世上僅9個人讀得懂的暢銷科普書?《時間簡史》主要說的是什麼?

《時間簡史》是當代物理學家關於宇宙構成以及演化理論的權威性總結。——《華爾街日報》

從1988年首次發表以來,《時間簡史》在全球銷售超過了2500萬本。據說,買了這本書的人,十個有九個是看不太懂的。

《時間簡史》是英國物理學家斯蒂芬·霍金在46歲時創作的,全書共十二章,是關於探索時間本質和宇宙科學思想的通俗科普讀物,也是他的首部著作,主要說了三大部分的內容,包括:時間的起始,關於宇宙的猜想;宇宙界限內,關於時間的猜想;時間的終結,關於黑洞的猜想。

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時間的起始,關於宇宙的猜想

科學的終極目的在於提供一個簡單的理論去描述整個宇宙。——《時間簡史》

宇宙為什麼會存在?讀初中時曾經想過這個問題,之後……就沒有之後了,這是人類關心但一直無解的問題。

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《時間簡史》不是說時間的嗎?關宇宙什麼事呀?真有關的,大家想想,假設時間在宇宙大爆炸之前已經存在,但那之前時間對宇宙是沒有意義的。當時間回溯到大約146億年前的大爆炸,大爆炸從奇點產生,而在奇點處,所有物理理論都失效了。這個“時間起點”是狹義的,是在許多假設的基礎上定義的。大爆炸的奇點被量子效應所抹平,整個宇宙由此起始,同時,便有了空間與時間,物質開始形成。宇宙中的能量與物質不斷髮生複雜的反應,逐漸形成星系,包括太陽和地球先後形成。

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由於在大爆炸之前交於奇點了,時間和空間之間的夾角只能是零,它們不可能平行,時間執行在空間中,你中有我,我中有你的狀態下,時間與空間是一個註定不能單獨存在的整體。空間和時間是連續的,而基於空間膨脹有速度,這個膨脹的速度就等於時間的速度。作者認為,現在我們看到的光其實是幾百萬年前的,它們從很遠的星系發出的,也就是說,如今我們看到的宇宙,其實是在看它的過去。

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書中也給出了“人存原理”,認為:人類眼中的宇宙是因為我們的觀察和理解所得,人類對宇宙的認識和描述,都帶有我們特有的認識能力。

在宇宙誕生後,太陽與地球相繼誕生,“弱人存原理”則歸納解釋了大爆炸發生在大約一百五十億年以前的原因,由於足夠古老的宇宙中,某些恆星完成演化而產生像氧和碳等元素,人類就是由他們構成的;也由於宇宙還是年輕的,因此,太陽等恆星才能提供能量,使人類從中獲得適合生存的保障,而地球成為智慧生命的生存與發展的空間,這只是多種無序狀態中的有序狀態之一。

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另外,書中闡釋了“彎曲空間”這個新的概念。在廣義相對論中,時間和空間成了動態變數,影響宇宙中發生的所有事物,在空間中,光顯得不再沿著直線行進,其預言引力場應當彎折光線;對於在一個引力場中,不同高度的觀察者,時間推移得不一樣。因此,得出了時空並不平坦這一事實的結果,那麼,對於宇宙的膨脹和宇宙是動態等相關猜想,我們就相對容易理解了。

《時間簡史》試圖以簡單易懂的方式告訴人們,看不見摸不著但切實存在的宇宙是個有限卻無界的時空之境,這是作者從物理、天文、哲學的視角對宇宙、時空、生命的思考。當我們身處一個新生場域時,我們是能看到了它的過去,無論過去的轟轟烈烈還是歸於寂靜,與現在的新生,都暗喻著時代的發展和空間變換的哲學理念。

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宇宙界限內,關於時間的猜想

正如一個人不用空間和時間的概念不能談宇宙的事件一樣,同樣,在廣義相對中,在宇宙界限之外講空間和時間是沒有意義的。——《時間簡史》

◎關於時間,我們懂得多少呢?沒有人知道什麼是時間,沒有人知道時間在哪裡,可是,手錶和時鐘貌似知道,時間測量工具的發展,從最早的歷法制定到現在的秒以下的測量,無不體現了人類科學技術的極大發展。然而,我們從沒有問過自己,關於時間,這就是全部了嗎?

