【經典解讀】霍金：時間簡史

【經典解讀】霍金：時間簡史

教程介紹 在霍金的著作中，首先要提到的就是他在1988年出版的代表作《時間簡史》，這是一部無可爭議的宇宙學權威著作。此書中，霍金以淺顯的語言解讀了許多深奧的宇宙問題，如空間和時間的本質。時間到底是什么？時間可逆轉嗎？可以穿越時間隧道去旅行嗎？宇宙有沒有邊緣？宇宙起源于哪里，未來會怎樣？這些問題困住了眾多的哲學家和科學家。 而在霍金這里，這些難題迎刃而解。他的《時間簡史》在科學界、出版界都鼎鼎有名。因為他清晰地解讀了宇宙學的很多問題，將高深的理論物理學通俗化，向大眾普及。 盡管如此，書中的一些復雜概念、邏輯關系還是有些難度，沒有一定物理學基礎很難真正讀懂，所以說，此書有很大的簡化空間。為此對《時間簡史》進行了通俗的闡釋，帶給你一個人人都可以讀懂的霍金！ 一、人類對宇宙的認識； 二、極小粒子； 三、時間的箭頭。   一、人類對宇宙的認識 在遠古的先民們其實很早就對頭頂的天空產生濃厚的興趣，他們生活在廣袤的大地上，認為地球是平的，并且被一只巨型烏龜承托著，可是這只烏龜又站在了哪里呢？有一些細心的觀察者發(fā)現，在發(fā)生月食時地球投射到月亮上的影子是圓弧的，這是才意識到地球可能是個球體。直到進一步證實，當人們在海邊發(fā)現船從遠處駛來時，總是先看到船帆，后看到船體，并且當船遠去時船體先消失，船帆后消失，這時人們才普遍接受地球確實是球體。而且，地心說是當時人們堅信不疑的理念。 在1514年哥白尼提出日心說，他怕被教會譴責為異端，匿名提出這個觀點。直到1609年開普勒和伽利略通過用望遠鏡觀察天體的運動，證實了日心說，這時大家才恍然大悟，正式接受日心說理念。這時候科學家還是搞不清楚天體運動的規(guī)律。直到1687年牛頓出版了《自然哲學的數學原理》，這是物理學有史以來最重要的著作，牛頓不但提出物體如何在空間和時間中運動的理論，還發(fā)展了為分析這些運動所需的復雜的數學，并提出萬有引力定律。這時的人們也認識到了宇宙的廣博，并且開始思考，這宇宙到底是由誰創(chuàng)造的呢？在沒有確切答案之前，人們只能相信宇宙是神創(chuàng)造的。   當所有人都深信宇宙是永恒的、靜止的，但在1929年哈勃的發(fā)現讓所有人都驚掉了下巴，他發(fā)現不管你往哪個方向觀測，遠處的星系都正在急速地飛離我們而去，也就是宇宙正在膨脹，倒推這個膨脹，大約在137億年前宇宙的所有物質都集合為一個點，這個點的密度無限大，尺度無限小，稱之為奇點，在奇點處所有科學定律全部失效，這個點爆炸演變成現在的宇宙，這就大爆炸理論，視為時間的開始。 直到現在，人們對宇宙的探索欲望依然高漲，在20世紀初，科學家按照兩個基本理論進行研究，分別是廣義相對論和量子力學，它們是20世紀最光輝燦爛的智慧成就。廣義相對論描述的是引力和宇宙的大尺度結構，從幾英里直到大到1億億億（1后面跟24個0）英里。量子力學處理極小尺度，如萬億分之一英寸。當代物理學的努力方向是尋求一個萬能理論，即可以解釋宇宙中一切現象的理論，我們從未停止探索的步伐。當然，一切理論都是以前人的結論為基礎，科學力求嚴謹，任何推論只要有一個事實不符合都不能成為定理。伽利略的重力實驗和牛頓的三大定律證實了作用力、質量和加速度成為物理學的堅實基礎。物理學家羅默發(fā)現，地球和木星圍繞太陽公轉時，木星的衛(wèi)星并不是以等時間間隔從木星背后出來，我們離木星越遠時出來的也越晚，說明光要花更長的時間到達我們這里，進而證明光的速度也是有極限的。后來還證明光是以波的形式輻射出去的。根據波長可以把光分為可見光（即七色光）、紅外線、紫外線、x射線和γ射線。光線充滿了我們的世界，可你知道嗎，不管你處在什么樣的速度上，光對于你的速度是恒定不變的。 