如果今天不努力,明天也不努力,那么人生只是在重复而已(深呼吸,保持身体与心灵的安静)

《时间简史》史蒂芬·霍金

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你了解身处的宇宙么?

物理学的进展怎样影响着我们对宇宙的理解?

黑洞是什么,有些什么性质?

书中金句

科学的终极目的是提供描述整个宇宙的单一的理论。

任何物理理论总是临时性的,你永远不可能将它证明。

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。

现在我们知道,任何粒子都有会和它相湮灭的反粒子。也可能存在由反粒子构成的整个反世界和反人。然而,如果你遇到了反你,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。

精华笔记

《时间简史》从1988年出版以来,已经被翻译成了40多种文字,销量千万册。这本书总结了当时对宇宙的新理解,体现了对时间观念的变迁。

这本书的作者是英国物理学家斯蒂芬•霍金,他在上世纪60年代投身黑洞和宇宙学研究,见证并参与了现代宇宙学的发展。对于宇宙、空间、时间这些基本观念的颠覆更新,正是本书,也是宇宙学最令人着迷的地方。

我们将分三个部分来解读这本书。

第一部分,人类对宇宙认识的历史。

在人类对宇宙认识的变迁中,依次出现了四个主要学说,分别是地平说、地心说、日心说和无限宇宙论。

最初,人类认为地球是平的,也就是所谓的地平说。随着生产技术的发展,人类活动范围的阔大,加上各种知识的积累,人们逐渐认识到地球是圆的,于是地平说不再成立,在2000多年前,地心说诞生了。

直到16世纪,哥白尼发现了地心说的逻辑错误,地心说跟天文观测有误差,从而提出了日心说,认为太阳才是宇宙中心,地球是太阳的一颗行星。

100多年之后,牛顿继承了哥白尼以来的宇宙讨论,他发现,万物运行靠引力,从而解决了太阳系和恒星的动力学问题。从引力性质出发,牛顿推测,这个世界是无穷无尽的,也就是无限宇宙论。

人类对于宇宙的理解,是基于物理学的发展的。因为宇宙学研究的是日月星辰的运行规律,而物理学研究的是物体运动的本质规律。

第二部分,物理学知识的进展。

亚里士多德的运动学认为,力是维持物体运动的原因,不受力的物体保持静止。所以在他的“地心说”宇宙模型看来,地球静静地躺在宇宙中心,日月星辰分成各个圈层,都在围绕地球运动。

牛顿的万有引力定律和三个运动定律,第一次定量地解释了物体的运动规律,也把宇宙的讨论范围扩展到太阳系之外。在讨论宇宙时,牛顿认为由恒星组成的宇宙应该是稳定不变的,因为数千年来我们看到的星空几乎毫无变化,因而宇宙群星整体上应该处于静止状态。

牛顿认为,宇宙应该是无限大的,不存在中心。在无限大的宇宙里,对于任何一个物体来说,受到来自各个方向的引力保持平衡。这就是牛顿的静止无限宇宙观:1、空间平直且无穷无尽;2、时间均匀流动,且各处相同;3、物质在空间和时间的“刚性舞台”上运动。所谓“刚性舞台”,时间和空间是固定不变的。

当物理新思想、天文新发现接踵而来的时候,牛顿的无限宇宙论也就瓦解了。这个新理论就是爱因斯坦的广义相对论。

20世纪初,爱因斯坦认真考虑了光速问题。爱因斯坦把光速不变作为狭义相对论的基础,把时间和空间联系起来,从而改变了人类的时空观念。经过10年努力,爱因斯坦又把引力纳入到相对论之中,提出了广义相对论——时空并非像牛顿认为的那样是平直的,而是被大质量天体弄弯曲了。

除了广义相对论,20世纪物理学新大厦的另一支柱,是量子力学,它也支撑着宇宙学的新发展。

量子力学告诉我们,微观粒子的能量是量子化的、不连续的。量子世界的发现,打破了确定论。不确定性原理告诉我们,无论如何努力,你都无法准确测量一个微观粒子所有的物理性质。

