A Brief History of Time

全书的主线很可能是统一广义相对论和量子物理的大一统理论。

古希腊人意识到地球是个球体，他们发现至少有三个证据：月食时候地球投在月球上的影子，在不同纬度观察恒星的不同位置，以及返航海船先出现的桅杆。亚里士多德和托勒密都认为地球是宇宙的中心，托勒密以地心为基点设计了一个天体模型。直到教士哥白尼（1543）通过观测提出日心说，但因为害怕死之前也没敢出版。伽利略观测到木星卫星以后，地心说再遭打击，因为显然地球并不是所有星体运转的中心。开普勒也推演出椭圆轨道，更好地解释了观测结果。到了17世纪末，牛顿的万有引力学说，彻底推翻了托勒密的模型：如果有星体不动的话，它们一定会互相吸引撞到一起。

但牛顿也没办法解释即然万物都互相吸引，为什么大家还能独自存在，于是假象出无限宇宙无限多星体的模型来维持宇宙的稳定。但即使这个假说成立，星体还是会撞到一起。不少补漏理论被提了出来，万物斥力，轮流闪耀等等，没有一个合理，直到在20世纪初发现了红移的现象，证明了宇宙的膨胀。从宇宙膨胀可以得出一个重要的推论：宇宙存在一个起点。

关于宇宙起点这回事儿，亚里士多德不喜欢这个假说，他认为人类社会周而复始地被大洪水摧毁，但没有起点。圣奥古斯丁喜欢这个观点，还提出创世大概在5000年前，因为人类想不起来更久以前的任何事儿。那么，上帝在创世之前在干什么？奥古斯丁的回答很有创意：在这之前时间是不存在的。康德认为琢磨出复杂的二律背反来阐释这个问题。无论如何，这都在形而上的范畴里，直到哈勃发现红移。因为哈勃提出了一个理论，这个理论是可以被证伪的，于是这个问题成了一个科学问题。在哈勃的理论被证伪之前，上帝只能在大概150亿年之前完成创世。

伽利略和牛顿的观察和理论，推翻了亚里士多德绝对静止的假说，即使牛顿自己对此非常不安。这就意味着，空间的相对性，空间中的任何一点都可以作为一个坐标系的原点，而这个坐标系可以任意规定，在任意一个坐标系里，牛顿力学都适用。速度和静止成了相对的概念。如果牛顿知道二百多年以后爱因斯坦还要终结时间的决定性，不知道他会不会崩溃。对于光速，丹麦科学家Romer通过观察木星月食在不同季节出现时间的不稳定，推测出光从木星传到地球需要时间，而这个时间因为地木距离的变化而不同。这个推测甚至早于牛顿提出万有引力学说。真正提出光速恒定理论的是一百年后的麦克斯韦。但根据牛顿经典理论，速度是个相对的概念，所以恒定的光速也必须相对于某种介质，于是以太的假说被提了出来。这样，当地球穿过以太的，向不同的方向观测光速，就应该得到不同的树枝。然而，一个十九世纪末初的实验让所有人都大吃一惊，光速在任意方向都是一样的。对于这一现象令人信服的解释要等到1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，光速在任何情况下观测都是一个恒定值。这个理论抛弃了时间的决定性，因为距离除以时间等于速度，如果距离已经是相对的（不同观测者不认同相同距离），那么不同观测者也一定不认同相同的时间。由此，somehow，爱因斯坦导出了E=mC^2，由此，没有任何有质量的物体可以达到光速（相对于？）。双生子佯谬也要把绝对时间的观念抛弃来理解。狭义相对论统一了时空，space-time结合而成的四维坐标成为描述事件的基准，任何一个event，只对光传播得到的时空有影响，而任何观测者，只能观测到光幕以内的事件，以及被这些事件所影响。

时间和光的紧密关系令人费解，光阴和时光真是聪明的词汇。双生子佯谬的费解之处在于，两个人分别感觉过了一年和十年，却又在同一’时刻’相遇了，身体的细胞也’以为’过了一年或十年，以至于一个依然年轻，另一个已经苍老。另一个难以理解之处是，既然速度是相对的，那谁更年轻呢？

