时间简史

【英】史蒂芬·霍金

《时间简史》首版导言

2018-04-17 12:32:39
我们在几乎对世界毫无了解的情形下进行日常生活。我们对于使生命得以实现的阳光的产生机制,对于将我们束缚在地球上,否则我们就会以涡旋的轨道被抛到太空去的重力,对于我们由之构成并依赖其稳定性的原子思考得很少。除了小孩(他们知道太少,会不知轻重地问重要的问题),我们中很少人会用大量时间惊讶自然界为何这个样子。

第一章 我们的宇宙图象

2018-04-30 23:32:48
在1929年,埃德温·哈勃作出了一个里程碑式的观测,即不管你往哪个方向观测,远处的星系都正急速地飞离我们而去。换言之,宇宙正在膨胀。

2018-04-30 23:37:39
我将采用素朴的观点,即理论只不过是宇宙或它的受限制的部分的模型,以及一套把这模型中的量和我们做的观测相联系的规则。它只存在于我们的头脑中,不再具有任何其他(不管在任何意义上)的实在性。一个好的理论必须满足以下两个要求:首先,这个理论必须能准确地描述大量的观测——这些观测是根据只包含少数任选的元素的模型所做出的;其次,这个理论能对未来观测的结果作出明确的预言。

2018-05-01 06:43:01
今天,科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论描述引力和宇宙的大尺度结构,也就是从只有几英里直到大至1亿亿亿(1后面跟24个0)英里(1英里=1.609千米),即可观测到的宇宙的尺度的结构。另一方面,量子力学处理极小尺度,例如万亿分之1英寸(1英寸=2.54厘米)的现象。然而可惜的是,这两个理论不是相互协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个主要的努力,以及本书的主题,即是寻求一个能将其合并在一起的新理论——量子引力论。

2018-05-02 00:51:19
然而,如果真有一个完整的统一理论,则它大概也将决定我们的行动。这样,理论本身就决定了我们对之探索的结果!那么为什么它保证我们从证据得到正确的结论?难道它不也可以同样地保证我们引出错误的结论吗?或者根本没有结论?

2018-05-02 00:51:35
以下这一点在过去肯定是真的,即我们称之为智慧和科学发现的东西给我们带来了存活的好处。这种情况是否仍会如此没有这么清楚:我们的科学发现可以轻易地毁灭我们的一切。即使不是这样,一个完整的统一理论对于我们存活的机会不会有很大影响。然而,假定宇宙已经以规则的方式演化至今,我们可以预期,自然选择赋予我们的推理能力在探索完整统一理论时仍然有效,并因此不会导致我们得到错误的结论。

第二章 空间和时间

2018-05-02 13:31:50
亚里士多德和伽利略-牛顿观念的巨大差别在于,亚里士多德相信一个优越的静止状态,任何没有受到外力和冲击的物体都取这种状态。特别是他以为地球是静止的。但是从牛顿定律可以推断,并不存在惟一的静止标准。

2018-05-02 13:32:21
这样,不存在绝对静止意味着不能像亚里士多德相信的那样,给事件指定一个绝对的空间位置。事件的位置以及它们之间的距离对于在有轨电车上和铁轨上的人来讲是不同的,所以没有理由以为一个人的立场比别人的更优越。

2018-05-02 13:32:48
亚里士多德和牛顿都相信绝对时间。也就是说,他们相信人们可以毫不含糊地测量两个事件之间的时间间隔,只要用好的钟,不管谁去测量,这个时间都是一样的。时间相对于空间是完全分离并且独立的。这就是大部分人当作常识的观点。然而,我们必须改变这种关于空间和时间的观念。虽然这种显而易见的常识可以很好地对付运动甚慢的诸如苹果、行星的问题,但在处理以光速或接近光速运动的物体时却根本无效。

2018-05-02 13:35:05
1676年,丹麦的天文学家欧尔·克里斯琴森·罗默第一次发现了,光以有限但非常高的速度旅行的事实。他观察到,木星的卫星不是以等时间间隔从木星背后出来,不像如果卫星以不变速度围绕木星运动时,人们会预料的那样。

2018-05-02 13:38:49
1887年,阿尔伯特·迈克耳孙(他后来成为美国第一位诺贝尔物理学奖获得者)和爱德华·莫雷在克里夫兰的凯思应用科学学校进行了一个非常仔细的实验。他们将沿地球运动方向以及垂直于此方向的光速进行比较。使他们大为惊奇的是,他们发现这两个光速完全一样!

