科普 |《时间简史（上）》（霍金传世经典，物理天文科普爱好者必读）

全球科普著作的里程碑，探索时间和空间的核心秘密。

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书名：《时间简史》

作者：[英] 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。