第一個,是熱力學時間箭頭,即是在這個時間方向上無序度或熵增加;然後是心理學時間箭頭,這就是我們感覺時間流逝的方向,在這個方向上我們可以記憶過去而不是未來;最後,是宇宙學時間箭頭,在這個方向上宇宙在膨脹,而不是收縮。——《時間簡史》

《時間簡史》讓我重新認識了時間。人們對於宇宙的認知從三維轉向了四維,這第四維就是時間。直到20世紀初期,人們一直認為事物可以用唯一的時間來標記,但是書中告訴我們,時間可以是點,也可以是線,時間可以平行行進也可以相互交叉;時間和量子坍縮一起出現,任何事物沒有發生坍縮,這件事物就沒有時間存在。

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相對論認為不同運動速度的觀察者,測到的光速是一樣的,因此,沒有絕對的時間概念,每個人都有自己的時間測度,不能把自己的時間測度強加給另一個人的,每一個人都可以是不同的,時間其實不是時間,是空間,時間執行在空間中。宇宙的無邊界條件與弱人存原理一起能解釋三個箭頭都指向同一方向。

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◎時間的虛與實。霍金的理論設想,需要引入虛數描述時間,實時間是可以感受到的,在實時間中,過去與未來區別巨大,前進與後退明顯不同。而虛時間是我們感受不到的,與歷史流向垂直的時間。在虛時間中,時間和空間完全沒有區別,向前或向後都沒有太大區別,並不區分過去和未來。

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◎時間是否有朝一日會倒流?網上一直有“能否透過蟲洞穿越到過去”的爭論,可是至今誰都未能打破“時間不可逆”這個說法。假設我們有逆轉時間的能量,就需要低於時間的速度,讓時間向後運動,這樣才能回到過去,然而,一個悲觀地事實就是,儘管人類在尋尋覓覓返老還童的途徑,但時間的方向就是一條單行道,一去不復返。

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時間的終結,關於黑洞的猜想

黑洞是時空的一個區域,因為那裡的引力是如此之強,以至於任何東西,甚至光都不能從該處逃逸出來。——《時間簡史》

霍金認為,相當於400萬個太陽這樣的超大質量黑洞是時空旅行的天然“交通工具”,其理由是黑洞對時間具有顯著的影響,令其減緩的速度遠遠超過銀河系中的任何物體。

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◎關於黑洞

1783年,英國地理學家約翰·米歇爾有提到:一個緻密天體的密度可以大到連光都無法逃逸。英國物理學家羅傑·彭羅斯運用廣義相對論中光錐的行為方式以及引力總是吸引的事實證明了“在自身引力作用下而塌縮的恆星,會被限制在某一區域內,該區域的邊界最終會收縮至大小為零”。1968年,美國科學家惠勒提出了“黑洞”一詞。

黑洞是什麼?通俗來說,就是中心是一個密度無限大、時空曲率無限高、體積無限小的天體,其引力強大到以至於只要落入它的視介面內的物體,即使是光,也是逃不出它的引力束縛。

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◎霍金與黑洞的相關理論

1974年霍金提出的“黑洞熱輻射”理論:黑洞一旦形成,就會“蒸發”輻射出能量,同時損失質量,這種輻射亦稱為“霍金輻射”。在兩年後,他的論文對該理論又做出了闡述:黑洞輻射並不含有任何黑洞內部的資訊,在黑洞損失殆盡之後,所有資訊都會丟失。這一說法與量子力學的定律產生矛盾,“黑洞資訊悖論”由此產生。

此後很長的一段時間,霍金試圖以各種推測來解釋這一自相矛盾的觀點,終於在30年後,霍金給出了更具有說服力的答案:黑洞從來都不會完全關閉自身,他們在一段漫長的時間裡逐步向外界輻射出越來越多的熱量,隨後黑洞將最終開放自己並釋放出其中包含的物質資訊。

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◎黑洞的五點推測

在完全看不到黑洞的情況下,關於宇宙學中黑洞的研究,有以下五點的推測:

第一,黑洞奇點。彭羅斯與霍金於1965至1970年間的研究認為,透過抽象的推理證明,即使不需要對稱性的假設,大質量恆星晚期坍縮形成的黑洞和宇宙原初的奇異性在一定條件下都是不可避免的,黑洞可以模擬出宇宙大爆炸的超濃縮氮氣的質量體,黑洞內一定存在密度和時空曲率無限大的奇點,而在此處,科學定律和預言都崩潰了,外面的人是無法看到的奇點的,也不知道這個奇點的物理崩潰是怎麼回事。

