《时间简史》

史蒂芬·霍金

摘录

光的不同波长正是人眼看到的不同颜色,最长的波长出现在光谱的红端,而最短的波长在光谱的蓝端。想像在离开我们一个固定的距离处有一光源——例如恒星——以固定的波长发出光波。显然我们接收到的波长和发射时的波长一样(星系的引力场没有强到足以对它产生明显的效应)。现在假定这恒星光源开始向我们运动。当光源发出第二个波峰时,它离开我们更近一些,这样两个波峰之间的距离比恒星静止时更小。这意味着,我们接收到的波的波长比恒星静止时更短。相应地,如果光源离开我们运动,我们接收的波的波长将更长。这意味着,当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。这个称之为多普勒效应的频率和速度的关系。哈勃为其他星系的距离以及观察到的光谱分类。他发现大部份星系是红移的——几乎所有都远离我们而去!更惊异的是:甚至星系红移的大小也不是杂乱无章的,而是和星系离开我们的距离成正比。换句话讲,星系越远,则它离开我们运动得越快!这表明宇宙不可能像原先人们所想像的那样处于静态,而实际上是在膨胀;不同星系之间的距离一直在增加着。

第一种模型(即弗利德曼找到的)中,宇宙膨胀得足够慢,以至于在不同星系之间的引力使膨胀变慢下来,并最终使之停止。然后星系开始相互靠近,宇宙开始收缩。对于随时间增加两个邻近的星系的距离的变化,刚开始时距离为零,接着它增长到最大值,然后又减小到零;在第二类解中,宇宙膨胀得如此之快,以至于引力虽然能使之缓慢一些,却永远不能使之停止。此模型中的邻近星系的距离随时间的变化。刚开始时距离为零,最后星系以稳恒的速度相互离开;最后,还有第三类解,宇宙的膨胀快到足以刚好避免坍缩。星系的距离从零开始,然后永远增大。然而,虽然星系分开的速度永远不会变为零,这速度却越变越小。

恒星的引力场改变了光线的路径,使之和原先没有恒星情况下的路径不一样。光锥是表示光线从其顶端发出后在空间——时间里传播的轨道。光锥在恒星表面附近稍微向内偏折。当该恒星收缩时,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。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,将其边界称作事件视界,它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的轨迹相重合。

黑洞:不能逃逸到远处的事件集合。在引力坍缩之后,一个黑洞必须最终演变成一种能够旋转、但是不能搏动的态。并且它的大小和形状,只决定于它的质量和旋转速度,而与坍缩成为黑洞的原先物体的性质无关。即【克尔解:以恒常速度旋转,其大小与形状只依赖于它们的质量和旋转的速度。如果旋转为零,黑洞就是完美的球形,这解就和施瓦兹席尔德解一样。如果有旋转,黑洞的赤道附近就鼓出去,而旋转得越快则鼓得越多】

时空在大爆炸奇点处开始,并会在大挤压奇点处(如果整个宇宙坍缩的话)或在黑洞中的一个奇点处(如果一个局部区域,譬如恒星要坍缩的话)结束。

地球原先是非常热的,并且没有大气。在时间的长河中它冷却下来,并从岩石中溢出的气体里得到了大气。这早先的大气不能使我们存活。因为它不包含氧气,但有很多对我们有毒的气体,如硫化氢(即是使臭鸡蛋难闻的气体)。然而,存在其他在这条件下能繁衍的生命的原始形式。人们认为,它们可能是作为原子的偶然结合形成叫做宏观分子的大结构的结果而在海洋中发展,这种结构能够将海洋中的其他原子聚集成类似的结构。它们就这样地复制了自己并繁殖。在有些情况下复制有误差。这些误差多数使得新的宏观分子不能复制自己,并最终被消灭。然而,有一些误差会产生出新的宏观分子,在复制它们自己时会变得更好。所以它们具有优点,并趋向于取代原先的宏观分子。进化的过程就是用这种方式开始,它导致了越来越复杂的自复制的组织。第一种原始的生命形式消化了包括硫化氢在内的不同物质而放出氧气。这样就逐渐地将大气改变到今天这样的成份,允许诸如鱼、爬行动物、哺乳动物以及最后人类等生命的更高形式的发展。

