? ? ? ? 時(shí)間簡(jiǎn)史—從大爆炸到黑洞

? ? 科學(xué)是認(rèn)真的沥阱、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模彩莿?chuàng)造的伊群。

? ? 科學(xué)最基本的態(tài)度是質(zhì)疑考杉，最基本的精神是批評(píng)。

? ? 然而舰始，現(xiàn)實(shí)生活中崇棠，人們認(rèn)為"科學(xué)是有用的"，對(duì)科學(xué)帶來(lái)的后果接受和承認(rèn)丸卷。對(duì)科學(xué)的原動(dòng)力和精神卻不接受和承認(rèn)（也許因?yàn)樗鼑?yán)謹(jǐn)枕稀，難懂）。

? ? 這是霍金首次為非專家寫的書谜嫉，這本書是對(duì)作者智力工作的瀏覽萎坷，涉及到物理、天文沐兰、宇宙學(xué)的前沿知識(shí)哆档，還有作者探索宇宙的勇氣。

? ? 本書的作者——史密斯·霍金住闯，是21世紀(jì)最重要的廣義相對(duì)論家和宇宙論家瓜浸。

? ? 本書的副標(biāo)題是從大爆炸到黑洞，正反映了霍金一生主要的兩個(gè)貢獻(xiàn):

? ? 在經(jīng)典物理框架里比原，證明了黑洞和大爆炸奇點(diǎn)的不可避免性插佛；

? ? 在量子物理框架里，指出了黑洞輻射量窘。

? ? 這是一本關(guān)于上帝……或許是關(guān)于上帝不存在的的書雇寇。

第一章 我們的宇宙圖像

01宇宙圖像

? ? 我們對(duì)于宇宙了解多少，宇宙從何而來(lái)

? ? 我們?cè)趲缀跏窃趯?duì)世界毫無(wú)了解的情形下生活蚌铜。

? ? 從亞里士多德-托勒密的地心說(shuō)到哥白尼的日心說(shuō)锨侯，花了近2000年。但厘线，這時(shí)的地球或太陽(yáng)被認(rèn)為是靜止不動(dòng)的识腿。即靜態(tài)宇宙模型。

? ? 1687年造壮，伊薩克·牛頓出版了著作—《數(shù)學(xué)的自然哲學(xué)原理》渡讼，提出了萬(wàn)有引力定律。即宇宙的任一物體被另一物體吸引耳璧。物體質(zhì)量越大成箫，距離越近，相互間的吸引力越大旨枯。這也就是我們悉知的牛頓被蘋果砸到頭的故事蹬昌。但不足憑信。

? ? 牛頓自己說(shuō)過(guò)的只是:當(dāng)我陷入沉思之時(shí)攀隔，一顆蘋果的落下使我得到了萬(wàn)有引力的思想皂贩。

? ? 由于引力總是吸引栖榨，恒星相互吸引，它們就不能保持不動(dòng)明刷。即不可能存在一個(gè)無(wú)限靜態(tài)宇宙模型婴栽。

? ? 那么由于相互吸引，它們一起落到某一處嗎辈末？

? ? 在一個(gè)無(wú)限的宇宙中愚争，每一點(diǎn)都可認(rèn)為是中心點(diǎn)，因?yàn)樵谒拿恳贿叾加袩o(wú)數(shù)顆恒星挤聘。因此不存在任何一個(gè)它們落去的中心點(diǎn)轰枝。

? ?

02宇宙開端—膨脹or收縮

? ? 20世紀(jì)之前，一般都認(rèn)為:宇宙是以一種不變的狀態(tài)存在了無(wú)限長(zhǎng)的時(shí)間组去；或宇宙是被創(chuàng)生于有限的過(guò)去鞍陨。就像人們害怕生老病死，人們也傾向相信永恒添怔，所以宇宙必須是不朽湾戳，不變的。以此才能給人以安慰广料。

? ? 1781年砾脑，哲學(xué)家康德在《純粹理性批評(píng)》一書中，深入思考了關(guān)于宇宙在時(shí)間上是否有開端艾杏，空間上是否有極限的問(wèn)題韧衣。他稱這些問(wèn)題為純粹理性的二律背反（也就是矛盾）。因?yàn)椋涸跁r(shí)間可以無(wú)限倒溯的情況下购桑，證明宇宙有開端（正命題）畅铭，和宇宙已經(jīng)存在無(wú)限久（反命題）的論據(jù)同樣多。

? ? 也有人認(rèn)為:時(shí)間是上帝所創(chuàng)造宇宙的一個(gè)性質(zhì)勃蜘，在宇宙開端之前不存在硕噩。

? ? 1926年，埃德溫·哈勃觀測(cè)到:不管往哪個(gè)方向看缭贡，遠(yuǎn)處的星系正極速的遠(yuǎn)離我們而去炉擅。即宇宙在膨脹。這暗示了宇宙存在一個(gè)叫做大爆炸的時(shí)刻阳惹，那時(shí)宇宙的尺度無(wú)窮小谍失，而且無(wú)限緊密。在這種情況下莹汤，科學(xué)定律的預(yù)見能力都會(huì)失效快鱼。

? ? 如果在大爆炸前有過(guò)什么事件，它們也不會(huì)影響現(xiàn)在的一切。

? ? 因此抹竹，更早的時(shí)間根本沒(méi)有定義线罕，進(jìn)而可以說(shuō)，時(shí)間在大爆炸時(shí)有一開端柒莉。

03用什么描述宇宙

? ? 今天的科學(xué)家按照這兩個(gè)理論來(lái)描述宇宙——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)闻坚。它們是人類偉大的智慧成就。

? ? 廣義相對(duì)論是描述引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)兢孝。即從幾英里到幾億億億英里，可觀察到的宇宙的范圍仅偎。量子力學(xué)則是處理極小尺度的現(xiàn)象跨蟹。如萬(wàn)億分之一英寸。