下面我們再說一個更燒腦的，我們都知道我們處在一個三維的空間里，加上時間這一維度一共是四維時空，一個光脈沖從一個特定的時間點在一個特定的時刻發(fā)出，在時間的進程中，它會作為一個光球發(fā)散開來，越來越大，如果把每個時刻的光輻射都堆疊起來會形成一個圓錐，這個圓錐就是四維時空。沿著時間行進的方向就是將來光錐，而它的反面就是過去光錐。因為沒有任何有質量的物體的速度會超過光速，所以所有事件都發(fā)生在光錐之內。這也正是愛因斯坦的狹義相對論。   至于他的廣義相對論，其中一個觀點是大質量的物體會使空間和時間彎曲，就像把一個鉛球放在一張平整的蹦床上，蹦床會被壓彎一樣。太陽的質量足以扭曲時空。另一個觀點是大質量物體的附近，時間流逝得會慢一些。因為光的能量和頻率是相關的，能量越大則頻率越高，當光從大質量物體遠離時，引力會使光失去能量，這時頻率下降，時間是被延長的。地球這樣的天體足以使時間減慢，地球表面的人的時間會比空間站里宇航員的時間慢一些。在廣義相對論中沒有絕對時間，每個人都有自己的時間測度。   前文我們提到了，哈勃發(fā)現宇宙是在膨脹的，出于好奇，我們就是想知道宇宙到底有多大呢？宇宙的圖景是什么樣的？根據現代望遠鏡技術的成熟，可觀測到的范圍內就有幾千億個星系，每個星系內都有幾千億顆恒星。像我們的銀河系就是一個有多個旋臂的、直徑達到10萬光年的圓盤形，而我們的太陽就在其中一個旋臂的不起眼的位置繞著星系中心旋轉。不同的恒星具有不同的光譜，熾熱物體發(fā)出的光會有熱譜，從而可以依據熱譜得知恒星的溫度，此外我們知道每一種化學元素會吸收獨特的顏色族系，從而依據恒星光譜丟失的顏色判斷恒星的組成元素。其實恒星上的組成元素和我們地球的組成元素都是一樣的。而且我們在觀察某些恒星時發(fā)現它的光譜向紅色移動，這個現象稱為紅移，說明恒星發(fā)出的光的波長在加長，得出結論是這顆恒星在遠離我們而去，而且離我們越遠的星體遠離我們的速度越快，這是說明宇宙并不是靜止的，而是在加速膨脹。后來在1965年美國物理學家彭齊亞斯和威爾遜的微波探測器探測到了很大的噪聲，排除故障后發(fā)現噪聲一直都有并且在任何方向都一樣，推測出來這噪聲就是宇宙微波背景輻射，是宇宙大爆炸時的聲音。進一步奠定了宇宙是在奇點處大爆炸而演化的。 直到現在我們人類對宇宙的觀察已經持續(xù)了幾千年，從遠古文明的神創(chuàng)論到現在已經確定了的運行規(guī)律，以及不斷顛覆和推倒之前結論的勇氣，支撐我們的除了科學技術的進步外，更是我們人類對宇宙的一顆孜孜不倦、追求進取和充滿好奇的心！ 二、極小粒子 在上學的時期我們都學過，組成物質的最小單位是原子，那時根本無法觀測原子內部的情況。因為想要觀測某物體必須用光照射它才能看到，而普通光的波長比原子的直徑大得多，無法看到原子內部，想要縮短光的波長必須給光束增加能量。從而得出原子是由原子核和核外電子組成，而原子核由質子和中子構成。人類的探索欲望就是這樣強烈，我們還想確定質子和中子是不是最小的粒子。最終發(fā)現，比質子和中子更小的粒子是夸克，是已知最小的粒子�？淇擞�6種味”分別是上、下、奇、粲、底和頂，每種味都帶有3種色”（色僅僅是標簽，夸克比可見光的波長小得多，所以沒有任何顏色，只是科學家的想象而已）。一個質子由兩個上夸克和一個下夸克組成；一個中子由兩個下夸克和一個上夸克組成。每個夸克各有一種顏色。我們可以創(chuàng)生其它種類的夸克（奇、粲、底和頂）構成的粒子，但所有這些都具有大得多的質量，并非�？斓厮プ兂少|子和中子。   講完最小的粒子，下面我們來看看粒子之間的作用力。粒子之間的作用力按照其強度以及與其相互作用的粒子可以分成4種作用力。 第一種力是引力，引力是萬有的，每個粒子都因它的質量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多，但它可以作用到很遠的距離去，并總是吸引的。