（可能是）有史以來最好的科學書籍——時間簡史，從大爆炸到黑洞

《時間簡史：從大爆炸到黑洞》是英國物理學家史蒂芬·霍金寫的一本關于理論宇宙學的書，它首次出版于1988年。 在《簡史》一書中，霍金用非技術術語闡述了宇宙的結構、起源、發展和最終命運，這也是天文學和現代物理學的研究對象。他談到了空間和時間等基本概念，構成宇宙的基本構件（如誇克）以及支配宇宙的基本力（如重力）。他寫的是宇宙現象，比如大爆炸和黑洞。他讨論了兩個主要的理論，廣義相對論和量子力學。最後，他談到了尋找一種統一的理論，以連貫的方式描述宇宙中的一切。 第一章：我們的宇宙圖景

在第一章中，霍金讨論了天文學研究的曆史，包括亞裡士多德和托勒密的思想。亞裡士多德不像他那個時代的許多人，他認為地球是圓的。他是通過觀察月食得出這一結論的，他認為月食是由地球的圓形陰影造成的。亞裡斯多德還認為，由于“神秘的原因”，太陽和星星圍繞着地球以完美的軌道運行。二世紀的希臘天文學家托勒密也思考了太陽和恒星在宇宙中的位置，并建立了一個行星模型，更詳細地描述了亞裡士多德的思想。 今天，人們知道事實正好相反：地球繞着太陽轉。亞裡士多德和托勒密關于恒星和太陽位置的觀點被16、17和18世紀的一系列發現所推翻。第一個提出地球圍繞太陽轉的詳細論點的人是波蘭牧師尼古拉斯·哥白尼（1514年）。近一個世紀後，意大利科學家伽利略和德國科學家約翰内斯·開普勒研究了一些行星的衛星是如何運動的，并利用他們的觀察證實了哥白尼的想法。 為了符合觀測結果，開普勒提出了橢圓軌道模型，而不是圓形軌道模型。在1687年出版的有關重力的著作《數學原理》中，艾薩克·牛頓用複雜數學進一步支持了哥白尼的觀點。 像亞裡士多德這樣的早期哲學家認為宇宙是永遠存在的，而聖奧古斯丁這樣的神學家則認為宇宙是在特定的時間被創造出來的。聖奧古斯丁還認為，時間是一個随着宇宙的創造而産生的概念。1000多年後，德國哲學家伊曼努爾·康德認為時間沒有起點。 1929年，天文學家埃德溫·哈勃發現，大多數星系都在彼此遠離，這隻有在宇宙本身體積增大的情況下才能解釋。因此，在100億到200億年前，有一段時間，它們全都聚集在一個極其稠密的地方。這一發現使宇宙起源的概念進入了科學領域。今天，科學家們使用兩種理論，阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論和量子力學，它們部分地描述了宇宙的運行。科學家們仍在尋找一個完整的大統一理論來描述宇宙中的一切。 第二章：空間與時間 斯蒂芬·霍金描述了亞裡士多德的絕對空間理論是如何随着牛頓力學的引入而走向終結的。在這個描述中，一個物體是“靜止”還是“運動”取決于觀察者的慣性參照系；在同一方向以相同速度移動的觀察者看來，一個物體可能是“靜止的”，在不同方向和/或不同速度移動的觀察者看來，一個物體可能是“運動的”。沒有絕對的“靜止”狀态。此外，伽利略還駁斥了亞裡士多德的理論，即較重的物體比較輕的物體下落更快。他通過觀察不同重量物體的運動實驗證明了這一點，并得出結論，所有物體都會以相同的速度下落，除非有外力作用于它們。 亞裡士多德和牛頓都相信絕對時間。他們認為，如果用兩個運動狀态不同的精确時鐘來測量一個事件，它們測量的結果應該一緻（現在看來，這是不正确的）。光以有限的速度傳播的事實是由丹麥科學家奧勒·羅默通過對木星及其衛星木衛一的觀察首先解釋的。他觀察到木衛一在圍繞木星旋轉時出現在不同的時間，因為地球和木星之間的距離随着時間的變化而變化。 