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(可能是)有史以来最好的科学书籍——时间简史,从大爆炸到黑洞
《时间简史:从大爆炸到黑洞》是英国物理学家史蒂芬·霍金写的一本关于理论宇宙学的书,它首次出版于1988年。
在《简史》一书中,霍金用非技术术语阐述了宇宙的结构、起源、发展和最终命运,这也是天文学和现代物理学的研究对象。他谈到了空间和时间等基本概念,构成宇宙的基本构件(如夸克)以及支配宇宙的基本力(如重力)。他写的是宇宙现象,比如大爆炸和黑洞。他讨论了两个主要的理论,广义相对论和量子力学。最后,他谈到了寻找一种统一的理论,以连贯的方式描述宇宙中的一切。
第一章:我们的宇宙图景
在第一章中,霍金讨论了天文学研究的历史,包括亚里士多德和托勒密的思想。亚里士多德不像他那个时代的许多人,他认为地球是圆的。他是通过观察月食得出这一结论的,他认为月食是由地球的圆形阴影造成的。亚里斯多德还认为,由于“神秘的原因”,太阳和星星围绕着地球以完美的轨道运行。二世纪的希腊天文学家托勒密也思考了太阳和恒星在宇宙中的位置,并建立了一个行星模型,更详细地描述了亚里士多德的思想。
今天,人们知道事实正好相反:地球绕着太阳转。亚里士多德和托勒密关于恒星和太阳位置的观点被16、17和18世纪的一系列发现所推翻。第一个提出地球围绕太阳转的详细论点的人是波兰牧师尼古拉斯·哥白尼(1514年)。近一个世纪后,意大利科学家伽利略和德国科学家约翰内斯·开普勒研究了一些行星的卫星是如何运动的,并利用他们的观察证实了哥白尼的想法。
为了符合观测结果,开普勒提出了椭圆轨道模型,而不是圆形轨道模型。在1687年出版的有关重力的著作《数学原理》中,艾萨克·牛顿用复杂数学进一步支持了哥白尼的观点。
像亚里士多德这样的早期哲学家认为宇宙是永远存在的,而圣奥古斯丁这样的神学家则认为宇宙是在特定的时间被创造出来的。圣奥古斯丁还认为,时间是一个随着宇宙的创造而产生的概念。1000多年后,德国哲学家伊曼努尔·康德认为时间没有起点。
1929年,天文学家埃德温·哈勃发现,大多数星系都在彼此远离,这只有在宇宙本身体积增大的情况下才能解释。因此,在100亿到200亿年前,有一段时间,它们全都聚集在一个极其稠密的地方。这一发现使宇宙起源的概念进入了科学领域。今天,科学家们使用两种理论,阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论和量子力学,它们部分地描述了宇宙的运行。科学家们仍在寻找一个完整的大统一理论来描述宇宙中的一切。
第二章:空间与时间
斯蒂芬·霍金描述了亚里士多德的绝对空间理论是如何随着牛顿力学的引入而走向终结的。在这个描述中,一个物体是“静止”还是“运动”取决于观察者的惯性参照系;在同一方向以相同速度移动的观察者看来,一个物体可能是“静止的”,在不同方向和/或不同速度移动的观察者看来,一个物体可能是“运动的”。没有绝对的“静止”状态。此外,伽利略还驳斥了亚里士多德的理论,即较重的物体比较轻的物体下落更快。他通过观察不同重量物体的运动实验证明了这一点,并得出结论,所有物体都会以相同的速度下落,除非有外力作用于它们。
亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。他们认为,如果用两个运动状态不同的精确时钟来测量一个事件,它们测量的结果应该一致(现在看来,这是不正确的)。光以有限的速度传播的事实是由丹麦科学家奥勒·罗默通过对木星及其卫星木卫一的观察首先解释的。他观察到木卫一在围绕木星旋转时出现在不同的时间,因为地球和木星之间的距离随着时间的变化而变化。