整部科学史是对事件不是以任意方式发生,而是反映了一定的内在秩序的逐步的意识。

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。”

人择原理有弱的和强的意义下的两种版本。弱人择原理是讲,在一个大的或具有无限空间和/或时间的宇宙里,只有在空间一时间有限的一定区域里,才存在智慧生命发展的必要条件。在这些区域中,如果智慧生物观察到他们在宇宙的位置满足那些为他们生存所需的条件,他们不应感到惊讶。强人择原理是存在许多不同的宇宙或者一个单独宇宙的许多不同的区域,每一个都有自己初始的结构,或许还有自己的一套科学定律。在这些大部分宇宙中,不具备复杂组织发展的条件;只有很少像我们的宇宙,在那里智慧生命得以发展并质疑:“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!(强和弱的区别类似于一个多才多艺的人会有很多未来的选择他可以走很多路线选择很多,而没有才能的人只能用自己的意识和努力去改变和选择)

在欧几里德时空中,时间方向和空间方向没有不同之处。另一方面,在通常用实的时间坐标来标记事件的实的时空里,人们很容易区别这两种方向——在光锥中的任何点是时间方向,之外为空间方向。如果欧几里德时空延伸到无限的虚时间,或者在一个虚时间奇点处开始,量子引力论开辟了另一种新的可能性,在这儿时空没有边界,所以没有必要指定边界上的行为。这儿就没有使科学定律失效的奇点,也就是不存在在该处必须祈求上帝或某些新的定律给空间一时间设定边界条件的时空边缘。人们可以说:“宇宙的边界条件是它没有边界。”宇宙是完全自足的,而不被任何外在于它的东西所影响。它既不被创生,也不被消灭。它就是存在。可以描绘得像是地球的表面,在那儿与北极的距离代表虚的时间,并且离北极等距离的圆周长代表宇宙的空间尺度。宇宙是从作为单独一点的北极开始的。当你一直往南走去,离开北极等距离的纬度圈变大,这是和宇宙随虚时间的膨胀相对应。宇宙在赤道处达到最大的尺度,并且随着虚时间的继续增加而收缩,最后在南极收缩成一点。尽管宇宙在北南二极的尺度为零,这些点不是奇点,并不比地球上的北南二极更奇异。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,它有助于我们描述宇宙的模样。但是科学理论仅仅是我们用以描述自己所观察的数学模型,它只存在于我们的头脑中。所以去问诸如这样的问题是毫无意义的:“实”的或“虚”的时间,哪一个是实在的?这仅仅是哪一个描述更为有用的问题。

科学定律在称作C、P和T的联合作用(或对称)下不变。(C是指将反粒子来替代粒子;P的意思是取镜象,这样左和右就互相交换了;T是指颠倒所有粒子的运动方向,也就是使运动倒退回去。)在所有正常情形下,制约物体行为的科学定律在CP联合对称下不变。换言之,对于其他行星上的居民,若他们是我们的镜像并且由反物质而不是物质构成,则生活会刚好是同样的。

时间箭头将过去和将来区别开来,使时间有了方向。至少有三种不同的时间箭头:第一个,是热力学时间箭头,即是在这个时间方向上无序度或熵增加;然后是心理学时间箭头,这就是我们感觉时间流逝的方向,在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来;最后,是宇宙学时间箭头,在这个方向上宇宙在膨胀,而不是收缩。