量子力学和相对论联手成就了我们对宇宙的新理解。科学家们预测,宇宙起源于一次大爆炸,而后不断地膨胀。在这个过程中,诞生了宇宙中的微观粒子,形成了恒星和星系,进而在恒星演化过程中形成各种元素,这些元素在宇宙中重新聚集,形成了新的恒星、行星,包括地球。这就是宇宙大爆炸理论。

第三部分,霍金对黑洞的研究。

当一个大质量恒星的燃料耗尽之后,会发生猛烈的爆炸,没有了热量的支撑,核心处的物质会在自身引力的作用下发生坍塌,形成致密星体,这就是黑洞。因为这个坍塌处的引力非常大,连光线都无法逃脱,从外表看起来就是个黑窟窿,所以称为黑洞。

基于爱因斯坦天才的想象力和数学推理,在完全看不到黑洞的情况下,霍金等人推导出来关于黑洞的许多性质。

第一, 黑洞奇点问题。

1960年代,霍金开始研究黑洞奇点问题。所谓奇点,就是我们在数学上把0放在分母上出现的无限大情况。霍金和另一位英国物理学家彭罗斯在研究中发现,根据广义相对论,黑洞里必然存在这样无限大密度的空间,这就是奇点。然而我们所有的物理学定律都处理不了无限大的情况,也就是说,人类已知的科学定律在奇点上是失效的。

第二,黑洞无毛定理。

1971年,霍金证明了旋转的黑洞必须是轴对称的,其他科学家把这个证明发展成“黑洞无毛定理”。黑洞的性质仅仅由它的质量、角动量和电荷决定。不管形成黑洞的物质究竟是什么,黑洞究竟是什么形状,黑洞都没有复杂的性质。

第三, 黑洞面积不减定理。

只要有东西掉进黑洞,面积就会增加;如果两个黑洞合成一个,那么合并而成的新黑洞面积,就会等于或者大于原来两个黑洞之和,也就是说,黑洞面积永远不会减少,这被称为黑洞面积不减定理。当两个黑洞合并成一个大的黑洞,亏损的质量会以引力波的形式释放到宇宙空间,传递到地球上,这就是引力波事件。

第四,黑洞不是黑的。

黑洞面积不减的性质,让我们联想到热力学里面熵增定律。在热力学上,一个系统,如果没有外力做功,它的混乱程度总是在增加的。这一类比意味着,黑洞如果具有熵,就会对应一定的温度,因此具有辐射。

从量子力学的角度来看,我们所谓的真空,其实并不是真的空无一物,而是随时会产生许多动态的正反粒子对,也就是量子力学允许存在一个过程,暂时从真空里借出部分能量。当然能量不能无中生有,所以这样的量子对,一个具有正能量,一个具有负的能量。而且它们只能暂时存在,从宏观上看,它们的能量总和仍然是零。

因此霍金提出,在黑洞附近产生的正反粒子对,也就是正负能量对,负能量粒子会落到黑洞里面去,正能量粒子会逃逸出来,在我们看来,就会等效于黑洞具有这种形式的辐射。从这个意义上,霍金提出“黑洞不是黑的”。

在这本书的最后,霍金对科学与哲学的关系发出感慨。

科学领域的逐渐扩展,实际上侵夺了许多原本属于哲学讨论的命题。比如对宇宙的研究,在20世纪以前,哲学家们对这个话题发表的意见更多,但20世纪以后,在广义相对论的基础上,科学家们能够讨论整个宇宙的诞生和演化,它也就变成了一个科学问题。虽然哲学家和科学家分享了许多共同话题,但他们的共同语言似乎越来越少了,终于出现了人文和科学之间的隔阂。霍金指出,大部分科学家太忙于发展描述宇宙的理论,很少去问为什么;而哲学家们虽然想寻根问底,却无法跟上科学理论的脚步!

