时间简史(普及版)

Az.:在这个科学大放异彩，同时也过于专业化的时代，相比之下，更为超前的科学甚至都到了领导哲学思想变革的地步了。 用将整个宇宙的理论统一到一起，对于科学家来说，有多么大的魅力都不为过。作为局外人，对于那个终极理论富于美感的秩序，还有借此来更好地理解世界的可能，也要着迷一把吧。 另，读读这样靠谱的科学理论普及读物，对于阅读和理解科幻小说也是大有助益的事情。 读完第一遍，潦草的笔记。 宇宙 理论 @牛顿的力学定律。 @爱因斯坦相对论 狭义相对论：对于所有无论以任何速度自由运动的观察者，科学定律必须相同（等效）。对于观察者来说时间是相对的，是个人化的存在，每一个个体从其自身的个人时间测度，而这个测度依他在何处及如何移动而定。 在相对论的时空，可用四个数或坐标来指明任何事件——在特定时刻在空间中特定点发生的任何事。坐标的选择是任意的。 两个推论：1、不可能真正地区分空间和时间坐标（同理，任何两个空间坐标亦然）；2、质量和能量是等效的——E=mc²。能量的一种形式是运动的能量，称作动能。一个物体运动越快，拥有的动能越大。根据该理论，物体事实上永远无法达到光速，因为那时它的质量会变成无限大，这意味着需要等效的能量才能达到目的。 1905年狭义相对论提出，成功解释了光速对所有观测者都是相同的，以及当物体接近光速的速度运动时会发生什么。但其与牛顿引力论不相协调。 1915年广义相对论提出。基于一个颠覆性的设想，引力不是力，只不过是时空并非平坦这一事实的结果——并非如同人们早先以为的是平坦的。（Ex.飞机航线沿着测地线飞，是最直接的路径，而测地线并不是笔直的）。该理论中，物体（包括光线）在四维时空中总沿着测地线运动，在没有物质时，这些在四维时空中的测地线对应于三位空间中的路径弯曲。 广义相对论的预言：1、引力场应当弯折光线；这在其后成为证明相对论的一个可靠方案；2、在诸如地球资源的大质量物体附近，时光流逝应该显得较缓慢些。（Ex.一光秒长的宇宙飞船的天花板与地板上的两个观察者互相发送光信号，受引力影响下的状况（包括加速航行和静止状态））——相对论摆脱的绝对时间。 @宇宙膨胀 ——一个动态的膨胀的宇宙的观念取代了本质上不变的宇宙的旧观念。 哈勃发现银河系不是宇宙仅有的星系。并且各星系相距遥远。——如何测距？测定恒星光谱， 光透露温度的信息。具体是测定恒星所具有的黑体辐射——恒星加热时，由其炙热的物质中原子的热运动引起发光，并且随着物体温度变化而变化，由此，发射出的光就像温度读数信息一样了。其中，光谱特定颜色的缺失，是由于化学元素吸收独具特色的特殊颜色之故。此外，由于多普勒效应（当波源随着观察者运动，其波长较短，如果离开远去运动时，则显得较长），我们通过光谱红端（波长最长的一段，最短的是蓝端），当光源离我们而去，波长会被拉长，其光谱就向红端移动。 宇宙观测中的红移现象，表明不同星系之间的距离一直在增长。——宇宙膨胀。这与最初表述广义相对论时爱因斯坦坚信的宇宙静止并不矛盾，因为对于时空结构具有的那种内禀的膨胀倾向，他调用了一个宇宙常数来调节——后来他否认其正确性，尽管，更后面的研究表明那个常数也许终究还是正确的。 俄国人亚历山大·弗里德曼对宇宙做了两个非常简单的假定：我们屋里从哪个方向观察宇宙，也屋里从任何其它方向观察宇宙，宇宙看起来都是一样的。（Ex.宇宙内星系分布的森林属性：宏观上的均匀分布）——弗里德曼的学生乔治·伽莫夫的一个观点是：整齐宇宙应该是非常密集和白热的。