光的實際傳播是由詹姆斯·克拉克·麥克斯韋描述的，他的結論是光以固定速度的波傳播。麥克斯韋和許多其他物理學家認為，光必須通過一種名為以太的假設介質，這被邁克爾遜-莫雷的實驗推翻了。愛因斯坦和亨利·龐加萊後來認為，假設沒有絕對時間，沒有必要用以太來解釋光的運動。狹義相對論就是以此為基礎的，它認為無論觀察者的速度是多少，光的傳播速度都是有限的（一定的）。此外，光速是任何信息傳播的最快速度。 質量和能量是由著名的方程E =mc^ 2聯系起來的，它解釋了任何有質量的物體以光速運動都需要無限的能量。“事件”也可以用光錐來描述，光錐是一種時空圖形表示，它限制了哪些事件可以發生，哪些事件不能基于過去和未來的光錐。還描述了一個四維時空，其中“空間”和“時間”是内在聯系的。物體在空間中的運動不可避免地會影響它體驗時間的方式。 愛因斯坦的廣義相對論解釋了光線的路徑是如何受到“引力”的影響，根據愛因斯坦的說法，這是一種錯覺，引力由時空的扭曲造成的。在時空曲率中，光在四維“時空”中總是以直線路徑傳播，但在三維空間中可能由于引力效應而彎曲。這些直線路徑就是測地線。狹義相對論是基于事件發生的空間和時間場，而廣義相對論是動态的，力可以改變時空曲率，并導緻宇宙的膨脹。霍金和羅傑·彭羅斯緻力于此，後來用廣義相對論證明了如果宇宙有起點，那麼它也一定有終點。 第三章：膨脹的宇宙

在這一章中，霍金首先描述了物理學家和天文學家如何計算恒星與地球的相對距離。在18世紀，威廉·赫歇爾爵士确定了夜空中許多星星的位置和距離。1924年，埃德溫·哈勃發現了一種方法，利用造父變星從地球上觀察的亮度來測量距離。這些恒星的光度、亮度和距離通過一個簡單的數學公式聯系起來。利用這些數據，他計算了9個不同星系的距離。我們生活在一個相當典型的螺旋星系中，其中包含大量的恒星。 這些恒星離我們非常遙遠，所以我們隻能觀察它們的一個特征，它們的光。當這種光通過棱鏡時，就産生了光譜。每顆恒星都有自己的光譜，因為每一種元素都有自己獨特的光譜，我們可以通過測量恒星的光譜來了解它的化學成分。我們利用恒星的熱光譜來知道它們的溫度。1920年，當科學家們檢查不同星系的光譜時，他們發現恒星光譜的一些特征線向光譜的紅端移動。這一現象的含義是由多普勒效應給出的，很明顯，許多星系正在遠離我們。 假設，由于一些星系是紅移的，一些星系也會是藍移的。然而，紅移星系的數量遠遠超過藍移星系。哈勃發現紅移的量與相對距離成正比。由此，他斷定宇宙正在膨脹，已經有了一個開端。盡管如此，靜态宇宙的概念一直持續到20世紀。愛因斯坦如此确信宇宙是靜态的，以至于他提出了“宇宙常數”，并引入了“反重力”力，從而允許一個無限年齡的宇宙存在。此外，許多天文學家還試圖避免廣義相對論的影響，堅持他們的靜态宇宙，隻有一個特别引人注目的例外，俄羅斯物理學家亞曆山大·弗裡德曼。 弗裡德曼做了兩個非常簡單的假設：無論我們在哪裡，宇宙都是相同的，即同質性；在我們觀察的每個方向上，宇宙都是相同的，即各向同性。他的結果表明宇宙是非靜态的。後來，貝爾實驗室的兩位物理學家阿諾·彭齊亞斯和羅伯特·威爾遜證實了他的假設。他們發現，出乎意料的是，微波輻射不僅來自天空的某個特定部分，而且來自世界各地，而且輻射量幾乎相同。因此，弗裡德曼的第一個假設被證明是正确的。 大約在同一時間，羅伯特·H·迪克和吉姆·皮布爾斯也在研究微波輻射。他們認為他們應該能夠看到早期宇宙的背景微波輻射。威爾遜和彭齊亞斯已經做到了這一點，所以他們在1978年獲得了諾貝爾獎。此外，我們在宇宙中的位置并不特殊，所以我們從空間的任何其他部分看到的宇宙應該是近似相同的，這支持了弗裡德曼的第二個假設。