光的实际传播是由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦描述的,他的结论是光以固定速度的波传播。麦克斯韦和许多其他物理学家认为,光必须通过一种名为以太的假设介质,这被迈克尔逊-莫雷的实验推翻了。爱因斯坦和亨利·庞加莱后来认为,假设没有绝对时间,没有必要用以太来解释光的运动。狭义相对论就是以此为基础的,它认为无论观察者的速度是多少,光的传播速度都是有限的(一定的)。此外,光速是任何信息传播的最快速度。
质量和能量是由著名的方程E =mc^ 2联系起来的,它解释了任何有质量的物体以光速运动都需要无限的能量。“事件”也可以用光锥来描述,光锥是一种时空图形表示,它限制了哪些事件可以发生,哪些事件不能基于过去和未来的光锥。还描述了一个四维时空,其中“空间”和“时间”是内在联系的。物体在空间中的运动不可避免地会影响它体验时间的方式。
爱因斯坦的广义相对论解释了光线的路径是如何受到“引力”的影响,根据爱因斯坦的说法,这是一种错觉,引力由时空的扭曲造成的。在时空曲率中,光在四维“时空”中总是以直线路径传播,但在三维空间中可能由于引力效应而弯曲。这些直线路径就是测地线。狭义相对论是基于事件发生的空间和时间场,而广义相对论是动态的,力可以改变时空曲率,并导致宇宙的膨胀。霍金和罗杰·彭罗斯致力于此,后来用广义相对论证明了如果宇宙有起点,那么它也一定有终点。
第三章:膨胀的宇宙
在这一章中,霍金首先描述了物理学家和天文学家如何计算恒星与地球的相对距离。在18世纪,威廉·赫歇尔爵士确定了夜空中许多星星的位置和距离。1924年,埃德温·哈勃发现了一种方法,利用造父变星从地球上观察的亮度来测量距离。这些恒星的光度、亮度和距离通过一个简单的数学公式联系起来。利用这些数据,他计算了9个不同星系的距离。我们生活在一个相当典型的螺旋星系中,其中包含大量的恒星。
这些恒星离我们非常遥远,所以我们只能观察它们的一个特征,它们的光。当这种光通过棱镜时,就产生了光谱。每颗恒星都有自己的光谱,因为每一种元素都有自己独特的光谱,我们可以通过测量恒星的光谱来了解它的化学成分。我们利用恒星的热光谱来知道它们的温度。1920年,当科学家们检查不同星系的光谱时,他们发现恒星光谱的一些特征线向光谱的红端移动。这一现象的含义是由多普勒效应给出的,很明显,许多星系正在远离我们。
假设,由于一些星系是红移的,一些星系也会是蓝移的。然而,红移星系的数量远远超过蓝移星系。哈勃发现红移的量与相对距离成正比。由此,他断定宇宙正在膨胀,已经有了一个开端。尽管如此,静态宇宙的概念一直持续到20世纪。爱因斯坦如此确信宇宙是静态的,以至于他提出了“宇宙常数”,并引入了“反重力”力,从而允许一个无限年龄的宇宙存在。此外,许多天文学家还试图避免广义相对论的影响,坚持他们的静态宇宙,只有一个特别引人注目的例外,俄罗斯物理学家亚历山大·弗里德曼。
弗里德曼做了两个非常简单的假设:无论我们在哪里,宇宙都是相同的,即同质性;在我们观察的每个方向上,宇宙都是相同的,即各向同性。他的结果表明宇宙是非静态的。后来,贝尔实验室的两位物理学家阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊证实了他的假设。他们发现,出乎意料的是,微波辐射不仅来自天空的某个特定部分,而且来自世界各地,而且辐射量几乎相同。因此,弗里德曼的第一个假设被证明是正确的。
