科普 |《时间简史(上)》(霍金传世经典,物理天文科普爱好者必读)
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书名:《时间简史》

作者:[] 史蒂芬·霍金

今日解读:孙正凡(松鼠老孙)

解读人简介:天体物理学博士、科学松鼠会创始会员、中国科普作家协会会员、曾任第六版《十万个为什么》编辑。

播音:张煜

责编:陈艳

音频编辑:陈子夫



媒体推荐:

《星期日时报》:童真好奇与天才智慧的结合。当我们领略霍金宇宙之际,为他精神的瑰丽所惊异。


《纽约客》:迷人而清澈,让读者获得直接从源泉学习高深科学的机会,一部光辉四射的巨著。

 

01 听前思考

● 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?

 

02 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。

 

03 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。


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