讀書筆記 《時間簡史》

2021-08-20 12:46:53 字數 4109 閱讀 6048

早在高中的時候,在學校裡的書籍展覽上就看到了這本書,不過一直沒有翻開的勇氣,霍金先生去世以後,我才發覺是時候翻開這本書了。從小到大,一直有乙個問題困擾著我,聽上去簡單但又捉摸不透,「我死之後這個世界上就再也沒有我,永遠永遠,以後這個世界的一切都將與我無關。」每當我深想這個問題時總會陷入一種深深的未知的恐懼,我從來沒有想明白過這個問題。我也曾和別人提起過這個問題,不過得到的回答基本都是深深的不以為然,生老病死很正常之類的話語。我覺得是他們沒有理解我的問題,不過我的這種有點神奇的感覺,有點未知的恐懼也很難用語言來表達清楚,只能自己慢慢體會。帶著這個問題,我翻開了《時間簡史》,希望從其中能夠尋找到答案。

一、我們的宇宙影象

早在西元前340年,希臘哲學家亞里斯多德在他的《論天》一書中就能夠對地球是乙個圓球而不是一塊平板這個信念提出兩個有力的論證。第一,他意識到,月食是由於地球執行到太陽與月亮之間引起的。第二,希臘人從旅行中知道,在南方觀測北極星,比在較北地區,北極星在天空中顯得較低。希臘人甚至為地球是球形提供了第三個論證,否則何以從地平線駛來的船總是先露出船帆,然後才露出船身?

直到今天我們仍然很想知道,我們為何在此?我們從何而來?人類求知的最深切的意願足以為我們從事的不斷探索提供充足的理由。而我們的目標恰恰正是對於我們生存其中的宇宙做出完整的描述。

二、空間和時間

實話說,看到第二章時我已經有點看不下去了,感覺這更像是一本物理專業書,作為我看起來還是有點枯燥的。不過我還是堅持了一下,直到第二章快結束的時候,關於廣義相對論的乙個預言才吸引了我,在像地球這樣的大質量的物體附近,時間顯得流逝的更慢一些。2023年,人們利用一對安裝在水塔頂上和底下的非常準確的鐘,驗證了這個預言,發現底下的那只更接近地球的鐘走的較慢,這和廣義相對論正好相符。如果人們無視廣義相對論的預言,基於衛星訊號的導航系統計算的位置會錯幾英里。再比如,有乙個孩子在以近於光速運動的航天飛船中作長途旅行,當他回來時,他會比留在地球上的另乙個孩子年輕得多。這叫做雙生子佯謬。但是,只是對於頭腦中仍有絕對時間觀念的人而言,這才是佯謬。在相對論中並沒有唯一的絕對時間,相反,每個人都有他自己的時間測度,這依賴於他在何處並如何運動。

三、膨脹的宇宙

說到宇宙膨脹,不得不提起乙個人——埃德溫.哈勃。沒錯,我們從小就聽過的哈勃望遠鏡就是以他的名字命名,哈勃關於宇宙膨脹的發現是20世紀最偉大的智力革命之一。現在的證據暗示,宇宙可能會永遠地膨脹下去。但是,所有我們能真正肯定的是,既然它已經至少膨脹了100億年,即便宇宙將要坍縮,至少要再過這麼久才有可能。這不應使我們過度憂慮——到那時候,除非我們已到太陽系以外開拓了殖民地,否則人類早就隨著太陽的消滅而死亡殆盡! 

四、不確定性原理(量子力學)

量子力學是研究原子、分子、凝聚態物質、以及原子核和基本粒子的結構、性質的基礎理論。它成為幾乎所有現代科學技術的基礎,制約著電晶體和積體電路的行為,而這些正是電子裝置諸如電視、計算機的基本原件。他還是現代化學和生物學的基礎。物理科學未讓量子力學適當結合進去的僅有領域是引力和宇宙的大尺度結構。這一章的很多內容僅憑高中物理殘存的一絲回憶基本上是看不懂的,我也只能把它當做開拓思維的內容來閱讀。

五、基本粒子和自然的力

亞里斯多德相信宇宙中的所有物質由四種基本元素即土、氣、火和水組成。有兩種力作用在這些元素上:引力,這是指土和水往下沉的趨勢;浮力,這是指氣和火往上公升的傾向。將宇宙的內容分割成物質和力的這種做法一直沿襲至今。在愛因斯坦發表的一篇文章裡指出,所謂的布朗運動——懸浮在液體中塵埃小顆粒的無規則隨機運動——可以解釋為液體分子和灰塵粒子碰撞的效應。夸克是最「基本」粒子。現在我們知道,任何粒子都有會和它湮滅的反粒子,(對於攜帶力的粒子,反粒子即為其自身)也可能存在由反粒子構成的整個反世界和反人。然而,如果你遇到反自身,注意不要握手!否則,你們兩人都會在乙個巨大的閃光中消失殆盡。