无序度随时间的增加乃是因为我们是在无序度增加的方向上测量时间。

无边界条件意味着事实上在收缩相时无序度继续增加。对于智慧生命的行为来说,一个强的热力学箭头是必需的。为了生存下去,人类必须消耗能量的一种有序形式——食物,并将其转化成能量的一种无序形式——热量,所以智慧生命不能在宇宙的收缩相中存在。这就解释了,为何我们观察到热力学和宇宙学的时间箭头指向一致。并不是宇宙的膨胀导致无序度的增加,而是无边界条件引起无序度的增加,并且只有在膨胀相中才有适合智慧生命的条件。

不确定性原理意味着甚至“空的”空间也是充满了虚的粒子和反粒子,这些粒子对具有无限的能量,并且由爱因斯坦的著名方程E=mc2可知,这些粒子具有无限的质量。这样,它们的引力的吸引就会将宇宙卷曲到无限小的尺度。

书中提到的一些试图解释宇宙的理论模型


最大的收获或许就是看的时候感觉各种不懂但到小辞典竟然发现还能理解大部分吧哈哈哈[狂笑]~总是会想到谁的青春不迷茫最后女主人公说的那句话“宇宙这么大,地球这么小,我们总会遇见的,对吧。”嗯,对吧?


附小辞典

绝对零度:所能达到的最低的温度,在这温度下物体不包含热能。

加速度:物体速度改变的速率。

人择原理:我们之所以看到宇宙是这个样子,只是因为如果它不是这样,我们就不会在这里去观察它。

反粒子:每个类型的物质粒子都有与其相对应的反粒子。当一个粒子和它的反粒子碰撞时,它们就湮灭,只留下能量。

原子:通常物质的基本单元,是由很小的核于(包括质子和中子)以及围着它转动的电子所构成。

大爆炸:宇宙开端的奇点。

大挤压:宇宙终结的奇点。

黑洞:空间-时间的一个区域,因为那儿的引力是如此之强,以至于任何东西,甚至光都不能从该处逃逸出来。

卡西米尔效应:在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子的数目比正常数目减小造成的。

强德拉塞卡极限:一个稳定的冷星的最大的可能的质量的临界值,若比这质量更大的恒星,则会坍缩成一个黑洞。

能量守恒:关于能量(或它的等效质量)既不能产生也不能消灭的科学定律。

坐标:指定点在空间-时间中的位置的一组数。

宇宙常数: 爱因斯坦所用的一个数学方法,该方法使空间-时间有一固有的膨胀倾向。

宇宙学:对整个宇宙的研究。

暗物质:存在于星系、星系团以及也许在星系团之间的,不能被直接观测到,但是能用它的引力效应检测到的物质。宇宙物质的90%可能采取暗物质的形态。

对偶性:在表观上非常不同但是导致相同物理结果的理论之间的对应。

爱因斯坦-罗森桥:连接两个黑洞的时空的细管。参见虫洞。

电荷:粒子的一个性质,由于这性质粒子排斥(或吸引)其他与之带相同(或相反)符号电荷的粒子。

电磁力:带电荷的粒子之间的相互作用力,它是四种基本力中第二强的力。

电子:带有负电荷并绕着一个原子核转动的粒子。

弱电统一能量:大约为100吉电子伏的能量,在比这能量更大时,电磁力和弱力之间的差别消失。

基本粒子:被认为不可能再分的粒子。

事件:由它的时间和空间所指定的空间-时间中的一点。

事件视界:黑洞的边界。

不相容原理:两个相同的自旋为1/2的粒子(在测不准原理设定的极限之内)不能同时具有相同的位置和速度。

场:某种充满空间和时间的东西,与它相反的是在一个时刻,只存在于空间-时间中的一点的粒子。

频率:对一个波而言,在1秒钟内完整循环的次数。

伽玛射线:波长非常短的电磁波,是由放射性衰变或由基本粒子碰撞产生的。

广义相对论:爱因斯坦的基于科学定律对所有的观察者(而不管他们如何运动的)必须是相同的观念的理论。它将引力按照四维空间-时间的曲率来解释。

测地线:两点之间最短(或最长)的道路。

大统一能量:人们相信,在比这能量更大时,电磁力、弱力和强力之间的差别消失。

大统一理论(GUT):一种统一电磁、强和弱力的理论。

虚时间:用虚数测量的时间。