2018-05-02 13:46:03
这个被称为相对论的基本假设是,不管观察者以任何速度作自由运动,相对于他们而言,科学定律都应该是一样的。这对于牛顿的运动定律当然是对的,但是现在这个观念被扩展到包括麦克斯韦理论和光速:不管观察者运动多快,他们应测量到一样的光速。这简单的观念有一些非凡的结论。可能最著名者莫过于质量和能量的等价,这可用爱因斯坦著名的方程E=mc2来表达(E是能量,m是质量,c是光速),以及没有任何东西可能行进得比光还快的定律。由于能量和质量的等价,物体由于它的运动具有的能量应该加到它的质量上去。换言之,要加速它将更为困难。这个效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如,以10%光速运动的物体的质量只比原先增加了0.5%,而以90%光速运动的物体,其质量变得比正常质量的2倍还多。当一个物体接近光速时,它的质量上升得越来越快,这样它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速,因为那时质量会变成无限大,而根据质量能量等价原理,这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因,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。
相对论的一个同等非凡的推论是,它变革了我们空间和时间的观念。在牛顿理论中,如果有一光脉冲从一处发到另一处,(由于时间是绝对的)不同的观测者对这个行程所花的时间不会有异议,但是(因为空间不是绝对的)他们在光行进的距离上不会总取得一致的意见。由于光速正是它行进过的距离除以花费的时间,不同的观察者就测量到不同的光速。另一方面,在相对论中,所有的观察者必须在光以多快速度行进上取得一致意见。然而,在光行进过多远的距离上,他们仍然不能取得一致意见。因此,现在他们对光要花费多少时间上应该也不会取得一致意见。(花费的时间正是用光速——对这一点所有的观察者都意见一致——去除光行进过的距离——对这一点他们意见不一致。)换言之,相对论终结了绝对时间的观念!看来每个观察者都一定有他自己的时间测度,这是用他自己所携带的钟记录的,而不同观察者携带的同样的钟的读数不必要一致。

2018-05-02 13:51:08
我们必须接受,时间不能完全脱离开和独立于空间,而必须和空间结合在一起形成所谓的时空的客体。

2018-05-04 23:37:42
我们也不知道这一时刻发生在宇宙中更远处的事:我们看到的从很远星系来的光是在几百万年之前发出的,至于我们看到的最远物体,光是在大约80亿年前发出的。这样,当我们看宇宙时,我们是在看它的过去。

2018-05-05 23:59:11
在广义相对论中,物体总是沿着四维时空的直线走。尽管如此,在我们看来它在三维空间中是沿着弯曲的路径。

2018-05-06 06:55:38
广义相对论的另一个预言是,在像地球这样的大质量的物体附近,时间显得流逝得更慢一些。

2018-05-06 06:57:04
牛顿运动定律使在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。考虑一对双生子。假定其中一个孩子去山顶上生活,而另一个留在海平面,第一个将比第二个老得快些。这样,如果他们再次相会,一个会比另一个更老一些。在这个例子中,年纪的差别会非常小。但是,如果有一个孩子在以近于光速运动的航天飞船中作长途旅行,这种差别就会大得多。当他回来时,他会比留在地球上另一个年轻得多。这叫做双生子佯谬,但是,只是对于头脑中仍有绝对时间观念的人而言,这才是佯谬。在相对论中并没有惟一的绝对时间,相反,每个人都有他自己的时间测度,这依赖于他在何处并如何运动。

2018-05-06 06:59:03
在广义相对论中,情况则完全不同。这时,空间和时间变成为动力量:当物体运动,或者力作用时,它影响了空间和时间的曲率;反过来,时空的结构影响了物体运动和力作用的方式。空间和时间不仅去影响、而且被发生在宇宙中的每一件事影响。正如人们没有空间和时间的概念不能谈论宇宙的事件一样,同样地,在广义相对论中,在宇宙界限之外讲空间和时间也是没有意义的。
在以后的几十年中,对空间和时间的这种新理解是对我们宇宙观的变革。旧的宇宙观被新的宇宙观取代了。前者认为宇宙基本上是不变的,它可能已经存在了无限长的时间,并将永远继续存在下去;后者则认为宇宙在运动、在膨胀,它似乎开始于过去的某一个时间,并也许会在将来的某一个时间终结。

第三章 膨胀的宇宙

2018-05-06 07:03:20
其他大部分肉眼可见的恒星离开我们的距离均在几百光年之内。与之相比,太阳仅仅在8光年那么远!

2018-05-06 07:07:24
现在我们知道,我们的星系只是用现代望远镜可以看到的几千亿个星系中的一个,每个星系本身都包含有几千亿颗恒星。

2018-05-06 12:05:03
在哈勃证明了其他星系存在之后的几年里,他花时间为它们的距离编目以及观察它们的光谱。那时候大部分人都以为,这些星系完全随机运动,所以预料会发现和红移光谱一样多的蓝移光谱。因此,当他发现大部分星系是红移的:几乎所有都远离我们而去时,确实令人十分惊异!1929年哈勃发表的结果更令人惊异:甚至星系红移的大小也不是随机的,而是和星系离开我们的距离成正比。或换句话讲,星系越远,它离开我们运动得越快!这表明宇宙不能像人们原先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。

2018-05-06 12:13:14
19世纪、18世纪甚至17世纪晚期的任何时候,人们都可以从牛顿的引力论预言出宇宙的这个行为。然而,静态宇宙的信念是如此之强,以至于一直维持到了20世纪的早期。甚至爱因斯坦于1915年发表其广义相对论时,还是这么肯定宇宙必须是静态的,以至于他在其方程中引进一个所谓的宇宙常数来修正自己的理论,使静态的宇宙成为可能。爱因斯坦引入一个新的“反引力”,这力不像其他力那样,不由任何特别的源引起,而恰恰是时空结构固有的。他宣称,时空有一内在的膨胀的趋向,这可以用来刚好去平衡宇宙间所有物质的相互吸引,由此导致一个静态的宇宙。