? ? 然而橘沥，這兩個(gè)理論互不協(xié)調(diào)——它們不可能都對(duì)窗轩。

第二章 時(shí)間和空間

存在宇宙，就存在時(shí)間和空間

01絕對(duì)靜止座咆？

? ? 牛頓認(rèn)為不存在靜止的唯一標(biāo)準(zhǔn)痢艺。人們可以說(shuō)A靜止，B相對(duì)于A運(yùn)動(dòng)介陶，也可以說(shuō)B靜止而A運(yùn)動(dòng)堤舒。兩種說(shuō)法是等價(jià)的。

? ? 不存在絕對(duì)靜止的標(biāo)準(zhǔn)表明:人們不能確定哺呜，在不同時(shí)間發(fā)生的兩個(gè)事件舌缤，是否也發(fā)生在同一空間的同一位置。

? ? 例如某残，火車上国撵，一個(gè)乒乓球，在垂直上下地彈跳玻墅，1秒前后兩次撞到桌面的同一位置介牙。但在鐵軌邊的人看來(lái)，兩次彈跳發(fā)生在相距100米的不同位置澳厢。

? ? 這意味著环础，絕對(duì)靜止不存在，事件的位置和它們的距離赏酥，對(duì)于在不同位置的人來(lái)說(shuō)是不同的喳整。所以，沒(méi)有理由以為一個(gè)人的處境比他人更優(yōu)越裸扶。

? ? 同時(shí)表明：絕對(duì)位置（也稱絕對(duì)空間）也不存在框都。

02絕對(duì)時(shí)間

? ? 牛頓相信絕對(duì)時(shí)間。即人們可以毫不含糊地測(cè)出兩事件的時(shí)間間隔，只要用好鐘魏保，不管誰(shuí)去測(cè)量熬尺，時(shí)間都是一樣的。時(shí)間相對(duì)于空間是完全分開并獨(dú)立的谓罗。

? ? 這是大部分人的常識(shí)觀念粱哼。

? ? 這種常識(shí)可以很好的對(duì)付運(yùn)動(dòng)比較慢的蘋果，行星等問(wèn)題檩咱。

? ? 但我們必須改變這種關(guān)于時(shí)間和空間的觀念揭措，因?yàn)樵谔幚砉馑倩蚪咏馑龠\(yùn)動(dòng)的物體時(shí)是完全失效的。

? ?

? ? 光波以某一固定的速度運(yùn)動(dòng)刻蚯。

? ? 如果不存在絕對(duì)靜止绊含。那么光速是相對(duì)什么不變呢？

? ? 起初炊汹，科學(xué)家認(rèn)為真空中存在一種叫"以太"的物質(zhì)躬充，所以光速應(yīng)該是相對(duì)以太而言。但1887年讨便，科學(xué)家實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):在真空（以太）中和大氣中的光速完全一樣充甚。

? ? 此后，科學(xué)家們一直試圖解釋這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象霸褒，直到……

? 03 舍棄

? ? 1905年伴找，一個(gè)瑞士專利局職員——阿爾貝特·愛因斯坦，在他的論文中指出:只要人們?cè)敢鈷仐壗^對(duì)時(shí)間這個(gè)觀念傲霸，整個(gè)“以太”的觀念是多余的疆瑰。即不管觀察者運(yùn)動(dòng)的多快，他們應(yīng)測(cè)量到一樣的光速昙啄。

? 下面我們來(lái)看看這一樣的光速是怎么測(cè)來(lái)的穆役。

? ? ①牛頓理論告訴我們時(shí)間是絕對(duì)的，空間不是絕對(duì)的梳凛，故

光所走距離（每個(gè)測(cè)量者的測(cè)的距離不一樣）/所花時(shí)間（一樣）=不一樣的光速

? ? ②相對(duì)論告訴我們拋棄絕對(duì)時(shí)間耿币，即時(shí)間是相對(duì)的，空間是相對(duì)的韧拒。同理淹接，就可以得出一樣的光速。

? ? 相對(duì)論的另個(gè)成就是:變革了人們對(duì)空間和時(shí)間的觀念叛溢。

? ? 它迫使我們從根本上改變時(shí)間和空間的觀念塑悼，我們必須接受的觀念是:時(shí)間不能完全脫離和獨(dú)立于空間，必須和空間結(jié)合在一起形成所謂的空間——時(shí)間的客體楷掉。簡(jiǎn)單地說(shuō)厢蒜，時(shí)間是相對(duì)的。

? 生活中，我們通常用三個(gè)數(shù)或坐標(biāo)來(lái)描述空間一點(diǎn)的位置斑鸦。那么愕贡，人們可以用一族互相交迭的坐標(biāo)碎片來(lái)描述整個(gè)宇宙（四維）。在每個(gè)碎片中（三維）巷屿，人們用不同的三個(gè)坐標(biāo)集合來(lái)指明點(diǎn)的位置固以。

? 一個(gè)事件是發(fā)生于特定時(shí)刻和空間中的特定一點(diǎn)的某種東西。人們可以用四個(gè)數(shù)和坐標(biāo)來(lái)確定這一事件嘱巾。

04畫一個(gè)光錐

? 根據(jù)相對(duì)論憨琳，我們?cè)噲D描繪空間—時(shí)間的四維空間。假定一個(gè)事件:石頭擊到水面浓冒。（采取倒推模式）

? 三維空間里栽渴，我們看到水面漣漪一圈一圈向四周散開。

? 二維空間里稳懒，這些漣漪（平面的），隨著時(shí)間變化 組成如下圖的圓錐慢味。

? ? 類似的场梆，在四維空間——時(shí)間里，形成了一個(gè)三維的圓錐纯路，這個(gè)圓錐稱為事件的維來(lái)光錐或油，同理我們可以畫出過(guò)去光錐。

光錐把區(qū)域分成3份:

? ? ①未來(lái)光錐內(nèi)部區(qū)域是所有可能被事件P影響到的事件的集合驰唬。（絕對(duì)將來(lái)）

? ? ②過(guò)去光錐內(nèi)部區(qū)域是所有被事件P影響到的事件集合（絕對(duì)過(guò)去）

? ? ③過(guò)去和將來(lái)光錐之外的區(qū)域里的事件既不受P影響顶岸，也不影響P。

? ? 假定太陽(yáng)此刻熄滅叫编，它不會(huì)對(duì)此刻地球產(chǎn)生影響辖佣。因?yàn)榈厍虼丝淘谔?yáng)熄滅這一事件的光錐之外。8分鐘后我們才能知道太陽(yáng)熄滅搓逾。如圖

? ? 同理卷谈，我們也不知道此刻,宇宙遠(yuǎn)方發(fā)生了什么。因?yàn)槲覀兛吹降男窍档墓舛际菐装偃f(wàn)年前的霞篡。

? 我們看宇宙時(shí)世蔗，我們?cè)诳此倪^(guò)去。

05 空間—時(shí)間彎曲

? ? 1915年朗兵，愛因斯坦提出廣義相對(duì)論污淋。指出，引力是空間—時(shí)間不是平坦造成的余掖。

? ? 空間—時(shí)間由于在它中間的質(zhì)量和能量的分布而變彎曲或"翹曲"寸爆。

? ? 像地球這樣的的物體并非由于引力使之沿彎曲軌道運(yùn)動(dòng)，而是沿著彎曲空間中最接近直線的軌道運(yùn)動(dòng)。

? ? 廣義相對(duì)論中而昨，物體總沿著四維空間——時(shí)間的直線走救氯。但在我們的三維空間來(lái)看它則是彎曲的路徑。

? ? 正如一架在上空飛行的飛機(jī)歌憨，它沿著三維空間的直線飛着憨，但在二維的地面上看它的影子卻是沿著一條彎曲的路徑飛。

06 時(shí)間的流逝

? ? 廣義相對(duì)論指出:在像地球這樣的大質(zhì)量物體附近务嫡，時(shí)間流逝顯得更慢一些甲抖。即地球上不同高度的鐘速度不同。

? 著名的雙生子佯謬便是一個(gè)例子心铃。一對(duì)雙生子准谚，一個(gè)在山頂生活，一個(gè)在海平面生活去扣，前者比后者老得快柱衔，當(dāng)然，差別不明顯愉棱。如果將其中一個(gè)孩子送去空間飛船唆铐，以接近光的速度做一次長(zhǎng)途旅行，當(dāng)他回來(lái)時(shí)奔滑，會(huì)發(fā)現(xiàn)另一個(gè)孩子要比他年輕得多艾岂。

? ? 這個(gè)理論具有相當(dāng)?shù)膶?shí)用性。人們用衛(wèi)星做精確導(dǎo)航朋其，如果人們對(duì)廣義相對(duì)論無(wú)知王浴，所計(jì)算出來(lái)的位置會(huì)錯(cuò)幾英里。

第三章 膨脹的宇宙

01我們居住的地方

? ? 用望遠(yuǎn)鏡可以看到幾千億個(gè)星系梅猿，每個(gè)星系都包含了幾千億顆恒星氓辣。

? ? 我們生活在寬約10萬(wàn)光年，并慢慢旋轉(zhuǎn)著的星系中粒没，太陽(yáng)是一個(gè)平常的筛婉、平均大小的黃色恒星。

? ? 恒星離我們很遙遠(yuǎn)癞松，我們只能看到極小的光點(diǎn)爽撒，看不到它們的形狀和大小。那么我們?cè)趺磪^(qū)分恒星的種類呢响蓉？—光的顏色硕勿。

? ? 太陽(yáng)光通過(guò)三棱鏡會(huì)分解成像彩虹一樣的不同顏色（即太陽(yáng)的光譜）。不同的恒星具有不同的光譜枫甲。每一化學(xué)元素都可以吸收特定的光譜線族源武，將化學(xué)元素和恒星光譜中缺失的譜線比較扼褪，就可以確定該恒星大氣中有什么元素了。

02宇宙膨脹

? ? 天文學(xué)家觀察發(fā)現(xiàn):宇宙中其他星系的光譜線族都向光譜紅端移動(dòng)了同樣相對(duì)的量粱栖。

多普勒效應(yīng)告訴我們：當(dāng)光源遠(yuǎn)離我們话浇，光波的波峰間隔越長(zhǎng)，頻率變低闹究，光譜便更靠近最低頻的紅端幔崖，反之，則藍(lán)移渣淤。

? ? 例如赏寇，小汽車的聲音，越近音調(diào)越高（頻率越高）价认，越覺(jué)得刺耳嗅定。警察測(cè)車速也是這個(gè)原理。

? ?

? 事實(shí)上用踩，大部分星系是紅移渠退，幾乎所有星系都離我們而去脐彩≈鞘玻—宇宙在膨脹。

? 宇宙膨脹的發(fā)現(xiàn)是20世紀(jì)最偉大的智慧革命之一丁屎。

? 現(xiàn)在假定宇宙正在膨脹，如果它膨脹得很慢旱眯，引力會(huì)使之最終停止膨脹晨川，開始塌縮。

如果它膨脹得比某一臨界速率快删豺，引力則永遠(yuǎn)不足夠強(qiáng)而使其停止膨脹共虑，宇宙將永遠(yuǎn)繼續(xù)膨脹下去。

? ? 例如呀页，如果火箭的速度相當(dāng)慢妈拌，引力將最終使其停止并折返地面。如果火箭以一個(gè)比某一臨界值（約每秒7英里）更高的速度運(yùn)動(dòng)蓬蝶，引力的強(qiáng)度則無(wú)法將其拉回尘分，它將永遠(yuǎn)繼續(xù)飛離地球。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