大约在同一时间,罗伯特·H·迪克和吉姆·皮布尔斯也在研究微波辐射。他们认为他们应该能够看到早期宇宙的背景微波辐射。威尔逊和彭齐亚斯已经做到了这一点,所以他们在1978年获得了诺贝尔奖。此外,我们在宇宙中的位置并不特殊,所以我们从空间的任何其他部分看到的宇宙应该是近似相同的,这支持了弗里德曼的第二个假设。直到霍华德·罗伯逊和亚瑟·沃克制作了类似的模型,他的工作才在很大程度上为人所知。
弗里德曼的模型产生了三种不同类型的宇宙演化模型。首先,宇宙会在一定的时间内膨胀,如果膨胀率小于宇宙的密度(导致引力),最终会导致宇宙在后期的坍缩。其次,宇宙会膨胀,在某个时候,如果宇宙的膨胀速度和密度相等,它会慢慢膨胀并停止,导致一个有点静止的宇宙。第三,如果宇宙的密度低于平衡宇宙膨胀速率所需的临界量,那么宇宙将永远继续膨胀。
第一个模型描绘了宇宙空间向内弯曲。在第二个模型中,空间将导致一个扁平的结构,而第三个模型将导致负的“鞍形”曲率。即使我们计算,目前的膨胀率也超过了宇宙的临界密度,包括暗物质和所有恒星质量。第一个模型包括了宇宙的起源,即宇宙大爆炸,从一个密度无穷大、体积为零的空间开始,也就是所谓的“奇点”,广义相对论(弗里德曼的解基于此)也在这个点上崩塌。
罗杰·彭罗斯利用光锥和广义相对论证明,一颗坍缩的恒星可能会产生一个大小为零、密度和曲率无穷大的区域,称为黑洞。霍金和彭罗斯共同证明了宇宙应该是由一个奇点产生的,而一旦考虑到量子效应,霍金本人就反驳了这个观点。
第四章:测不准原理
测不准原理说,粒子的速度和位置不能精确地知道。为了找到粒子的位置,科学家们用光线照射粒子。如果使用高频光,光可以更准确地找到位置,但粒子的速度将不那么确定(因为光会改变粒子的速度)。如果使用较低的频率,光可以更准确地找到速度,但粒子的位置将不那么确定。测不准原理推翻了确定性理论的观点,或者某种可以预测未来一切的理论。
本章还讨论了光的波粒二象性行为。光(以及所有其他粒子)既表现出粒子的特性,又表现出波的特性。
第五章:基本粒子与自然力
夸克和其他基本粒子是本章的主题。
夸克是基本粒子,构成了宇宙中的大部分物质。夸克有六种不同的 "味道":上、下、奇异、魅力、底和顶。夸克也有三种 "颜色":红、绿、蓝。还有反夸克,它们在某些属性上与夸克不同。
所有粒子(例如夸克)都有一个叫做自旋的属性。粒子的自旋向我们展示了一个粒子从不同方向看是什么样子。例如,一个自旋为0的粒子从任何方向看都是一样的。一个自旋为1的粒子在每个方向上看起来都不一样,除非该粒子被完全旋转(360度)。霍金关于自旋1的粒子的例子是一个箭头。自旋2的粒子需要旋转一半(或180度)才能看起来一样。
书中给出的例子是一个双头箭。宇宙中有两组粒子:自旋为1/2的粒子(费米子),以及自旋为0、1或2的粒子(玻色子)。只有费米子遵循泡利不相容原理。泡利不相容原理指出,费米子不能共享相同的量子状态(例如,两个 "自旋向上 "的质子不能在空间中占据同一位置)。如果费米子不遵循这一规则,那么复杂的结构就不可能存在。
玻色子,自旋为0、1或2,不遵循排他性原则。这些粒子的一些例子是虚引力子和虚光子。虚引力子的自旋为2,并携带引力。这意味着,当引力影响两个事物时,虚引力子在它们之间进行交换。虚光子的自旋为1,携带电磁力,它将原子固定在一起。
除了引力和电磁力,还有弱核力和强核力。弱核力是导致放射性的原因。弱核力主要影响费米子。强核力将夸克结合成强子,通常是中子和质子,也将中子和质子结合成原子核。携带强核力的粒子是胶子。由于一种被称为颜色禁锢的现象,夸克和胶子从未被单独发现(除非在极高温度下),它们总是被 "禁锢 "在强子中。