2018-05-06 12:19:16
弗里德曼对于宇宙作了两个非常简单的假定:我们不论往哪个方向看,也不论在任何地方进行观察,宇宙看起来都是一样的。

2018-05-06 12:21:54
大约与彭齐亚斯和威尔逊在研究探测器中的噪声的同时,在附近的普林斯顿大学的两位美国物理学家,罗伯特·狄克和詹姆斯·皮帕尔斯也对微波感兴趣。他们正在研究乔治·伽莫夫(曾为亚历山大·弗里德曼的学生)的一个见解:早期的宇宙一定是非常密集的白热的。狄克和皮帕尔斯认为,我们应该仍然能看到早期宇宙的白热,这是因为从它的非常远的部分来的光,刚好现在才到达我们这里。然而,宇宙的膨胀把光红移得如此厉害,现在只能作为微波辐射被我们观察到。正当狄克和皮帕尔斯准备寻找这辐射时,彭齐亚斯和威尔逊听到了他们的工作,并且意识到,他们自己已经找到了它。为此,彭齐亚斯和威尔逊被授予1978年的诺贝尔奖(狄克和皮帕尔斯看来有点难过,更别提伽莫夫了)。

2018-05-06 12:24:32
如果我们看到所有其他的星系都远离我们而去,那似乎我们必须在宇宙的中心。然而,还存在另外的解释:从任何其他星系上看宇宙,在任何方向上也都一样。正如我们已经看到的,这是弗里德曼的第二个假设。我们没有任何科学的证据去相信或反驳这个假设。我们之所以相信它只是基于谦虚:因为如果宇宙只在围绕我们的所有方向显得相同,而在围绕宇宙的其他点却并非如此,则是非常令人惊奇的!在弗里德曼模型中,所有的星系都相互直接离开。这种情形很像一个画上好多斑点的气球被逐渐吹胀。

2018-05-06 12:25:38
虽然弗里德曼只找到一个模型,其实满足他的两个基本假设的共有三类模型。在第一类模型(即弗里德曼找到的)中,宇宙膨胀得足够慢,这样不同星系之间的引力使膨胀减缓,并最终停止。然后星系开始相互靠近,而宇宙收缩。

2018-05-06 12:26:09
在第二类解中,宇宙膨胀得如此之快,引力虽然能使之缓慢一些,却永远不能使之停止。

2018-05-06 12:26:39
最后,还有第三类解,宇宙的膨胀快到足以刚好避免坍缩。

2018-05-06 12:28:55
第一类弗里德曼模型的奇异特点是,宇宙在空间上不是无限的,但却没有边界。引力如此强大,将空间折弯使之再绕回到自身,这样就和地球的表面相当类似。如果有人在地球的表面上沿着一定的方向不停地旅行,他将永远不会遇到一个不可超越的障碍或从边缘掉下去,反而最终回到他出发的那一点。

2018-05-06 12:30:04
在第一类弗里德曼模型中,宇宙膨胀后又坍缩,空间如同地球表面那样,弯曲后又折回到自身。在第二类永远膨胀的模型中,空间以另外的方式弯曲,如同一个马鞍面。所以,在这种情形下,空间是无限的。最后,在第三类刚好以临界速率膨胀的弗里德曼模型中,空间是平坦的(而因此也是无限的)。

2018-05-06 13:17:17
所有我们能真正肯定的是,既然它已经至少膨胀了100亿年,即便宇宙将要坍缩,至少要再过这么久才有可能。这不应使我们过度忧虑——到那时候,除非我们已到太阳系以外开拓了殖民地,否则人类早就随着太阳的消灭而死亡殆尽!

2018-05-06 13:19:25
如果,事实也正是如此,我们只知道在大爆炸后发生的事件,我们就不能确定在这之前发生什么。就我们而言,发生于大爆炸之前的事件不能有后果,所以并不构成我们宇宙的科学模型的一部分。因此,我们应将它们从模型中割除掉,并宣称时间是从大爆炸开始的。

2018-05-06 13:28:05
1965年,我读到彭罗斯关于任何物体受到引力坍缩必定最终形成一个奇点的定理。我很快意识到,如果人们将彭罗斯定理中的时间方向颠倒以使坍缩变成膨胀,假定现在宇宙在大尺度上大体类似弗里德曼模型,这定理的条件仍然成立。彭罗斯定理已经指出,任何坍缩星必定终结于一个奇点;其时间颠倒的论证则是,任何类弗里德曼膨胀宇宙一定是从一个奇点开始。为了技巧上的原因,彭罗斯定理需要宇宙在空间上是无限的条件。于是,在实质上,我能用它来证明,只有当宇宙膨胀得快到足以避免重新坍缩时(因为只有那样弗里德曼模型才是空间无限的),才一定存在一个奇点。

2018-05-06 13:29:47
人实在不能辩赢数学定理。所以我们的工作最终被广泛接受,现在几乎每个人都假定宇宙是从一个大爆炸奇点起始的。颇具讽刺意味的是,现在我改变了想法,试图去说服其他物理学家,事实上在宇宙的开端并没有奇点——正如我们将要看到的,一旦考虑了量子效应,奇点就会消失。

第四章 不确定性原理

2018-05-06 22:45:02
你对粒子的位置测量得越准确,你对速度的测量就越不准确,反之亦然。海森伯指出,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于一个确定量,该确定量称为普朗克常量。并且,这个极限既不依赖于测量粒子位置和速度的方法,也不依赖于粒子的种类。海森伯不确定性原理是世界的一个基本的不可回避的性质。

2018-05-06 22:45:10
不确定性原理使拉普拉斯的科学理论,即一个完全决定性论的宇宙模型的梦想寿终正寝:如果人们甚至不能准确地测量宇宙现在的状态,那么就肯定不能准确地预言将来的事件!