03 弗里德曼模型

模型一

表示丸氛，隨時(shí)間增加培愁，兩個(gè)鄰近星系的距離變化剛開始為0，慢慢增長(zhǎng)到最大缓窜，最后又減小到0定续。（宇宙先膨脹谍咆，然后坍縮）

模型二

表示，鄰近星系距離剛開始為0私股，最后以穩(wěn)定速度相互離開摹察。（宇宙膨脹，且永遠(yuǎn)不會(huì)坍縮）

模型三

表示倡鲸，臨近星系距離從0開始供嚎，永遠(yuǎn)增大，但分開的速度越來(lái)越慢旦签。（宇宙膨脹查坪，且速度剛好足以避免坍縮）

? ? 究竟用哪個(gè)弗里德曼模型來(lái)描述宇宙?我們必須知道現(xiàn)宇宙膨脹速度和平均密度。

? ? 然而宁炫，我們對(duì)宇宙的平均密度測(cè)量不準(zhǔn)偿曙，因?yàn)橛钪嬷羞€有大量不能直接看到的"暗物質(zhì)"。

我們只知道:宇宙每10億年膨脹5%～10%羔巢。

? ? 1965年英國(guó)數(shù)學(xué)家物理學(xué)家羅杰·彭羅斯指出:坍縮的恒星在自己引力作用下被陷入到一個(gè)區(qū)域中望忆，其表面最終縮，小到零竿秆，并且體積也隨之縮小到零启摄。恒星中的物質(zhì)被壓縮到一個(gè)零體積的區(qū)域里。故而物質(zhì)的密度和空間——時(shí)間的曲率變成了無(wú)限大幽钢。換句話說(shuō)歉备，人們得到了一個(gè)奇點(diǎn)，它被包含在一個(gè)叫做黑洞的空間——時(shí)間的的一個(gè)區(qū)域中匪燕。

? ? 1970年蕾羊，在彭羅斯和我合作的論文中，證明了帽驯，假定廣義相對(duì)論是正確的龟再，則過(guò)去必須有一個(gè)大爆炸奇點(diǎn)。

? ? 但頗具諷刺的是尼变，現(xiàn)在我改變了想法利凑，宇宙的開端并沒(méi)有奇點(diǎn)∠邮酰——只要我們考慮了量子效應(yīng)哀澈，奇性就會(huì)消失。

第四章? 不確定性原理

01量子力學(xué)

? ? 1900年蛉威，德國(guó)科學(xué)家普朗克提出日丹，光波，X射線和其他波不能一任意速度輻射蚯嫌，必須以某種稱為量子的形式發(fā)射哲虾。波的頻率越高丙躏，量子的能量越大。

? ? 1926年束凑，德國(guó)科學(xué)家威納·海森堡提出著名的不確定性原理晒旅。人們可以通過(guò)準(zhǔn)確測(cè)量一個(gè)粒子現(xiàn)在的位置和速度，來(lái)預(yù)言它在未來(lái)的位置和速度汪诉。辦法是用波長(zhǎng)短的光照在這個(gè)粒子上废恋，一部分光波被粒子散開，以此測(cè)量它的位置扒寄。

? ? 然而鱼鼓，普朗克的量子假設(shè)表明，用于測(cè)量的光的量子會(huì)擾動(dòng)這個(gè)粒子该编，并以改變粒子的速度迄本。位置測(cè)量得越準(zhǔn)確，所需量子的能量就越大课竣，這樣粒子的速度被擾動(dòng)的就越厲害嘉赎。

? ? 換句話說(shuō)，對(duì)粒子位置測(cè)量得越準(zhǔn)確于樟，對(duì)速度的測(cè)量就越不準(zhǔn)確公条。反之亦然。

? ? 海森堡的不確定性原理是世界的一個(gè)基本的不可回避的性質(zhì)迂曲。

20世紀(jì)20年代靶橱，在不確定性原理的基礎(chǔ)上，海森堡路捧、厄文·薛定諤和保爾·狄拉克將力學(xué)重新表達(dá)成叫量子力學(xué)的新理論抓韩。在此理論中，粒子成了以位置和速度結(jié)合物的量子態(tài)鬓长。

? ? 量子力學(xué)不是對(duì)一次觀察預(yù)言一個(gè)單獨(dú)的確定結(jié)果，而是預(yù)言一組的可能發(fā)生的不同結(jié)果尝江，并告訴我們每個(gè)結(jié)果出現(xiàn)的概率涉波。但愛因斯坦卻不接受此觀點(diǎn)，曾說(shuō)過(guò)"上帝不玩弄骰子"

? ? 這個(gè)觀點(diǎn)卻被其他大多數(shù)科學(xué)家接受炭序，因?yàn)樗鼮榭茖W(xué)引進(jìn)了不可避免的非預(yù)見性啤覆，和實(shí)驗(yàn)符合得很完美。

? ? 它一個(gè)極其成功的理論惭聂。它幾乎成為所有現(xiàn)代科學(xué)的基礎(chǔ)窗声。如制約晶體管和集成電路的行為，這些都是電子設(shè)備辜纲，電視笨觅，計(jì)算機(jī)的基本元件拦耐。但，它唯一沒(méi)有進(jìn)入的領(lǐng)域是引力和宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)见剩。

02極小到極大

? ? 本世紀(jì)初杀糯，人們認(rèn)為原子和行星繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)類似。正電荷和負(fù)電荷的吸引力被認(rèn)為是用以維持電子的軌道苍苞，就像行星和太陽(yáng)之間的萬(wàn)有引力維持行星的軌道一樣固翰。

? ? 一個(gè)繞核運(yùn)動(dòng)的電荷可以看成一種波，其波長(zhǎng)依賴于其速度羹呵。對(duì)于一定的軌道骂际，軌道的長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)于整數(shù)倍的波長(zhǎng)。

? 運(yùn)用這些思想冈欢，可以計(jì)算原子歉铝、分子的運(yùn)行軌道。由于分子間的反應(yīng)又構(gòu)成了化學(xué)和生物的基礎(chǔ)涛癌。

