【经典解读】霍金：时间简史

【经典解读】霍金：时间简史

教程介绍 在霍金的着作中，首先要提到的就是他在1988年出版的代表作《时间简史》，这是一部无可争议的宇宙学权威着作。此书中，霍金以浅显的语言解读了许多深奥的宇宙问题，如空间和时间的本质。时间到底是什么？时间可逆转吗？可以穿越时间隧道去旅行吗？宇宙有没有边缘？宇宙起源于哪里，未来会怎样？这些问题困住了众多的哲学家和科学家。 而在霍金这里，这些难题迎刃而解。他的《时间简史》在科学界、出版界都鼎鼎有名。因为他清晰地解读了宇宙学的很多问题，将高深的理论物理学通俗化，向大众普及。 尽管如此，书中的一些复杂概念、逻辑关系还是有些难度，没有一定物理学基础很难真正读懂，所以说，此书有很大的简化空间。为此对《时间简史》进行了通俗的阐释，带给你一个人人都可以读懂的霍金！ 一、人类对宇宙的认识； 二、极小粒子； 三、时间的箭头。   一、人类对宇宙的认识 在远古的先民们其实很早就对头顶的天空产生浓厚的兴趣，他们生活在广袤的大地上，认为地球是平的，并且被一只巨型乌龟承托着，可是这只乌龟又站在了哪里呢？有一些细心的观察者发现，在发生月食时地球投射到月亮上的影子是圆弧的，这是才意识到地球可能是个球体。直到进一步证实，当人们在海边发现船从远处驶来时，总是先看到船帆，后看到船体，并且当船远去时船体先消失，船帆后消失，这时人们才普遍接受地球确实是球体。而且，地心说是当时人们坚信不疑的理念。 在1514年哥白尼提出日心说，他怕被教会谴责为异端，匿名提出这个观点。直到1609年开普勒和伽利略通过用望远镜观察天体的运动，证实了日心说，这时大家才恍然大悟，正式接受日心说理念。这时候科学家还是搞不清楚天体运动的规律。直到1687年牛顿出版了《自然哲学的数学原理》，这是物理学有史以来最重要的着作，牛顿不但提出物体如何在空间和时间中运动的理论，还发展了为分析这些运动所需的复杂的数学，并提出万有引力定律。这时的人们也认识到了宇宙的广博，并且开始思考，这宇宙到底是由谁创造的呢？在没有确切答案之前，人们只能相信宇宙是神创造的。   当所有人都深信宇宙是永恒的、静止的，但在1929年哈勃的发现让所有人都惊掉了下巴，他发现不管你往哪个方向观测，远处的星系都正在急速地飞离我们而去，也就是宇宙正在膨胀，倒推这个膨胀，大约在137亿年前宇宙的所有物质都集合为一个点，这个点的密度无限大，尺度无限小，称之为奇点，在奇点处所有科学定律全部失效，这个点爆炸演变成现在的宇宙，这就大爆炸理论，视为时间的开始。 直到现在，人们对宇宙的探索欲望依然高涨，在20世纪初，科学家按照两个基本理论进行研究，分别是广义相对论和量子力学，它们是20世纪最光辉灿烂的智慧成就。广义相对论描述的是引力和宇宙的大尺度结构，从几英里直到大到1亿亿亿（1后面跟24个0）英里。量子力学处理极小尺度，如万亿分之一英寸。当代物理学的努力方向是寻求一个万能理论，即可以解释宇宙中一切现象的理论，我们从未停止探索的步伐。当然，一切理论都是以前人的结论为基础，科学力求严谨，任何推论只要有一个事实不符合都不能成为定理。伽利略的重力实验和牛顿的三大定律证实了作用力、质量和加速度成为物理学的坚实基础。物理学家罗默发现，地球和木星围绕太阳公转时，木星的卫星并不是以等时间间隔从木星背后出来，我们离木星越远时出来的也越晚，说明光要花更长的时间到达我们这里，进而证明光的速度也是有极限的。后来还证明光是以波的形式辐射出去的。根据波长可以把光分为可见光（即七色光）、红外线、紫外线、x射线和γ射线。光线充满了我们的世界，可你知道吗，不管你处在什么样的速度上，光对于你的速度是恒定不变的。 