时间简史(普及版)

如果你是一位定期的观星者，你也许见到过，在晨昏时刻徘徊于地平面附近的闪烁光点。它是一颗行星，即水星，但它和我们所在的这颗行星毫不相像。水星的一天相当于该行星年的2/3。太阳出来时，水星表面温度高达400摄氏度，而在深夜它几乎降到-200摄氏度。

《时间简史》（普及版）

第五章 相对论 E=mc²（E是能量，m是质量，c是光速） 如果一个物体能量增加，那么质量也会增加，而根据a=F÷m，（a是加速度，f是合力，m是质量）所以物体的加速会变慢。 而这个公式只有在速度光速时才有意义，因为速度越小物体质量的变化越不大，也就是说越接近光速，物体质量越来越大，也就需要越来越多的能量才能使它进一步加速，而事实上一个物体永远达不到光速，因为那时物体质量将无限大，所需要的能量也就无限大，但是即不存在无限大质量的物体，也没有无限大的能量，这就是说所有有质量的物体都收到狭义相对论的限制，也就是永远无法达到光速。

第六章 弯曲时空 1.地球表面两点间的最近距离不是线段，是通过两点和地心所连成的大圆的劣孤，这个劣弧叫做测地线。 2.光线传播也遵循测地线规律，也叫光偏折。 3.等效原理，如果引力质量=惯性质量，那么所有物体在引力场中以相同速度下降，如果两者不等，那么一些物体就会比另一些下降地更快，就能将引力拉力均匀加速等区分开来。 4.等效原理适用于静止引力场中的物体，就是说对于相同的物体，不同高度的观察者的时间推移不一样。引力场越强，物体越接近地球表面，时间运动就更慢。 总结：广义相对论中时空都是弯曲的，不存在绝对不变的时空，物体的运动会影响时空的弯曲，反过来也会受其影响。

第七章 膨胀的宇宙 物体相对位置的变化成为视差，它使得我们能直接测量恒星和我们的距离，几百年以来的观测发现，银河的外观是碟状结构，也称为螺旋星系，而银河系，大约有10万光年宽且缓慢旋转，其旋臂上的恒星每几亿年围绕中心公转一圈。但如果想测量其他星系的恒星距我们的距离，视差法就不起作用了，因此可以测量视亮度来确定距离，但在此之前还需测量恒星本身的发光度。测量发现，我们肉眼可见约5000颗恒星，占银河系所有恒星的0.0001%，而银河系本身只是现已观察到的1000亿个星系中的一个。 恒星种类如此之多，所以科学家按照光的颜色将其区分，我们也就能顺带知道恒星的温度和其物质组成。1920s，多普勒效应被发现，证明了宇宙所有星系都在飞离我们，而且星系越远，飞离速度越快。之后俄国物理学家、数学家弗里德曼进一步解释了它。目前关于宇宙膨胀有三种可能结果：①引力膨胀足够慢，所以星系间的引力就能阻止膨胀，使宇宙收缩。②宇宙膨胀如此之快，引力虽能减缓却永远不能使之停止。③宇宙的膨胀刚好快到足以避免其坍缩。到底是哪一种呢？我们可以通过膨胀率和物质密度来推测，但是这些数据精确度不高，再加上暗物质，所以难以下定论，目前的共识是②类型。

第八章 大爆炸、黑洞和宇宙的演化 在①类的弗里德曼宇宙模型中，引力最终会阻止宇宙的膨胀，最终宇宙收缩，因此时间终结，同样它也有一个开端，约在137亿年以前，星系之间的距离为零，宇宙被挤压在一点——奇点，宇宙的密度和时空曲率都无限大，它就是大爆炸的时刻。 大爆炸发生后，宇宙被认为无限热，而热度大小可以看做粒子速度的快慢，大爆炸后约1s，这时的宇宙温度大约为太阳中心温度的1000倍，这时不同粒子相互碰撞不断产生粒子/反粒子对，如果反粒子和粒子相遇时，它们相互湮灭，如果是两个无质量粒子去创生其他粒子，那么该碰撞的两个无质量粒子就必须具有能量，而随着宇宙的继续膨胀，温度继续下降，能量的创生不如湮灭快，当宇宙温度继续下降到10亿摄氏度左右，粒子开始受某引力控制结合在一起，形成重氢和氦，这就是热大爆炸模型。 然而为了解释为什么宇宙温度处处相等，科学界提出了“暴胀”的说法，也就是原本不规则的宇宙在远小于1s的时间内半径扩大了100万亿亿亿倍，不均匀的状态就被抹平了。大爆炸后宇宙整体继续膨胀和冷却，但是在比平均密度稍大的区域，额外的引力是膨胀缓慢下来并开始坍缩，在此过程中由于它的旋转和本身温度的升高会使膨胀和坍缩平衡一段时间，然而恒星最终会耗尽它的燃料，而且恒星越大，耗尽越快，我们的太阳很可能还能维持50亿年左右。在耗尽以后呢，恒星似乎会坍缩成一个非常紧密的状态，如黑洞。在黑洞里任何东西包括光都无法逃逸，而由于广义相对论论中不存在绝对时间，所以物体落入黑洞的过程像是拉伸面条一般。 在某个大质量恒星坍缩时，恒星的外部区域有时会在一次称作超新星的极大爆发中被刮跑，而这些恒星中的某些重元素会被摔回星系中，为下一代恒星提供原料，太阳中约有2%的重元素，很少量的重元素形成了地球，在地球凝聚后慢慢产生出的大气是无法让人存活的，但是某些原始生命形式却能繁衍并在海洋中发展，释放氧气，慢慢进化出更高级的生命形式。