? ? 除了受測(cè)不準(zhǔn)原理限制外犯戏，量子力學(xué)在原則上允許我們于預(yù)言圍繞我們的一切東西。

? ? 看來(lái)拳话，愛因斯坦廣義相對(duì)論制約了宇宙大尺度結(jié)構(gòu)先匪，它僅能稱為經(jīng)典理論，因其中沒(méi)有考慮到量子力學(xué)的不確定性原理弃衍。但我們必須考慮呀非。

? ? 目前，我們沒(méi)有一個(gè)完整的镜盯、協(xié)調(diào)的統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子力學(xué)的理論岸裙。為此，科學(xué)家們?cè)噲D去了解自然界的其他力速缆，以合并成一個(gè)單獨(dú)的量子理論降允。

第五章 基本粒子和自然的力

02誰(shuí)是最小粒子

? ? 物質(zhì)由原子組成，原子核包含質(zhì)子艺糜，中子剧董。質(zhì)子又由更小的夸克組成∑仆＃夸克又存在幾種不同的類型—上翅楼、下、奇真慢、魅毅臊、底、頂六種“味”黑界。

? ? 那么什么才是真正的基本粒子呢——構(gòu)成世間萬(wàn)物的最基本結(jié)構(gòu)管嬉。

? ? 以目前的科技皂林，相信我們已經(jīng)擁有或者接近擁有自然界的終極構(gòu)件的知識(shí)。

? ? 科學(xué)家預(yù)言宠蚂，構(gòu)成物質(zhì)質(zhì)量的質(zhì)子會(huì)自發(fā)地衰變成諸如反電子之類更輕的粒子式撼。但質(zhì)子的衰變非常偶然而且概率極低，至少要等100萬(wàn)億億億年才有那么一次求厕。這比宇宙大爆炸以來(lái)約100億年還要久得多著隆。

02正與反

? 1923年保爾·狄拉克提出一個(gè)了理論，電子必須有它的配偶——反電子和正電子呀癣。任何粒子都有和它相湮滅的反粒子美浦。

? 地球上的物質(zhì)主要是由質(zhì)子和中子構(gòu)成，也就是由夸克構(gòu)成项栏。

? —但為什么現(xiàn)實(shí)中夸克比反夸克多?

? 我們目前不太清楚浦辨。但至少對(duì)我們是好的，否則在宇宙初期它們必定相互湮滅沼沈，只留下一個(gè)充滿輻射幾乎沒(méi)有任何物質(zhì)的宇宙流酬。也就不會(huì)有我們了。

? 也可能存在由反粒子構(gòu)成的整個(gè)反世界和反人列另。如果芽腾，你遇到了反你，注意不要握手页衙，否則摊滔，你們兩個(gè)都會(huì)在巨大的閃光中消失。

第六章? 黑洞

? ? 黑洞就是由恒星坍縮和圍繞它們的強(qiáng)大引力所產(chǎn)生的店乐。

? ? ?

01恒星的生命周期

? ? 起初艰躺，大量氣體（氫）受自身引力吸引，開始向自身坍縮眨八，形成恒星腺兴。

? ? 收縮時(shí)，氣體溫度上升廉侧，最后含长，氫原子碰撞后聚合成氦。就如同一個(gè)受控氫彈爆炸伏穆，釋放出的熱是恒星發(fā)光。同時(shí)釋放的熱使氣壓升高纷纫，直到氣壓足以平衡引力的吸力枕扫。這時(shí)氣體停止收縮。恒星可以很長(zhǎng)時(shí)間保持這種平衡辱魁。直到燃料耗盡烟瞧。

? ? 例如诗鸭，太陽(yáng)還可以燃燒50多億年。

02恒星的歸宿

? ? 如果一顆恒星的質(zhì)量比強(qiáng)德拉塞卡極限（太陽(yáng)質(zhì)量的1.5倍）小参滴，它最后會(huì)停止收縮并終于變成一顆半徑為幾千英里和密度為每立方英寸幾百噸的"白矮星"强岸。我們觀察到大量這樣的白矮星。

? 如果一個(gè)質(zhì)量比強(qiáng)德拉塞卡極限大的恒星砾赔，在某種情況下蝌箍，它會(huì)爆炸或拋出足夠的物質(zhì)，是自己的質(zhì)量減到極限之下暴心〖嗣ぃ—每個(gè)恒星都設(shè)法失去足夠質(zhì)量以避免坍縮。

03恒星變了

? ? 恒星的引力場(chǎng)會(huì)改變光的路徑专普。當(dāng)恒星收縮到某一臨界半徑時(shí)悯衬，引力會(huì)強(qiáng)大到使光線偏折到無(wú)法逃逸出去。

? ? 根據(jù)相對(duì)論檀夹，沒(méi)有東西走得比光快筋粗，如果光都逃不出去，其他東西更逃不出去炸渡，都會(huì)被引力拉回桨昙。也就是說(shuō)，存在一個(gè)事件的集合或空間——時(shí)間區(qū)域孤澎，光和其他任何東西都無(wú)法從該區(qū)域逃逸纯露。這個(gè)區(qū)域我們叫做黑洞。

? ? 將其邊界稱為事件視界辰斋，是能逃逸和不能逃逸光線的邊界策州。

? ? 下面來(lái)做假定，在坍縮表面有一個(gè)無(wú)畏的航天員和恒星一起坍縮宫仗，按照他得表每一秒够挂，發(fā)一個(gè)信號(hào)到繞著該恒星轉(zhuǎn)的空間飛船上去。

? ? 在某一刻藕夫，譬如11點(diǎn)鐘孽糖，恒星剛好收縮到臨界半徑，它的信號(hào)再也無(wú)法傳回飛船毅贮。

? ? 11點(diǎn)時(shí)办悟，他飛船的伙伴必須要為11點(diǎn)的信號(hào)等待無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間。

? ? 從飛船上看滩褥，恒星消失不見病蛉，空間中只有一個(gè)黑洞，然而，此恒星（黑洞）繼續(xù)以同樣的引力作用到飛船铺然，使飛船繼續(xù)繞黑洞旋轉(zhuǎn)俗孝。