光锥:空间-时间中的面,在上面标出光通过一给定事件的可能方向。

光秒(光年):光在1秒(1年)时间里走过的距离。

磁场:引起磁力的场,和电场合并成电磁场。

质量:物体中物质的量;它的惯性,或对加速的抵抗。

微波背景辐射:起源于早期宇宙的灼热的辐射,现在它受到如此大的红移,以至于不以光而以微波(波长为几厘米的无线电波)的形式呈现出来。

裸奇点:不被黑洞围绕的空间-时间奇点。

中微子:只受弱力和引力作用的极轻的(可能是无质量的)基本物质粒子。

中子:一种不带电的、和质子非常类似的粒子,在大多数原子核中大约一半的粒子是中子。

中子星: 一种由中子之间的不相容原理排斥力所支持的冷的恒星。

无边界条件:宇宙是有限的但无界的(在虚时间里)思想。

核聚变:两个核碰撞并合并成一个更重的核的过程。

核:原子的中心部份,只包括由强作用力将其束缚在一起的质子和中子。

粒子加速器:一种利用电磁铁能将运动的带电粒子加速,并给它们更多能量的机器。

相位:一个波在特定的时刻的在它循环中的位置--一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。

光子:光的一个量子。

普朗克量子原理:光(或任何其他经典的波)只能被发射或吸收其能量与它们频率成比例的分立的量子的思想。

正电子:电子的反粒子(带正电荷)。

太初黑洞:在极早期宇宙中产生的黑洞。

比例: “X比例于Y”表示当Y被乘以任何数时,X也如此;“X反比例于Y”,表示,当Y被乘以任何数时,X被同一个数除。

质子:构成大多数原子中的核中大约一半数量的、带正电的粒子。

量子:波可被发射或吸收的不可分的单位。

量子力学:从普郎克量子原理和海森堡不确定性原理发展而来的理论。

夸克:感受强作用力的带电的基本粒子。每一个质子和中子都是由三个夸克组成。

雷达:利用脉冲无线电波的单独脉冲到达目标并折回的时间间隔来测量对象位置的系统。

放射性:一种类型的原子核自动分裂成其他的核。

红移:由于多普勒效应,从离开我们而去的恒星发出的光线的红化。

奇点:空间-时间中空间-时间曲率变成无穷大的点。

奇点定理:在一定情形下奇点必须存在--特别是宇宙必须开始于一个奇点。

时空:四维的空间,上面的点即为事件。

空间的维:空间-时间的类空的、也就是除了时间的维之外的三维的任一维。

狭义相对论:爱因斯坦的基于科学定律对所有进行自由运动的观察者(不论他们的运动速度)必须相同的观念。

谱:诸如电磁波对它的分量频率的分解。

自旋:相关于但不等同于日常的自转概念的基本粒子的内部性质。

稳态:不随时间变化的态:一个以固定速率自转的球是稳定的,因为即便它不是静止的,在任何时刻它看起来都是等同的。

弦理论:物理学的一种理论,其中粒子被描述成弦上的波。弦只有长度,但是没有其他维。

强力:四种基本力中最强的、作用距离最短的一种力。它在质子和中子中将夸克束缚在一起,并将质子和中子束缚在一起形成原子。

不确定性原理:人们永远不能同时准确知道粒子的位置和速度;对其中一个知道得越精确,则对另一个就知道得越不准确。

虚粒子:在量子力学中,一种永远不能直接检测到的,但其存在确实具有可测量效应的粒子。

波/粒二象性:量子力学中的概念,是说在波动和粒子之间没有区别;粒子有时可以像波动一样行为,而波动有时可以像粒子一样行为。

波长:对于一个波,在两相邻波谷或波峰之间的距离。

弱力:四种基本力中第二弱的、作用距离非常短的一种力。它作用于所有物质粒子,而不作用于携带力的粒子。

重量:引力场作用到物体上的力。它和质量成比例,但又不同于质量。

白矮星:一种由电子之间不相容原理排斥力所支持的稳定的冷的恒星。

虫洞:连接宇宙遥远区域间的时空细管。虫洞也可以把平行的宇宙或者婴儿宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。小辞典