直到霍華德·羅伯遜和亞瑟·沃克制作了類似的模型，他的工作才在很大程度上為人所知。 弗裡德曼的模型産生了三種不同類型的宇宙演化模型。首先，宇宙會在一定的時間内膨脹，如果膨脹率小于宇宙的密度（導緻引力），最終會導緻宇宙在後期的坍縮。其次，宇宙會膨脹，在某個時候，如果宇宙的膨脹速度和密度相等，它會慢慢膨脹并停止，導緻一個有點靜止的宇宙。第三，如果宇宙的密度低于平衡宇宙膨脹速率所需的臨界量，那麼宇宙将永遠繼續膨脹。 第一個模型描繪了宇宙空間向内彎曲。在第二個模型中，空間将導緻一個扁平的結構，而第三個模型将導緻負的“鞍形”曲率。即使我們計算，目前的膨脹率也超過了宇宙的臨界密度，包括暗物質和所有恒星質量。第一個模型包括了宇宙的起源，即宇宙大爆炸，從一個密度無窮大、體積為零的空間開始，也就是所謂的“奇點”，廣義相對論（弗裡德曼的解基于此）也在這個點上崩塌。 羅傑·彭羅斯利用光錐和廣義相對論證明，一顆坍縮的恒星可能會産生一個大小為零、密度和曲率無窮大的區域，稱為黑洞。霍金和彭羅斯共同證明了宇宙應該是由一個奇點産生的，而一旦考慮到量子效應，霍金本人就反駁了這個觀點。 第四章：測不準原理 測不準原理說，粒子的速度和位置不能精确地知道。為了找到粒子的位置，科學家們用光線照射粒子。如果使用高頻光，光可以更準确地找到位置，但粒子的速度将不那麼确定（因為光會改變粒子的速度）。如果使用較低的頻率，光可以更準确地找到速度，但粒子的位置将不那麼确定。測不準原理推翻了确定性理論的觀點，或者某種可以預測未來一切的理論。 本章還讨論了光的波粒二象性行為。光（以及所有其他粒子）既表現出粒子的特性，又表現出波的特性。 第五章：基本粒子與自然力 誇克和其他基本粒子是本章的主題。 誇克是基本粒子，構成了宇宙中的大部分物質。誇克有六種不同的 "味道"：上、下、奇異、魅力、底和頂。誇克也有三種 "顔色"：紅、綠、藍。還有反誇克，它們在某些屬性上與誇克不同。 所有粒子（例如誇克）都有一個叫做自旋的屬性。粒子的自旋向我們展示了一個粒子從不同方向看是什麼樣子。例如，一個自旋為0的粒子從任何方向看都是一樣的。一個自旋為1的粒子在每個方向上看起來都不一樣，除非該粒子被完全旋轉（360度）。霍金關于自旋1的粒子的例子是一個箭頭。自旋2的粒子需要旋轉一半（或180度）才能看起來一樣。

書中給出的例子是一個雙頭箭。宇宙中有兩組粒子：自旋為1/2的粒子（費米子），以及自旋為0、1或2的粒子（玻色子）。隻有費米子遵循泡利不相容原理。泡利不相容原理指出，費米子不能共享相同的量子狀态（例如，兩個 "自旋向上 "的質子不能在空間中占據同一位置）。如果費米子不遵循這一規則，那麼複雜的結構就不可能存在。 玻色子，自旋為0、1或2，不遵循排他性原則。這些粒子的一些例子是虛引力子和虛光子。虛引力子的自旋為2，并攜帶引力。這意味着，當引力影響兩個事物時，虛引力子在它們之間進行交換。虛光子的自旋為1，攜帶電磁力，它将原子固定在一起。 除了引力和電磁力，還有弱核力和強核力。弱核力是導緻放射性的原因。弱核力主要影響費米子。強核力将誇克結合成強子，通常是中子和質子，也将中子和質子結合成原子核。攜帶強核力的粒子是膠子。由于一種被稱為顔色禁锢的現象，誇克和膠子從未被單獨發現（除非在極高溫度下），它們總是被 "禁锢 "在強子中。 在極高的溫度下，電磁力和弱核力表現為單一的弱電力。預計在更高的溫度下，電弱力和強核力也會表現為單一的力。試圖描述這種 "組合 "力行為的理論被稱為大統一理論，它可能幫助我們解釋許多科學家尚未解決的物理學之謎。 第六章：黑洞