? ? 然而，以上情景不是完全現(xiàn)實(shí)的魄健，因?yàn)楦陈粒捎诤阈亲饔糜谟詈絾T腳上和頭上的力差，在恒星還未收縮到臨界值之前沽瘦，就已經(jīng)將宇航員拉成意大利面條革骨，或者撕裂。

? ? 彭羅斯和我研究指出其垄，根據(jù)廣義相對(duì)論苛蒲，在黑洞中必然存在無(wú)限大密度的空間——時(shí)間曲率的奇點(diǎn)。也就是一個(gè)坍縮物體和宇航員的時(shí)間的終點(diǎn)绿满。在此奇點(diǎn)臂外，科學(xué)定律和預(yù)言都失效。這個(gè)奇點(diǎn)只能發(fā)生在黑洞這樣的地方喇颁。

? ? ①發(fā)生在將來(lái)的奇點(diǎn)—引力坍縮的奇點(diǎn)

? ? ②發(fā)生在過(guò)去的奇點(diǎn)—大爆炸

? ? ③在接近裸奇點(diǎn)處漏健，可能旅行到過(guò)去。當(dāng)宇航員避免撞到奇點(diǎn)上橘霎，從而穿過(guò)一個(gè)"蟲洞"來(lái)到宇宙的另一區(qū)域蔫浆。但這個(gè)奇點(diǎn)只會(huì)發(fā)生在他的將來(lái)，因?yàn)樵诖酥八筒粫?huì)存在姐叁。

? ? 任何東西可以通過(guò)事件視界落到黑洞里瓦盛，但無(wú)法通過(guò)事件視界逃離黑洞。正如但丁所說(shuō):“從這兒進(jìn)去的人必須拋棄一切希望外潜≡罚”

04黑洞無(wú)毛

? ? 1971年，我證明了任何穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)的黑洞確實(shí)有一個(gè)對(duì)稱軸处窥。所以嘱吗，在黑洞坍縮后，一個(gè)黑洞必須最終演變成一種能夠旋轉(zhuǎn)滔驾，但不能搏動(dòng)的態(tài)谒麦。它的大小和形狀只取決于它的質(zhì)量和旋轉(zhuǎn)速度，而與坍縮前原先物體性質(zhì)無(wú)關(guān)哆致。

? ? 也就是我們周知的"黑洞沒(méi)有毛"绕德。無(wú)毛定理使我們無(wú)法從黑洞得知其原先物質(zhì)的大量信息。

? ? 在漫長(zhǎng)的宇宙中摊阀，很多恒星應(yīng)該已經(jīng)燒盡了核燃料并坍縮了耻蛇。黑洞的數(shù)目比可見恒星的數(shù)目大得多剩瓶。巨大的黑洞數(shù)量，產(chǎn)生額外的引力城丧，就能解釋為何我們星系具有如此的轉(zhuǎn)動(dòng)速率—單可見恒星的質(zhì)量肯定是不夠的。

黑洞不能發(fā)光豌鹤，那我們亡哄，怎么找到它呢〔几恚—黑洞存在引力作用于它周圍物體上蚊惯。

第七章? 黑洞沒(méi)那么黑

01事件視界

? ? 事件視界，即黑洞邊界—是由剛好不能從黑洞逃逸灵临，永遠(yuǎn)只能在邊緣上徘徊的光線的空間—時(shí)間里的路徑形成的截型。

? ? 正如，警察和比警察快一步的逃犯儒溉，逃犯沒(méi)被抓到宦焦，也不能被徹底逃脫。

? ? 所以,這些光線的路徑永遠(yuǎn)不可能互相靠近顿涣，如果靠近波闹，他們最終必須撞上，被抓涛碑；或落到黑洞精堕。

? ? 但如果落到黑洞，那么它們就不可能在黑洞邊界待過(guò)蒲障。所以歹篓，事件視界上的光線路徑必須永遠(yuǎn)互相平行運(yùn)動(dòng)或散開。那么揉阎，其事件視界的面積可以保持不變或者隨時(shí)間增大庄撮。但永遠(yuǎn)不會(huì)減少。即事件視界面積的非減性余黎。

02黑洞與熵

? ? 熵是測(cè)量一個(gè)系統(tǒng)的無(wú)序的程度重窟。如果我們不加干涉，事物總是傾向于增加它的無(wú)序徹底惧财。如停止保養(yǎng)房子巡扇。

? ? 如果黑洞有熵，黑洞就必須有溫度,也一定會(huì)發(fā)出輻射垮衷。（具有特定溫度的物體必須以一定的速率發(fā)出輻射厅翔。）

? ? 很多科學(xué)家也通過(guò)不同的計(jì)算，證實(shí)了黑洞必須如一個(gè)熱體一樣發(fā)射粒子和輻射搀突。

? ? 但按其定義刀闷，黑洞是不發(fā)出任何東西的物體。何以黑洞會(huì)發(fā)生粒子和輻射呢？

? ? 量子力學(xué)的回答是:粒子不是從黑洞發(fā)出甸昏，而是緊靠黑洞的事件視界的外面的空的空間發(fā)出的顽分。

? ? 空的空間里，存在光或引力的粒子對(duì)施蜜，這些粒子對(duì)在某一刻同時(shí)出現(xiàn)卒蘸，相互離開，互相湮滅翻默。這些粒子在空的空間里發(fā)生不同行為缸沃，有些粒子“逃跑”，看上去就像黑洞輻射修械。我們稱為黑洞輻射趾牧。如圖

黑洞輻射模擬圖

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實(shí)際黑洞輻射觀測(cè)圖

02太初黑洞

? ? 在宇宙極早期，存在無(wú)規(guī)則坍縮形成的質(zhì)量極小的太初黑洞（質(zhì)量越小肯污，黑洞溫度越高）翘单。10億噸初始質(zhì)量的太初黑洞的壽命接近宇宙的壽命。

