首页 我的图书馆 个图VIP
解读 | 《时间简史:从大爆炸到黑洞》


【读前思考】


你了解自己身处的宇宙吗?


物理学的进展怎样影响着我们对宇宙的理解?


黑洞是什么,有些什么特性?


【作者简介】


史蒂芬·霍金,英国物理学家,是本世纪享有国际盛誉的伟人之一,当代最重要的广义相对论和宇宙论家。荣获英国剑桥大学卢卡斯数学教席,这是自然科学史上继牛顿和狄拉克之后荣誉最高的教席。


【内容介绍】


本书出版与1988年,已被翻译成40多种文字,销量近千万册,本书是霍金写的一本关于宇宙、时间、空间的通俗读物。共12章,今天我们将分三部分来解读这本书。


第一部分讲讲人类对于宇宙认识的历史


第二部分的是讲述物理学发展的历史,这是我们理解现代宇宙学的基础


第三部分,霍金介绍了他对黑洞性质的研究



第一部分,人类对宇宙认识的历史


人类对宇宙认识的变迁当中依次出现了四个主要学说,分别是地平说、地心说、日心说和无限宇宙论。


最初人类认为地球是平的也就是地平说。这符合我们对世界的直观印象,但随着人类知识的积累,科学技术的不断进步,人类逐渐认识到地球是圆的,于是地平说不再成立。


在2000多年前诞生了地心说,地心说的支持者以亚里士多德和托勒密代表的哲学家,他们认为地球是宇宙中心,日月星辰都围绕着地球旋转,这种观点是符合当时人类的天文观测水平的。


直到十六世纪哥白尼发现了地心说的逻辑错误,地心说跟天文观测有误差,从而提出了日心说。认为太阳产生宇宙的中心,地球是太阳的一颗行星。伽利略和开普勒又对日心说进行了证实、修正和扩充。


一百多年之后,牛顿继承了哥白尼以来的宇宙讨论,他发现万物运行靠引力,从而解决了太阳系和恒心的动力学问题,从引力性质出发牛顿推测,这个世界是无穷无尽的,也就是无限宇宙论。


人类对宇宙的理解是基于物理学的发展,宇宙学研究的是日月星辰的运行规律,物理学研究的是物体运动的本质规律,所以在第二部霍金用四个章节讲述物理理学知识的进展。


(二)


在这一部分,我们会讲到一亚里士多德和牛顿为代表的经典物理学和20世纪物理学的两大支柱----广义相对论和量子力学。我们发现物理学和天文学是互相影响的,物理学的发展改变着我们的宇宙观念。


在经典物理学的世界,亚里士多德的运动学认为,力是维持物体运动的原因,不受力的物体就保持着静止,所以在他的地心说宇宙模型看来,地球静静地躺在宇宙中心,日月星辰分成各个圈层,围绕着地球运动,但是什么在推动着日月星辰运动呢?


亚里士多德设想,在恒星那一层之外又一个不动的推动者,这就是著名的第一推动。推动者是谁?不知道。


牛顿的万有引力定律和三个运动定律,想必你在高中物理课堂上被他们所谓难过,它们之所以重要,是因为它们第一次定量的解释了物体的运动规律,也把宇宙的讨论范围扩展到了太阳系之外。


在讨论宇宙的时候,牛顿认为恒星组成的宇宙应该是稳定不变的,因为数千年来我们看到的星空几乎行。因而宇宙群星整体上应该是处于静止状态,牛顿认为万有引力定律同样适用于恒星之间,引力会引起苹果落下来,也会引起一切有质量的物体向中心下落,所以宇宙应该是无限大的不存在中心,因为假如宇宙大小有限,恒星就会在引力的作用下向中心聚集、坍缩,从而就无法保持静止不动,宇宙就会在并不太长的事件当中毁灭。


在无限大的宇宙当中,对于任何一个物体来说,受到来自各个方向的引力保持平衡,于是我们就可以看到安静的夜空,这就是牛顿的静止无限宇宙观。它主要包括下几点:


