《时间简史》

原作霍金，介绍空间与时间，原始书名是“从大爆炸到黑洞时间短史”，从对宇宙的理解，讲到关于时间观念的变迁。（其实更像是宇宙学简史）

• 三重折损：
  • V1：霍金·英文原著
  • V2：译文作者理解（折损）
  • V3：中译版（折损，削减复杂公式理论，转为简易理解的比喻）
  • V4：我的理解（折损）

宇宙的认识历史（宇宙的最表象展示）

• “地平论”，最原始的地球认知。
• “地心说”，在了解地球是圆的之后，以亚里士多德和托勒密代表的哲学家认为地球是宇宙中心。两千年前出现，该理论一直统治了很长一段时间。
• “日心说”，16世纪哥白尼提出的，17世纪由开普勒和伽利略修正和补充，提出的“开普勒三大定律”完整的描述了行星绕太阳运动的正确描述，为“牛顿三大定律”的提出奠定基础。
• “无限宇宙论”，“牛顿三大定律”和“万有引力定律”揭示了宇宙万物运行时靠引力，牛顿推测宇宙时无穷无尽的，引发了人们关于“宇宙是否有一个开端”的思考。

物理学的发展历史（透过表象看本质）

宇宙学研究的是日月星辰的运行规律，而物理学研究的是物体运动的本质规律，可以认为宇宙学是物理学下的应用学科，但是其实又有很多超出常规物理范畴。

• 亚里士多德：力是维持物体运动的原因，提出结论“重物比轻物下落得更快”，随后被伽利略推翻。
• 牛顿提出力学三大定律和万有引力定律，不仅促进了物理学的发展，并且运用到了宇宙行星中，精确的预言了地球、月球和其他行星的运动轨道。
  • 但同时提出，由于万有引力的作用下，恒星会在引力的作用下向中心聚拢直至坍塌，而无法一直保持稳定运行，只有宇宙是无限的情况下，所有物体都收到来自四面八方的引力，才能维持平衡，这就是“无限宇宙论”：
    • 空间是平直且无限的；
    • 时间均匀流动且各处相同；
    • 时间的流动和空间的运动是固定不变的，绝对时空观念。
• 光速的测量历史：
  • 光速是无限大的，受限于当时追踪设备
  • 光速是有限可测量的，光是一种波，传导需要媒介物“以太”，长期寻找这个参照物“以太”。认为如果物体面对光运动，则会光相对物体的毒速度会超过光速。认为所有的速度，需要在一个惯性参考系的前提下。
  • 迈克尔逊-莫雷实验，证明了不管怎么选取参照物，光速都是不变的。对经典物理的产生巨大冲击：

• 按照经典物理，速度是会叠加的，在运动的地球上测出的光速应该要更大。
• 爱因斯坦的相对论：
  • 以光速不变论为基础，抛弃了所谓的参考系和媒介物“以太”，认为物理定律在任何惯性参考系种都具有相同的形式。广义相对论则是将惯性参考系拓展到所有参考系。
  • 具体含义：物理定律在一切参考系中都有相同的形式，不存在“绝对的参考系”。并揭示了运动中的时间会变慢。

• 理解运动中的时间会变慢：
  • 一个匀速飞行的飞机上，向下发射光线，经过地面反弹，再回到飞机的耗时。
  • 对于飞机上的人：只能看到光垂直向下，然后反射向上，因此路程为2h
  • 对于地面静止的人：看到光是倾斜向下，然后倾斜向上，因为路程是2s
  • 以前的速度叠加原理，地面静止的人看到的光速是大于c的，向下的速度叠加飞机的速度，光速 > c，才会得出 t1=t2 的结论，绝对时间。
  • 相对论认为，光速是不变的，则 t2 > t1，相对于静止的人来说，飞机上的时间变慢了。（其实对于飞机上的人（参考系），他们并不觉得时间变慢，参考系不同而已）