狭义相对论和牛顿经典力学的不相容，在于万有引力公式里时间的缺失。难道引力可以超越光速传播吗？十年以后的1915年，爱因斯坦推演出广义相对论，终于完成了经典力学的进化。引力被解释成四维宇宙由于质量造成的扭曲，物体依然沿着四维直线前进，但扭曲的四维世界里的直线，在三维世界中的投影成为我们观测到的星体轨迹。水星轨道相对于经典力学的细微偏差被广义相对论完美解释，万有引力被统一到了相对论的体系中。光也会在引力场里呈曲线传播，光线在太阳附近的diffraction在日食的时候被观测到。地球附近的时间比高空中要慢这个现象不是很好理解，但GPS系统确实需要考虑这个现象进行校准，不然就会错得离谱。

在哈勃观测到红移之前，人们并不愿意放弃稳定宇宙的观念，爱因斯坦甚至修改广义相对论来支撑稳定宇宙。理论化宇宙膨胀现象的是Friedmann（在哈勃观测红移之前），他的膨胀理论有两个关于宇宙均衡性的前提：地球四面八方星系数量差不多，以及在地球以外宇宙任何地方也能观测到同样结果。在Friedmann之前，银河系和其他星系已经被观测到了，广泛接受的宇宙模型是扎堆儿的星系和大量的空白空间。通过一次偶然的机会，Fridedmann的第一个假说被观测证实了，一个微波接收器，在调制到接受银河系外星系的频率之后，在各个方向接收到了类似强度的能量。这个观测的关键之处在于波段，因为红移的多普勒频率和距离的正相关关系，遥远星系的红移幅度非常大，集中在了某个微波波段。第二个假说没法证实，但反对它似乎要承认地球处在一个非常特殊的位置，大量地球人早就放弃了这种傲慢。如果宇宙在膨胀，那膨胀的速度很关键，太慢就早晚缩回来，太快就一直膨胀下去了，这两者之间还有约膨胀越慢但不会塌陷的临界状态。通过对膨胀速度和宇宙质量密度的估计，可以大概了解我们处在哪个状态。对宇宙质量密度的估计显示，我们所能观测到的星系质量，和膨胀速度比起来严重偏小，于是暗物质似乎不得不存在。膨胀理论意味着宇宙应该有一个起点，这个质量密度无限大，时间不存在的奇点另科学家很不安，广义相对论将不再适用，一个理论推导出来的结论导致自己不再适用，有点讽刺也有宿命的意味。霍金自己的博士论文，基于黑洞理论，在数学上证明了大爆炸前奇点的存在，但后来他又试图推翻这个结论。

同稳定宇宙相比，放弃确定性可能更难。拉普拉斯说：我可以预测整个宇宙的运行；爱因斯坦说：上帝不掷骰子。瑞利全光谱辐射无限能量的推论，被普朗克光的能量与频率关系所攻破，成功解释了高频能量的衰减。在普朗克的解释基于‘光量子’，激发一定频率的量子需要阀值能量。’光量子’衍生出两个重要的科学概念：测不准原理和波粒二象性。因为观测一个粒子，需要’光量子’打到粒子上，再观察反射光；而光量子的能量，会使被观测粒子的速度发生变化；另外，光的频率决定了测量位置的精度。频率和能量的正相关关系，决定了位置和速度测量的tradeoff。虽然都测不准，但有一个能更准一些，这个限制由普朗克恒量限制，提出这个理论的是海森堡。测不准是一回事儿，有没有确定的位置和速度是另一回事儿。但观测不到的现实还是现实吗？无论如何，基于概率的量子力学成了现代物理的支柱，因为它更根本地解释了分子构成，也成了化学和生物学的基础。量子力学也’量化’了整个世界。被’量化’的光呈粒子性，解释了光电效应；而本来以为只是粒子的东西，比如电子，竟然也可以有波的特性，比如说双缝衍射，即使电子被逐个射出，依然发生衍射现象，就像每个电子同时穿过了两个缝。粒子也好，电子波也好，都有波粒二象性，有些时候更粒子一点，其他时候更波一点。电子的波性和波尔的原子能级模型恰合，成为解释电子轨道不塌陷的原理。