2018-05-06 22:45:25
20世纪20年代,在不确定性原理的基础上,海森伯、厄文·薛定谔和保罗·狄拉克运用这种手段将力学重新表述成称为量子力学的新理论。在此理论中,粒子不再分别有很好定义的而又不能被观测的位置和速度。取而代之,粒子具有位置和速度的一个结合物,量子态。

2018-05-06 22:50:23
在量子力学中存在着波和粒子的二重性:为了某些目的将波考虑成粒子是有用的,而为了其他目的最好将波考虑成粒子。

2018-05-06 22:53:28
由于量子力学引进的二重性,粒子也会产生干涉。所谓的双缝实验即是著名的例子(图4.2)。考虑一个带有两个平行狭缝的隔板,在它的一边放上一个特定颜色(即特定波长)的光源。大部分光都射在隔板上,但是一小部分光通过这两条缝。现在假定将一个屏幕放到隔板的另一边。屏幕上的任何一点都能接收到两个缝来的波。然而,一般来说,光从光源通过这两条狭缝传到屏幕上的距离是不同的。这表明,从狭缝来的光到达屏幕之时不再是相互同相的:有些地方波相互抵消,其他地方它们相互加强,结果形成有亮暗条纹的特征花样。

2018-05-06 23:00:03
早先讨论的奇点定理指出,至少在两种情形下引力场会变得非常强——黑洞和大爆炸。在这样强的场里,量子力学效应应该是非常重要的。因此,在某种意义上,经典广义相对论由于预言无限大密度的点而预示了自身的垮台,正如同经典(也就是非量子)力学由于隐含着原子必须坍缩成无限的密度,而预言自身的垮台一样。

第五章 基本粒子和自然的力

2018-05-06 23:17:13
亚里士多德相信宇宙中的所有物质由四种基本元素即土、气、火和水组成。有两种力作用在这些元素上:引力,这是指土和水往下沉的趋势;浮力,这是指气和火往上升的倾向。将宇宙的内容分割成物质和力的这种做法一直沿袭至今。

2018-05-07 06:45:28
直到大约30年以前,人们还以为质子和中子是“基本”粒子。但是,质子和另外的质子或电子高速碰撞的实验表明,它们事实上是由更小的粒子构成的。加州理工学院的牟雷·盖尔曼将这些粒子命名为夸克。

2018-05-07 06:52:26
但惊人的事实是,把有些粒子转过一圈后,它仍然显得不同:你必须使其转两整圈!这样的粒子就说具有1/2的自旋。

2018-05-07 06:52:10
宇宙间所有已知的粒子可以分成两组:自旋为1/2的粒子,它们组成宇宙中的物质;自旋为0、1和2的粒子,正如我们将要看到的,它们在物质粒子之间产生力。

2018-05-07 06:57:49
狄拉克后来被选为剑桥的卢卡斯数学教授(牛顿曾经担任这一教席,目前我担任这一职务)。狄拉克理论是第一种既和量子力学又和狭义相对论相一致的理论。它在数学上解释了为何电子具有1/2的自旋,也即为什么将其转一整圈不能、而转两整圈才能使它显得一样。它还预言了电子必须有它的配偶——反电子或正电子。

2018-05-07 06:58:52
现在我们知道,任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。(对于携带力的粒子,反粒子即为其自身)。也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。然而,如果你遇到了反自身,注意不要握手!否则,你们两人都会在一个巨大的闪光中消失殆尽。

2018-05-07 12:18:22
携带力的粒子按照其强度以及与其相互作用的粒子可以分成四个种类。必须强调指出,这种将力划分成四种是人为的;它仅仅是为了便于建立部分理论,而并不别具深意。大部分物理学家希望最终找到一个统一理论,该理论将四种力解释为一个单独的力的不同方面。

2018-05-10 12:09:33
为什么夸克比反夸克多这么多?为何它们的数目不相等?这数目有所不同肯定使我们交了好运,否则,早期宇宙中它们势必已经相互湮灭了,只余下一个充满辐射而几乎没有物质的宇宙。

