小范围的理论研究。

22. 科学理论,特别是牛顿引力论的成功,使得法国科学家拉普拉斯侯爵在19世纪初论断,宇宙是完全被决定的。

23. 这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法,也不依赖于粒子的种类。海森堡不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质。

24. 不确定性原理使拉普拉斯科学理论,即一个完全宿命论的宇宙模型的梦想寿终正寝。

25. 量子力学的新理论诞生。在此理论中,粒子不再有分别被很好定义的、能被同时观测的位置和速度,而代之以位置和速度的结合物的量子态。

26. 任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。可能存在由反粒子构成的整个反世界。

27. 当宇宙膨胀并冷却下来,反夸克就和夸克湮灭,但由于已有的夸克比反夸克多,少量过剩的夸克就留下来。正是它们构成我们今天看到的物质,由这些物质构成了我们自己。

28. 在量子理论中,粒子可以从粒子/反粒子对的形式由能量中创生出来。但这只不过引起了能量从何而来的问题。答案是,宇宙的总能量刚好是零。宇宙的物质是由正能量构成的;然而,所有物质都由引力互相吸引。两块互相靠近的物质比两块分得很开的物质具有更少的能量,因为你必须消耗能量去克服把它们拉在一起的引力而将其分开。这样,在一定意义上,引力场具有负能量。在空间上大体一致的宇宙的情形中,人们可以证明,这个负的引力能刚好抵消了物质所代表的正能量,所以宇宙的总能量为零。

29. 如果在我们星系中有很大区域的反物质,则可以预料,在正反物质的边界会观测到大量的辐射,该处许多粒子和它们的反粒子相碰撞、互相湮灭并释放出高能辐射。

30. 时间和空间可能会共同形成一个在尺度上有限而没有任何边界或边缘的面。

31. 如果宇宙确实是完全自足的,没有边界或边缘,它就既没有开端也没有终结——它就是存在。那么,还会有造物主存身之处吗?

32. 宇宙将处于几乎完全无序的状态,这时就不会有强的热力学时间箭头。由于宇宙已经处于几乎完全无序的状态,无序度不会增加很多。然而,对于智慧生命的行为来说,一个强的热力学箭头是必需的。只有在膨胀相中才有适合智慧生命的条件。

33. 无边界条件没有要求收缩相必须是膨胀相的时间反演。我的一个学生雷蒙·拉夫勒蒙进一步发现,在一个稍复杂的模型中,宇宙的坍缩和膨胀非常不同。我意识到自己犯了一个错误:无边界条件意味着事实上在收缩相时无序度继续增加。当宇宙开始收缩时或在黑洞中热力学和心理学时间箭头不会反向。

34. 如果宇宙确实处在量子态里,在虚时间里宇宙就没有奇点。

35. 在实的时间里宇宙的历史显得非常不一样。大约在100或200亿年以前,它有一个最小的尺度,这相当于在虚时间里的最大的半径。在后来的实时间里,宇宙就像由林德设想的紊乱暴涨模型那样地膨胀(但是现在人们不必假定宇宙是从某一类正确的状态产生出来)。宇宙会膨胀到一个非常大的尺度,并最终重新坍缩成为在实时间里看起来像是奇点的一个东西。这样,在某种意义上说,即使我们躲开黑洞,仍然无法避免坍缩到奇点的。只有当我们按照虚时间来描绘宇宙时才不会有奇点。

36. 人们回到我们生活于其中的实时间,那儿仍会出现奇点。陷进黑洞那位可怜的航天员的结局仍然是极可悲的;只有当他在虚时间里生活,才不会遭遇到奇点。上述这些也许暗示所谓的虚时间是真正的实时间,而我们叫做实时间的东西恰恰是子虚乌有的空想的产物。在实时间中,宇宙的开端和终结都是奇点。这奇点构成了科学定律在那儿不成立的时空边界。但是,在虚时间里不存在奇点或边界。所以,很可能我们称之为虚时间的才真正是更基本的观念,而我们称作实时间的反而是我们臆造的。

