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时间简史
时间简史—史蒂芬.霍金
第一章、我们的宇宙图像
龟宇宙:印度教宇宙把地球写出驮在6只大象的背上,而地狱则是停留在蛇上的乌龟支持。
平坦地球模型:早期希腊人认为,地球浮在水上,在它之上是4种元素。
托勒密地心宇宙学:地球处于宇宙中心,8个天球包围着它,与其相关的宇宙存在自然边界。
哥白尼日心宇宙学:太阳静止位于中心,地球和行星们围绕太阳做圆周运动。
星系宇宙学:地球绕着银河系一个螺旋臂的外端的一个中等恒星(太阳)公转。
现代宇宙图像:银河系只是宇宙在我们特定区域内的万亿个可观测到的星系中的一个。
宇宙理论包括:1)宇宙如何随时间变化;2)宇宙的初始状态问题
描述宇宙的科学理论有:
1)牛顿理论-按照超距作用的力来描述引力。它在太阳系中很成功,但在强引力场下失效。
2)广义相对论-描述引力和宇宙的大尺度结构,大至1亿亿亿英里(1英里=1.609km)。将引力描述成因为时空中的质量和能量而引起的时空弯曲。物体试图以直线运动,但是它们的路径因为时空的弯曲而被弯折。
3)量子力学-描述原子水平以及更低水平的现象,小至万亿分之1英寸(1英寸=2.54cm)
第二章、空间和时间
物体运动的观念:
1)亚里士多德:物体的自然状态是静止的,只有受力后才运动,存在绝对静止,相信绝对时间。
2)伽里略:测量了物体运动速度的改变率与质量无关。
3)牛顿:第一定律--力是改变物体运动状态的原因;第二定律--速度的改变率与所受的外力成正比;引力定律--任何两个物体都相互吸引,其引力大小与物体质量成比例,与距离成反比;不存在绝对静止或绝对空间;相信绝对时间。
罗默(丹麦):证明了光以有限的速度行进。
麦克斯韦:光的电磁波动理论。由此不得不假设以太的存在,但迈克尔逊和莫雷通过实验证明了光速任何方向都是一致的,从而说明了以太的观念是不存在的,使得人们不得不抛弃绝对时间的观念。
爱因斯坦相对论:不管观测者以任何速度做自由运动,相对于他们而言,科学定律都应该是一样的。扩展到不管观察者运动多快,他们应测到一样的光速。并由此得出质量和能量等价的方程:E=mc^2。
相对论限制了物体运动的速度: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。
相对论的意义:变革了时间和空间的观念,因为两点之间花费的时间是用光速(相同)去除距离(由于空间不是绝对的所以不同),所以做相互运动的观察者对同一事件可赋予不同的时间和位置,迫使我们从根本上改变时间和空间的观念:时间不能完全脱离和独立于空间,必须和空间一起形成所谓的时空客体。
事件:指特定的时刻和空间中特定的点发生的某件事,人们可以用四个数或坐标来指定它。
从事件P出发的光脉冲的轨迹在时空中形成所谓“P的将来光锥”和“P的过去光锥”,这两个光锥把时空分成P的将来、过去和他处。具有质量的物体运动得比光慢,因此它们的轨迹在将来光锥之内。
太阳发出的光8分钟后到达地球,我们现在看到的最远物体,光是在80亿年前发出的。
狭义相对论:对于时空中的每一个事件都可以做一个光锥,由于在每一事件处在任一方向上的光速都是一样的,所以所有光锥都是全等的,并朝着同一方向。而引力效应必须以无限速度行进,与狭义相对论只能以低于或等于光速行进相矛盾,为协调这一矛盾,从而提出广义相对论。
