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中伦荐读系列 | 我思故我在——《时间简史》读后感

《时间简史》我读了大约一个月,文科生的我,似懂非懂间的阅读,但仍然非常享受。感谢霍金,能够用生动贴切的比喻至少让我可以想象多维世界、宇宙的历史并从科学上理解时间旅行,而不仅仅停留在科幻电影中。

把《时间简史》作为我9月份阅读的书目多少是有些犹豫的,看了看书评,最经典的评论是“懂与不懂,都有收获”,我觉得这是一种宣传的噱头,看不懂,还谈什么收获呢?更多地是抱着对霍金传奇人生的好奇,开始了阅读。结果还真是虽然没有完全看懂,可收获很大。难怪这本书如此畅销,有评论说它比麦当娜谈性的书更好卖。

《时间简史》首次出版于1988年愚人节,中文译者之一受教于霍金达四年之久,并在霍金指导下完成了博士论文,因此,我认为译者有足够的能力把精深的科学原理精准翻译。

本书共12章:

第一章 我们的宇宙图象

首先,作者用轻松的语言给我们描述了人类对宇宙认识发展的历史:从公元前340年亚里士多德认为地球是圆的,到关于二世纪托勒密的宇宙模型(地球为中心)、16世纪哥白尼的地心说、17世纪开普勒和伽利略的公开支持,才使日心说变成大众的认同。

1687年物理学最重要的著作牛顿的《自然哲学的数学原理》发表,宇宙间最重要的力量-引力开始进入人们的视野。人们对宇宙是否有开端的问题陷入了矛盾中,直到1929年哈勃关于宇宙在膨胀的里程碑式的观测,这个发现最终将宇宙开端的问题带进了科学的王国。宇宙是因大爆炸而开始的。

接下来,20世纪最伟大的智慧成就:广义相对论和量子力学成为描述宇宙学的基本理论。广义相对论处理的是宇宙的大尺度结构,而量子力学处理的是极小尺度,而二者并不相容,霍金的目的是用量子引力论来协调这两个理论。

第二章 空间和时间

在“空间和时间”这一章,作者回溯了从亚里士多德、伽利略再到牛顿和相对论,渐次给我们展开了人类认识史上怎样对空间和时间引入相对的概念,终于,人们开始接受“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”。虽然阅读下来我还是对时间的相对性不甚了然,但显然我比以前更能理解当代科学了。

于是1915年爱因斯坦发展了广义相对论,根据广义相对论,引力并不同于其他力,它只是时空并不平坦这一事实的结果,地球运动是其在四维空间以最短的距离行走的结果,但在三维空间中如同在曲线上行走。(在此我第一次领略到不同维的不同视角,如地球表面是一个二维的空间,从北京到纽约要绕地球半个圈,而在三维的球体里,穿过地心行进,可能距离要短得多。)而光线也被引力场所弯折。

广义相对论的预言分别在对水星轨道的确定、1919年西非观测日食所证实。

广义相对论的另一个预言就是在像地球这样的大质量的物体附件,时间显得流逝得更慢一些。这一预言在1962年的灯塔双钟实验中也得以确认。

牛顿的运动定律使空间中的绝对位置的观念寿终正寝,而相对论摆脱了绝对时间。书中后面的各章渐次深入,想简述内容会变得非常困难,我仅将印象深刻的罗列一二。

第三章 膨胀的宇宙

在“膨胀的宇宙”这一章中,首先作者给我们讲了宇宙膨胀的发现史。宇宙是静态的观念深入人心,因为它与我们所见符合,甚至爱因斯坦也在广义相对论中引入宇宙常数来维持宇宙静态的观念。1929年哈勃对宇宙膨胀的这一发现被称为是20世纪最伟大的智力革命之一,自此,宇宙学进入了一个新的阶段。

作者用吹胀的气球形容宇宙,气球上的斑点之间的距离逐渐加大,斑点之间距离越远,加大的速度越快。在1970年,霍金和彭罗斯共同发表论文,这篇论文证明了,根据广义相对论,则过去一定有过一个大爆炸奇点。在不到半个世纪的时间里,人们几千年来形成的宇宙观被彻底转变了。人们发现宇宙在时间上必须有个开端,那个时候的宇宙是如何之小,而广义相对论在这一刻失效,那么这一刻是什么理论有效呢,作者不得不转而去研究小尺度的量子力学,并试图把其与大尺度的引力学结合成为量子引力论。

