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霍金《时间简史》导读

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《时间简史》是由英国伟大的物理学家、黑洞理论和“大爆炸”理论的创立人史蒂芬·威廉·霍金撰写的一本有关宇宙学的经典著作,是一部将高深的理论物理通俗化的科普范本。《时间简史》自1988年首版以来的岁月里,已成为全球科学著作的里程碑。它被翻译成40种文字,销售了近1000万册,成为国际出版史上的奇观。值得一读。先看数目。

导言

第一章 我们的宇宙图象

时间简史(11)结论

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即使只存在一个可能的统一理论,那只不过是一组规则或方程。是什么赋予这些方程以生命去制造一个为它们所描述的宇宙?通常建立一个数学模型的科学方法不能回答,为何必须存在一个为此模型所描述的宇宙这样的问题。为何宇宙陷入其存在性的错综复杂之中?是否统一理论是如此之咄咄逼人,以至于其自身之实现成为不可避免?或者它需要一个造物主?若是这样,它还有其他的宇宙效应吗?又是谁创造了造物主?

时间简史(10)物理学的统一

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正如在第一章中所解释的,一下子建立一个包括宇宙中每一件东西的完整的统一理论是非常困难的。取而代之,我们在寻求描述发生在有限范围的部分理论方面取得了进步。我们忽略了其他效应,或者将它们用一定的数字来近似。(例如,当我们用化学来计算原子间的相互作用时,可以不管原子核内部的结构。)然而,最终人们希望找到一个完整的、协调的、将所有这些部分理论当作它的近似的统一理论。在这理论中不需要选取特定的任意数值去符合事实。寻找这样的一个理论被称之为“物理学的统一”。爱因斯坦用他晚年的大部分时间去寻求一个统一理论,但是没有成功,因为尽管已有了引力和电磁力的部份理论,但关于核力还知道得非常少,所以时间还没成熟。并且,尽管他本人对量子力学的发展起过重要作用,但他拒绝相信它的真实性。看来,不确定性原理还是我们在其中生活的宇宙的一个基本特征。所以,一个成功的统一理论必须将这个原理合并进去。

时间简史(9)时间箭头

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为了生存下去,人类必须消耗能量的一种有序形式——食物,并将其转化成能量的一种无序形式——热量,所以智慧生命不能在宇宙的收缩相中存在。这就解释了,为何我们观察到热力学和宇宙学的时间箭头指向一致。并不是宇宙的膨胀导致无序度的增加,而是无边界条件引起无序度的增加,并且只有在膨胀相中才有适合智慧生命的条件。

时间简史(8)宇宙的起源和命运

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空间和时间可以形成一个没有边界的闭曲面的思想,对于上帝在宇宙事务中的作用还有一个深远的含义。随着科学理论在描述事件的成功,大部分人进而相信上帝允许宇宙按照一套定律来演化,而不介入其间促使宇宙触犯这些定律。然而,定律并没有告诉我们,宇宙的太初应像什么样子——它依然要靠上帝卷紧发条,并选择如何去启动它。只要宇宙有一个开端,我们就可以设想存在一个造物主。但是,如果宇宙确实是完全自足的、没有边界或边缘,它就既没有开端也没有终结——它就是存在。那么,还会有造物主存身之处吗?

时间简史(7)黑洞不是这么黑的

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黑洞辐射的存在看来意味着,引力坍缩不像我们曾经认为的那样是最终的、不可逆转的。如果一个航天员落到黑洞中去,黑洞的质量将增加,但是最终这额外质量的等效能量会以辐射的形式回到宇宙中去。这样,此航天员在某种意义上被“再循环”了。然而,这是一种非常可怜的不朽,当他在黑洞里被撕开时,他的任何个人的时间的概念几乎肯定都达到了终点,甚至最终从黑洞辐射出来的粒子的种类一般都和构成这航天员的不同:这航天员所遗留下来的仅有特征是他的质量或能量。

时间简史(6)黑洞

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起初,大量的气体(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,气体原子相互越来越频繁地以越来越大的速度碰撞——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。这增添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。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。恒星初始的燃料越多,它则燃尽得越快。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用尽其燃料,这个时间尺度比宇宙的年龄短得多了。当恒星耗尽了燃料,它开始变冷并开始收缩。随后发生的情况只有等到本世纪20年代末才初次被人们理解。

时间简史(5)基本粒子和自然的力

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携带力的粒子按照其携带力的强度以及与其相互作用的粒子可以分成四种。必须强调指出,将力划分成四种是种人为的方法;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。确实,许多人认为这是当代物理学的首要目标。最近,将四种力中的三种统一起来已经有了成功的端倪——我将在这章描述这些内容。而关于统一余下的另一种力即引力的问题将留到以后再讨论。

时间简史(4)不确定性原理

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非常令人惊异的是,如果将光源换成粒子源,譬如具有一定速度(这表明其对应的波有同样的波长)的电子束,人们得到完全同样类型的条纹。这显得更为古怪,因为如果只有一条裂缝,则得不到任何条纹,只不过是电子通过这屏幕的均匀分布。人们因此可能会想到,另开一条缝只不过是打到屏幕上每一点的电子数目增加而已。但是,实际上由于干涉,在某些地方反而减少了。如果在一个时刻只有一个电子被发出通过狭缝,人们会以为,每个电子只穿过其中的一条缝,这样它的行为正如同另一个狭缝不存在时一样——屏幕会给出一个均匀的分布。然而,实际上即使电子是一个一个地发出,条纹仍然出现,所以每个电子必须在同一时刻通过两个小缝!

时间简史(3)膨胀的宇宙

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在不到半个世纪的时间里,人们几千年来形成的关于宇宙的观点被改变了。哈勃关于宇宙膨胀的发现,并意识到我们的行星在茫茫的宇宙中的微不足道,只不过是起点而已。随着实验和理论证据的积累,人们越来越清楚地认识到,宇宙在时间上必须有个开端。直到1970年,在爱因斯坦的广义相对论的基础上,这才被彭罗斯和我所证明。这个证明显示,广义相对论只是一个不完全的理论,它不能告诉我们宇宙是如何开始的。因为它预言,所有包括它自己在内的物理理论都在宇宙的开端失效。然而,广义相对论宣称自己只是一个部分理论,所以奇点定理真正所显示的是,在极早期宇宙中有过一个时刻,那时宇宙是如此之小,以至于人们不能再不管20世纪另一个伟大的部分理论——量子力学的小尺度效应。20世纪70年代初期,我们被迫从对极其巨大范围的理论研究转到对极其微小范围的理论研究。下面在我们进而努力将这两个部分理论结合成一个单独的量子引力论之前,首先描述量子力学这个理论。