广义相对论:引力不像其他种类的力,它是时空不是平坦的这一事实的结果,由于时空中质量和能量的分布使它弯曲或翘曲。物体总是沿着四维空间中的直线运动,正如在多山的三维空间中直线飞行的飞机在二维地面上的投影是一条弯曲的路径。太阳的质量以这样的方式弯曲时空,使得在四维的时空中地球虽然沿着直线的路径运动,它却让我们看起来是沿着三维空间中的一个圆周轨道运动。
广义相对论一个预言:光线在时空中也必须被引力场折弯,通过日食观测得到证实;
广义相对论另一个预言:在像地球这样大质量的物体附近,时间显然流逝地更慢一些。因为当光从地球引力场往上行进,它失去能量,因而其频率下降,通过一对安装在水塔顶上和底下的钟得到证实(更靠近地球的钟走得慢一些)。
在广义相对论中,空间和时间变成了动力量:当物体运动或者作用力时,它影响了空间和时间的曲率;反过来,时空的结构又影响了物体运动和力作用的方式。现在时间和空间被认为是每个单独粒子或行星的动力量,根据它的位置和运动状态具有自己唯一的时间测度。
第三章、膨胀的宇宙
通过计算恒星的视亮度间接测量恒星间的距离发现:太阳只是银河系的1000亿个恒星之一,银河系只是局部集团的许多星系之一,局部集团只是形成宇宙中最大已知结构的几千个集团和星系团之一。
通过可供观测的光的颜色对恒星进行分类,可以从恒星的光谱得知它的温度,从光谱中失去的颜色确定恒星大气中存在的元素。
多普勒效应:当一个发射源向着观测者驶来时,波就向较高频率位移;当它离开接收者而去时,波就向较低频率位移。
红移和蓝移:光的不同波长正是人眼看成不同颜色的东西,最长的波长出现在光谱的红端,最短的波长在光谱的蓝端。一个相对于地球静止的恒星发射出固定波长的光,该波长和我们观测到的相同。如果该恒星离开我们运动而去,则两个波峰之间的距离被增加,我们觉得它的光谱向红端移动;而当恒星趋近我们而来时,两个波峰之间的距离被减少,光谱则被蓝移。
哈勃发现:大部分星系是红移的,而且星系越远,移动得越快,这就说明宇宙是膨胀的。
膨胀气球理论:膨胀的宇宙像一个正在被吹胀的气球。气球表面上的斑点相互离开,但没有一个斑点是膨胀的中心。
弗里德曼闭合宇宙:所有星系一开始都相互离开,宇宙一直膨胀到它的最大尺度,然后被收缩回一点。(另两个宇宙模型:在宇宙开放模型中,引力永远不能战胜星系的运动,宇宙会永远膨胀下去;在宇宙平坦模型中,引力吸引刚好和星系运动平衡,宇宙避免坍塌,星系运动越来越慢,但永远不会完全静止。)
弗里德曼解的特点:在过去的某一时刻,邻近星系之间的距离为零,即宇宙大爆炸时刻,此时宇宙的密度和时空曲率无限大。
广义相对论预言:宇宙可以有过奇点,一个大爆炸,在该处理论本身崩溃。
彭罗斯定理:任何坍塌的星体必定终结于一个奇点。
霍金和彭罗斯合作证明:假定广义相对论是正确的,而宇宙包含我们观测到这么多物质,则过去一定有过大爆炸奇点。事实上,一旦考虑到量子效应,奇点就会消失。
第四章、不确定性原理
普朗克量子假设:光只能以波或量子的形式出现,它是具有与其频率成比例的能量的一串波。
海森伯不确定性原理:不可能同时精确地确定一个粒子的位置和速度。用来观测粒子的光的波长越长,则粒子位置的不确定性越大,而粒子速度的确定性越大;用来观测粒子的光的波长越短,则