下面我们再说一个更烧脑的，我们都知道我们处在一个三维的空间里，加上时间这一维度一共是四维时空，一个光脉冲从一个特定的时间点在一个特定的时刻发出，在时间的进程中，它会作为一个光球发散开来，越来越大，如果把每个时刻的光辐射都堆叠起来会形成一个圆锥，这个圆锥就是四维时空。沿着时间行进的方向就是将来光锥，而它的反面就是过去光锥。因为没有任何有质量的物体的速度会超过光速，所以所有事件都发生在光锥之内。这也正是爱因斯坦的狭义相对论。   至于他的广义相对论，其中一个观点是大质量的物体会使空间和时间弯曲，就像把一个铅球放在一张平整的蹦床上，蹦床会被压弯一样。太阳的质量足以扭曲时空。另一个观点是大质量物体的附近，时间流逝得会慢一些。因为光的能量和频率是相关的，能量越大则频率越高，当光从大质量物体远离时，引力会使光失去能量，这时频率下降，时间是被延长的。地球这样的天体足以使时间减慢，地球表面的人的时间会比空间站里宇航员的时间慢一些。在广义相对论中没有绝对时间，每个人都有自己的时间测度。   前文我们提到了，哈勃发现宇宙是在膨胀的，出于好奇，我们就是想知道宇宙到底有多大呢？宇宙的图景是什么样的？根据现代望远镜技术的成熟，可观测到的范围内就有几千亿个星系，每个星系内都有几千亿颗恒星。像我们的银河系就是一个有多个旋臂的、直径达到10万光年的圆盘形，而我们的太阳就在其中一个旋臂的不起眼的位置绕着星系中心旋转。不同的恒星具有不同的光谱，炽热物体发出的光会有热谱，从而可以依据热谱得知恒星的温度，此外我们知道每一种化学元素会吸收独特的颜色族系，从而依据恒星光谱丢失的颜色判断恒星的组成元素。其实恒星上的组成元素和我们地球的组成元素都是一样的。而且我们在观察某些恒星时发现它的光谱向红色移动，这个现象称为红移，说明恒星发出的光的波长在加长，得出结论是这颗恒星在远离我们而去，而且离我们越远的星体远离我们的速度越快，这是说明宇宙并不是静止的，而是在加速膨胀。后来在1965年美国物理学家彭齐亚斯和威尔逊的微波探测器探测到了很大的噪声，排除故障后发现噪声一直都有并且在任何方向都一样，推测出来这噪声就是宇宙微波背景辐射，是宇宙大爆炸时的声音。进一步奠定了宇宙是在奇点处大爆炸而演化的。 直到现在我们人类对宇宙的观察已经持续了几千年，从远古文明的神创论到现在已经确定了的运行规律，以及不断颠覆和推倒之前结论的勇气，支撑我们的除了科学技术的进步外，更是我们人类对宇宙的一颗孜孜不倦、追求进取和充满好奇的心！ 二、极小粒子 在上学的时期我们都学过，组成物质的最小单位是原子，那时根本无法观测原子内部的情况。因为想要观测某物体必须用光照射它才能看到，而普通光的波长比原子的直径大得多，无法看到原子内部，想要缩短光的波长必须给光束增加能量。从而得出原子是由原子核和核外电子组成，而原子核由质子和中子构成。人类的探索欲望就是这样强烈，我们还想确定质子和中子是不是最小的粒子。最终发现，比质子和中子更小的粒子是夸克，是已知最小的粒子。夸克有6种味”分别是上、下、奇、粲、底和顶，每种味都带有3种色”（色仅仅是标签，夸克比可见光的波长小得多，所以没有任何颜色，只是科学家的想象而已）。一个质子由两个上夸克和一个下夸克组成；一个中子由两个下夸克和一个上夸克组成。每个夸克各有一种颜色。我们可以创生其它种类的夸克（奇、粲、底和顶）构成的粒子，但所有这些都具有大得多的质量，并非常快地衰变成质子和中子。   讲完最小的粒子，下面我们来看看粒子之间的作用力。粒子之间的作用力按照其强度以及与其相互作用的粒子可以分成4种作用力。 第一种力是引力，引力是万有的，每个粒子都因它的质量或能量而感受到引力。引力比其他三种力都弱得多，但它可以作用到很远的距离去，并总是吸引的。