單獨粒子之間的非常弱的引力能都疊加起來而產生相當大的力量。 第二種力是電磁力，它作用于帶電荷的粒子之間，不與不帶電荷的粒子作用。它比引力強得多，兩個電子之間的電磁力比引力大100億億億億億（1后面跟42個0）倍。電磁力在原子和分子這種小尺度下起主要作用。帶負電的電子和帶正電的核內質子之間的電磁力使得電子圍繞原子核公轉。 第三種力是弱核力，它負責放射性現象，有一種被稱作重矢量玻色子的粒子，稱作W?、W??和Z?，這些在低能量下看起來完全不同的粒子，事實上都是同一種粒子處于不同的狀態(tài)，所有這些粒子在高能量下都有相似的行為。 第四種力是強核力，它將質子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子核中的質子和中子束縛在一起。強核力確實很強，但是在大型粒子加速器中進行高能粒子碰撞時，強核力也不堪一擊。 說到這里我們已經對這些組成宇宙萬物的極小粒子有了初步的了解，這些粒子我們看不見，摸不著，而且無時不刻不在做無規(guī)則運動。想到這我們腦海里在電光火石的一剎那有個大膽的推測，我們能不能掌握這些粒子的運動規(guī)則從而推演出整個宇宙的運行軌跡和規(guī)律，這樣我們就能根據這個規(guī)律推測宇宙下一步會怎樣運行，也就是我們可以預言未來。先別高興得太早，要在1926年德國科學家海森伯提出了著名的不確定性原理，我們這個幻想破滅了。不確定性原理講的是我們要想預言粒子將來的狀態(tài)，必須先要知道粒子現在的狀態(tài)，即速度和位置。在測量時就需要用光去照射它們，可是當我們測量粒子速度的時候，位置就會測不準確，反之當我們測量粒子位置的時候，速度就會測不準確。由光的波粒二象性得出，光是一種電磁波，也是由光子組成，在微觀世界下一個光子碰撞到被測粒子都會影響該粒子的運動狀態(tài)，也就是說我們測量這件事本身就會改變粒子的狀態(tài)，其結果是人工干預了的，不是宇宙的自然演化，所以我們是永遠不能預言的。 講了這么多，下面我們放松一下，講一個比較玄的天體——黑洞。   關于黑洞霍金專門有一本書叫《黑洞不是黑的》，我也做了解讀，有興趣可以看看。黑洞是怎么形成的呢？我們先了解一下恒星，比如太陽，太陽能夠發(fā)光發(fā)熱是因為其內部的核反應，氫原子核聚變成氦原子，同時釋放大量能量，地球就靠這個能量孕育萬物。恒星內核的能量輻射出來的擴張力與恒星表面受到內核的引力達到平衡狀態(tài)，可是內核的氫原子總有耗盡的時候，能量減弱，當擴張力不足以支撐恒星表面受到內核的引力的時候，表面就會塌縮，形成超新星爆發(fā)，高溫高壓使內核的每個原子都擠破了，形成密度無限大、引力無限大的天體，就是黑洞。黑洞并不是一個洞，它還是一個球體。我們的太陽已經燃燒了50億年，正好過完生命的一半，再過50億年太陽將耗盡所有燃料而死亡，由于太陽的質量太小了，不能形成黑洞，太陽死亡后會形成白矮星。需要至少是太陽質量3.8倍的恒星死亡后才能形成黑洞。黑洞的密度和引力無限大，大到連光都不能從其表面逃逸（光還是宇宙中速度最快的呢），我們銀河系的中心就有一顆超大質量黑洞，它的質量是太陽的400萬倍，統(tǒng)治著整個銀河系，據推測每個大型星系的中心都有一個超大質量黑洞。黑洞的引力邊緣叫事件視界，如果你越過了黑洞的事件視界，那么一切將無力回天，你就只能乖乖地等著落到黑洞上吧，它會把你撕碎，壓成粒子狀態(tài)。黑洞可以嚴重地扭曲時間和空間，在黑洞表面時間是靜止的，空間就是奇點，所有物理學定律都會失效。霍金通過研究指出，黑洞并不是完全吞噬所有物體的，在空間中存在著粒子和反粒子相互碰撞并湮滅，如果在黑洞事件視界的邊緣正好有一對粒子和反粒子還沒來得及碰撞，其中一個受到引力被吸進黑洞，另一個剛好在事件視界外面一點，剛好不受引力吸引，那么它就成功逃逸了，從外面看來黑洞是輻射出粒子的，被稱為霍金輻射，所以他說黑洞并不是完全黑的，霍金是第一個將量子力學引入天體運動的，這是他的偉大成就之一。   