粒子位置的确定性越大,而粒子速度的不确定性越大。

粒子位置的不确定性乘以粒子质量再乘以速度的不确定性不能小干一个确定量,该确定量称为普朗克常数。粒不再分别有很好定义的而又不能被位置和速度,取而代之,粒子具有合和速度的结合态,即量子态。

量子力学并不对一次观测确定地预言个单独的结果,而是预言不同结果发生的概率。

光存在波和粒子的二重性。它只

包或量子的形式发射或吸收,但在方面的行为像波一样,没有确定的位置,成一定的几率分布。因此粒子间可以发生干涉现象。

费恩曼历史求和理论:在时空中的

从A到B通过所有可能的路径相加原子论的演化:1)希腊哲学家德利特的颗粒状原子;2)卢瑟福的

绕核公转模型;3)波尔的量子力学模型(一个绕核运动的电子只能在轨道长度对应整数倍电子波长的轨道旋转)第五章、基本粒子和自然的力亚里士多德:四种基本元素,即

气、火、水。物质是连续的,可无

原子论:物质是由大量不同类型的原子组成(原子在希腊文中的意义是"不可分的”)

夸克存在6种味:上、下、奇、粲、不底、顶,每种味有红、绿、蓝三种反夸克也存在6种味,每种味有3种

中子包含两个具有1/3电荷的下夸克和一个具有2/3电荷的上夸克;质子两个上夸克和一个下夸克

所有粒子都是波,粒子的能量越高不应的波长越短。

宇宙中的一切都能用粒子来描述,基本粒子具有自旋性质。自旋0的粒子从所有方面看都一样,自旋1的粒子当它转360度后显得一样,自旋2的粒子转18度后显得一样,自旋1/2的粒子则需不转两整圈。

泡利不相容原理:两个类似的粒子输存在于相同的态中,即不能同时具有相同的位置和速度。

宇宙间所有已知粒子分为两组:1)自旋为1/2的粒子,它们组成宇宙中

质;2)自旋为0、1、2的粒子,

在物质粒子之间产生力。

物质粒子发出携带力的粒子,这个发射引起反弹,改变了物质粒子的速度。携带力的粒子然后和另一个物质粒子碰撞并且被吸收,从而也改变不了第二个粒子的速度。携带力的粒子不像实粒不样可以通过粒子探测器检测到,称为“虚粒子”,但有时会以波动探测到。

携带力的粒子类别:

1)引力-由交换自旋为2的虚引力子引起,虽然非常弱但能作用大距离是吸引:

2)电磁力--作用干带电荷的粒子

换大量称作光子的自旋为1的虚粒子引

起:

3)弱核力--负责放射现象,只作用于物质粒子,对携带粒子不起作用。除了光子,还存在其他3个自旋为1的被统不重矢量波色子的粒子携带弱力

4)强核力--将质子和中子中的夸克在一起,并将原子核中的质子和中子束缚在一起,由称为胶子的自旋为1的粒

子携带。

强核力的色禁闭性质:总是把粒子成不带颜色的结合体。如质子或中由红绿蓝=白,而介子是由红反红或绿反绿等构成,因此不能得到单独的胶子自身。

大统一理论(GUT):在高能量下,强核力变弱,电磁力或弱力变强,因此这3种力都具有同样的强度,可看成一单独力的不同方面。不同物质粒基本上都变成一样。大统一理论预质子能够发生衰变成诸如反电子之类更轻的粒子。

物理定律的三个对称:C(电荷)对称 -定律对于粒子和反粒子是相同的(宇称)对称--定律对于任何情景的镜像是相同的;T(时间)对称律对于前进和后退的时间方向是一的。这三个对称后来均被推翻。科学定律只有在CPT联合作用下不变。

夸克比反夸克多的原因:物理定律对于粒子和反粒子不是完全相同的。当不宇宙膨胀时,由于存在不服从T双

力,这些力将更多的反电子变成夸命然后,随着宇宙膨胀并冷却下来,反夸克和夸克湮灭,但由于已有的夸克比反夸克多,少量过剩的夸克就留了下来,构成我们今天看到的物质。第六章、黑洞