2018-05-10 12:11:26
直到1956年人们都相信,物理定律分别服从三个叫做C、P和T的对称。C(电荷)对称的意义是,定律对于粒子和反粒子是相同的;P(宇称)对称的意义是,定律对于任何情景和它的镜像(右手方向自旋的粒子的镜像变成了左手方向自旋的粒子)是相同的;T(时间)对称的意义是,如果你颠倒所有粒子和反粒子的运动方向,系统应回到早先的那样;换言之,定律对于前进或后退的时间方向是一样的。1956年,两位美国物理学家李政道和杨振宁提出弱作用实际上不服从P对称。换言之,弱力使得宇宙和宇宙的镜像以不同的方式发展。同一年,他们的一位同事吴健雄证明了他们的预言是正确的。她把放射性原子的核排列在磁场中,使它们的自旋方向一致。实验表明,在一个方向比另一方向发射出得更多电子。次年,李和杨为此获得诺贝尔奖。人们还发现弱作用不服从C对称,即是说,它使得由反粒子构成的宇宙以和我们的宇宙不同的方式行为。尽管如此,弱力似乎确实服从CP联合对称。也就是说,如果每个粒子都用其反粒子来取代,则由此构成的宇宙的镜像和原来的宇宙以同样的方式发展!然而,1964年,还是两个美国人——J·W·克罗宁和瓦尔·费兹——发现,在某种称为K介子的衰变中,甚至连CP对称也不服从。1980年,克罗宁和费兹最终由于他们的研究而获得诺贝尔奖。(很多奖是因为显示宇宙不像我们曾经想像的那么简单而授予的!)

第六章 黑洞

2018-05-10 13:31:36
1783年,剑桥的学监约翰·米歇尔在这个假定的基础上,于《伦敦皇家学会哲学学报》上发表了一篇文章。他指出,一个质量足够大并足够致密的恒星会有如此强大的引力场,甚至连光线都不能逃逸:任何从恒星表面发出的光,在还没到达远处前就会被恒星的引力吸引回来。米歇尔暗示,可能存在大量这样的恒星,虽然由于从它们那里发出的光不会到达我们这里,我们不能看到它们;但是我们仍然可以感到它们引力的吸引。这正是我们现在称为黑洞的物体。它是名副其实的——在空间中的黑的空洞。

2018-05-10 13:35:59
为了理解黑洞是如何形成的,我们首先需要理解恒星的生命周期。起初,大量的气体(绝大部分为氢)受自身的引力吸引,而开始向自身坍缩而形成恒星。当它收缩时,气体原子越来越频繁地以越来越大的速度相互碰撞——气体的温度上升。最后,气体变得如此之热,以至于当氢原子碰撞时,它们不再弹开而是聚合形成氦。如同一个受控氢弹爆炸,反应中释放出来的热使得恒星发光。这附加的热又使气体的压力升高,直到它足以平衡引力的吸引,这时气体停止收缩。这有一点像气球——内部气压试图使气球膨胀,橡皮的张力试图使气球收缩,它们之间存在一个平衡。从核反应发出的热和引力吸引的平衡,使恒星在很长时间内维持这种平衡。然而,恒星最终会耗尽它的氢和其他核燃料。貌似大谬,其实不然的是,恒星初始的燃料越多,它则被越快燃尽。这是因为恒星的质量越大,它就必须越热才足以抵抗引力。而它越热,它的燃料就被耗得越快。我们的太阳大概足够再燃烧50多亿年,但是质量更大的恒星可以在1亿年这么短的时间内耗尽其燃料,这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料,它开始变冷并收缩。

2018-05-11 12:55:35
最后,当恒星收缩到某一临界半径时,表面上的引力场变得如此之强,使得光锥向内偏折得这么厉害,以至于光线再也逃逸不出去(图6.1)。根据相对论,没有东西能行进得比光还快。这样,如果光都逃逸不出来,其他东西更不可能:所有东西都会被引力场拉回去。这样,存在一个事件的集合或时空区域,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,而它和刚好不能从黑洞逃逸的光线的那些路径相重合。

2018-05-13 14:05:07
由引力坍缩所产生的奇点只能发生在像黑洞这样的地方,它在那里被事件视界体面地遮住而不被外界看见。严格地讲,这就是所谓弱的宇宙监督假想:它使留在黑洞外面的观察者不致受到发生在奇点处的可预见性崩溃的影响,但它对那位不幸落到黑洞里的可怜的航天员却是爱莫能助。

2018-05-13 14:10:00
任何东西或任何人,一旦进入事件视界,就会很快地到达无限致密的区域和时间的终点。

2018-05-13 14:15:16
围绕着太阳公转的地球即产生引力波。其能量损失的效应就要改变地球的轨道,使之逐渐越来越接近太阳,最后撞到太阳上,归于一种不变的状态。在地球和太阳的情形下,能量损失率非常小——大约只能点燃一个小电热器。这意味着要用大约1000亿亿亿年地球才会撞到太阳上,没有必要立即为之担忧!地球轨道改变极其缓慢,根本观测不到。

2018-05-13 14:20:00
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证据说明其理论是正确的情形下,作为数学的模型被发展到非常详尽的地步。的确,这经常是黑洞反对者的主要论据:人们怎么能相信这样的物体,其仅有的证据是基于令人怀疑的广义相对论的计算呢?