带着这样的角度，两个普林斯顿的美国物理学家鲍伯·狄克和詹姆斯·皮帕尔斯在附近的贝尔实验室研究者阿诺·彭齐亚斯好罗伯特·威尔逊试验微波探测器时意外发现的宇宙背景噪音的触动下（这正是他们为证明自己的研究所力图寻找的）两位的具体论证是，我们现在仍然能看到早期宇宙的白热，它来自非常遥远的部分抵达这里，不过因为宇宙膨胀，光被红移得厉害，以至于只能作为微波辐射而非可见光呈现给我们了。弗里德曼模型还预言，星系红移大小不是任意的，而是和星系离开我们的距离呈正比。这由哈勃在1929年发表的报告得以证实。 依据爱因斯坦方程推演出的三个弗里德曼宇宙模型，1、宇宙膨胀得足够慢，这样不同星系之间引力使膨胀减缓，并最终停止——特征：空间上并非无限，却没有边界。引力巨大到足以让空间弯折绕回到自身；2、膨胀快速，引力无法减缓之，一样无法停止；3、膨胀刚好快到注意避免坍塌，星系分开速度越变越小，但永远不完全达到零（非静态）。对应一个宇宙，其大几何尺度为平直（大质量物体邻近，空间仍然是弯曲或翘曲）。 几个被观察到的颠覆性现象：暗物质的存在；宇宙是平坦的（背景微波辐射微小起伏）；宇宙的膨胀没有减弱，而是在加速。 @宇宙演变 （第一类弗里德曼模型特征）时间与空间一样，也是有范围的，时间具有终结，也有开端。根据方程式可知一个非常重要的特征，在过去某一时刻（大约137亿年前）相邻星系之间的距离必须为零。那时的宇宙是挤压在零尺度，如同一个半径为零的球一样，单独的一点。其密度和时空曲率都无限大——它是我们称之为大爆炸的时刻。 相对论，语言了宇宙从大爆炸，也就是其密度和时空曲率都无限大的时刻起始，但数学不能完全应付无穷大的书，因此在广义相对论中预言的在宇宙中存在一点（奇点），在那里，理论本身崩溃或者失败了。 @量子力学 马克斯·普朗克于1900年提出，光、X射线以及其他电磁波只能发出一定的分立的波包，这类波包被称作量子。这是为了避免计算黑体辐射发射率问题，之前的观点是类似将频率之上的发射出的波计算是没有限度的，导致所有频率发射的总能量也没有终结，而无限大的荒谬结果。 打破宇宙决定论： 1926年德国科学家威纳·海森伯表述不确定原理：自然限制我们利用科学定律来语言将来的能力，因为为预言一个粒子未来的位置和速度，人们必须精确测量其初始状态，即当前位置和速度，这要求用光照射该粒子，而照射带来的能量会扰动粒子的原初状态。而且由于照射的光量子能量大小决定精确程度（正比例），越是想要准确测量，反而因为扰动变大越加无法准确。反之亦然。 20世纪20年代，薛定谔及保罗·狄拉克基于不确定原理，将牛顿力学重新表达为称作量子力学的新理论。粒子在该理论中不再具有各自很好定义的位置和速度。它们具有了一个量子态，那是位置和速度的结合，与以前相反的是只有在不确定原理的限制之下才能定义两者。 量子力学的一个变革性质是，它不对一次观测做出单独确定结果的预言——它预言不同的结果，并告诉我们每种结果发生的概率。可以说，其间一种不可预见性或者随机性的不可回避因素引入了科学。 不确定原理的最重要含义是：粒子在某些方面像波一样行为。（具有波粒二象性） 波、粒对偶性的引入，导致粒子的干涉。（Ex.双缝实验，两条波重合或加强）——粒子间这样的干涉现象是我们理解原子结构的关键。 @量子引力论： 将经典广义相对论变成一个量子的理论，消除不可接受的奇点，如同当初处理经典力学一样。 这展现的是科学家揭示宏大宇宙原则的雄心。它是一种可能。目前可知该理论所具有的特征有，1、与按照对历史求和来表述量子理论的设想合并；2、爱因斯坦的设想：引力场由弯曲的时空来代表，粒子企图沿着弯曲空间中最接近直线的东西运动，但因时空不平坦，他们的路径显得被引力场弯曲了。 @虫洞、时间旅行 时间概念的个人化。 