单独粒子之间的非常弱的引力能都叠加起来而产生相当大的力量。 第二种力是电磁力，它作用于带电荷的粒子之间，不与不带电荷的粒子作用。它比引力强得多，两个电子之间的电磁力比引力大100亿亿亿亿亿（1后面跟42个0）倍。电磁力在原子和分子这种小尺度下起主要作用。带负电的电子和带正电的核内质子之间的电磁力使得电子围绕原子核公转。 第三种力是弱核力，它负责放射性现象，有一种被称作重矢量玻色子的粒子，称作W?、W??和Z?，这些在低能量下看起来完全不同的粒子，事实上都是同一种粒子处于不同的状态，所有这些粒子在高能量下都有相似的行为。 第四种力是强核力，它将质子和中子中的夸克束缚在一起，并将原子核中的质子和中子束缚在一起。强核力确实很强，但是在大型粒子加速器中进行高能粒子碰撞时，强核力也不堪一击。 说到这里我们已经对这些组成宇宙万物的极小粒子有了初步的了解，这些粒子我们看不见，摸不着，而且无时不刻不在做无规则运动。想到这我们脑海里在电光火石的一刹那有个大胆的推测，我们能不能掌握这些粒子的运动规则从而推演出整个宇宙的运行轨迹和规律，这样我们就能根据这个规律推测宇宙下一步会怎样运行，也就是我们可以预言未来。先别高兴得太早，要在1926年德国科学家海森伯提出了着名的不确定性原理，我们这个幻想破灭了。不确定性原理讲的是我们要想预言粒子将来的状态，必须先要知道粒子现在的状态，即速度和位置。在测量时就需要用光去照射它们，可是当我们测量粒子速度的时候，位置就会测不准确，反之当我们测量粒子位置的时候，速度就会测不准确。由光的波粒二象性得出，光是一种电磁波，也是由光子组成，在微观世界下一个光子碰撞到被测粒子都会影响该粒子的运动状态，也就是说我们测量这件事本身就会改变粒子的状态，其结果是人工干预了的，不是宇宙的自然演化，所以我们是永远不能预言的。 讲了这么多，下面我们放松一下，讲一个比较玄的天体——黑洞。   关于黑洞霍金专门有一本书叫《黑洞不是黑的》，我也做了解读，有兴趣可以看看。黑洞是怎么形成的呢？我们先了解一下恒星，比如太阳，太阳能够发光发热是因为其内部的核反应，氢原子核聚变成氦原子，同时释放大量能量，地球就靠这个能量孕育万物。恒星内核的能量辐射出来的扩张力与恒星表面受到内核的引力达到平衡状态，可是内核的氢原子总有耗尽的时候，能量减弱，当扩张力不足以支撑恒星表面受到内核的引力的时候，表面就会塌缩，形成超新星爆发，高温高压使内核的每个原子都挤破了，形成密度无限大、引力无限大的天体，就是黑洞。黑洞并不是一个洞，它还是一个球体。我们的太阳已经燃烧了50亿年，正好过完生命的一半，再过50亿年太阳将耗尽所有燃料而死亡，由于太阳的质量太小了，不能形成黑洞，太阳死亡后会形成白矮星。需要至少是太阳质量3.8倍的恒星死亡后才能形成黑洞。黑洞的密度和引力无限大，大到连光都不能从其表面逃逸（光还是宇宙中速度最快的呢），我们银河系的中心就有一颗超大质量黑洞，它的质量是太阳的400万倍，统治着整个银河系，据推测每个大型星系的中心都有一个超大质量黑洞。黑洞的引力边缘叫事件视界，如果你越过了黑洞的事件视界，那么一切将无力回天，你就只能乖乖地等着落到黑洞上吧，它会把你撕碎，压成粒子状态。黑洞可以严重地扭曲时间和空间，在黑洞表面时间是静止的，空间就是奇点，所有物理学定律都会失效。霍金通过研究指出，黑洞并不是完全吞噬所有物体的，在空间中存在着粒子和反粒子相互碰撞并湮灭，如果在黑洞事件视界的边缘正好有一对粒子和反粒子还没来得及碰撞，其中一个受到引力被吸进黑洞，另一个刚好在事件视界外面一点，刚好不受引力吸引，那么它就成功逃逸了，从外面看来黑洞是辐射出粒子的，被称为霍金辐射，所以他说黑洞并不是完全黑的，霍金是第一个将量子力学引入天体运动的，这是他的伟大成就之一。   