2018-05-13 14:24:11
几乎可以肯定,黑洞的数量比这多得太多了!在宇宙的漫长历史中,很多恒星肯定烧尽了它们的核燃料并坍缩了。黑洞的数目甚至比可见恒星的数目要大得多。仅仅在我们的星系中,大约总共有1000亿颗可见恒星。

2018-05-13 23:31:44
早期宇宙一定存在一些无规性,否则现在宇宙中的物质分布仍然会是完全均匀的,而不能结块形成恒星和星系。

第七章 黑洞不是这么黑的

2018-05-13 23:46:17
如果从事件视界(亦即黑洞边界)来的光线永不相互靠近,则事件视界的面积可以保持不变或者随时间增大,但它永远不会减小——因为这意味着至少边界上的一些光线必须互相靠近。

2018-05-15 12:32:41
熵是测量一个系统的无序的程度。常识告诉我们,如果不进行外部干涉,事物总是倾向于增加它的无序度。(你只要停止保养房子就会看到这一点!)人们可以从无序中创造出有序来(例如你可以油漆房子),但是必须消耗精力或能量,这样减少了可利用的有序能量的数量。

2018-05-15 12:34:51
普林斯顿大学一位名叫雅可布·柏肯斯坦的研究生提出,事件视界的面积即是黑洞熵的量度。由于携带熵的物质落到黑洞中时,它的事件视界的面积会增加,这样就使黑洞外物质的熵和事件视界面积的和永远不会降低。

2018-05-15 12:40:08
为了防止违反热力学第二定律,这辐射是必需的。所以黑洞必须发出辐射。但正是按照其定义,黑洞被认为是不发出任何东西的物体。因此,黑洞的事件视界的面积似乎不能认为是它的熵。1972年,我和布兰登·卡特以及美国同事詹姆·巴丁合写了一篇论文,在论文中我们指出,虽然在熵和事件视界的面积之间存在许多相似点,但还存在着这个致命的困难。我必须承认,写此文章的部分动机是因为被柏肯斯坦激怒,我觉得他滥用了我的事件视界面积增加的发现。然而,最后发现,他基本上还是正确的,虽然是在一种他肯定没有预料到的情形下。

2018-05-26 01:42:46
黑洞的质量越小,其温度就越高。这样,随着黑洞损失质量,它的温度和发射率增加,因而它的质量损失得更快。当黑洞的质量最后变得极小时会发生什么,人们并不很清楚。但是最合理的猜想是,它最终将会在一次巨大的,相当于几百万颗氢弹爆炸的辐射暴中消失殆尽。

第八章 宇宙的起源和命运

2018-05-26 03:47:32
在会议的尾声,教皇接见所有与会者。他告诉我们,在大爆炸之后的宇宙演化是可以研究的,但是我们不应该去过问大爆炸本身,因为那是创生的时刻,因而只能是上帝的事务。我心中窃喜,看来他并不知道,我刚在会议上作过的演讲的主题——时空有限而无界的可能性,这意味着它没有开端、没有创生的时刻。我不想去分享伽利略的厄运。我对伽利略之所以有一种强烈的认同感,其部分原因是我刚好出生于他死后的300年!

2018-05-26 04:01:05
大爆炸后的几个钟头之内,氦和其他元素的产生就停止了。之后的100万年左右,宇宙仅仅是继续膨胀,没有发生什么事。最后,一旦温度降低到几千度,电子和核子不再有足够能量去战胜它们之间的电磁吸引力,就开始结合形成原子。宇宙作为整体,继续膨胀变冷,但在一个比平均稍微密集些的区域,膨胀就会由于额外的引力吸引而缓慢下来。在一些区域膨胀最终会停止并开始坍缩。

2018-05-26 04:10:50
宇宙从非常热的状态开始并随膨胀而冷却的景象,和我们今天所有的观测证据相一致。尽管如此,它还留下许多未被回答的重要问题:
(1)为何早期宇宙如此之热?
(2)为何宇宙在大尺度上如此均匀?为何它在空间的所有点上和所有方向上看起来相同?尤其是,当我们朝不同方向看时,为何微波辐射背景的温度几乎完全相同?这有点像问许多学生一个考试题。如果所有人都给出完全相同的回答,你就会相当肯定,他们相互之间交流过。在上述的模型中,从大爆炸开始光还没有来得及从一个遥远的区域到达另一个区域,即使这两个区域在宇宙的早期靠得很近。按照相对论,如果连光都不能从一个区域到达另一个区域,则没有任何其他的信息能做到。所以,除非因为某种不能解释的原因,导致早期宇宙中不同的区域刚好从同样的温度开始,否则没有一种方法能使它们达到相互一样的温度。
(3)为何宇宙以这么接近于区分坍缩和永远膨胀模型的临界膨胀率开始,这样即使在100亿年以后的现在,它仍然几乎以临界的速率膨胀?如果在大爆炸后的1秒钟那一时刻其膨胀率哪怕小十亿亿分之一,那么在它达到今天这么大的尺度之前宇宙早已坍缩。
(4)尽管宇宙在大尺度上是如此的一致和均匀,它却包含有局部的无规性,诸如恒星和星系。人们认为,这些是从早期宇宙中不同区域之间密度的细小差别发展而来的。这些密度起伏的起源是什么?

