花吃了那只喵

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时间简史 | 宇宙的各种现象和宇宙知识



一直以为时间简史是一本介绍时空的书籍,本科时代都想读一直没有看。现在抓起来再看,又一次感觉回到了大学时代。这本书确实是介绍时空,但是更具体的来说,是介绍了宇宙的各种现象和宇宙知识~

可能是这些没有数学推理的物理知识,在霍金等大神看来就是科普读物,通过本次阅读,还是收获不小,再次整理出之前没有成系统的知识。

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一、哈勃的功绩
一直知道哈勃望远镜,而不知道哈勃的贡献。
哈勃的发现标志着现代宇宙学的诞生。他的红移定律说,从星系光谱的红移可以推断,越远的星系以越快的速度飞离开我们,这表明整个宇宙处于膨胀的状态。

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二、霍金的奇点
一般认为,爱因斯坦的广义相对论是描述宇宙的正确理论。在经典广义相对论的框架中,霍金和彭罗斯,在很一般的条件下,证明了时空一定存在奇点,最著名的奇点即是黑洞里的奇点和宇宙大爆炸处的奇点。所有定律和可预见性都在奇点处失效。奇点可以看做时空的边缘或边界。只有给定了奇点处的边界条件,才能从爱因斯坦方程得出宇宙的演化。由于边界条件只能由宇宙外的造物主给定,所以宇宙的命运就操纵在造物主手中。这就是从牛顿时代起一直困扰人类智慧的第一推动问题。

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三、什么是科学理科
为了谈论宇宙的性质和讨论诸如它是否存在启始或终结的问题,你必须清楚什么是科学理论。我将采用素朴的观点,即理论只不过是宇宙或它的受限制的部分的模型,以及一族把这模型中的量和我们做的观测相联系的规则。它只存在于我们的头脑中,不再具有任何其他(不管在任何意义上)的实在性。一个好的理论必须满足以下两个要求:首先,这个理论必须能准确地描述大量的观测——这些观测是根据只包含少数任选的元素的模型所做出的;其次,这个理论能对未来观测的结果作出明确的预言。例如,亚里士多德相信恩贝多克利的关于任何东西是由四元素——土、气、火和水组成的理论,该理论是足够简单的了,但它没有做出任何明确的预言。另一方面,牛顿的引力理论是基于甚至更为简单的模型,在此模型中两物体用一种力相互吸引,该力和被称为它们质量的量成正比,并和它们之间的距离的平方成反比。然而,它以很高的精确性预言了太阳、月亮和行星的运动。
在只是一个假设的意义上来讲,任何物理理论总是临时性的:你永远不可能证明它。不管多少回实验的结果和某个理论相一致,你永远不可能断定下一次结果不和它矛盾。另一方面,哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实,即可证伪之。正如科学哲学家卡尔·波普强调的,一个好的理论的特征是,它能给出许多在原则上可以被观测否定或证伪的预言。每回观察到与这预言相符的新的实验,则这理论就存活,并且增加了我们对它的信任度;然而若有一个新的观测与之不符,则我们只得抛弃或修正这理论。
因为,除了最极端的情况外,我们已有的部分理论足以对所有的一切作出精确的预言,所以,要为探索宇宙的终极理论寻找实用的理由,看来就非常困难了:(值得指出的是,虽然类似的论点在过去既可以用来反对相对论,又可以用来反对量子力学,但这些理论已给我们带来了核能和微电子学的革命!)所以,发现一个完整的统一理论可能对我们种族的存活无助,甚至也不会影响我们的生活方式。然而自从文明开始以来,人们即不甘心于将事件看做互不相关不可理解。他们渴望理解世界的根本秩序。今天我们仍然亟想知道,我们为何在此?我们从何而来?人类求知的最深切的意愿足以为我们从事的不断探索提供充足的理由。而我们的目标恰恰正是对于我们生存其中的宇宙作出完整的描述。

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四、广义相对论和量子力学的地位
今天,科学家按照两个基本的部分理论——广义相对论和量子力学来描述宇宙。它们是本世纪(即20世纪,下同一编者注)上半叶的伟大的智慧成就。广义相对论描述引力和宇宙的大尺度结构,也就是从只有几英里直到大至1亿亿亿(1后面跟24个0)英里(1英里=1.609千米),即可观测到的宇宙的尺度的结构。另一方面,量子力学处理极小尺度,例如万亿分之1英寸(1英寸=2.54厘米)的现象。然而可惜的是,这两个理论不是相互协调的——它们不可能都对。当代物理学的一个主要的努力,以及本书的主题,即是寻求一个能将其合并在一起的新理论——量子引力论。我们还没有这样的理论,要获得这个理论,我们可能还有相当长的路要走,然而我们已经知道了这个理论所应具备的许多性质。在以下几章,人们将会看到,我们对量子引力论所应有的预言已经知道得相当多。

1、广义相对论中光速
这个被称为相对论的基本假设是,不管观察者以任何速度做自由运动,相对于他们而言,科学定律都应该是一样的。这对于牛顿的运动定律当然是对的,但是现在这个观念被扩展到包括麦克斯韦理论和光速:不管观察者运动多快,他们应测量到一样的光速。这简单的观念有一些非凡的结论。可能最著名者莫过于质量和能量的等价,这可用爱因斯坦著名的方程E=mc2来表达(E是能量,m是质量,c是光速),以及没有任何东西可能行进得比光还快的定律。由于能量和质量的等价,物体由于它的运动具有的能量应该加到它的质量上去。换言之,要加速它将更为困难。这个效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如,以10%光速运动的物体的质量只比原先增加了0.5%,而以90%光速运动的物体,其质量变得比正常质量的两倍还多。当一个物体接近光速时,它的质量上升得越来越快,这样它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速,因为那时质量会变成无限大,而根据质量能量等价原理,这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因,相对论限制了物体运动的速度:任何正常的物体永远以低于光速的速度运动,只有光或其他没有内禀质量的波才能以光速运动。

2、最近的恒星
最近的恒星叫做比邻星,它离我们大约4光年那么远(从它发出的光大约花费4年才能到达地球),也就是大约23万亿英里的距离。其他大部分肉眼可见的恒星离开我们的距离均在几百光年之内。与之相比,太阳仅仅在8光分那么远!可见的恒星散布在整个夜空,但是特别集中在一条称为银河的带上。

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