我们第一次探测到的引力波就是两个黑洞碰撞合并后，强烈扭曲空间而造成的。 三、时间的箭头 好了，以上讲的就是从我们人类第一次观察宇宙到现在为止，我们观察到的现象以及总结出来的规律。下面我们深挖本书的主题——时间。我们人类存在的时间对于宇宙的年龄来说简直就是昙花一现，那么以宇宙学的视角，时间到底是怎么演化的呢？ 现在我们已经接受了宇宙是在大爆炸中起源，因为那是我们观察到的实实在在的现象。在奇点处时空曲率无限大，突然在某一时刻爆炸了，时间和空间就此开始，但是我们只能在大爆炸之后的10????秒开始测量（时间的最小单位是10的负43次方秒），这时宇宙的温度是1亿亿亿亿度（1后面跟32个0），如此高温度和高能量下粒子碰撞会产生许多不同的粒子和反粒子成对碰撞后湮灭，粒子运动速度之快足以逃脱任何核力和电磁力的吸引作用。 大爆炸后的1秒钟，温度降低到100亿度，这大约是太阳中心温度的1000倍，氢弹爆炸可以达到此温度。这时宇宙包含光子、电子和中微子以及它们的反粒子，夸克形成了质子和中子。 宇宙继续膨胀，温度继续降低，大爆炸后的100秒时，温度降到了10亿度，也是最热的恒星内部的温度，此温度下质子和中子不再有足够的能量逃脱强核力的吸引，结合成氘原子核（一个质子和一个中子）。更多的质子和中子结合成了氦核，还有少量锂和铍等更重的元素。 大爆炸后的30万年，温度降到了3000度，电磁力将电子和原子核束缚在了一起，物质和辐射完全分离。再之后的10亿年，温度降到了20度，粒子团（也就是星云）互相吸引形成块状，随着质量的增加引力也随之增加，吸引更多粒子，密度和温度升高，最终形成恒星。恒星耗尽燃料死亡后会超新星爆发，高温高压会形成碳、氧甚至金、银等更重的物质，超新星爆发吹出来的气体云会形成新的恒星，而这些重元素则形成行星。随着时间的推移，我们的太阳系就诞生了。地球上的无机物非常巧合地形成了有机物大分子，这就是所有生命的祖先，它们对生命的渴求以及发现了遗传密码，最终形成我们现在的世界。我们拥有一个能够容纳我们繁衍的环境，真的是无数次巧合共同作用的结果。霍金称之为人存原理，即我们看到的宇宙之所以如此，乃是因为我们的存在。 直到现在宇宙还在膨胀，霍金把宇宙形容为一个有限但是无边界的空间。而且也是时候给时间确定一个定义得很好的方向了，也就是时间的箭头。   长期以来人们还是相信绝对时间，也就是每一个事件都可由一个称为时间”的数字以唯一的方式来标记，所有正常的时钟在测量两个事件之间的时间间隔上都是一致的。而在相对论中人们必须抛弃存在一个唯一的绝对时间的概念，相反，每个观察者都有由他自己携带的钟来记录他自己的时间测度。作者在书中设定了三个时间箭头方向： 第一个是热力学时间箭头，我们都知道任何物体的组成粒子会随着物体温度的升高而提高运动速度，这时物体内部粒子就会变得越来越无序，这种混乱的状态称为熵”。热力学时间箭头说明时间会向着无序度或熵增加的方向流动。举个例子说明一下，例如一个完好的杯子是一个很有序的状态，熵很低，当这个杯子从桌子上掉到地上摔碎了，这个碎片的状态就是很无序的、混乱的状态，熵值增加了。热力学时间箭头说明杯子只能从桌子上掉到地上摔碎，从有序变成无序，绝对不可能由这个杯子的碎片聚合成一个完好的杯子然后从地面跳到桌子上这种方向流动。 第二个是心理学时间箭头，也就是我们感觉到的时间流逝的方向，在这个方向上我们能够记忆的是过去而不是未来。心理学箭头是由热力学箭头决定的，因为我们必须在熵增加的方向上记住事物，从而测得时间。因为我们记忆事物的时候确实是把无序变成有序，但是我们消耗的能量释放到我们周边，使我们周边的无序度大大增加。 