霍金认为,在为科学层出不穷的新发现而激动的同时,不能忘记去追问深层次的问题:宇宙为什么能够存在?这是全人类共同的问题。

人类天然的好奇心,决定了对宇宙的追问不会停止。我们正生活在新发现层出不穷、进展迅速的时代。《时间简史》这本书之所以如此迷人,因为它向公众提供了一个新的视野,让我们知道,宇宙正在以我们不可思议的方式运行着。


哲学上最难的学问,无非就是:认识自我。我是谁,我从哪里来,又到哪里去?以及人活着的意义是什么?

达尔文还没有教人类认猴子当爸爸的时候,各种宗教给了愚昧的世人不同的解释。基督教教导众人,世界是上帝创造的,人死之后呢有的进天堂、有的入地狱。中国人信奉的是平盘古开天辟地,女娲补天造人,人死之后轮回转世。各种宗教不一而足,都不是客观事实,只是精神慰藉罢了。

1.光才是真正的时光机

众所周知的,光每秒传播30万千米。阳光从太阳到地球的时间是8分钟,这说明什么呢?我们看到的太阳,其实是8分钟前太阳的真正样子。好像也没太多影响是不是?离我们最近的星座半人马星座其实是四年多前的样子,仙女座星云其实是现在50万年前的样子!我们仅仅通过望远镜就可以穿越到过去一睹旧时光的星空,这也对研究宇宙的过去提供了极大方便。而我们现在看到的可以看到的星星,也就是几千几百万年前的星星,现在可能早就变了样子,甚至可能都爆炸消失了!

2.牛逼的金字塔

金字塔是世界七大奇迹之一,当之无愧。抛去宏伟壮美不说,它还体现了埃及人先进的天文知识。

胡夫金字塔底部为正方形,四个角分别准确的指向了东南西北四个方向;金字塔高度10亿倍恰好等于地球到太阳的距离;它的周长和高直接的比率等于2π;穿过金字塔的子午线恰好把地球上的陆地与海洋均分为两半;金字塔的重心正好落在各大陆的引力中心上。

3.光速恒定导致的奇怪现象

伟大的爱因斯坦提出了“光速不变”的伟大理论,颠覆了科学界的一些基础理论。同时也产生了一些有趣的现象:运动中的钟表会变慢,运动中的物体在运动方向会缩短。第一条比较厉害,人如果以光速行进,因为时间会变慢,人几乎就可以——长生不老了。不过就目前来看,人要是光速行进几乎是不可能实现的。

4.宇宙到底有多大?永远知不道了

目前天文学里最认同的就是BIG BANG理论,即大爆炸理论。通过哈勃望远镜观测,根据多普勒效应和红移观测,可以证实宇宙正在膨胀,从某种程度佐证了大爆炸理论。科学家发现,离我们越远的星系,退行离去的速度越快。当退行速度达到30万千米每秒(光速)的时候,即使这个星系发的再亮的光也不能到达地球了。也就是我们所能观看到的宇宙就是光速退行的星系为半径的球状,在这范围之外宇宙什么样,宇宙有多大,我们永远无从得知了。

5.伟大的大爆炸理论

星球、星系和现在的宇宙是怎么产生的?宇宙到底有多大年龄了?宇宙的未来是什么?

在大爆炸理论里是这么解释的。宇宙是由一个致密炽热的奇点于137亿年前一次大爆炸后膨胀形成的。1927年,比利时天文学家和宇宙学家勒梅特首次提出了宇宙大爆炸假说。目前具体理论如下:

大爆炸开始时:约150亿年前,极小体积,极高密度,极高温度,称为奇点。

大爆炸后10-43秒:约10³²度,宇宙从量子涨落背景出现。

大爆炸后10-35秒:约1027度,引力分离,夸克、玻色子、轻子形成。

大爆炸后10-10秒:约1015度,质子和中子形成。

大爆炸后0.01秒:约1000亿度,光子、电子、中微子为主,质子中子仅占10亿分之一,热平衡态,体系急剧膨胀,温度和密度不断下降。

大爆炸后0.1秒后:约300亿度,中子质子比从1.0下降到0.61。

大爆炸后1秒后:约100亿度,中微子向外逃逸,正负电子湮没反应出现,核力尚不足束缚中子和质子。

大爆炸后13.8秒后:约30亿度,氢、氦类稳定原子核(化学元素)形成。

大爆炸后35分钟后:约3亿度,原初核反应过程停止,尚不能形成中性原子。

大爆炸后30万年后:约3000度,化学结合作用使中性原子形成,宇宙主要成分为气态物质,并逐步在自引力作用下凝聚成密度较高的气体云块,直至恒星和恒星系统。

另外,目前观测到宇宙最冷的温度是零下272度。从10³²到-272,这是爆发了多大的能量啊,而这之间刚好有一个适合人类生存的星球,是多么幸运?而且很多粒子都是爆炸前一秒生成的,之前是没有的。看完大爆炸理论后,我真的很佩服科学家们,也感到很绝望。宇宙大爆炸之前宇宙到底是什么样?那时候有没有边界?有边界的话,边界之外是什么样?现在宇宙的无边无尽的外面到底是什么样?还有宇宙的未来是什么?

关于宇宙的未来科学家们给出了回复:简单的说,地球的未来2.8万年以后被半人马星座的彗星撞击毁灭;太阳在50亿年后变成白矮星(那时候地球温度比现在高60度);30亿年后银河系和仙女座星系撞击,混合成一起;100兆年以后,发光的星星都没了,宇宙中就剩下中子星、白矮星还有黑洞;1000兆年之后宇宙只有黑洞;宇宙有两种结局一种是宇宙变成静止死寂,一种是宇宙大坍塌,重新收缩。但是目前科学家们观测,宇宙还是在加速膨胀中。

6.黑洞和暗物质

科学家们说你们这些人类啊,看到的东西什么星星啊,星系啊,其实质量只占宇宙的5%。那么剩下的再哪里?25%是暗物质,还有70%让宇宙加速膨胀的暗能量。

黑洞真的很神奇,体积无限小,密度无限大,而且连光都逃不出它的手掌心,会被吸进去再也出不来。所以黑洞是看不到的。

7.时间旅行

时间旅行一直是各种科幻小说,科幻电影津津乐道的。人们期待着穿过“虫洞”来到过去或者未来。但是有一个世间吊诡的问题:如果我回到了过去,杀死了小时候的我,现在的我会不会消失?

现在科学家们对宇宙的认识更多了,什么宇宙绳、宇宙膜(感觉好像三体里面刘新慈说的智子展开)。我个人对宇宙膜很感兴趣。即宇宙是有两张4维空间的膜状的宇宙空间碰撞产生了BIG BANG ,然后两个膜分开。之后会再汇合、再碰撞、再分开以此往复循环。

但是在我脑海里,这个膜状宇宙其实是平行宇宙,即平行空间。虫洞是连接平衡空间的隧道,此世界的我进入新世界之后就和原来的枷锁全部打断,是新世界凭空出现的事物,即使我杀了我也不会导致我消失。这就是我猜测的宇宙和时空旅行。但是宇宙每一秒都是一个世界,真的是超级大的数据量啊。

霍金说:“迄今为止还没有出现有人亲眼看到来自未来的观光旅客的例子,或许可以说,制造时间机器目前仅仅留在原理上

8.大和小

哲学家说,任何人都是独一无二的。可是在宇宙的角度上看,别说人了,就是星星都是没什么区别,不是数量的问题,是数量级的问题。把人当成单位一来思考:往小里拆分看,人可以分为躯干器官,各种奇怪的细胞组成,化合物组成、分子原子,原质子中子和电子,再往下分还有夸克,我相信还有更小;往大里分析一下,人上面是房子,村落,城市,国家,地球,太阳系,银河系,可以观测到的宇宙,无边无尽的宇宙,不明归途的宇宙。