黑洞是時空的區域，其中的引力非常強大，以至于沒有東西能從其中逃脫。大多數黑洞是在非常大質量的恒星在其生命末期坍縮時形成的。一顆恒星必須至少比太陽重25倍才能坍縮成黑洞。黑洞周圍的邊界被稱為事件視界，沒有任何粒子可以從這裡逃到時空的其他部分。 不旋轉的黑洞具有球面對稱性。其他具有旋轉角動量的黑洞隻有軸對稱性。 天文學家很難找到黑洞，因為它們不産生任何光線。當黑洞吞噬一顆恒星時，就可以發現它。當這種情況發生時，墜落的物質會放出強大的X射線，這可以被望遠鏡看到。 在這一章中，霍金談到了他與另一位科學家基普-索恩在1974年打的著名賭。霍金認為黑洞不存在，而索恩則認為它們存在。霍金輸掉了這場賭局，因為新的證據證明天鵝座X-1确實是一個黑洞。 第七章：霍金輻射 本章讨論了霍金發現的黑洞行為的一個方面。 根據較早的理論，黑洞隻能變大，而不能變小，因為進入黑洞的東西不能出來。然而，在1974年，霍金發表了一個新理論，認為黑洞可以 "洩漏 "輻射。他想象了如果一對虛粒子出現在黑洞的邊緣會發生什麼。虛粒子從時空本身短暫地 "借用 "能量，然後相互湮滅，歸還借用的能量并停止存在。然而，在黑洞的邊緣，一個虛粒子可能被黑洞困住，而另一個則逃脫。由于熱力學第二定律的存在，粒子被 "禁止 "從真空中獲取能量。因此，粒子從黑洞而不是真空中獲取能量，并以霍金輻射的形式逃離黑洞。 根據霍金的理論，由于這種輻射，黑洞必須非常緩慢地随着時間的推移而縮小，而不是像科學家以前所認為的那樣繼續永存。盡管他的理論起初被人以極大的懷疑态度看待，但它很快就被認為是一項科學突破，為霍金在科學界赢得了重要的認可。 第八章：宇宙的起源和命運

這一章讨論宇宙的開始和結束。 大多數科學家一緻認為，宇宙開始于一種叫做“大爆炸”的膨脹。在大爆炸開始時，宇宙有一個極高的溫度，這阻止了像恒星這樣複雜的結構，甚至是像原子這樣非常簡單的結構的形成。在大爆炸期間，發生了一種被稱為“膨脹”的現象，在這種現象中，宇宙短暫地膨脹(“膨脹”)到一個更大的尺寸。暴脹解釋了宇宙的一些特征，這些特征以前曾使研究人員大為困惑。暴漲之後，宇宙繼續以較慢的速度膨脹。溫度變得更低，最終形成了這樣的結構。 霍金還讨論了如果宇宙的大小比實際增長的慢或快，它可能會出現什麼不同。例如，如果宇宙膨脹得太慢，它就會坍塌，就沒有足夠的時間形成生命。如果宇宙膨脹得太快，它會變得幾乎是空的。霍金支持有争議的“永恒膨脹假說”，他認為我們的宇宙隻是無數具有不同物理定律的宇宙中的一個，其中大多數都不适合生命生存。 本章還讨論了量子引力的概念。 第九章：時間之箭 在這一章中，霍金讨論了為什麼“實時”（霍金稱時間為人類觀察和體驗的時間）似乎有一個特定的方向，尤其是從過去走向未來。霍金随後讨論了三支“時間之箭”，在他看來，這三支箭賦予了時間這一屬性。 霍金的第一支時間之箭是熱力學之箭。這是由熵（霍金稱之為無序）增加的方向決定的。根據霍金的說法，這就是為什麼我們從來沒有看到杯子的碎片聚在一起形成一個完整的杯子。 第二個箭頭是心理上的時間之箭。我們對時間的主觀感覺似乎是單向的，這就是為什麼我們隻記得過去而不記得未來。霍金聲稱，我們的大腦測量時間的方式是，無序程度随着時間方向的增加而增加——我們從未觀察到它在相反的方向運動。換句話說，霍金聲稱心理時間之箭與熱力學時間之箭是交織在一起的。 霍金的第三支也是最後一支時間之箭是宇宙學的時間之箭。這是宇宙膨脹而不是收縮的時間方向。