• 质能方程：，能量与质量挂钩，而能量又跟速度挂钩，从而质量和速度也挂钩，质能方程限制了有质量的物体只能以低于光速的形式运动，否则物体的质量和能量会无限大。

• 广义相对论在宇宙学中：引力不是一种三维平坦空间的力，而是包括时间在内的四维空间的力。巨大质量的天体造成的强大引力，会造成了时空维度的弯曲，地球是在四维空间中的直线运动，但是我们是从时间直线的维度去观测另外三维空间，因此才会看到地球在椭圆轨道运行。
  • 举例：飞机在连续的山脉上方直线飞过，在三维上他是直线飞行，但是如果只看二维地面上的影子，会发现飞机在走弯曲路线。

  - 广义相对论预言了：光是会受引力场影响。光实际上也是在四维空间走直线，只是刚好在三维空间也是直线，但是当光经过高质量物体，比如经过太阳表面形成时空弯曲，就会发生角度偏折（已证实）

• 还有一个结论：因为速度大，时间会变慢。速度和质量是挂钩的，因此质量大的物体表面，时间也会变慢。
• 我的理解：大质量物体周围的时空弯曲
  • 光/地球 在四维空间是走直线，最短距离，但在三维空间却是曲线，在三维空间的静止的人看来，是走了更多的距离。
  • 同理，时间其实在四维空间也是正常流动的，但在三维空间的静止的人看来，也会是经历了更长的时间，即t2 > t1，所以质量大的物体的表面时间是更慢的。

宇宙大爆炸（回归宇宙表象-宏观分析）

• 光谱：由于不同颜色的光有不同的折射率，三棱镜能够将复合光拆解成排列单色光，包括可见光和不可见光，形成光谱。通过望远镜瞄准某个恒星或者星系，将返回光通过三棱镜就能得到这个恒星发射回来的光谱，通过光谱可以判断恒星的很多信息。
• 多普勒效应：判断恒星相对于观测点的运动状态。
  • 以声波举例
    • 当火车开向人的时候，声波会被“压缩”，变得更密集，体现在声音更响亮
    • 当火车驶离人的时候，声波会被“拉长”，变得更稀疏，体现在声音更低沉

• 光波/光谱：
  • 当恒星朝我们运动，光波的波长会降低，体现在光谱颜色蓝移
  • 当恒星背离我们运动，光波的波长会拉长，体现在光谱颜色红移
• 哈勃定律：哈勃发现他们观测到很多河外星系，现很多星系的光谱都发生了红移，即在背离地球运动，并且粗略计算出河外星系距离地球的距离非常遥远，可达80亿光年，意味着他们观测的河外星系光谱或者景象，是这个星系80亿年前的样子！通过十年的观测，发现距离越远的星系，远离地球的速度也越快。退行速度v=Hd（常数距离），四面八方所有远离地球的星系都在加速远离地球，从而得出一个惊人的结论：“宇宙在膨胀”
• 膨胀的宇宙：
  • 牛顿提出万有引力定律的时候，认为宇宙之所以没有被引力压缩在一起，是因为无限宇宙中的吸引，但其实是不合理的，哪怕是无限的，也无法保证刚好全局平衡。爱因斯坦的相对论也认为宇宙是静止，并在相对论中添加错误参数解释为什么宇宙没有压缩在一起。
  • 更合理的解释其实是：宇宙在膨胀，膨胀的速度大于引力的收缩速度，才造成宇宙没有压缩在一起的结果。
  • 为什么距离地球越远的星体，远离速度会越快？
    • 理解“空间膨胀”，而不是运行速度，
      • 初始时间t1：1—-2—-3
      • 结束时间t2：1——–2——–3
      • 2相对1的速度：v2 = 4*D/(t2-t1)
      • 3相对1的速度：v3 = 24D/(t2-t1)