? ? 這樣的黑洞仇箱，實(shí)際上是白熱的县恕，正以1萬(wàn)兆瓦功率發(fā)生能量。

如果我們能駕馭黑洞功率剂桥，就相當(dāng)于有了是個(gè)大型發(fā)電站忠烛。然而，黑洞質(zhì)量很大权逗，體積卻被壓縮成萬(wàn)億分之一英寸小美尸，如果在地球表面，將會(huì)無(wú)法阻止地落到地心斟薇。所以师坎，僅有的辦法是把黑洞放在繞地軌道上，用一個(gè)大質(zhì)量引力托住它堪滨。

? ? 黑洞輻射的存在胯陋，意味著，引力坍縮不像我們認(rèn)為的那樣是最終的袱箱，不可逆轉(zhuǎn)的遏乔。也就是說(shuō)當(dāng)一個(gè)宇航員落到黑洞，黑洞質(zhì)量增加了发笔，也等質(zhì)量輻射出去盟萨，某種意義上被“再循環(huán)”了，這是一種非沉颂郑可憐的不朽捻激。

第八章 宇宙的起源和命運(yùn)

01量子力學(xué)如何影響宇宙的起源和命運(yùn)

? ? 大爆炸時(shí)制轰，宇宙體體積為零，無(wú)限熱胞谭。宇宙膨脹垃杖，產(chǎn)生中微子和反中微子并沒(méi)有碰撞湮滅。如果我們觀察到它們丈屹，就會(huì)為描繪早期宇宙圖像提供證據(jù)缩滨。它們是暗物質(zhì)的一種，具有足夠的引力遏制宇宙膨脹泉瞻，并使之坍縮。

? ? 在大爆炸的幾個(gè)鐘頭內(nèi)苞冯，氦和其他元素大量產(chǎn)生并完成袖牙。之后的100萬(wàn)年，宇宙只是膨脹沒(méi)有發(fā)生什么舅锄。

? ? 最后鞭达，溫度降低到幾千度，電子和核子結(jié)合成原子皇忿。區(qū)域內(nèi)畴蹭，由引力吸引，膨脹停止并開始坍縮鳍烁。區(qū)域外叨襟，物體受引力和拉力影響，開始慢慢旋轉(zhuǎn)幔荒。最終糊闽，蝶狀旋轉(zhuǎn)星系就誕生了。另一些區(qū)域爹梁，剛好沒(méi)有旋轉(zhuǎn)，形成了橢球狀的橢圓星系（沒(méi)有旋轉(zhuǎn)）积糯。

? ? 隨著時(shí)間流逝绍昂，星系中的氫和氦氣被分割成星云。正如我們的太陽(yáng)一樣寺庄，它們將氫燃燒成氦，并以熱和光的形式輻射出來(lái)。直到燃料耗盡讶踪。

? ? 一些恒星在生命終點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生重元素物赶，拋回星系的氣體里，為下一代恒星提供原料参歹。

太陽(yáng)包含約2%的重元素，它是二代或者三代恒星隆判。50億年前從包含一代恒星碎片的氣體云中形成犬庇。云里少量重元素集聚僧界，形成了像地球這樣，繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的物體臭挽。

? ? 地球原先非常熱捂襟，沒(méi)有大氣。很長(zhǎng)時(shí)間后冷卻欢峰，從巖石里溢出氣體葬荷，形成大氣。

這時(shí)大氣沒(méi)有氧氣纽帖，不能使人存活宠漩。

? ? 然而，有其他生物能活—原始生命懊直『骞拢可能是由原子偶然結(jié)合成的宏觀分子的大結(jié)構(gòu)，在海洋中發(fā)展吹截。并能夠?qū)⒑Ｑ笾衅渌蛹鄢膳c它類似的結(jié)構(gòu)，復(fù)制并繁殖凝危。因?yàn)閺?fù)制有誤差波俄，最終滅亡。其中的一些誤差產(chǎn)生了新宏觀分子蛾默，在復(fù)制時(shí)誤差較少懦铺，它們?nèi)〈嗽鹊姆肿印＿@是進(jìn)化的開始支鸡。

? ? 之后冬念，越來(lái)越復(fù)雜的組織出現(xiàn)。

? ? 第一種原始生命形式消化了硫化氫等物質(zhì)牧挣，放出氧氣急前。

? ? 盡管我們知道了宇宙的從非常熱開始，膨脹并冷卻到如今的景像瀑构，但還有許多問(wèn)題未被回答裆针。

? ? 或許宇宙初始狀態(tài)是隨機(jī)選擇的，這意味著寺晌，早期宇宙可能是非常紊亂世吨，無(wú)序的宇宙。從這樣的早期宇宙呻征，怎樣變成了如此光滑和規(guī)則的宇宙耘婚。

? ? 是否，我們只是恰好生活在一個(gè)光滑一致的區(qū)域里陆赋。

? ? 正如人擇原理:我們看到的宇宙之所以是這個(gè)樣子沐祷，是因?yàn)槲覀兊拇嬖谌卤铡Ｈ藙t原理有強(qiáng)弱之分。

? ? ①弱人擇原理：智慧生物需要100多億的漫長(zhǎng)演化戈轿。

? ? ②強(qiáng)人擇原理：像我們這樣的智慧生物是宇宙的特例凌受。宇宙僅是因?yàn)槲覀兇嬖诙嬖凇?/p>

? ? 然而，強(qiáng)人擇原理很難讓人相信思杯，因?yàn)樗穸恕覀兓撕荛L(zhǎng)時(shí)間胜蛉，一代代科學(xué)家不懈努力，思考色乾，觀測(cè)誊册，實(shí)驗(yàn)，得到了宇宙的圖像暖璧。