第九章 量子引力 经典力学的成功使得人们相信宇宙是决定论的，也就是只要我们添加一些初始条件，原则上是可以预言宇宙的，直到黑体辐射问题的出现，根据原来的定律，那么一个热体在所有频率上可以以无限多的波动数目发射出无限大的能量，这显然是错误的，于是1900年普朗克提出量子理论，也就是尽管任意给定颜色或频率的光子是相同的，但是不同频率的光子携带能量不同，解决了黑体问题。1926年，海森伯提出了不确定性原理，当我们利用光照射粒子来确定粒子的位置和速度时，粒子的位置测量得准确，其速度就越不可测量，因为越精确的粒子的位置需要越大的光量子，越大的光量子能量对粒子的速度改变的影响也越大。所以1920s，物理学家们基于不确定性原理提出了量子力学新理论，在该理论中粒子是位置和速度结合的量子态，也就是我们不能对一次观测做出确定性结果的预言，而是多种可能的结果，著名的双缝实验表明粒子和波都各自具有干涉现象。量子理论也解释了为什么电子发出辐射损失能量后没有与中心核相撞，也许围绕核公转的电子是一种波，波的循环会使波自身不断加强。费恩曼引入了历史求和的方法。量子理论已作用在现代科技，化学，生物学，却尚未纳入宇宙学，未来可能会发展出量子引力论。

第十章 虫洞和时间旅行 在我们的印象中时间好像还是单向行进的，它能否有环圈或者分叉能使人旅行到未来或者过去呢。 旅行到未来是可能的，因为相对论抛弃了绝对时间是人能够跳跃前进。但是逆时旅行可能吗，1949年，哥德尔发现了爱因斯坦方程的一个新解，也就是允许逆时旅行的第一个标志，他提出的时空旋转性质表明一个人可以在离开地球之前就已经返回地球，但是他的结论与我们生活的宇宙的观测不符。之后又有其他科学家发现早期宇宙不具备时间旅行的曲率，所以问题变成了我们能不能将时空翘曲得足够厉害以满足条件？ 逆时旅行的必要条件就是你要跑得比光速快，也就意味着超光速旅行，但是这难以做到，所以解决办法是弯曲时空建立虫洞，也就是AB两点间的捷径，为了维持虫洞就必须有一个负曲率的时空，也就是需要负能量密度的物质，负能量密度就是根据量子理论允许某些地方的能量为负，只要总和为正，这样时空就可以被翘曲了。量子理论允许微观尺度上的时间旅行。即使逆时旅行在理论上可行，但是鉴于我们没有见过来自未来的人，那么逆时旅行似乎依然是不可能的，但是假设它即使可能，又会有新的问题，也就是我们回去了又能怎么样，一般认为有两种解决方法，第一种是协调历史法，也就是回到过去之后我们也不能改变历史，只能跟随它。第二种是选择历史，当回到过去之后可以自由地选择进入不同的历史。还有一种猜测是时序防卫，也就是不断绕着一个闭合圈环运动的粒子/反粒子产生足够大的正能量密度，抵消了时空旅行的翘曲，所以使得逆时旅行无法实现。