攜帶力的粒子按照其強度以及與其相互作用的粒子可以分成四個種類。第一種是引力,這種力是萬有的,引力比其他三種力都弱的多。太陽和地球之間的引力可以歸結為構成這兩個物體的粒子之間的引力子交換。雖然所交換的粒子是虛的,它們確實產生了可測量的效應——它們使地球圍繞著太陽公轉!實引力子構成了經典物理學家所稱之為引力波的東西,引力波於2023年被nasa探測到了。第二種力是電磁力,它作用於帶電荷的粒子(如電子和夸克)之間,但不和不帶電荷的粒子(如引力子)相互作用。它比引力強得多。存在兩種電荷——正電荷和負電荷。同種電荷之間的力是相互排斥的,而異種電荷之間的力是相互吸引的。乙個大的物體,譬如地球或太陽,包含了幾乎等量的正電荷和負電荷。這樣,由於單獨粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全被抵消了,因此兩個物體之間淨的電磁力非常小。第三種力稱為弱核力。它負責放射性現象。第四種力是強核力。它將質子和中子中的夸克束縛在一起,並將原子核中的質子和中子束縛在一起。

六、黑洞

乙個質量足夠大並足夠緻密的恆星會有如此強大的引力場,甚至連光線都不能逃逸:任何從恆星表面發出的光,在還沒到達遠處前就會被恆星的引力吸引回來。公尺歇爾暗示,可能存在大量這樣的恆星,雖然由於從它們那裡發出的光不會到達我們這裡,我們不能看到它們;但是我們仍然可以感到它們引力的吸引。這正是我們現在稱為黑洞的物體。它是名副其實的——在空間中的黑的空洞。一位在這樣的物體上面的航天員在黑洞形成之前不會被撕開。事實上,當他到達臨界半徑時,不會有任何異樣的感覺,甚至在通過永不返回的那一點時,都沒注意到它。然而,隨著不斷地坍縮,只要在幾個鐘頭之內,作用到他頭上的和腳上的引力之差會變得如此之大,以至於再將其撕裂。

黑洞畢竟不是真黑:它們像乙個熱體一樣發熱發光,它們越小則發熱發光的越厲害。所以,看起來荒謬,而事實上卻是,也許小的黑洞可以比大的黑洞更容易探測到!

七、黑洞不是這麼黑的

如果乙個太空人落到黑洞中去,黑洞的質量將增加,但是最終這額外質量的等效能量將會以輻射的形式回到宇宙中去。這樣,此航天員在某種意義上被「再迴圈」了。然而,這是一種非常可憐的不朽,因為當航天員在黑洞裡被撕開時,他的任何個人的時間的概念幾乎肯定都達到了終點!甚至最終從黑洞輻射出來的粒子的種類,一般來說都和構成這航天員的不同:這航天員所遺留下來的僅有特徵是他的質量或能量。

八、宇宙的起源和命運

人存原理有弱的和強的意義下的兩種版本。弱人存原理是講在乙個大的或具有無限空間和時間的宇宙裡,只有在某些時空有限的區域裡,才存在智慧型生命發展的必要條件。因此,在這些區域中,如果智慧型生物觀察到他們在宇宙的位置滿足他們存在必要的條件,他們就不應感到驚訝。這有點像生活在富裕街坊的富人看不到任何貧窮。按照強人存原理,要麼存在許多不同的宇宙,要麼存在乙個單獨宇宙的許多不同的區域,每乙個都有自己初始的結構,或許還有自己的一族科學定律。這些宇宙中的大多數,不具備複雜機體發展的合適條件:只有在少數像我們的宇宙中,智慧型生命才得以發展並能質疑:「為何宇宙是我們看到的這種樣子?」答案很簡單:如果它不是這個樣子,我們就不會在這裡!

九、時間箭頭

直到20世紀初,人們還相信絕對時間。也就是說,每乙個事件可由乙個稱為「時間」的數以唯一的方式來標記,所有好的鐘在測量兩個事件之間的時間間隔上都是一致的。

當人們試圖統一引力和量子力學時,必須引入「虛」時間的概念。虛時間是不能和空間方向區分的。如果乙個人能往北走,他就能轉過頭並朝南走;同樣的,如果乙個人能在虛時間裡向前走,他應該能夠轉過來並往後走。這表明在虛時間裡,往前和往後之間不可能有重要的差別。另一方面,當人們考察「實」時間時,正如眾所周知的,在前進和後退方向存在著非常巨大的差別。過去和將來之間的這種差別從何而來?為何我們能記住過去而不是將來?

科學定律並不能區分前進和後退的時間方向。然而,至少存在三個時間箭頭,將過去和將來區分開來。它們是熱力學箭頭,這就是無序度增加的時間方向;心理學箭頭,即是在這個時間方向上,我們能記住過去而不是將來;還有宇宙學箭頭,也即宇宙膨脹的方向而不是收縮的方向。

十、蟲洞和時間旅行

蟲洞就是乙個時空細管,他能把兩個相隔遙遠的幾乎平坦的區域連線起來。如果可能回到以前並改變歷史,則不能夠迴避引起的問題。例如,假定你回到過去並且將你的曾曾祖父在他仍為孩童時殺死。這類佯謬有許多版本,但是它們根本上是等效的:如果乙個人可以自由地改變過去,則他就會遇到矛盾。

這本書終於斷斷續續地讀完了。實話說,有一些內容我並沒有讀懂,但不可否認的是,這本書還是帶給我了很多啟發,讓我的視野不再侷限於藍天之下,黃土之上。人是渺小的,地球也是渺小的,甚至太陽系,在我們已知的宇宙和尚未探索的暫且稱為未知的宇宙面前,依然是渺小的,但人類作為智慧型生物存在於這宇宙之中,我們的思想是無窮無盡的。天高地迥,覺宇宙之無窮;興盡悲來,識盈虛之有數。宇宙之大,萬物之廣博,還有很多未知的領域等著人類去探索。

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