第四章 不确定性原理

接下来进入到书中最重要的一章“不确定性原理”,也就是介绍微观世界的粒子活动的基本特征的量子力学,作者娓娓道来这一对人类影响深远的理论的发展轨迹。

1926年海森伯利用普朗克的思想提出著名的不确定性原理,也即对粒子的位置测量得越准确,对速度的测量越不准确,反之亦然。

粒子不再区分位置和速度,而是以二者结合的量子态的形态存在。量子力学不预测每一次观测的结果,仅预测每个结果发生的概率。这一理论石破天惊,它把非预见性或随机性的不可避免因素引进了科学,对人类的思维是个挑战:可以很好定义的速度和位置却无法同时准确测量,包括爱因斯坦也不接受宇宙受机缘控制的观点,他的情绪可以用他那句著名的断言来表达:“上帝不掷骰子”。将量子理论引入到宇宙学中,并解决引力场强大的黑洞和大爆炸的理论问题具备了可能性。

第五章 基本粒子和自然的力

在“基本粒子和自然的力”这一章中,就更挑战人的想象力了。

理论界已经在我们学习过的原子-原子核-质子、中子、电子理论上走得很远了,基本粒子进一步被发现是夸克,如果我们利用更高的能量,可能有更小的粒子被发现。但粒子根据其自旋性又分为自旋为1/2的粒子和自旋为0、1、2的粒子,前者是物质粒子,后者在物质粒子间产生力。

接着1925年奥地利物理学家泡利发现的“泡利不相容原理”,两个类似的粒子,在不确定性原理给出的限制下,不能同时具有相同的位置和速度。这个原理解释了物质粒子不会坍缩的原因。物质粒子可被检测到,是实粒子,而携带力的粒子却无法被检测到,但可以从其发出的力而知道它的存在。携带力的粒子又分为四种力,即引力、电磁力、弱核力、强核力,而引力虽然最弱,但因其是长程的,且只有吸引,没有排斥,所以反而是影响宇宙运行最重要的力。

直到1956年,人们都相信物理定理服从CPT对称,也即粒子和反粒子对称、任何情景和其镜像对称、如果颠倒粒子和反粒子的运动方向,系统会复原,也就是说定律对于前进和倒退的时间方向一致。1956年杨振宁、李政道提出弱作用不服从P对称,并因此获得诺贝尔物理学奖。所以很多诺奖都是发现宇宙不像我们想象的那样而获得。

第六章 黑洞  

黑洞因为科幻电影,尤其是《星际穿越》而广为人知,异常神秘。作者清晰地讲解了黑洞是如何形成的:恒星最终会耗尽其燃料,质量越大的恒星越快耗尽其燃料,因为其必须更热才能抵御更大的引力。

黑洞就是当恒星质量很大时,在其坍缩时,其表面的引力场会使光线发生偏折,并最终连光线无法逃逸。

所以黑洞被定义为不能逃逸的远处的事件视界的集合。黑洞边界是由刚好不能从黑洞逃逸,而只在边缘上永远盘旋的光线在时空里的路径形成的。(有点像从警察那里逃开,但是仅仅维持比警察快一步)1965年到1970年间,作者和彭罗斯的研究发现:在黑洞中必然存在密度和时空曲率无限大的奇点。

科学家们沿着研究的道路继续探索,他们发现黑洞的形状仅与其质量和旋转速度有关,即“黑洞无毛”,有关物体的大量信息在黑洞形成时损失了。黑洞是科学史上极为罕见的情形之一,在没有任何观测到的数据,仅作为数学模型被发展到非常详尽的地步。

第七章 黑洞不是这么黑的

可是如何在煤库里找猫呢? 

在“黑洞不是这么黑的”这一章中,回答了这个问题。1970年的一个晚上,作者试图使他残缺的身体上床,在这一个缓慢的过程中,作者想到了事件视界的面积不会随着时间而减少。这很容易联想到熵(用于测量事务无序的程度)这个物理量。热力学第二定律(也即墨菲定律)描述道:一个孤立系统的熵总是增加的,并且将两个系统连接在一起时,其合并系统的上大于所有单独系统的上的总和。

那么热力学第二定律是否适用于黑洞呢?作者计算并发现了黑洞如一个热体一样发射粒子和辐射,其温度依赖黑洞的质量,质量越大,温度越低。这些粒子是从紧靠黑洞的“空虚”的空间而来。黑洞辐射的思想使黑洞可能被检测到,因此作者认为黑洞并不是这么黑的。

第八章 宇宙的起源和命运

在“宇宙的起源和命运”这一章中,对宇宙的历史作了深入探讨。科学家们在宇宙起源的问题上继续提问:为何宇宙在大尺度上如此均匀?为何以这样的一个临界膨胀率开始?难道这些答案只能归之于上帝创生?或者是偶然?

