《星期日時報》:“童真好奇與天才智慧的結(jié)合。當(dāng)我們領(lǐng)略霍金宇宙之際,為他精神的瑰麗所驚異?!?/div>
《紐約客》:“迷人而清澈,讓讀者獲得直接從源泉學(xué)習(xí)高深科學(xué)的機會,一部光輝四射的巨著。”
01 聽前思考
● 你了解身處的宇宙么?
● 物理學(xué)的進(jìn)展怎樣影響著我們對宇宙的理解?
● 黑洞是什么,有些什么性質(zhì)?
02 書中金句
● 科學(xué)的終極目的是提供描述整個宇宙的單一的理論。
● 任何物理理論總是臨時性的,你永遠(yuǎn)不可能將它證明。
● 時間不能完全脫離和獨立于空間,而必須和空間結(jié)合在一起形成所謂的時空的客體。
● 現(xiàn)在我們知道,任何粒子都有會和它相湮滅的反粒子。也可能存在由反粒子構(gòu)成的整個反世界和反人。然而,如果你遇到了反你,注意不要握手!否則,你們兩人都會在一個巨大的閃光中消失殆盡。
03 精華筆記
《時間簡史》從1988年出版以來,已經(jīng)被翻譯成了40多種文字,銷量千萬冊。這本書總結(jié)了當(dāng)時對宇宙的新理解,體現(xiàn)了對時間觀念的變遷。
這本書的作者是英國物理學(xué)家斯蒂芬·霍金,他在上世紀(jì)60年代投身黑洞和宇宙學(xué)研究,見證并參與了現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)展。對于宇宙、空間、時間這些基本觀念的顛覆更新,正是本書,也是宇宙學(xué)最令人著迷的地方。
我們將分三個部分來解讀這本書。
第一部分,人類對宇宙認(rèn)識的歷史。
在人類對宇宙認(rèn)識的變遷中,依次出現(xiàn)了四個主要學(xué)說,分別是地平說、地心說、日心說和無限宇宙論。
最初,人類認(rèn)為地球是平的,也就是所謂的地平說。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展,人類活動范圍的闊大,加上各種知識的積累,人們逐漸認(rèn)識到地球是圓的,于是地平說不再成立,在2000多年前,地心說誕生了。
直到16世紀(jì),哥白尼發(fā)現(xiàn)了地心說的邏輯錯誤,地心說跟天文觀測有誤差,從而提出了日心說,認(rèn)為太陽才是宇宙中心,地球是太陽的一顆行星。
100多年之后,牛頓繼承了哥白尼以來的宇宙討論,他發(fā)現(xiàn),萬物運行靠引力,從而解決了太陽系和恒星的動力學(xué)問題。從引力性質(zhì)出發(fā),牛頓推測,這個世界是無窮無盡的,也就是無限宇宙論。
人類對于宇宙的理解,是基于物理學(xué)的發(fā)展的。因為宇宙學(xué)研究的是日月星辰的運行規(guī)律,而物理學(xué)研究的是物體運動的本質(zhì)規(guī)律。
第二部分,物理學(xué)知識的進(jìn)展。
亞里士多德的運動學(xué)認(rèn)為,力是維持物體運動的原因,不受力的物體保持靜止。所以在他的“地心說”宇宙模型看來,地球靜靜地躺在宇宙中心,日月星辰分成各個圈層,都在圍繞地球運動。
牛頓的萬有引力定律和三個運動定律,第一次定量地解釋了物體的運動規(guī)律,也把宇宙的討論范圍擴展到太陽系之外。在討論宇宙時,牛頓認(rèn)為由恒星組成的宇宙應(yīng)該是穩(wěn)定不變的,因為數(shù)千年來我們看到的星空幾乎毫無變化,因而宇宙群星整體上應(yīng)該處于靜止?fàn)顟B(tài)。
牛頓認(rèn)為,宇宙應(yīng)該是無限大的,不存在中心。在無限大的宇宙里,對于任何一個物體來說,受到來自各個方向的引力保持平衡。這就是牛頓的靜止無限宇宙觀:1、空間平直且無窮無盡;2、時間均勻流動,且各處相同;3、物質(zhì)在空間和時間的“剛性舞臺”上運動。所謂“剛性舞臺”,時間和空間是固定不變的。
當(dāng)物理新思想、天文新發(fā)現(xiàn)接踵而來的時候,牛頓的無限宇宙論也就瓦解了。這個新理論就是愛因斯坦的廣義相對論。
20世紀(jì)初,愛因斯坦認(rèn)真考慮了光速問題。愛因斯坦把光速不變作為狹義相對論的基礎(chǔ),把時間和空間聯(lián)系起來,從而改變了人類的時空觀念。經(jīng)過10年努力,愛因斯坦又把引力納入到相對論之中,提出了廣義相對論——時空并非像牛頓認(rèn)為的那樣是平直的,而是被大質(zhì)量天體弄彎曲了。
除了廣義相對論,20世紀(jì)物理學(xué)新大廈的另一支柱,是量子力學(xué),它也支撐著宇宙學(xué)的新發(fā)展。