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第二,黑洞無毛定理。黑洞幾乎不保持形成它的物質所具有的任何複雜性質,它是一種極其簡單的物體,如果知道了它的質量、角動量和電荷,也就知道了有關它的一切,消繁歸簡或許是其最基本的特徵,在60年代,發明家約克·惠勒把這種特徵猜想為“黑洞無毛”,經過15年的努力,布蘭登·卡特和加里·班亭等理論物理學家研究,證實了描述一個平衡態黑洞周圍的時空幾何只需要3個參量,從而也證實了惠勒的猜想。

第三,黑洞面積不減定理。霍金在1971年發表的黑洞邊介面積不減定理,也被稱為霍金定理。黑洞的強引力會不斷從外界吸收物質,隨著時間的演化,它的質量會越來越大,相應的,視介面的面積也會越來越大而不會有所減少。只要黑洞不再活動並處於某種穩恆的狀態,那麼黑洞的邊界及其面積都應是一樣的。

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第四,黑洞不黑。在大爆炸的理論被提出後,霍金再一次提出了“黑洞不黑”的猜想,由“黑洞蒸發論”,提出“黑洞並非真的黑,它存在溫度”,這個被物理科學界視為舉足輕重的理論觀點。

在透過宇宙空間中的探測器,測定出了一個大質量黑洞之中額外的能量物質,是由於黑洞的邊緣上“穹界事件”在電磁場的環境下發生了扭轉,使得這個黑洞自身的旋轉速度減慢並以此產生了更多旋轉運動的能量,來俘獲宇宙中所有的光線與星體的物質,就像是一個恆星體一樣的星體結構,在這個星體結構上,黑洞產生、釋放與輻射出了大量的X光、γ射線的能量物質。

這些都彷彿真的如霍金所說的那樣,黑洞並不是真正意義上的黑,從而改變了黑洞的經典圖象。

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第五,時間終結。經過科學家們的不斷探索,證實宇宙大爆炸是時間的開端,由於人的壽命就短短的幾十年,不是每個人都能看到時間的終局,那麼,時間會終結嗎?

《時間簡史》最初的名字是“從大爆炸到黑洞”,意思是假設時間是始於宇宙大爆炸而產生,當它不斷演化,將會到黑洞出現而結束。當宇宙持續膨脹,也許在膨脹到一定程度後,在強大的吸引力的作用下,宇宙開始收縮,可能會收縮成一個不佔有空間點,此時黑洞出現,或許到那時,時間將會被終結。

世上僅9個人讀得懂的暢銷科普書?《時間簡史》主要說的是什麼?

這僅是科學家們的猜想,這種終結狀態就如宇宙的開端一樣。但是,至於時間到底會不會終結於黑洞,現在還沒有更精確的證明。

結語

當我讀愛因斯坦寫的一本物理書時,我啥也沒弄明白,不過沒關係:它讓我明白了別的東西。——畢加索

我是在霍金去世的2018年買了這本書,當時是花了5個整天的時間,什麼事都放下,專注地,一點一點擼這本書,太難了!

宇宙學對普通人來說,本就既艱澀難懂又很玄幻的,因為它是一門猜測的學問,而這猜測並不是無厘頭的,而是基於天體物理學、天文學、相對論、量子力學等學科知識,從整體的角度來研究宇宙的結構和演化的猜想。看了幾頁,放棄的念頭就不期然閃出來,哎喲,整個閱讀過程,真是太煎熬了!

世上僅9個人讀得懂的暢銷科普書?《時間簡史》主要說的是什麼?

這是一本隱含哲學的科普書,它把我領進宇宙世界,進行了一場關於時間與空間的探索,這也是一次自我的探索:人類存在的意義是什麼,我從哪裡來,又將歸去哪裡。再讀《時間簡史》,讓我有了新的認知和感悟:有時所謂的“常規”只是共識,不一定是“真理”,我們要常常思考一些從未想過的事物,對習慣的事物要從多個角度去論證,要善於獨立思辨,敢於挑戰權威言論,不要盲從。讀了《時間簡史》後,雖然它還不至於讓我的世界觀有多麼大的改變,但絕對讓我開闊了眼界。