2018-05-26 04:16:14
如果宇宙确实是空间无限的,或者如果存在无限多宇宙,就会存在某些从光滑和一致的形态开始演化的大的区域。这有点像著名的一大群猴子锤击打字机的故事——它们所写的大部分都是废话。但是纯粹由于偶然,它们可能碰巧打出莎士比亚的一首十四行诗。类似地,在宇宙的情形下,是否我们可能刚好生活在一个光滑和均匀的区域里呢?初看起来,这是非常不可能的,因为这样光滑的区域比混沌的无序的区域稀罕得多。然而,假定只有在光滑的区域里星系、恒星才能形成,才能有合适的条件,让像我们这样复杂的,能自然复制的机体得以发展,这种机体能够质疑宇宙为什么如此光滑的问题。这就是应用称为人存原理的一个例子。人存原理可以解释为:“我们看到的宇宙之所以如此,乃是因为我们的存在。”

2018-05-26 04:18:23
人存原理有弱的和强的意义下的两种版本。弱人存原理是讲,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,如果智慧生物观察到他们在宇宙的位置满足他们存在必要的条件,他们就不应感到惊讶。这有点像生活在富裕街坊的富人看不到任何贫穷。
应用弱人存原理的一个例子是“解释”为何大爆炸发生于大约100亿年之前——智慧生物大约需要那么长时间演化。

2018-05-26 06:03:42
很少有人会对弱人存原理的有效性提出异议。然而,有的人走得更远并提出强人存原理。按照这个理论,要么存在许多不同的宇宙,要么存在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,或许还有自己的一族科学定律。这些宇宙中的大多数,不具备复杂机体发展的合适条件;只有在少数像我们的宇宙中,智慧生命才得以发展并能质疑:“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,我们就不会在这里!

第九章 时间箭头

2018-05-27
为何我们从未看到破碎的杯子集合起来,离开地面并跳回到桌子上,通常的解释是这违背了热力学第二定律。它可表述为,在任何闭合系统中无序度或熵总是随时间而增加。换言之,它是穆菲定律的一种形式:事情总是越变越糟!桌面上一个完整的杯子是一个高度有序的状态,而地板上破碎的杯子是一个无序的状态。人们很容易从早先桌子上的杯子变成后来地面上的碎杯子,而不是相反。
2018-05-27
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,宇宙在这个方向上膨胀,而不是收缩。
2018-05-27
然而,假定上帝决定不管宇宙从何状态开始,它都必须结束于一个高度有序的状态,则在早期这宇宙很可能处于无序的状态。这意味着无序度将随时间而减小。你将会看到破碎的杯子集合起来并跳回到桌子上。然而,任何观察杯子的人都生活在无序度随时间减小的宇宙中,我将论断这样的人会有一个倒溯的心理学时间箭头。这就是说,他们会记住将来的事件,而不是过去的事件。当杯子被打碎时,他们会记住它在桌子上的情形;但是当它在桌子上时,他们不会记住它在地面上的情景。
2018-05-28
如果宇宙停止膨胀,并且开始收缩,将会发生什么呢?热力学箭头会不会倒转过来,而无序度开始随时间减少呢?这为从膨胀相存活到收缩相的人们留下了五花八门的类科学幻想的可能性。他们是否会看到杯子的碎片集合起来,离开地板,并跳回到桌子上去呢?他们会不会记住明天的价格,并在股票市场上发财致富?由于宇宙至少要再等100亿年之后才开始收缩,忧虑那时会发生什么似乎有点学究气。
2018-05-28
科学定律并不能区分前进和后退的时间方向。然而,至少存在三个时间箭头,将过去和将来区分开来。它们是热力学箭头,这就是无序度增加的时间方向;心理学箭头,即是在这个时间方向上,我们能记住过去而不是将来;还有宇宙学箭头,也即宇宙膨胀而不是收缩的方向。我指出了心理学箭头本质上应和热力学箭头相同。
2018-05-28
人类理解宇宙的进步,在一个无序度增加的宇宙中建立了一个很小的有序的角落。如果你记住了这本书中的每一个词,你的记忆就记录了大约200万单位的信息——你头脑中的有序度就增加了大约200万单位。然而,当你读这本书时,你至少将以食物为形式的1千卡路里(1热化学卡=4.184焦)的有序能量,以对流和出汗释放到你周围空气中的热量的形式,换成为无序能量。这就将宇宙的无序度增大了大约20亿亿亿单位,或大约是你头脑中有序度增量——那是如果你记住这本书的每一件事的话——的1000亿亿倍。

第十章 虫洞和时间旅行

2018-05-28
哥德尔是一名数学家,他由于证明了不完备性定理而名震天下。该定理是说,不可能证明所有真的陈述,即使你只试图证明像算术这么明确而且枯燥的学科中所有真的陈述。这个定理也许是我们理解和预言宇宙能力的基本极限,然而至少迄今为止,它似乎还未成为我们寻求完备统一理论的障碍。
2018-05-28
我们对以下两种现象都获得了实验的证据。第一,从日食时的光线偏折得知时空可以被卷曲。第二,从卡西米尔效应得知时空可被弯曲成允许时间旅行的样子。所以,人们也许希望,随着科学技术的推进,我们最终能够造出时间机器。但是,如果这样的话,为什么从来没有一个来自未来的人回来告诉我们如何实现呢?鉴于我们现在处于初级发展阶段,也许有充分理由认为,让我们分享时间旅行的秘密是不智的。除非人性得到彻底改变,非常难以相信,某位从未来飘然而至的访客会贸然泄漏天机。当然,有些人会宣称,观察到幽浮(UFO)就是外星人或者来自未来的人们来访的证据。(如果外星人在合理的时间内到达此地,他们则需要超光速旅行,这样两种可能性其实是等同的。)
2018-05-28
我们之所以说人们具有意志,乃在于我们不能预言他或她的未来行动。然而,如果一个人乘航天飞船出发并在这之前已经回返,我们就将能预言其未来行为,因为那将是记载的历史的一部分。这样,在这种情形下,时间旅行者没有自由意志。
2018-05-28
为什么我们并没有受到历史的骚扰?例如,假定有人回到过去,并把原子弹秘密提供给纳粹?
如果我称作时序防卫猜测成立的话,这些问题便可以避免。它是讲,物理学定律共谋防止宏观物体将信息传递到过去。它正如宇宙监督猜测一样,还未被证明,但是有理由相信它是成立的。