1、空间平直且无穷无尽


2、时间均匀流动,且各处都相同。


3、物质在空间和时间的刚性舞台上运动。所谓刚性舞台,时间和空间是固定不变的。


当时人类还不知道恒星寿命竟然长达数千万,甚至百亿年,对于我们来说,恒星看起来似乎确实是永恒的。另外当时的人类也没有发现一个物体的运动速度如果超过了光速,时间就不再是均匀流动的。毕竟光速是超出人类日常经验。


牛顿的宇宙观持续了200年,当物理新思想、天文新发现接踵而来的时候,牛顿的无限宇宙论也就随之瓦解。这个新理论就是爱因斯坦的广义相对论。


20世纪初爱因斯坦认真考虑了光速问题,爱因斯坦把光速不变作为了狭义相对论的基础,把时间和空间联系起来,从而改变了人类的时空观念。


经过十年努力,爱因斯坦又把引力扩大到了相对论当中,提出了广义相对论,时空不是牛顿认为的那样是平直的,而是受到大质量天体影响发生弯曲。


牛顿告诉我们空间是平直的,由于引力作用地球在椭圆轨道上围绕太阳运动,爱因斯坦的则是认为太阳巨大的质量把时空的弯曲,宇宙时空结构本身就是个曲面,爱因斯坦的引力的本质进行了重新解释,他认为时空的弯曲产生了引力,这也是广义相对论最核心的思想。


利用广义相对论,物理学家弗里德曼和勒梅特发现,空间不可能一直保持静止。1929年,美国天文学家哈勃发现了宇宙确实是处于膨胀的状态。


除了广义相对论,20世纪物理学新大厦的另一支柱是量子力学,他也支撑着宇宙学的新发展,讲量子力学之前,我们先来认识一下光子、电子、原子核这些小伙伴儿,他们都叫微观粒子。一起构成的宏观世界的物质。比如说光子构成了光,电子围绕着原子核旋转组成分子,而分子是构成实物的基本粒子。


量子力学告诉我们,微观粒子的能量是量子化的、不连续的。微观粒子遵循的规律,跟宏观世界的规律大相径庭,宏观物质的运动虽然复杂,但是只要测量精确,数据完善,就可以做出准确的预测。就像如果街头上遍布探头,我们就能够记录一个人的日常行踪,判断他的行动目标,所以牛顿经典物理学是确定论。


但是在量子世界的发现打破了确定论,不确定性原理告诉我们,无论如何努力也都无法准确测量一个微观粒子的所有的物理性质。比如说位置、速度。为了探测粒子的性质,我们必须用另一个已知的粒子。比如说光子作为探针,但是这个探针本身就会干扰粒子的状态,这种不确定性本质上不是有干扰造成的,而是微观粒子本身的性质,也就是说光子、电子、原子这些粒子的位置分布本来就具有随机性。


量子力学和相对论联手成就了我们对宇宙的新理解。关于量子力学的研究,让我们探索到星体内部微观世界的规律,比如说在恒星的中心,氢原子核通过核聚变形成氦原子核,这个过程当中释放的能量以光的形式发射出来。


相对论则为我们展示了宏观世界的规律,大质量的星体一起时空弯曲,时空弯曲是引力之源。各宇宙天体在这样的引力空间当中运行着,于是,科学家们预测宇宙起源于一次大爆炸,而后不断的膨胀,在这个过程当中诞生了宇宙当中的微观粒子,形成了恒星和星系,进而在恒星演化过程当中形成各种元素,这些元素在宇宙当中重新聚集,形成了新的恒星,行星,包括地球,这就是宇宙大爆炸理论。


物理学新知识的产生,改变了人类对于天文学的认识,现代宇宙学诞生了,我们甚至认为这一次的宇宙学才脱离了哲学思辨,进入到科学研究的范畴。


上世纪60年代,天文观测的新发现,有力的支持了宇宙大爆炸理论,天文学家观测到非常遥远的星体,这种类似恒星的天体简称“类星体”,它其实是正在吸收物质的大黑洞。它存在于遥远的过去,这说明宇宙并不是一成不变的,确实存在演化。