在极高的温度下,电磁力和弱核力表现为单一的弱电力。预计在更高的温度下,电弱力和强核力也会表现为单一的力。试图描述这种 "组合 "力行为的理论被称为大统一理论,它可能帮助我们解释许多科学家尚未解决的物理学之谜。
第六章:黑洞
黑洞是时空的区域,其中的引力非常强大,以至于没有东西能从其中逃脱。大多数黑洞是在非常大质量的恒星在其生命末期坍缩时形成的。一颗恒星必须至少比太阳重25倍才能坍缩成黑洞。黑洞周围的边界被称为事件视界,没有任何粒子可以从这里逃到时空的其他部分。
不旋转的黑洞具有球面对称性。其他具有旋转角动量的黑洞只有轴对称性。
天文学家很难找到黑洞,因为它们不产生任何光线。当黑洞吞噬一颗恒星时,就可以发现它。当这种情况发生时,坠落的物质会放出强大的X射线,这可以被望远镜看到。
在这一章中,霍金谈到了他与另一位科学家基普-索恩在1974年打的著名赌。霍金认为黑洞不存在,而索恩则认为它们存在。霍金输掉了这场赌局,因为新的证据证明天鹅座X-1确实是一个黑洞。
第七章:霍金辐射
本章讨论了霍金发现的黑洞行为的一个方面。
根据较早的理论,黑洞只能变大,而不能变小,因为进入黑洞的东西不能出来。然而,在1974年,霍金发表了一个新理论,认为黑洞可以 "泄漏 "辐射。他想象了如果一对虚粒子出现在黑洞的边缘会发生什么。虚粒子从时空本身短暂地 "借用 "能量,然后相互湮灭,归还借用的能量并停止存在。然而,在黑洞的边缘,一个虚粒子可能被黑洞困住,而另一个则逃脱。由于热力学第二定律的存在,粒子被 "禁止 "从真空中获取能量。因此,粒子从黑洞而不是真空中获取能量,并以霍金辐射的形式逃离黑洞。
根据霍金的理论,由于这种辐射,黑洞必须非常缓慢地随着时间的推移而缩小,而不是像科学家以前所认为的那样继续永存。尽管他的理论起初被人以极大的怀疑态度看待,但它很快就被认为是一项科学突破,为霍金在科学界赢得了重要的认可。
第八章:宇宙的起源和命运
这一章讨论宇宙的开始和结束。
大多数科学家一致认为,宇宙开始于一种叫做“大爆炸”的膨胀。在大爆炸开始时,宇宙有一个极高的温度,这阻止了像恒星这样复杂的结构,甚至是像原子这样非常简单的结构的形成。在大爆炸期间,发生了一种被称为“膨胀”的现象,在这种现象中,宇宙短暂地膨胀(“膨胀”)到一个更大的尺寸。暴胀解释了宇宙的一些特征,这些特征以前曾使研究人员大为困惑。暴涨之后,宇宙继续以较慢的速度膨胀。温度变得更低,最终形成了这样的结构。
霍金还讨论了如果宇宙的大小比实际增长的慢或快,它可能会出现什么不同。例如,如果宇宙膨胀得太慢,它就会坍塌,就没有足够的时间形成生命。如果宇宙膨胀得太快,它会变得几乎是空的。霍金支持有争议的“永恒膨胀假说”,他认为我们的宇宙只是无数具有不同物理定律的宇宙中的一个,其中大多数都不适合生命生存。
本章还讨论了量子引力的概念。
第九章:时间之箭
在这一章中,霍金讨论了为什么“实时”(霍金称时间为人类观察和体验的时间)似乎有一个特定的方向,尤其是从过去走向未来。霍金随后讨论了三支“时间之箭”,在他看来,这三支箭赋予了时间这一属性。
霍金的第一支时间之箭是热力学之箭。这是由熵(霍金称之为无序)增加的方向决定的。根据霍金的说法,这就是为什么我们从来没有看到杯子的碎片聚在一起形成一个完整的杯子。
第二个箭头是心理上的时间之箭。我们对时间的主观感觉似乎是单向的,这就是为什么我们只记得过去而不记得未来。霍金声称,我们的大脑测量时间的方式是,无序程度随着时间方向的增加而增加——我们从未观察到它在相反的方向运动。换句话说,霍金声称心理时间之箭与热力学时间之箭是交织在一起的。
霍金的第三支也是最后一支时间之箭是宇宙学的时间之箭。这是宇宙膨胀而不是收缩的时间方向。请注意,在宇宙收缩阶段,热力学和宇宙学的时间箭头不会一致。