第十一章 自然的力和物理学统一 寻求一个完备的协调的统一理论，能将部分理论作为近似而包容进去，而不必为理论中的任意数，这就是物理学的统一。 根据量子理论，携带力的粒子产生了力，人为地将力分为四种。第一种引力，万有但是很弱，比如太阳和地球这两个巨大的物体，单独粒子之间的非常弱的引力叠加就产生了可观的力量。第二种是电磁力，是指带电粒子的相互作用，这种力很强，分为正负电荷。大物体如地球具有同等质量的正负电荷，那么单独粒子之间的作用就抵消掉，然而在原子分子的小尺度下，电磁力就起主要作用，如电子会围绕原子核旋转。第三种是弱核力，它导致放射性——原子核衰变。第四种是强核力，是最强的力，它将我们的世界维系在一起，如将质子中子中的夸克束缚在一起。目前电磁力和弱核力统一的成功，使人们希望将强核力也归入其中，但是，统一理论的难题在于引力论，因为它是仅有的非量子理论，它没有考虑不确定性原理（不确定性原理意味着在“空虚的”空间也有虚的粒子/反粒子对，根据其原理，人们越精确地知道其中某一个，就越不精确地知道另一个，然而电磁场的值及其随时间的变化率和粒子的位置和速度有关，所以如果这个空虚的空间的电磁场为零，那么它的值确定为零，变化率也为零，这就违反了上述原理），所以在场的值中必须具有不确定性或量子涨落的某个最小量，这些涨落就是一些虚粒子，它们不能被直接观测到，但是具有能量，无数的虚粒子没有产生无限的能量是因为它们被一种称为重正化的过程消除掉了。但是重正化不能预言质量和力的强度的实际值，也就违背了统一物理。 之后又提出了超引力的说法，但是缺少进展。然后就是弦理论，它的基本对象由粒子变为弦（有长度但是无限细），分为开弦和闭弦，在弦理论中，粒子被描绘成弦上的各种波，但是太微小以致无法被技术识别，弦的分解和合并对应着粒子被另一个粒子发射或吸收，如太阳对地球的引力，在粒子理论中是太阳上的一个粒子发射出的引力子被被地球上的一个粒子吸收，对应弦理论中的H型。 弦论能够解释内禀的左手征的粒子，但是弦论带来了一个问题：似乎只有当时空是十维或者二十六维时，他们才是协调的。这些额外维存在，但是它们不像3个空间维和1个时间维那样，它们被高度卷曲在非常小的尺度空间，所以在我们的大尺度时空下看不见这些额外维。那么又为什么是这四维被摊平开来，而其他维卷曲着呢，人存原理可是答案，又可分为弱人存和强人存原理，弱人存原理认为在一个无限大的时空里只有一定区域才能发展出智慧生命，强人存原理认为要么存在许多不同的宇宙，要么存在一个宇宙的不同区域，并且每个区域都有自己独特的科学定律，而只有和我们相像的宇宙才有智慧生命，一句话概括人存原理就是“我们看到的宇宙之所以是这个样子，是因为我们存在”。但是多维空间也会带来问题，如维度越多，引力越小，那么就会使地球围绕太阳的轨道变得不稳定，可能向外离开或者落到太阳上去。 所以对于统一理论有三种可能性：①确实存在，总有一天我们会找到它。②不存在宇宙的终极理论，仅仅是越来越精密。③不存在宇宙的理论。说法③多是认为上帝自由而任性地改变着世界。说法②与我们目前的经验相符。而说法①，即我们找到了宇宙的终极理论，首先要知道我们永远不可能完全肯定我们真的找到了，因为任何物理理论都不能被证明，它们只是假设而已。其次找到了统一理论也不表示我们能够一般性地预言事件，因为不仅量子力学的不确定性原理设立了限制，而且我们也不能准确解出这样一种理论的方程。

搞事情啊hhhhh

《时间简史》

宇宙

亚里士多德（地球是圆的）——1800年后——》 哥白尼（日心说） ——》开普勒（椭圆运行轨迹）——》牛顿（万有引力）——》爱因斯坦（相对论）——》哈勃（宇宙膨胀说）——》量子理论

空间与时间

亚里士多德（重的比轻的先落地）——》伽利略（开启“实验科学”，现代科学之父）——》 牛顿（三大运动规律）——》迈克尔逊-莫雷实验（太阳光传播速度不变）——》爱因斯坦（狭义相对论：光速恒定，时间是相对的） 任何物体的速度都不可能超过光速。

分工

哲学家：负责思考； 科学家：负责观测和实验

狭义相对论

相对性原理：不管观察者处于什么运动状态，物理定律不变。

光速不变原理：任何光线都以确定的速度运动着。

广义相对论

引力不是力，是一种弯曲。光线是可以弯曲的。

宇宙中存在的四种力

引力（广义相对论）

电磁力，弱核力，强核力。（量子力学范畴）

大物体的分析：用到的是 牛顿力学和广义相对论。

原子级别的小粒子分析：用到的是 量子力学。

20世纪，认为物质的最小单位是原子；

原子又是由原子核和电子组成的，由电子围绕原子核做高速旋转运动。

光波

红光波长最长；蓝光波长最短。