Ex.双生子佯谬——旅行到未来。 库尔特·哥德尔，1949年发行了爱因斯坦方程的一个新解，即广义相对论允许一个新的时空。——（逆时旅行的物理定律预示） 他提出了不完备性定理。表述是：不可能存在所有真的陈述，哪怕你仅仅去证明就像算术那样显然枯燥乏味的学科中所有真的陈述。与不确定性原理一样，该原理也许是我们理解和语言宇宙能力的基本限制。哥德尔的时空具有的性质：整个宇宙都在旋转。在此有一个数学的附加效应：如果一个人从地球旅行到巨大距离之外，然后返回，他可能在出发之前就已经回到地球。 早期宇宙不存在允许时间旅行的曲率。 时间与空间相关，一个与逆时旅行紧密相关的问题是能否行进得比光速还快——时间旅行意味着超光速旅行，而在旅程最后阶段做逆时旅行（在任意短的时间，以不受限制的速度行进）。 相对论对于时间测量的认同并非唯一，甚至对事件时序看法也未必一致。 当前无法加速到光速或者更快，一个可行之道是寻找虫洞。 @虫洞：是一个时空细管，它是以时空卷曲状态下，将两个几乎平坦的相隔遥远的区域连接起来的存在。而为了让时空卷曲到允许逆时航行的方法，就需要借助负能量密度物质。（Ex.银行账户里，当总额为正，即可从一或两个账户透支） 我们未曾发现来自先进的未来的人到来。原因：1、我们观察了过去，并发现它并没有允许从未来旅行返回所需要的那类卷曲，所以过去是固定的；2、未来是未知的、开放的，所以它很可能具有所需要的曲率，这意味着任何时间旅行都内局限于未来。 @历史佯谬：如果我们有改变过去的自由，那我们就会遇到矛盾。 可能的解决方法：1、协调历史法，过去与未来是注定的，即使时空被卷曲到能逆时旅行，在时空中所发生的必须是物理定律协调的解。人没有自由意志为所欲为，而仅仅是跟随历史；2、选择历史假想：当旅行者回到过去，他们进入与记载历史不同的另外的历史中去，从而能自由行动，不受与他们原先历史相一致的约束。 @统一 自然的力和物理学统一 我们希望找到一个完备的、协调的统一理论，它将所有那些部分理论作为近似包容进去，而不必为理论中任意数而调节其对应部分理论来与事实相符合。 @四种基本的力： 引力；电磁力；弱核力；强核力 现有的理论： 弦理论：具有长度但不具有其它维，如同一段无限细的弦的东西，占据空间之中，而非以往理论里人们认为的每个基本粒子占据空间中单独的点。这些弦有端点，或者是自身首尾相接成闭合的圈环。在弦论中，一个粒子被另一个粒子发射或者吸收，与弦的分解与合并对应。其引出的问题是：似乎只有当时空是10维或者24维，而非通常的4维时，它们才是协调的。 弦论家们的说法是，在非常小的尺度下它是十维的，并且被高度弯曲，但是在更大的尺度下，无法看见这种曲率或者额外维。——“人存理论”的支持“我们看到的宇宙之所以是这个样子，那是因为我们存在。”

对宇宙好奇，想了解关于它的一切，奈何脑子跟不上，看不懂太多。

一个质量足够大，并且足够紧致的恒星可能具有可以让光无法逸出的引力，就是黑洞

恒星坍缩其外部会发生超新星的极大爆发，1054的中国人有记载一次，它的光比它所在星系中所有恒星合并在一起发出的光还亮，可以把黑夜照亮 要是发生得很近，足以扑灭生命

量子引力

宇宙的边界条件是它没有边界。

虫洞和时间旅行

我们无法超光速旅行，但是也许可以把时空卷曲起来，形成虫洞

宇宙不仅仅有一个独立历史；它具有每一种可能的历史，每种历史都有各自的概率。

人存原理：我们看到的宇宙之所以是这个样子，那是因为我们存在。

结论

探索上帝的精神

爱因斯坦，犹太复国主义，“方程对我而言更重要些，因为政治是为当前，而方程却是永恒的东西。”