绝对零度:所能达到的最低的温度,在这温度下物体不包含热能。

加速度:物体速度改变的速率。

人择原理:我们之所以看到宇宙是这个样子,只是因为如果它不是这样,我们就不会在这里去观察它。

反粒子:每个类型的物质粒子都有与其相对应的反粒子。当一个粒子和它的反粒子碰撞时,它们就湮灭,只留下能量。

原子:通常物质的基本单元,是由很小的核于(包括质子和中子)以及围着它转动的电子所构成。

大爆炸:宇宙开端的奇点。

大挤压:宇宙终结的奇点。

黑洞:空间-时间的一个区域,因为那儿的引力是如此之强,以至于任何东西,甚至光都不能从该处逃逸出来。

卡西米尔效应:在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子的数目比正常数目减小造成的。

强德拉塞卡极限:一个稳定的冷星的最大的可能的质量的临界值,若比这质量更大的恒星,则会坍缩成一个黑洞。

能量守恒:关于能量(或它的等效质量)既不能产生也不能消灭的科学定律。

坐标:指定点在空间-时间中的位置的一组数。

宇宙常数: 爱因斯坦所用的一个数学方法,该方法使空间-时间有一固有的膨胀倾向。

宇宙学:对整个宇宙的研究。

暗物质:存在于星系、星系团以及也许在星系团之间的,不能被直接观测到,但是能用它的引力效应检测到的物质。宇宙物质的90%可能采取暗物质的形态。

对偶性:在表观上非常不同但是导致相同物理结果的理论之间的对应。

爱因斯坦-罗森桥:连接两个黑洞的时空的细管。参见虫洞。

电荷:粒子的一个性质,由于这性质粒子排斥(或吸引)其他与之带相同(或相反)符号电荷的粒子。

电磁力:带电荷的粒子之间的相互作用力,它是四种基本力中第二强的力。

电子:带有负电荷并绕着一个原子核转动的粒子。

弱电统一能量:大约为100吉电子伏的能量,在比这能量更大时,电磁力和弱力之间的差别消失。

基本粒子:被认为不可能再分的粒子。

事件:由它的时间和空间所指定的空间-时间中的一点。

事件视界:黑洞的边界。

不相容原理:两个相同的自旋为1/2的粒子(在测不准原理设定的极限之内)不能同时具有相同的位置和速度。

场:某种充满空间和时间的东西,与它相反的是在一个时刻,只存在于空间-时间中的一点的粒子。

频率:对一个波而言,在1秒钟内完整循环的次数。

伽玛射线:波长非常短的电磁波,是由放射性衰变或由基本粒子碰撞产生的。

广义相对论:爱因斯坦的基于科学定律对所有的观察者(而不管他们如何运动的)必须是相同的观念的理论。它将引力按照四维空间-时间的曲率来解释。

测地线:两点之间最短(或最长)的道路。

大统一能量:人们相信,在比这能量更大时,电磁力、弱力和强力之间的差别消失。

大统一理论(GUT):一种统一电磁、强和弱力的理论。

虚时间:用虚数测量的时间。

光锥:空间-时间中的面,在上面标出光通过一给定事件的可能方向。

光秒(光年):光在1秒(1年)时间里走过的距离。

磁场:引起磁力的场,和电场合并成电磁场。

质量:物体中物质的量;它的惯性,或对加速的抵抗。

微波背景辐射:起源于早期宇宙的灼热的辐射,现在它受到如此大的红移,以至于不以光而以微波(波长为几厘米的无线电波)的形式呈现出来。

裸奇点:不被黑洞围绕的空间-时间奇点。

中微子:只受弱力和引力作用的极轻的(可能是无质量的)基本物质粒子。