我只想说世界太奇妙,在这一切大和小面前,一个人的价值真的有价值吗,一颗星球又算的了什么呢?我们现在所追逐的,金钱名利、青史留名的意义又在什么?这世间的警察医生老师盗贼每天庸庸碌碌的奔走着和蚂蚁有什么区别,大放阙词的科学家、作家和政治家到底知不知道自己说的都是狗屁呢。一群渺小的彗星走过,带走巨大的充满文明的地球。一切回到黑暗和凄凉,生命和文明一点痕迹都不会保留下,即使一直都有,对于137亿年无限大的宇宙来说,这到底算的了什么呢?当然,我相信有未知文明,因为宇宙太大了,是数量级太大了,在此基础上我相信一切皆有可能。

9.科学家

我们现在知道的这一切,都离不开伟大的科学家们的智慧和奋斗。感谢他们用他们的生命之光照亮了我们前进的道路。在科学的路上布鲁诺和牛顿一样伟大,霍金和爱因斯坦不分伯仲。读《时间简史》的时候我发现,很多的理论是由甲提出的,但是基本上一二百年之前差不多都有一个乙提出过类似的、朦胧的观点,但是受限制于当时的条件没有成立学说。可以说人的思想是具有超前性的,而现在的科学家都是站在巨人的肩膀上。最可贵的是:我发现很多伟大理论是科学家在战争动乱中研究发明的,我真的很震惊,难道战争和动乱没有影响他们吗?其实不要找太多理由,每个人都有自己的使命,去完成吧。

所有的真理都在不断的被打破。因为一些东西在现实条件限制下无法真正的测量,很多理论都是假说。这些假说有的被证实了,有的被推翻了。当然也有很多我们曾经奉为圭臬的理论被后人发现荒唐可笑,如日心说;也有一些当时否定的东西后来证明真的存在,比如爱因斯坦提出过得重力波(也就是前一段时间闹得沸沸扬扬的引力波)

现在播放一条最重要的信息:目前有科学家提出了“黑洞不存在”的理论,并称已经用数学证实过了。那就说明——宇宙大爆炸理论是错误的。

10.我的思考

读完这本书,对我最大的影响并不是了解了宇宙是什么,时间是什么。对我最大的影响是我变成了一个完完全全的唯物主义者。一切都是由粒子构成的,哪里有什么灵魂,哪里有什么投胎转世,我只能在这冰冷的宇宙中存在几十年。

辉煌如何,惨淡如何,不过都是过眼云烟。隐没无闻也罢,千古留名也罢,都会成为尘埃。苏轼在《赤壁赋》中他的朋友说曹操的时候说:“方其破荆州,下江陵,顺流而东也,舳舻千里,旌旗蔽空,酾酒临江,横槊赋诗,固一世之雄也,而今安在哉?况吾与子渔樵于江渚之上,侣鱼虾而友麋鹿,驾一叶之扁舟,举匏樽以相属。寄蜉蝣于天地,渺沧海之一粟。哀吾生之须臾,羡长江之无穷。挟飞仙以遨游,抱明月而长终。知不可乎骤得,托遗响于悲风。” 曹操这样的旷世英雄,而今安在哉?

苏子对于人生的认识却是:客亦知夫水与月乎?逝者如斯,而未尝往也;盈虚者如彼,而卒莫消长也。盖将自其变者而观之,则天地曾不能以一瞬;自其不变者而观之,则物与我皆无尽也,而又何羡乎!且夫天地之间,物各有主,苟非吾之所有,虽一毫而莫取。惟江上之清风,与山间之明月,耳得之而为声,目遇之而成色,取之无禁,用之不竭,是造物者之无尽藏也,而吾与子之所共食。以前背诵这篇课文的时候没觉得东坡如何,只知道朗朗上口,文章过口没过脑。今天读完《时间简史》 ,再读《赤壁赋》 ,大有豁然开朗之感。但是我是个俗人啊,没有那么豁达,我就想和王小波先生说的那样:“我活在世上,无非想要明白些道理,遇到些有趣的事。倘若我如我所愿,我的一生就算成功。”

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