黑洞:恒星的质量如此之大,以至它表面发射的光被它强大的引力域

去,使它不被看见。根据相对论,没有东西能行进得比光还快,因此所有东西


被耗尺氨核形形成

始膨胀;4)当恒星耗尽了燃料,它开始变冷并收缩,引力和不相容原理引起的排斥达到平衡。如果一个恒星的质量比昌得拉塞卡极限(比太阳质量的一倍半还大的一个恒星)还小,它最终会成为褐矮星或白矮星(由物质中电子之间不相容原理排斥力支持)。如果它超过这个极限,该超巨星的最后引力城产生一个中子星(这些恒星是由中质子之间不相容原理的排斥力支一个黑洞。

一个收缩的恒星增长的引力场对周围空间的效应可以想象为一张敏感的弹性的纸,物质越重,凹入处就越深,此到的最终引力内爆代表黑洞的奇性度和时空曲率无限大的奇点)。由合坍塌所产生的奇点只能发生在像黑洞那样的地方,它在那里被事件视界遮住而不被外界看见。

运动中的能量被引力波的辐射带走,所以一个大质量物体的系统最终会趋种不变的状态。

非旋转的黑洞是完美的球形,任何拿物体坍塌成为黑洞后,其终态依赖于它的质量和转速,关于坍塌物体的大量信息被丢失了,即所谓的“黑洞没有毛”。太初黑洞:由外部而非内部的压力的黑洞。

第七章、黑洞不是这么黑的

事件视界面积的非减性:当物质落入黑洞,事件视界的面积增加;或者如果两个黑洞碰撞合并成一个单独的黑洞,它的面积会大于或等于原先黑洞的面积总和。

为了不违背热力学第二定律(一系统的熵总是增加的,且将两个系接在一起时,其合并后的熵大于所有单独系统的熵总和),黑洞会如同一个热体那样发射粒子和辐射,但粒子不是从黑洞中发射的,而是从紧靠黑洞的视界的外面的“空虚的”空间中来。的空间中充满虚粒子和反粒子对,

被一同创生,相互离开,然后再回到一起湮灭。

如果黑洞存在,虚对的一个成员会落入黑洞并且成为实粒子,另一成员从黑洞邻近逃逸。黑洞越小,负能粒子在不实粒子之前走过的距离越短,这样

发射率和表观温度也就越大。黑洞命丧失能量和质量,最终会在一次巨大的爆炸中完全消失。

一个具有几倍太阳质量黑洞只具有一千万分之一度的绝对稳定,而在宇宙期形成的太初黑洞会有高得多的温并以大得多的速率发出辐射,这些实际上是白色的,但宇宙中的太初黑洞每立方光年不可能超过300个。如果能找到的话,它必须正在发射大量的伽马射线和X射线。

第八章、宇宙的起源和命运宇宙简史(热大爆炸模型)

1)大爆炸时,宇宙体积为零,无限合热;2)10^(-43)秒后,大统一理论(GUT)时期,温度10^32度;3)10(-34)秒后,夸克-反夸克主导时期,温度10^27度;4)10^(10)秒后质子、中子、和介子形成,夸克禁

反夸克禁闭消失,温度10^15度; 4合

秒后,质子和中子束缚一起形成氢氦、锂和氘核,温度10^10度;5)3分钟后,物质和辐射耦合在一起,温度10^9度:6)300000年后,当电子和核结合在一起,物质和辐射去耦,宇不于宇宙背景辐射变成透明,温度3度;7)10亿年后,物质团形成类体、恒星和原始星系。恒星燃烧太初金和氦并合成更重的核,温度20度;8)150年后,太阳系围绕着恒星凝结,原子连接形成复杂分子后生命物质,温度3度。

弱人存原理:在一个大的或具有无限间和/或时间的宇宙里,只有在某些时空有限的区域里,才存在智慧生命发展的必要条件。因此,在这些区域中,如果智慧生物观察他们在宇宙的位置满足他们存在必要的条件,他们就不应到惊讶。

强人存原理:存在许多具有不同初介胀率和其他基本物理性质的不同的宇宙,只有一些适合于生命。“为何宇宙是我们看到的这种样子?"答案很简单:如果它不是这个样子,我们就在这里。

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