第十一章 物理学的统一

2018-05-29 03:52:48
为何我们只看到三个空间维和一个时间维呢?人们的看法是,其他的维被弯卷到非常小的尺度——大约为一百万亿亿亿分之一英寸的空间,人们根本无从觉察这么小的尺度:我们只能看到一个时间维和三个空间维,在这些维中时空是相当平坦的。这正如一根麦秸的表面。如果你近看它,就会发现它是二维的(要用两个数来描述麦秸上的点,一个是沿着麦秸的长度,另一个是围绕着圆周方向的距离)。但是,当你远看它时,你分辨不出它的粗细,而它就显得是一维的(只用沿麦秸的长度来指明点的位置)。对于时空亦是如此:在非常小的尺度下,时空是十维的,并且是高度弯曲的,但是在更大的尺度下,你看不见曲率或者额外的维。如果这个图象是正确的,对于自愿的空间旅行者来讲可是个坏消息:额外的维实在是太小了,根本不允许航天飞船通过。

2018-05-29 03:55:32
我们可以求助弱人存原理。同样,也会存在宇宙的其他区域或其他宇宙(不管那是什么含意),那里所有的维都被卷曲得很小,或者多于四维几乎是平坦的,但是在这样的区域里,不会有智慧生物去观察这不同数目的有效维数。

2018-05-29 04:00:04
确实存在一个这样的统一理论吗?或者我们也许仅仅是在追求海市蜃楼。似乎存在三种可能性:
(1)确实存在一个完备的统一理论(或者一族交叠的表述),如果我们足够聪明的话,总有一天会找到它。
(2)并不存在宇宙的最终理论,仅仅存在一个越来越精确地描述宇宙的无限的理论序列。
(3)并不存在宇宙的理论:不可能在一定程度之外预言事件,事件仅以一种随机或任意的方式发生。

2018-05-29 04:08:26
如果我们确实发现了宇宙的终极理论,这意味着什么?正如在第一章中解释的,因为理论不能被证明,我们将永远不能肯定,我们是否确实找到了正确的理论。但是如果理论在数学上是协调的,并且总是给出与观察一致的预言,我们便可以适度地相信它是正确的。它将给人类理解宇宙的智力斗争长期而光辉的历史篇章打上一个休止符。但是,它还会变革常人对制约宇宙定律的理解。在牛顿时代,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。你必须是一个专家,即使如此,你只能有望正确地掌握科学理论的一小部分。另外,其发展的速度如此之快,在中学和大学所学的总是有点过时。只有少数人可以跟得上知识快速进步的前沿,但他们必须贡献毕生的精力,并局限在一个小的领域里。其余的人对于正在进行的发展或者它们产生的激动只有很少的概念。70年前,如果爱丁顿的话是真的,那么只有两个人理解广义相对论。今天,成千上万的大学研究生能理解,并且几百万人至少熟悉这个思想。如果发现了一套完备的统一理论,以同样方法将其消化并简化,以及在学校里至少讲授其梗概,这只是时间的迟早问题。我们那时就都能够对制约宇宙,并对我们的存在负责的定律有所理解。

2018-05-29 04:10:44
即使我们发现了一个完备的统一理论,由于两个原因,这并不表明我们能够一般地预言事件。第一是量子力学不确定性原理给我们的预言能力设立的限制。对此我们无法克服。然而,在实际上更为严厉的是第二个限制。它是由以下事实引起的,除了非常简单的情形,我们不能准确解出这理论的方程。

第十二章 结论

2018-05-29 04:25:43
即使只有一种可能的统一理论,那也只不过是一组规则和方程而已。是什么赋予这些方程以活力去制造一个为它们所描述的宇宙呢?通常的科学方法,即建立一个数学模型,不能回答为什么会有一个为此模型所描述的宇宙这个问题。为什么宇宙要找这么多存在的麻烦?难道统一理论如此咄咄逼人,以至于其自身之实现不可避免?或者它需要一个造物主,若是这样,它对宇宙还有其他效应吗?又是谁创造了它?
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。哲学家把他们的质疑范围缩小到如此程度,以至于连维特根斯坦,这位20世纪最著名的哲学家都说道:“哲学余下的任务仅是语言分析。”这是从亚里士多德到康德哲学的伟大传统的何等堕落啊!

阿尔伯特·爱因斯坦

2018-05-29 04:28:50
“方程对我而言更重要些,因为政治是为当前,而方程却是永恒的东西。”

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2018-05-29 06:18

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