我們第一次探測到的引力波就是兩個黑洞碰撞合并后，強烈扭曲空間而造成的。 三、時間的箭頭 好了，以上講的就是從我們人類第一次觀察宇宙到現在為止，我們觀察到的現象以及總結出來的規(guī)律。下面我們深挖本書的主題——時間。我們人類存在的時間對于宇宙的年齡來說簡直就是曇花一現，那么以宇宙學的視角，時間到底是怎么演化的呢？ 現在我們已經接受了宇宙是在大爆炸中起源，因為那是我們觀察到的實實在在的現象。在奇點處時空曲率無限大，突然在某一時刻爆炸了，時間和空間就此開始，但是我們只能在大爆炸之后的10????秒開始測量（時間的最小單位是10的負43次方秒），這時宇宙的溫度是1億億億億度（1后面跟32個0），如此高溫度和高能量下粒子碰撞會產生許多不同的粒子和反粒子成對碰撞后湮滅，粒子運動速度之快足以逃脫任何核力和電磁力的吸引作用。 大爆炸后的1秒鐘，溫度降低到100億度，這大約是太陽中心溫度的1000倍，氫彈爆炸可以達到此溫度。這時宇宙包含光子、電子和中微子以及它們的反粒子，夸克形成了質子和中子。 宇宙繼續(xù)膨脹，溫度繼續(xù)降低，大爆炸后的100秒時，溫度降到了10億度，也是最熱的恒星內部的溫度，此溫度下質子和中子不再有足夠的能量逃脫強核力的吸引，結合成氘原子核（一個質子和一個中子）。更多的質子和中子結合成了氦核，還有少量鋰和鈹等更重的元素。 大爆炸后的30萬年，溫度降到了3000度，電磁力將電子和原子核束縛在了一起，物質和輻射完全分離。再之后的10億年，溫度降到了20度，粒子團（也就是星云）互相吸引形成塊狀，隨著質量的增加引力也隨之增加，吸引更多粒子，密度和溫度升高，最終形成恒星。恒星耗盡燃料死亡后會超新星爆發(fā)，高溫高壓會形成碳、氧甚至金、銀等更重的物質，超新星爆發(fā)吹出來的氣體云會形成新的恒星，而這些重元素則形成行星。隨著時間的推移，我們的太陽系就誕生了。地球上的無機物非常巧合地形成了有機物大分子，這就是所有生命的祖先，它們對生命的渴求以及發(fā)現了遺傳密碼，最終形成我們現在的世界。我們擁有一個能夠容納我們繁衍的環(huán)境，真的是無數次巧合共同作用的結果�；艚鸱Q之為人存原理，即我們看到的宇宙之所以如此，乃是因為我們的存在。 直到現在宇宙還在膨脹，霍金把宇宙形容為一個有限但是無邊界的空間。而且也是時候給時間確定一個定義得很好的方向了，也就是時間的箭頭。   長期以來人們還是相信絕對時間，也就是每一個事件都可由一個稱為時間”的數字以唯一的方式來標記，所有正常的時鐘在測量兩個事件之間的時間間隔上都是一致的。而在相對論中人們必須拋棄存在一個唯一的絕對時間的概念，相反，每個觀察者都有由他自己攜帶的鐘來記錄他自己的時間測度。作者在書中設定了三個時間箭頭方向： 第一個是熱力學時間箭頭，我們都知道任何物體的組成粒子會隨著物體溫度的升高而提高運動速度，這時物體內部粒子就會變得越來越無序，這種混亂的狀態(tài)稱為熵”。熱力學時間箭頭說明時間會向著無序度或熵增加的方向流動。舉個例子說明一下，例如一個完好的杯子是一個很有序的狀態(tài)，熵很低，當這個杯子從桌子上掉到地上摔碎了，這個碎片的狀態(tài)就是很無序的、混亂的狀態(tài)，熵值增加了。熱力學時間箭頭說明杯子只能從桌子上掉到地上摔碎，從有序變成無序，絕對不可能由這個杯子的碎片聚合成一個完好的杯子然后從地面跳到桌子上這種方向流動。 第二個是心理學時間箭頭，也就是我們感覺到的時間流逝的方向，在這個方向上我們能夠記憶的是過去而不是未來。心理學箭頭是由熱力學箭頭決定的，因為我們必須在熵增加的方向上記住事物，從而測得時間。