請注意，在宇宙收縮階段，熱力學和宇宙學的時間箭頭不會一緻。 霍金聲稱，宇宙的“無邊界假說”意味着宇宙在再次收縮之前會膨脹一段時間。他繼續争辯說，無邊界的提議驅動了熵，它預測了一個定義良好的熱力學時間箭頭的存在，當且僅當宇宙在膨脹，因為它暗示宇宙必定以一種平滑有序的狀态開始，并且随着時間的推移必然向無序發展。 霍金認為，由于無邊界理論，一個收縮的宇宙不會有一個定義明确的熱力學箭頭，因此隻有一個處于膨脹階段的宇宙才能支持智慧生命。利用弱人擇原理，霍金繼續論證熱力學箭頭必須與宇宙學箭頭一緻，才能使任何一個都能被智慧生命觀測到。在霍金看來，這就是為什麼人類會經曆三支時間之箭向同一個方向移動。 第十章：蟲洞與時間旅行 許多物理學家試圖設計出可能的方法，讓人類利用先進的技術，能夠以比光速更快的速度旅行，或者回到過去，這些概念已經成為科幻小說的主要内容。 愛因斯坦-羅森橋早在廣義相對論研究曆史上就被提出。這些“蟲洞”從外面看起來和黑洞是一樣的，但是進入蟲洞的物質會被重新定位到時空中的不同位置，可能是在一個遙遠的空間區域，甚至是時間倒退。 然而，後來的研究表明，這樣一個蟲洞，即使它可能形成的第一個地方，不會允許任何物質通過之前變成一個正常的黑洞。從理論上講，要想蟲洞保持開放狀态，從而允許超光速旅行或時間旅行，唯一的方法就是存在能量密度為負的外來物質，而這違反了廣義相對論的能量條件。因此，幾乎所有的物理學家都同意，超光速旅行和時間倒退是不可能的。 霍金還描述了他自己的“時序保護猜想”，它提供了一個更正式的解釋，解釋為什麼超光速和回溯時間旅行幾乎肯定是不可能的。 第十一章：物理學的統一 量子場論（QFT）和廣義相對論（GR）在各自的适用範圍内以驚人的準确性描述宇宙物理。然而，這兩種理論相互矛盾。例如，QFT的不确定性原理與GR不相容。這一矛盾，以及QFT和GR不能完全解釋觀測到的現象這一事實，促使物理學家尋找一種“量子引力”理論，既能内部一緻，又能像現有理論一樣或更好地解釋觀測到的現象。 霍金謹慎樂觀地認為，盡管面臨重大挑戰，這樣一個統一的宇宙理論可能很快就會被發現。在寫這本書的時候，“超弦理論”已經成為最受歡迎的量子引力理論，但這個理論和相關的弦理論仍然是不完整的，盡管付出了巨大的努力，還沒有得到證明。弦理論提出粒子的行為像一維的“弦”，而不是像量子傅立葉變換中那樣是無量綱的粒子。這些弦在許多維度上“振動”。超弦理論需要10個維度，而不是QFT中的3個維度或GR中的4個維度。超弦理論所要求的六個“超空間”維度的性質即使不是不可能也很難研究。如果沒有一種方法來縮小可能性的範圍，很可能就不可能找到弦理論的實際應用。 第十二章：結論 霍金表示，人類一直想了解宇宙及其所在的位置。起初，事件被認為是随機的，由類似人類的情緒幽靈控制。但在天文學和其他一些領域，人們發現了宇宙運行的規律。近幾個世紀以來，随着科學的進步，人們對宇宙的内部運行已經有了更深入的了解。拉普拉斯在19世紀初提出，宇宙的結構和演化最終可以用一套定律來精确解釋，但這些定律的起源是由上帝來決定的。20世紀，量子理論引入了不确定性原理，它限制了未來定律的預測精度。 從曆史上看，宇宙學的研究主要是出于對哲學和宗教見解的探索，例如，為了更好地理解上帝的本質，甚至上帝是否存在。然而，今天研究這些理論的大多數科學家都是通過數學計算和經驗觀察來接近它們，而不是提出這樣的哲學問題。這些理論的技術性越來越強，使得現代宇宙學越來越脫離哲學讨論。霍金希望有一天每個人都能談論這些理論，以了解宇宙的真正起源和本質，實現“人類推理的最終勝利”。