原子被分解到夸克级别以后，还能再继续发现更微观的组成吗？越是微观的粒子，越需要更短波长更高频率的射线来观测，而激发出超高频率射线所需要的能量越来越高，成为一个瓶颈。微观领域的发现都是诺贝尔奖级别的，汤普逊发现电子，卢瑟福发现中子。红黄蓝三种形态的六种夸克，组合成各种正粒子，反粒子，甚至是质量为零的粒子，从而整合了物质和能量。微观粒子之间的作用力也是最基本的物理作用，四种基本作用力中的三种被没那么完美地攒到了一个公式里，最弱的引力还独自飘在外面，等待一个大一统的理论。现在可观测宇宙里正物质远多于反物质，暗示各种不对称的存在，CPT三维里，很多组合的对称性已经被打破，比如P的宇称不守恒。

这些对微观世界的探索，同宇宙起源有关。可观测宇宙的同质性令人不解，对宇宙爆炸时初始参数的推测更令人惊奇，似乎这个初始状态必须符合一些相当苛刻的条件，才能生成出我们观测到的宇宙，微小偏差都将导致碳基生命无法衍生。强人择原理近乎狂妄：宇宙被造人这一任务所驱使；弱人择原理有点无赖：我们观察到的宇宙，必然符合我们的生存要求。考虑到多重宇宙，弱人择原理似乎更有道理。宇宙的均衡性则暗示各部分商量好了按一个节奏一起膨胀，一起生成星球，这种协调在光速限制下变得费解。于是霍金又拥抱了一个 没有起点没有边界的模型。

对于奇点的研究，研究黑洞比宇宙起源要容易，至少黑洞可以推延甚至观测。所有星球终将耗尽能量而塌陷，小一些的电子力可以支撑住引力，成为白矮星；大一点儿的需要中子力支撑，成为中子星；更大的会持续塌陷，成为黑洞。关于黑洞形状，大小，边界状态等等的研究，又是耗费了很多物理学家不少时光。

比空间更难理解的是时间，虽然在物理学家看来，这两者并无区别。时间的方向可以逆转吗？我们会不会只记得明天发生的事情而对昨天毫无记忆？破镜能不能重圆？膨胀的宇宙会不会回到大爆炸的起点？世界似乎在这三个时间轴上向一个方向飞奔。热力学第二定律的时间轴，人类感知的时间轴似乎是统一的，毕竟活着就是一个增熵的过程。宇宙的时间轴在数学上可以逆转，甚至有时间虚轴供科学家玩耍，但能逆转宇宙斯，重启时间轴的似乎只有漫威英雄。

A theory is a good theory if it satisfies two requirements. It must accurately describe a large class of observations on the basis of a model that contains only a few arbitrary elements, and it must make definite predictions about the results of future observations.Any physical theory is always provisional, in the sense that it is only a hypothesis: you can never prove it. No matter how many times the results of experiments agree with some theory, you can never be sure that the next time the result will not contradict the theory. ...Each time new experiments are observed to agree with the predictions the theory survives, and our confidence in it is increased; but if ever a new observation is found to disagree, we have to abandon or modify the theory.At least that is what is supposed to happen, but you can always question the competence of the person who carried out the observation.

It is said that Galileo demonstrated that Aristotle’s belief was false by dropping weights from the leaning tower of Pisa. The story is almost certainly untrue, but Galileo did do something equivalent: he rolled balls of different weights down a smooth slope. The situation is similar to that of heavy bodies falling vertically, but it is easier to observe because the Speeds are smaller.

霍金又来辟谣！ 这次是伽里略和比萨斜塔的传说！

In an unchanging universe a beginning in time is something that has to be imposed by some being outside the universe; there is no physical necessity for a beginning. One can imagine that God created the universe at literally any time in the past. On the other hand, if the universe is expanding, there may be physical reasons why there had to be a beginning.

看起来有种“对呀，是这么回事”的感觉，但是自己平身就很难想到呢。思辨方式。