第三是宇宙学时间箭头，就是宇宙在这个方向上是膨胀的而不是收缩。根据我们的观察证实，宇宙必须从光滑有序的的状态开始，随着无序度的增加宇宙只能一直在膨胀，而智慧生命只能生存在膨胀状态下的宇宙。 既然我们已经确定了时间的流向，那我们可以大胆地设想一下，这个时间箭头会不会分岔呢？我们能不能去到过去或者未来而进行时间旅行呢？ 前面我们提到过，大质量物体会使时间变慢，当你越过黑洞的事件视界时你回眸一看，外面的时间在飞速流逝，而你的手表可能刚走完一秒钟，你已经去到未来了（但是不好意思，你会在几个小时后被撕碎成粒子）。还有一种可能就是你被加速到光速，当你坐在一列以光速行驶的火车上，每秒钟绕行地球七圈半，一个小时后你下车，发现你的亲朋好友在几千年前就已经死去了。 事实证明我们不能被加速到光速，因为任何有质量的物体接近光速时质量会增加到无限大，这就需要无限大的能量，我们还做不到。那么我们能回到过去吗？也不行，因为需要以超光速飞行才能使时间倒流，这更是做不到。现在我们还不能发现甚至制造一个能够支持时间旅行的时空曲率，也就是虫洞。   当然这里面也有很多悖论，比如我通过虫洞回到了昨天，并把昨天的我杀死了，那怎么会有今天的我出现，对于昨天的我来说已经死了，怎么会有一个未来的自己回来杀自己呢？ 如果今天没有了，那明天会不会有昨天？ 再或者，为什么没有一个未来的人穿越回现在告诉我们一些高阶知识，或制造虫洞的方法？来加速我们的文明？ 回答这个悖论的只能是：宇宙的演化有无数多种可能，而我们只是生活在宇宙随机挑选一个方式中而已，如果谁回到了过去，那他会以另一种方式演化，而我们和那个人可能永远不会见面。也许存在无穷多个宇宙。 到现在为止我们解释宇宙的武器”已经有牛顿定律、相对论、不确定性原理和量子力学等等，可是我们还是想寻求一个可以解释宇宙万物的、完备的、协调的万能理论。1984年弦理论”进去视野，有望打开这所大门。意思是每个微小的粒子可以看成一根微小的弦，这个弦只有长度，是一维的。可以很好地解释时空关系。整个宇宙一共有11个维度，而我们生存在其中的4维时空里，其它的维度都紧密的卷曲着，并没有展开。那我们怎么才能进入高维时空里呢？只有后人的好奇心才能帮我们找到答案。 到这里整本书就讲完了，下面我说说我的几点感受： 1.就像霍金在后面说的，如果科学家找到了任何新的理论，都应该表达出来，让所有人都能参与到科学探索中去，这是一种上帝精神，也是他写这本书的愿景。 2.这本书讲的是以时间为主题的宇宙发展，很好地为我们打开了宇宙学视角和思维。我们现在的人的思维已经固化了，殊不知正是那些前人以好奇的心态和开放的思维造就了今天的文明。我们反对按部就班”！我们需要逾越规则”式的创新！ 3.说到时间，我们生命的本质：不就是一段时间吗！每个人都有自己的时间测度，而时间又是生命价值的测度。我们可以用上帝视角观察我们已过去的时间，产生了多少价值。我们每个人心里都有一种最原始的冲动、最撩拨心弦的记忆和对未来的愿望，抓住它、强化它、坚持它，它就是我们最初的梦想。 4.我们总想抓住时间的尾巴，让它流逝得慢一点，其实大可不必，我们可以让它自顾自地流着，只要我们把相同的时间叠加更多价值就好，在时间价值面前，你不用着急出发，因为你会被抵达。 时间是最公平的，也是每个人最宝贵的资源，与其说要如何珍惜时间这种难落实的话，不如我们可以把时间当做朋友，在正确的时间，做正确的事。在它的陪伴下，我们在单位时间创造的价值，我们这一生叠加的价值，我们的思维更新得有多快，还有梦想的实现进度都会被量化。当我们回眸的时候，可以创作出一部仅属于我们自己的、独一无二的——时间简史。