终于一个“暴涨”理论发育出来,早期宇宙有一个暴涨的过程,这样光线就有可能从一个区域旅行到另外一个区域,从而传递信息。进一步发展,科学家又引入了“虚时间”,并产生一种可能性:宇宙有限而无界,如同地球一样,它既不被创生,也不被消灭,它就是存在。

第九章 时间箭头

在“时间箭头”这一章中,讲述了有三种时间箭头:

一是热力学箭头,无序度随着时间增加而增加;

二是心理箭头,我们只能记住过去,而不是将来,

三是宇宙学箭头,因为人类必须消耗能量的有序形式-食物,并将其转化为能量的无序形式-热量,这样智慧生命就不能在宇宙的收缩相中存在。

第十章 虫洞和时间旅行

“虫洞和时间旅行”,这一章光是看题目就很让人兴奋了。人们可以旅行到过去吗因为不可能以超过光速旅行,所以,旅行到过去不可能。但可以通过虫洞,折弯时空,使AB之间有近路,这样就可能旅行到过去。

虫洞的思想最早是由爱因斯坦和罗森合作的论文中以“桥”的形式提出。现在两种现象都获得了实验证据:

第一:从日食可以得知时空可以被卷曲;

第二:时空可以被弯曲成允许时间旅行的样子。

但是时间旅行者没有自由意志改变历史。

第十一章 物理学的统一、第十二章 结论

最后两章分别是“物理学的统一”和“结论”科学家一直在寻求一个能够解释或近似地解释宇宙万物的统一的协调的理论,这称为“物理学的统一”。物理学的统一仅是第一步,它的下一步就是简化及推广。

牛顿时代,一个受教育的人至少可能在梗概上掌握整个人类知识。但从那以后,科学发展的节奏使之不再可能。因为理论总是被改变以解释新的观察结果,它们从未被消化或简化到使常人能够理解。再下一步,我们的目标是完全理解发生在我们周围的事件以及我们自身的存在。

总结起来,我们发现自己处于令人困惑的世界中。我们要理解周围所看到的一切的含义,并且寻问:宇宙的本质是什么?我们在其中的位置如何,以及宇宙和我们从何而来?宇宙为何是这个样子?

我们试图采用某种世界图来回答这些问题。最初的世界图是某种神灵,随着科学的发展,使得拉普拉斯在19世纪初提出科学的决定论:有一组定律存在,只要给定宇宙在某一时刻的状态,这些定律就能精确决定宇宙的演化。拉普拉斯的决定论在两个方面是不完整的:上帝会选择让宇宙如何开始并要服从什么定律,但是一旦开始之后,他将不再干涉宇宙。

事实上,上帝被局限于19世纪科学不能理解的领域里。但是到了量子力学,某些现象是科学无法决定的。科学的任务重新定义为:发现能使我们在由不确定性原理设定的界限内预言时间的定律。当量子力学和广义相对论结合,似乎产生了前所未有的新的可能性:时空可能有限而无界,在这种情况下,上帝就根本没有选择初始状态的自由。但是上帝仍然有选择宇宙所服从的定律的自由。然而,这也许实在并没有那么多的选择性,也许只有一个或几个统一的理论。

迄今为止,大部分科学家太忙于发展描述宇宙为何物的理论,以至于没工夫过问为什么。另一方面,以寻根究底为己任的哲学家跟不上科学理论的进步。在18世纪,哲学家把包括科学在内的整个人类知识当做他们的领域,并讨论诸如宇宙有无开端的问题。然而,在19和20世纪,对哲学家或除了少数专家以外的任何人来说,科学变得过于专业性和数学化了。

作者的理想在于:

如果我们确实发现了一个完备的理论,在主要的原理方面,它应该及时让所有人理解,而不仅仅让几个科学家理解。那时我们所有人,包括哲学家、科学家以及普普通通的人,都能参与讨论我们和宇宙为什么存在的问题。如果我们对此找到了答案,则将是人类理性的终极胜利——因为那时我们知道了上帝的精神。

作者对于本书的写作,不也是在朝着这个理想前行吗?

至少,我在阅读后对于宇宙的历史有了大概的了解,原来觉得仅是存在于科幻故事中的场景,如虫洞、时间旅行,现在了解已经有很多被科学证明。对于四维有了概念,可以想象更多维度。

读完书后,我又重新看了一遍《星际穿越》,更能理解故事了。在孩子和我探讨宇宙、时间旅行的问题时,我应该会饶有兴趣,并可说上一两句了。

推荐指数:五颗星!

推荐理由:哪怕只是为了满足人类的好奇心。

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