微波背景辐射,是弥漫在宇宙中所有方向的低频电磁波,它来自宇宙形成初期,性质符合大爆炸理论的预言,这些证据的支持,让宇宙大爆炸理论得到科学界的承认,取代了牛顿的禁止无限宇宙观,而霍金对于黑洞的研究也正是由此开始的。


(三)


接下来我们进入第三部分,一起来说一说黑洞,当一个大质量恒星的燃料耗尽之后,会发生猛烈的爆炸,没有了热量的支撑核心处的物质会在自身引力的作用下发生坍塌,形成致密性体,这就是黑洞。


如果说太阳下要成为黑洞,就得把现在140万公里直径压缩到三公里大小,如果要把直径1万公里的地球变成黑洞,那么地球的直径就只有两厘米。因为坍塌处的引力非常大,连光线都无法逃脱,从外表看来就是个黑窟窿,所以说称为黑洞,这是“裸黑洞”。


黑洞周围如果没有任何物质我们是看不到它的,因为它是黑的,宇宙也是黑的,但是如果黑洞周围有物体正在往里边掉,黑洞强大的引力场会加速物质的运动,让它变得能量很高,从而发光发热,在进入黑洞之前,发出强烈的辐射,也就是说正在吞噬物质的黑洞,算得上宇宙当中最明亮的天体。


1965年在天鹅座发现了一个强烈辐射x射线的天体,叫做天鹅座x1,被认为是我们发现的第一个黑洞。对于宇宙学特别是黑洞的研究,可谓是人类思想史上最大的一个脑洞。

基于爱因斯坦天才的想象力和数学推理,在完全看不到黑洞的情况下,霍金等人竟然推导出来关于黑洞的许多性质:


第一黑洞起点问题。1960年代,霍金开始研究黑洞起点问题,所谓起点,就是我们在数学上把零放在分母上出现的无限大情况。霍金和另一位英国物理学家彭罗斯在研究当中发现,根据广义相对论,黑洞当中必然存在着这样无限大密度的空间,这就是起点。然而我们所有的物理学定律都处理不了无限大的情况,也就是说,人类已知的科学定律在起点上是失效的,起点在科幻领域是非常热门的词,2014年科幻电影,星际穿越当中描述人类可能通过起点进行时间旅行。


第二黑洞无锚定理。1971年,霍金证明了旋转的黑洞必须是轴对称的,其他科学家把这个证明发展成黑洞无锚定理,处理个锚,是指多余的性质,也就是说,黑洞的性质仅仅是由它的质量 搅动量和电荷决定的,所以也可以叫黑洞三锚定理。不管形成黑洞的物质究竟是什么,黑洞究竟是什么形状,黑洞都没有复杂的性质,黑洞是一个极其简单的物体。


第三黑洞面积不减定理,霍金还发现,只要有东西掉进黑洞,黑洞面积就会增加。两个黑洞合并成一个合并而成的新黑洞,面积就会等于或者是大于两个黑洞之和。也就是说黑洞的面积永远不会减少,这就是黑洞面积不减定理。当两个黑洞合并成一个大的黑洞,亏损的质量会以引力波的形式,释放到宇宙空间,传递到地球上,这就是引力波事件。2015年激光干涉引力波天文台探测到了引力波,因此获得了2017年诺贝尔物理学奖。


第四是黑洞不是黑的,黑洞面积不减的性质,让我们联想到热力学当中的熵增定律,那什么是熵增定律呢?在热力学中一个系统,如果没有外力做功,他的混乱程度总是在增加的。就像那些熊孩子的房间,玩具绘本总是越来越乱,不会自行回到摆放的位置上去,这就是熵增。


然而这一类比就意味着黑洞如果数据有熵,它就会对应一定的温度,因此具有辐射,但是黑洞是黑的,连光都逃不出来,怎么还会有辐射呢?为了解决这一矛盾,霍金提出了他最有名的贡献,也就是把量子力学应用于黑洞研究,这就是黑洞的霍金辐射。