中子:一种不带电的、和质子非常类似的粒子,在大多数原子核中大约一半的粒子是中子。

中子星: 一种由中子之间的不相容原理排斥力所支持的冷的恒星。

无边界条件:宇宙是有限的但无界的(在虚时间里)思想。

核聚变:两个核碰撞并合并成一个更重的核的过程。

核:原子的中心部份,只包括由强作用力将其束缚在一起的质子和中子。

粒子加速器:一种利用电磁铁能将运动的带电粒子加速,并给它们更多能量的机器。

相位:一个波在特定的时刻的在它循环中的位置--一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。

光子:光的一个量子。

普朗克量子原理:光(或任何其他经典的波)只能被发射或吸收其能量与它们频率成比例的分立的量子的思想。

正电子:电子的反粒子(带正电荷)。

太初黑洞:在极早期宇宙中产生的黑洞。

比例: “X比例于Y”表示当Y被乘以任何数时,X也如此;“X反比例于Y”,表示,当Y被乘以任何数时,X被同一个数除。

质子:构成大多数原子中的核中大约一半数量的、带正电的粒子。

量子:波可被发射或吸收的不可分的单位。

量子力学:从普郎克量子原理和海森堡不确定性原理发展而来的理论。

夸克:感受强作用力的带电的基本粒子。每一个质子和中子都是由三个夸克组成。

雷达:利用脉冲无线电波的单独脉冲到达目标并折回的时间间隔来测量对象位置的系统。

放射性:一种类型的原子核自动分裂成其他的核。

红移:由于多普勒效应,从离开我们而去的恒星发出的光线的红化。

奇点:空间-时间中空间-时间曲率变成无穷大的点。

奇点定理:在一定情形下奇点必须存在--特别是宇宙必须开始于一个奇点。

时空:四维的空间,上面的点即为事件。

空间的维:空间-时间的类空的、也就是除了时间的维之外的三维的任一维。

狭义相对论:爱因斯坦的基于科学定律对所有进行自由运动的观察者(不论他们的运动速度)必须相同的观念。

谱:诸如电磁波对它的分量频率的分解。

自旋:相关于但不等同于日常的自转概念的基本粒子的内部性质。

稳态:不随时间变化的态:一个以固定速率自转的球是稳定的,因为即便它不是静止的,在任何时刻它看起来都是等同的。

弦理论:物理学的一种理论,其中粒子被描述成弦上的波。弦只有长度,但是没有其他维。

强力:四种基本力中最强的、作用距离最短的一种力。它在质子和中子中将夸克束缚在一起,并将质子和中子束缚在一起形成原子。

不确定性原理:人们永远不能同时准确知道粒子的位置和速度;对其中一个知道得越精确,则对另一个就知道得越不准确。

虚粒子:在量子力学中,一种永远不能直接检测到的,但其存在确实具有可测量效应的粒子。

波/粒二象性:量子力学中的概念,是说在波动和粒子之间没有区别;粒子有时可以像波动一样行为,而波动有时可以像粒子一样行为。

波长:对于一个波,在两相邻波谷或波峰之间的距离。

弱力:四种基本力中第二弱的、作用距离非常短的一种力。它作用于所有物质粒子,而不作用于携带力的粒子。

重量:引力场作用到物体上的力。它和质量成比例,但又不同于质量。

白矮星:一种由电子之间不相容原理排斥力所支持的稳定的冷的恒星。

虫洞:连接宇宙遥远区域间的时空细管。虫洞也可以把平行的宇宙或者婴儿宇宙连接起来,并提供时间旅行的可能性。

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