量子力學(xué)告訴我們,微觀粒子的能量是量子化的、不連續(xù)的。量子世界的發(fā)現(xiàn),打破了確定論。不確定性原理告訴我們,無論如何努力,你都無法準(zhǔn)確測量一個微觀粒子所有的物理性質(zhì)。
量子力學(xué)和相對論聯(lián)手成就了我們對宇宙的新理解。科學(xué)家們預(yù)測,宇宙起源于一次大爆炸,而后不斷地膨脹。在這個過程中,誕生了宇宙中的微觀粒子,形成了恒星和星系,進(jìn)而在恒星演化過程中形成各種元素,這些元素在宇宙中重新聚集,形成了新的恒星、行星,包括地球。這就是宇宙大爆炸理論。
第三部分,霍金對黑洞的研究。
當(dāng)一個大質(zhì)量恒星的燃料耗盡之后,會發(fā)生猛烈的爆炸,沒有了熱量的支撐,核心處的物質(zhì)會在自身引力的作用下發(fā)生坍塌,形成致密星體,這就是黑洞。因為這個坍塌處的引力非常大,連光線都無法逃脫,從外表看起來就是個黑窟窿,所以稱為黑洞。
基于愛因斯坦天才的想象力和數(shù)學(xué)推理,在完全看不到黑洞的情況下,霍金等人推導(dǎo)出來關(guān)于黑洞的許多性質(zhì)。
第一, 黑洞奇點問題。
1960年代,霍金開始研究黑洞奇點問題。所謂奇點,就是我們在數(shù)學(xué)上把0放在分母上出現(xiàn)的無限大情況。霍金和另一位英國物理學(xué)家彭羅斯在研究中發(fā)現(xiàn),根據(jù)廣義相對論,黑洞里必然存在這樣無限大密度的空間,這就是奇點。然而我們所有的物理學(xué)定律都處理不了無限大的情況,也就是說,人類已知的科學(xué)定律在奇點上是失效的。
第二,黑洞無毛定理。
1971年,霍金證明了旋轉(zhuǎn)的黑洞必須是軸對稱的,其他科學(xué)家把這個證明發(fā)展成“黑洞無毛定理”。黑洞的性質(zhì)僅僅由它的質(zhì)量、角動量和電荷決定。不管形成黑洞的物質(zhì)究竟是什么,黑洞究竟是什么形狀,黑洞都沒有復(fù)雜的性質(zhì)。
第三, 黑洞面積不減定理。
只要有東西掉進(jìn)黑洞,面積就會增加;如果兩個黑洞合成一個,那么合并而成的新黑洞面積,就會等于或者大于原來兩個黑洞之和,也就是說,黑洞面積永遠(yuǎn)不會減少,這被稱為黑洞面積不減定理。當(dāng)兩個黑洞合并成一個大的黑洞,虧損的質(zhì)量會以引力波的形式釋放到宇宙空間,傳遞到地球上,這就是引力波事件。
第四,黑洞不是黑的。
黑洞面積不減的性質(zhì),讓我們聯(lián)想到熱力學(xué)里面熵增定律。在熱力學(xué)上,一個系統(tǒng),如果沒有外力做功,它的混亂程度總是在增加的。這一類比意味著,黑洞如果具有熵,就會對應(yīng)一定的溫度,因此具有輻射。
從量子力學(xué)的角度來看,我們所謂的真空,其實并不是真的空無一物,而是隨時會產(chǎn)生許多動態(tài)的正反粒子對,也就是量子力學(xué)允許存在一個過程,暫時從真空里借出部分能量。當(dāng)然能量不能無中生有,所以這樣的量子對,一個具有正能量,一個具有負(fù)的能量。而且它們只能暫時存在,從宏觀上看,它們的能量總和仍然是零。
因此霍金提出,在黑洞附近產(chǎn)生的正反粒子對,也就是正負(fù)能量對,負(fù)能量粒子會落到黑洞里面去,正能量粒子會逃逸出來,在我們看來,就會等效于黑洞具有這種形式的輻射。從這個意義上,霍金提出“黑洞不是黑的”。
在這本書的最后,霍金對科學(xué)與哲學(xué)的關(guān)系發(fā)出感慨。
科學(xué)領(lǐng)域的逐漸擴展,實際上侵奪了許多原本屬于哲學(xué)討論的命題。比如對宇宙的研究,在20世紀(jì)以前,哲學(xué)家們對這個話題發(fā)表的意見更多,但20世紀(jì)以后,在廣義相對論的基礎(chǔ)上,科學(xué)家們能夠討論整個宇宙的誕生和演化,它也就變成了一個科學(xué)問題。雖然哲學(xué)家和科學(xué)家分享了許多共同話題,但他們的共同語言似乎越來越少了,終于出現(xiàn)了人文和科學(xué)之間的隔閡?;艚鹬赋?,大部分科學(xué)家太忙于發(fā)展描述宇宙的理論,很少去問為什么;而哲學(xué)家們雖然想尋根問底,卻無法跟上科學(xué)理論的腳步!
霍金認(rèn)為,在為科學(xué)層出不窮的新發(fā)現(xiàn)而激動的同時,不能忘記去追問深層次的問題:宇宙為什么能夠存在?這是全人類共同的問題。
人類天然的好奇心,決定了對宇宙的追問不會停止。我們正生活在新發(fā)現(xiàn)層出不窮、進(jìn)展迅速的時代?!稌r間簡史》這本書之所以如此迷人,因為它向公眾提供了一個新的視野,讓我們知道,宇宙正在以我們不可思議的方式運行著。