因為我們記憶事物的時候確實是把無序變成有序，但是我們消耗的能量釋放到我們周邊，使我們周邊的無序度大大增加。 第三是宇宙學時間箭頭，就是宇宙在這個方向上是膨脹的而不是收縮。根據我們的觀察證實，宇宙必須從光滑有序的的狀態(tài)開始，隨著無序度的增加宇宙只能一直在膨脹，而智慧生命只能生存在膨脹狀態(tài)下的宇宙。 既然我們已經確定了時間的流向，那我們可以大膽地設想一下，這個時間箭頭會不會分岔呢？我們能不能去到過去或者未來而進行時間旅行呢？ 前面我們提到過，大質量物體會使時間變慢，當你越過黑洞的事件視界時你回眸一看，外面的時間在飛速流逝，而你的手表可能剛走完一秒鐘，你已經去到未來了（但是不好意思，你會在幾個小時后被撕碎成粒子）。還有一種可能就是你被加速到光速，當你坐在一列以光速行駛的火車上，每秒鐘繞行地球七圈半，一個小時后你下車，發(fā)現你的親朋好友在幾千年前就已經死去了。 事實證明我們不能被加速到光速，因為任何有質量的物體接近光速時質量會增加到無限大，這就需要無限大的能量，我們還做不到。那么我們能回到過去嗎？也不行，因為需要以超光速飛行才能使時間倒流，這更是做不到�，F在我們還不能發(fā)現甚至制造一個能夠支持時間旅行的時空曲率，也就是蟲洞。   當然這里面也有很多悖論，比如我通過蟲洞回到了昨天，并把昨天的我殺死了，那怎么會有今天的我出現，對于昨天的我來說已經死了，怎么會有一個未來的自己回來殺自己呢？ 如果今天沒有了，那明天會不會有昨天？ 再或者，為什么沒有一個未來的人穿越回現在告訴我們一些高階知識，或制造蟲洞的方法？來加速我們的文明？ 回答這個悖論的只能是：宇宙的演化有無數多種可能，而我們只是生活在宇宙隨機挑選一個方式中而已，如果誰回到了過去，那他會以另一種方式演化，而我們和那個人可能永遠不會見面。也許存在無窮多個宇宙。 到現在為止我們解釋宇宙的武器”已經有牛頓定律、相對論、不確定性原理和量子力學等等，可是我們還是想尋求一個可以解釋宇宙萬物的、完備的、協(xié)調的萬能理論。1984年弦理論”進去視野，有望打開這所大門。意思是每個微小的粒子可以看成一根微小的弦，這個弦只有長度，是一維的。可以很好地解釋時空關系。整個宇宙一共有11個維度，而我們生存在其中的4維時空里，其它的維度都緊密的卷曲著，并沒有展開。那我們怎么才能進入高維時空里呢？只有后人的好奇心才能幫我們找到答案。 到這里整本書就講完了，下面我說說我的幾點感受： 1.就像霍金在后面說的，如果科學家找到了任何新的理論，都應該表達出來，讓所有人都能參與到科學探索中去，這是一種上帝精神，也是他寫這本書的愿景。 2.這本書講的是以時間為主題的宇宙發(fā)展，很好地為我們打開了宇宙學視角和思維。我們現在的人的思維已經固化了，殊不知正是那些前人以好奇的心態(tài)和開放的思維造就了今天的文明。我們反對按部就班”！我們需要逾越規(guī)則”式的創(chuàng)新！ 3.說到時間，我們生命的本質：不就是一段時間嗎！每個人都有自己的時間測度，而時間又是生命價值的測度。我們可以用上帝視角觀察我們已過去的時間，產生了多少價值。我們每個人心里都有一種最原始的沖動、最撩撥心弦的記憶和對未來的愿望，抓住它、強化它、堅持它，它就是我們最初的夢想。 4.我們總想抓住時間的尾巴，讓它流逝得慢一點，其實大可不必，我們可以讓它自顧自地流著，只要我們把相同的時間疊加更多價值就好，在時間價值面前，你不用著急出發(fā)，因為你會被抵達。 時間是最公平的，也是每個人最寶貴的資源，與其說要如何珍惜時間這種難落實的話，不如我們可以把時間當做朋友，在正確的時間，做正確的事。在它的陪伴下，我們在單位時間創(chuàng)造的價值，我們這一生疊加的價值，我們的思維更新得有多快，還有夢想的實現進度都會被量化。當我們回眸的時候，可以創(chuàng)作出一部僅屬于我們自己的、獨一無二的——時間簡史。