37. 共有两种光理论:一种是牛顿赞成的光的微粒说;另一种是光的波动说。我们现在知道,实际上这两者都是正确的。

38. 就像光一样,它带走了发射它们的物体的能量。因为任何运动中的能量都会被引力波的辐射所带走,所以可以预料,一个大质量物体的系统最终会趋向于一种不变的状态。

39. 动的重物会导致引力波的辐射,那是以光的速度传播的空间——时间曲率的涟漪。

40. 如果这些额外的维数确实存在,为什么我们没有觉察到它们呢?为何我们只看到三维空间和一维时间呢?一般认为,其他的维数被弯卷到非常小的尺度——大约为1英寸的100万亿亿亿分之一的空间,人们根本无从觉察这么小的尺度。我们只能看到一个时间和三个空间的维数,这儿时空是相当平坦的。这正如一个桔子的表面:如果你靠非常近去看,它是坑坑洼洼的并有皱纹;但若离开一定的距离,你就看不见高低起伏而显得很光滑。对于时空亦是如此。因此在非常小的尺度下,时空是十维的,并且是高度弯曲的;但在更大的尺度下,你看不见曲率或者额外的维数。如果这个图像是正确的,对于自愿的空间旅行者来讲是个坏消息,额外附加的维实在是太小了,以至于不能允许空间飞船通过。然而,它引起了另一个重要问题:为何是一些而不是所有的维数被卷曲成一个小球?也许在宇宙的极早期所有的维都曾经非常弯曲过。为何一维时间和三维空间摊平开来,而其他的维仍然紧紧地卷曲着? 人择原理可能提供一个答案。

41. 如果宇宙确实是空间无限的,或者如果存在无限多宇宙,则就会存在某些从光滑和一致的形态开始演化的大的区域。这有一点像著名的一大群猴子敲打打字机的故事——它们大部分所写的都是废话。但是纯粹由于偶然,它们可能碰巧打出莎士比亚的一首短诗。“为何宇宙是我们看到的这种样子?”这回答很简单:如果它不是这个样子,我们就不会在这儿!

42. 不可能的,因为这样光滑的区域比紊乱的无序的区域少得多得多。然而,假定只有在光滑的区域里星系、恒星才能形成,才能有合适的条件,让像我们这样复杂的、有能力质疑为什么宇宙是如此光滑的问题、能自然复制的组织得以存在。这就是被称为人择原理的一个应用的例子。人择原理可以释义作:“我们看到的宇宙之所以这个样子,乃是因为我们的存在。”

43. 当我们将量子力学和广义相对论相结合,似乎产生了以前从未有过的新的可能性:空间和时间一起可以形成一个有限的、四维的没有奇点或边界的空间,这正如地球的表面,但有更多的维数。看来这种思想能够解释观察到的宇宙的许多特征,诸如它的大尺度一致性,还有像星系、恒星甚至人类等等小尺度的对此均匀性的偏离。它甚至可以说明我们观察到的时间的箭头。

总结:量子相对论认为,时空被物体引力作用哪怕是开始处于膨胀相,最终也会收缩具有边界;虚时间的存在使奇点消失,则时间没有边界——时空都是有限的(也可能是无限的,但我们因为人择定理处于一个有限的部分,所以看不到其他大量的混乱的虚空空间),是一个有限的无边界的空间,但是有更多的维度数。空间由粒子和反粒子构成,粒子以量子状态运动,测不准,两者相互抵消,总能量为零。

二,科学发展史

1. 科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。

2. 人类祖先感到地球是宇宙的中心,而且圆周运动最为完美。

3. 古代的人们用周期性洪水或其他灾难的重复出现,使人类回到文明的开初,来回答宇宙为什么是不变的不朽的永恒的。

4. 一般认为,宇宙或是以一种不变的状态已存在了无限长的时间,或以多多少少正如我们今天所看的样子被创生于有限久的过去。其部分的原因可能是,人们倾向于相信永恒的真理,也由于虽然人会生老病死,但宇宙必须是不朽的、不变的这种观念才能给人以安慰。

5. 牛顿运动定律使空间中绝对位置的观念告终。而相对论摆脱了绝对时间。

6. 每回观察到与这预言相符的新的实验,则这理论就幸存,并且增加了我们对它的可信度;然而若有一个新的观测与之不符,则我们只得抛弃或修正这理论。

7. 今天科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。

8. 科学理论,特别是牛顿引力论的成功,使得法国科学家拉普拉斯侯爵在19世纪初论断,宇宙是完全被决定的。

9. 不确定性原理使拉普拉斯科学理论,即一个完全宿命论的宇宙模型的梦想寿终正寝。

10. 穆菲定律的一种形式:事情总是趋向于越变越糟。

11. 未来,寻求一个能将其(广义相对论和量子力学)合并在一起的理论——量子引力论。

12. 在19和20世纪,科学变得对哲学家,或除了少数专家以外的任何人而言,过于技术性和数学化了。哲学家如此地缩小他们的质疑的范围,以至于连维特根斯坦——这位本世纪最著名的哲学家都说道:“哲学仅余下的任务是语言分析。”这是从亚里士多德到康德以来哲学的伟大传统的何等的堕落!

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