• 证据：
  • 有一种黑体辐射，需要在能量非常密集而高温3K的物体才能发射出来，目前的宇宙质量密度低，是几乎无法出现这种辐射，如果在地球上检测到了这种辐射，那这个辐射一定是早期的高质量密度宇宙大爆炸发射出来的，经过长久的运动才来到地球。
  • 1965年狄克和皮帕尔斯发现了这种宇宙微波辐射，从而证明了宇宙大爆炸，并且这些辐射都发生了红移，也证明了宇宙是在膨胀。
• 宇宙会永远膨胀吗？
  • 宇宙的膨胀率越大，要停止宇宙膨胀的引力就要越大，即宇宙物质密度就要越大
  • 第一类佛里德曼模型：宇宙物质密度 > 宇宙膨胀率的临界值，则引力胜，宇宙坍塌
  • 第二类佛里德曼模型：宇宙物质密度 < 宇宙膨胀率的临界值，则膨胀胜，宇宙无限膨胀
  • 第三类佛里德曼模型：宇宙物质密度 = 宇宙膨胀率的临界值，则宇宙维持稳定

• 宇宙质量组成：
  • 通过粗略计算出宇宙膨胀率和现有的星体质量密度，发现现有宇宙质量还不到阻止宇宙膨胀所需质量的1%，差距非常大。并且对于公转的星系，仅靠星体质量形成的引力不足以维系公转轨道，从而引申出，宇宙星体之间存在远超过星体质量的看不见的“暗物质”，“暗物质”造成的引力才能阻止转动星系维持轨道运动。
  • 宇宙总质量分布：天文学家认为
    • 恒星、行星、星系物质：4%
    • 暗物质：23%
    • 暗能量：73%，导致宇宙加速膨胀的能量。

      量子力学（微观分析）

      这部分阅读起来就会比较艰难，九年义务教育不曾涉及的领域。

• 微观粒子发现史：
  • 原子：化学反应的最小粒子
  • 电子、质子、中子
  • 6种夸克

（1928年，狄拉克提出相对论性电子理论，将宏观中的相对论和微观中的电子、自旋这些看似毫无关联的概念和谐的结合起来，并从理论上认为存在正电子）

• 反粒子：比如正电子（1932）、负质子，可以构成“反原子”，进而构成“反物质”
• 虚粒子：实粒子之间相互作用的力，一种不可观测但客观存在的携带力的粒子

• 虚粒子目前分为4种：
  • 引力：粒子之间的引力很小，但是星系之间多的粒子的引力叠加起来就大了
    • 与牛顿的万有引力和爱因斯坦的空间弯曲不同，从微观角度解释引力的产生。
  • 电磁力：负电子之间的排斥力，非常大
  • 弱核力
  • 强核力：将夸克束缚在一起的力，将原子核中质子和种子束缚在一起的力

黑洞（回到宇宙中-展示时间的始末）

首先明确三个概念：

• 相对论表明，没有绝对的时间，空间和时间是组合在一起的四维空间。
• 物体质量越大，其表面引力越大，周围的四维时空都会弯曲。
  • 三维平坦空间的表现：光穿过太阳表面引力场会变曲折。
  • 第四维度时间的表现：强引力场周围，时间会变慢。

当恒星在不断收缩，密度不断加大，其表面引力不断增强的时候，会发生什么？

• 光经过这个不断收缩的恒星表面时，发生的曲折率越来越大，直至大到光都陷进去了，无法逃逸出来，形成一个围绕它的时空区域——黑洞，不仅空间上无法逃逸，时间这第四维度也会无法逃逸，从而仿佛时间都终止了。

• 时间的结束：黑洞会存在一个很小的质量无限大的奇点，才能产生足够大的引力吞噬一切，在这个奇点，时间都终止了。
• 时间的开始：宇宙大爆炸也必定存在一个奇点，从这个奇点开始，才有了我们理解的时间的开始。

特别的知识——黑洞不黑：黑洞强大的引力场会加速物质的运动让它变得能量很高，从而发光发热，在进入黑洞之前发出强烈的辐射。也就是说正在吞吃物质的黑洞，其实算得上宇宙中最明亮的天体。

后续：

• 黑洞的边界，太初黑洞
• 星系是如何形成的，生命是如何形成的，虚时间
• 虫洞和时间旅行
• 物理学的统一

关于光和量子力学

额外的话题，有兴趣可以看看，九年义务教育物理中双缝干涉实验的后续，颠覆因果论。