? ? 如果能表明案怯，宇宙的其他地方也能演化出生命，地球并不是唯一智慧生物存在處澎办。多少會(huì)給人以安慰嘲碱。

02宇宙的可能

? ? 經(jīng)典引力論:宇宙可能的行為只有兩種，已存在無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間局蚀；在有限過(guò)去的某一時(shí)刻的奇點(diǎn)上有個(gè)開端麦锯。這里的時(shí)間我們稱為實(shí)時(shí)間

? ? 在量子引力論中，還存在第3種可能琅绅，在那兒時(shí)間方向和空間方向是等同的扶欣，空間-時(shí)間的尺度有限，但卻沒(méi)有邊界和邊緣千扶。簡(jiǎn)單地說(shuō)料祠，空間和時(shí)間就像地球的表面（地球面積有限，但沒(méi)有邊界和邊緣）澎羞，只不過(guò)多了兩維髓绽。

? ? 人們可以說(shuō):“宇宙的邊界是沒(méi)有邊界∽苯剩”宇宙完全自給自足梧宫，不被任何東西影響，不被創(chuàng)生摆碉，不被消滅塘匣，它就是存在。這里的時(shí)間我們稱為虛時(shí)間巷帝。

? ? 在實(shí)時(shí)間里忌卤，宇宙有開端和終結(jié)的奇點(diǎn)，奇點(diǎn)使科學(xué)定律失效楞泼，使科學(xué)定律也有了空間-時(shí)間的邊界驰徊。

? ? 但笤闯，虛時(shí)間里，沒(méi)有奇點(diǎn)和邊界棍厂。

? ? 這也許暗示了：

? ? 虛的時(shí)間是真正的實(shí)時(shí)間颗味。而我們叫做實(shí)時(shí)間的東西才是子虛烏有的空想。

第九章 時(shí)間箭頭

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? ? 穆菲定律告訴我們牺弹，事情總是趨向于越變?cè)皆闫致怼＠缥覀兛偸强吹奖訒?huì)碎掉，不會(huì)看到碎杯子合好跳回桌上张漂。

? ? 無(wú)序度隨著時(shí)間增加就是一個(gè)所謂的時(shí)間箭頭的例子晶默。

? ? 時(shí)間箭頭—將過(guò)去和將來(lái)區(qū)別開。使時(shí)間有了方向航攒，

? ? 有三種不同的時(shí)間箭頭

? ? ? ? ①熱力學(xué)箭頭 如果一個(gè)系統(tǒng)初始時(shí)高度有序磺陡，那無(wú)序度會(huì)隨時(shí)間的增加而增大。

例如拼玩具漠畜，有且只有一種排列使拼圖拼完整币他。假定玩具拼圖初始是有序完整的，那么你越搖動(dòng)憔狞，這些有序的拼圖越可能混亂蝴悉，無(wú)序。

? ? ? ? ②心理學(xué)箭頭 時(shí)間流逝的方向躯喇。我們生活中能記住過(guò)去而不是將來(lái)。

但假定早期宇宙可能處于無(wú)序狀態(tài)硝枉，這意味著無(wú)序度隨時(shí)間而減少廉丽。你會(huì)看到杯子碎片集合起來(lái)并跳回桌面。這樣妻味，看到這樣現(xiàn)象的人會(huì)有一個(gè)倒溯的心理箭頭正压。記住將來(lái)事。

? ? ? ? ③宇宙學(xué)箭頭 宇宙不斷膨脹這一方向责球。

? ? 這三個(gè)箭頭可能并一定完全一致焦履，但只有它們一致時(shí)，對(duì)于智力生命（人）才有合適的條件發(fā)展下去雏逾。

? ? 因?yàn)槲覀儾辉竭^(guò)三個(gè)箭頭不一致的地方嘉裤，人類理解宇宙的進(jìn)步，也許是在一個(gè)無(wú)序度增加的宇宙中建立了一個(gè)很小的有序的角落栖博。

第十章 物理學(xué)的統(tǒng)一

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? ? 我們是否能增加我們頭腦中的有序度屑宠，將部分理論結(jié)合形成一個(gè)完整統(tǒng)一的理論，這個(gè)理論適用于宇宙中任何東西

? ? 科學(xué)家試圖將不確定性原理合并到廣義相對(duì)論仇让，這個(gè)理論預(yù)言空間-時(shí)間曲率無(wú)窮大典奉，但實(shí)踐觀察測(cè)量的曲率是有限的躺翻。

? ? 1984年，人們更喜歡弦理論卫玖，弦理論的基本對(duì)象不是粒子公你，而是一跟無(wú)限細(xì)的像弦的東西。有開開弦假瞬，閉弦陕靠。如圖

? ? 但弦理論有一個(gè)問(wèn)題，似乎只有當(dāng)空間-時(shí)間是十維笨触，二十六維時(shí)它們才能協(xié)調(diào)懦傍。

? ? 那么，確實(shí)存在一個(gè)統(tǒng)一的理論嗎芦劣？或者我們追求的僅僅是一個(gè)虛無(wú)粗俱，有三種可能：

? ? ? ? ①確實(shí)存在一個(gè)完整統(tǒng)一的理論，如果我們足夠聰明虚吟，總有一天會(huì)找到寸认。

? ? ? ? ②并不存在宇宙終極理論，僅僅存在一個(gè)越來(lái)越精確描述宇宙的理論序列串慰。

? ? ? ? ③并不存在宇宙理論偏塞，事件在一定程度之外不能被預(yù)言，它僅僅是紊亂任意發(fā)生的邦鲫。

? ? 如果我們確實(shí)發(fā)現(xiàn)了宇宙的終極理論灸叼，我們將永遠(yuǎn)不能肯定那是正確的理論，因?yàn)樗荒鼙蛔C明庆捺。

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? ? 我們處在一個(gè)使人為難的世界中古今，我們要為自己所看到的一切賦予意義。如果我們找到了完整的理論滔以，并被所有人理解和討論捉腥；如果我們找對(duì)了答案，那將是人類理智的最終極勝利—因?yàn)槟菚r(shí)我們知道了上帝的精神你画。