霍金声称,宇宙的“无边界假说”意味着宇宙在再次收缩之前会膨胀一段时间。他继续争辩说,无边界的提议驱动了熵,它预测了一个定义良好的热力学时间箭头的存在,当且仅当宇宙在膨胀,因为它暗示宇宙必定以一种平滑有序的状态开始,并且随着时间的推移必然向无序发展。
霍金认为,由于无边界理论,一个收缩的宇宙不会有一个定义明确的热力学箭头,因此只有一个处于膨胀阶段的宇宙才能支持智慧生命。利用弱人择原理,霍金继续论证热力学箭头必须与宇宙学箭头一致,才能使任何一个都能被智慧生命观测到。在霍金看来,这就是为什么人类会经历三支时间之箭向同一个方向移动。
第十章:虫洞与时间旅行
许多物理学家试图设计出可能的方法,让人类利用先进的技术,能够以比光速更快的速度旅行,或者回到过去,这些概念已经成为科幻小说的主要内容。
爱因斯坦-罗森桥早在广义相对论研究历史上就被提出。这些“虫洞”从外面看起来和黑洞是一样的,但是进入虫洞的物质会被重新定位到时空中的不同位置,可能是在一个遥远的空间区域,甚至是时间倒退。
然而,后来的研究表明,这样一个虫洞,即使它可能形成的第一个地方,不会允许任何物质通过之前变成一个正常的黑洞。从理论上讲,要想虫洞保持开放状态,从而允许超光速旅行或时间旅行,唯一的方法就是存在能量密度为负的外来物质,而这违反了广义相对论的能量条件。因此,几乎所有的物理学家都同意,超光速旅行和时间倒退是不可能的。
霍金还描述了他自己的“时序保护猜想”,它提供了一个更正式的解释,解释为什么超光速和回溯时间旅行几乎肯定是不可能的。
第十一章:物理学的统一
量子场论(QFT)和广义相对论(GR)在各自的适用范围内以惊人的准确性描述宇宙物理。然而,这两种理论相互矛盾。例如,QFT的不确定性原理与GR不相容这一矛盾,以及QFT和GR不能完全解释观测到的现象这一事实,促使物理学家寻找一种“量子引力”理论,既能内部一致,又能像现有理论一样或更好地解释观测到的现象。
霍金谨慎乐观地认为,尽管面临重大挑战,这样一个统一的宇宙理论可能很快就会被发现。在写这本书的时候,“超弦理论”已经成为最受欢迎的量子引力理论,但这个理论和相关的弦理论仍然是不完整的,尽管付出了巨大的努力,还没有得到证明。弦理论提出粒子的行为像一维的“弦”,而不是像量子傅立叶变换中那样是无量纲的粒子。这些弦在许多维度上“振动”。超弦理论需要10个维度,而不是QFT中的3个维度或GR中的4个维度。超弦理论所要求的六个“超空间”维度的性质即使不是不可能也很难研究。如果没有一种方法来缩小可能性的范围,很可能就不可能找到弦理论的实际应用。
第十二章:结论
霍金表示,人类一直想了解宇宙及其所在的位置。起初,事件被认为是随机的,由类似人类的情绪幽灵控制。但在天文学和其他一些领域,人们发现了宇宙运行的规律。近几个世纪以来,随着科学的进步,人们对宇宙的内部运行已经有了更深入的了解。拉普拉斯在19世纪初提出,宇宙的结构和演化最终可以用一套定律来精确解释,但这些定律的起源是由上帝来决定的。20世纪,量子理论引入了不确定性原理,它限制了未来定律的预测精度。
从历史上看,宇宙学的研究主要是出于对哲学和宗教见解的探索,例如,为了更好地理解上帝的本质,甚至上帝是否存在。然而,今天研究这些理论的大多数科学家都是通过数学计算和经验观察来接近它们,而不是提出这样的哲学问题。这些理论的技术性越来越强,使得现代宇宙学越来越脱离哲学讨论。霍金希望有一天每个人都能谈论这些理论,以了解宇宙的真正起源和本质,实现“人类推理的最终胜利”。


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