从量子力学的角度来看,我们所谓的真空,其实并不是真的空无一物,而是随时会产生许多动态的正反粒子对,也就是量子力学允许存在一个过程,暂时从真空当中借出部分的能量,当然能量不能无中生有,所以说这样的量子对一个具有正能量,一个具有负的能量,而且它们只能暂时存在,从宏观上看,它们的能量总和仍然是零,因此,霍金提出在黑洞附近产生的正负能量粒子对,负能量粒子会落到黑洞里面去,而正能量粒子会逃逸出来,在我们看来,就会等效于黑洞具有这种形式的辐射。从这个意义上霍金提出黑洞不是黑的。


黑洞质量越大,温度越低,一般的黑洞,霍金辐射会非常微弱,比如几倍太阳质量的黑洞,辐射的宇宙微波背景辐射还要微弱,我们目前发现的黑洞都不足以判下到这样的辐射,所以目前来看,想要证明霍金辐射理论的正确性,还需要很长的时间。


(四)


在这本书的最后,霍金对科学与哲学的关系发出感慨,科学领域的逐渐扩展,实际上侵夺了许多原本属于哲学讨论的命题,比如对宇宙的研究,在20世纪以前,哲学家们对这个话题发表的意见更多,但是20世纪以后呢,在广义相对论的基础上,科学家们能够讨论整个宇宙的诞生和演化,它也就变成了一个科学问题,虽然哲学家和科学家分享了许多共同话题,但是他们的共同语言似乎越来越少了,终于出现了人文和科学之间的隔阂。


霍金指出,大部分科学家太忙于发展描述宇宙的理论,却很少去问为什么?而哲学家们虽然说是想寻根问底,却无法跟上科学理论的脚步,霍金认为在为科学层出不穷的新发现而激动的同时,不能忘记去追问深层次的问题。宇宙为什么能够存在?这是全人类共同的问题。


最后我们在来一起总结一下,《时间简史》这本书为我们展现了宇宙观念的变迁和物理学的大发展,以及关于黑洞的一些发现,人类宇宙观念的变迁,经历了地平说、地心说、日心说、无限宇宙论,再到现在的宇宙大爆炸理论。


宇宙科学的进步,得益于物理学大发展,亚里士多德和牛顿建立了经典物理学体系,人类认为万有引力让星体见相护之约,过着平静的昼夜,进入20世纪后,物理学新大厦的两大支柱,打破了这一平静,广义相对论告诉我们,引力来自于弯曲的时空,量子力学则是探索了微观世界的规律,微观粒子的运动是不确定性的,因为物理学的新发现,现代宇宙学应运而生。


早期,霍金对现代宇宙学的研究主要集中在黑洞,成果有四个:


1.因为黑洞无限大会引发黑洞起点问题让时空穿越成为一种可能。


2.黑洞无锚定理决定它是一个简单的物体。


3.黑洞面积不减定理。黑洞合并之后,面积只会增加不会减少。


4.黑洞不是黑的,科学家们正在探测黑洞的辐射。


人类天然的好奇心决定了对宇宙的追问,不会停止,我们正处在新发现层出不穷进展迅速的时代,《时间简史》这本书之所以受到广大读者的追捧,是因为它向公众提供了一个新的视野,让我们知道宇宙正在以一种我们不可思议的方式运行着。。。








本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报
下载APP,好文好书随时看
来自:廿氏春秋  > 行政
举报
[荐]  原创奖励计划来了,万元大奖等你拿!
猜你喜欢
类似文章
看书 | 这本世界只有9人能读懂的书,你能看懂多少
78时间简史
黑洞或许并不存在
为什么研究黑洞这么重要?黑洞到底隐藏了什么秘密,吸引力这么强
爱因斯坦和牛顿,谁对物理学的贡献大啊?
由广义相对论和量子理论的冲突引出弦理论3
更多类似文章 >>
生活服务
绑定账号成功
后续可登录账号畅享VIP特权!
如果VIP功能使用有故障,
可点击这里联系客服!