图解时间简史：全新升级版

本书力图将霍金的《时间简史》中涉及的知识逐一讲解清楚，并对其他涉及宇宙天文等科学领域的新成就结合已知理论进行梳理，呈现出一个完整的研究情况汇报。这无疑将复杂高深的理论物理知识以全新的通俗的语言展现给普通人看，人类从古至今对时间的探索历程将在书中清晰展现，并在哲学层面理解科学成果，以科学成果烘托哲学理论。无论是广袤星际间的复杂关联，还是一个个的物理学概念的阐释，都变得更加引人入胜，使人遐想万千。

导读 霍金和他的理论

轮椅上的“宇宙之王”

奇点定理 黑洞不黑

从《时间简史》到《大设计》

霍金脑中的宇宙诞生及未来

章 我们的宇宙图像

人类认识宇宙，从“看星星”开始

与生产生活密切相关的天象观测

从星占学家到球形大地

宇宙地心说

日心说出炉

开普勒三大定律

布鲁诺相信，宇宙没有中心

牛顿引力理论表明，宇宙不可能静止

在某一个有限时刻，宇宙开端了

星系是遍布宇宙的庞大星星“岛”

神秘天河中藏着无数恒星

星系“类型秀”

星系群—星系团—超星系团

美丽的仙女座和猎犬座星云

扁平圆盘状的银河系

广袤银河中，人类居住在太阳系

超新星爆炸事件

河外星系的发现

以光年为标尺，量一量宇宙中的“超远”距离

丈量宇宙的标尺

宇宙“量天尺”——造父变星

星系大小和间距

从太阳到比邻星

我们知道宇宙在膨胀，却弄不懂金字塔

哈勃的观测

望远镜中的宇宙

金字塔之谜

虚空中的巨大空洞和宇宙长城

迈向明天的宇宙学

第二章 空间和时间

就算物质都毁灭，时间和空间依然相互独立存在

羽毛和铁块为何同时落地

牛顿的引力定律

无论怎么测量，光速数值始终不变

时间和空间

牛顿的困惑

一切都是相对的，时间和空间是相结合的

光的媒介是像风一样的以太吗

抛弃以太——光速是恒定的常数

被终结的时间

无论何时何地，物理法则永远不变

没有的同时

从四维空间里，找出你的时空坐标系

引力折弯光线，形成弯曲的时空

太阳熄灭是8分钟之前的事情

光会被引力场折弯

变慢的时间

双生子吊诡的真相

第三章 膨胀的宇宙

星系不断远离，宇宙时刻膨胀

星系正以百万千米的时速“逃离”银河系

用光的波长和颜色来观测远去的恒星

多普勒效应

红移表明星系确实在远离我们

越远的星系“逃离”的速度越快

膨胀的宇宙

如何观测更远的星系

由密集状态开始的巨大爆炸

大爆炸理论的证据

热辐射：真空中的传热方式

星系远离，说明我们在宇宙的中心吗

弗里德曼的宇宙膨胀模型

空间到底是怎样膨胀的

宇宙会永远膨胀下去吗

大爆炸或者时间，有一个开端

暗物质和暗能量

热寂说和大坍塌

大爆炸的奇点

稳恒态宇宙模型

奇点定理：在时间上，宇宙必须有一个开端

第四章 不确定性原理

一切都不确定，包括宇宙模型

牛顿引力论：上帝提供了宇宙运转的“推动力”吗

荒谬的科学决定论

瑞利-金斯公式

普朗克的量子假设

用光来确定粒子的位置和速度

上帝是掷骰子的

同一时刻，一个电子竟会通过两条缝隙

波粒二重性

粒子的干涉现象

经典理论预言，原子会坍缩

玻尔发现原子并不会坍缩

理查德·费曼的贡献

如何协调量子力学和广义相对论

上帝需要掷几次骰子，才出现地球生命

量子力学的作用

对黑洞和大爆炸来说，量子力学不可或缺

第五章 基本粒子和自然的力

一层一层“隐藏”在物质中的粒子

物质的构成

原子的内部结构

质子和中子

构成质子和中子的更小微粒

粒子不但能自己旋转，还有“反面”

粒子加速器

粒子的自旋性

自旋的重大贡献

反粒子

虚粒子

微小粒子间的四种“强大”力

很弱但无处不在的引力

比引力强得多的电磁力

不容易被发现的弱核力

四种基本力中强的强核力

把四种力统一起来？有点难

电磁力 弱核力 强核力

大统一理论的检验

夸克多于反夸克

不服从T对称的早期宇宙

第六章 黑洞到底黑不黑

恒星的生命终结=黑洞的诞生

黑洞——捕获光线的终极恒星

恒星的生命历程

昌德拉塞卡极限

恒星的终命运

奥本海默的贡献

黑洞的形成

检测黑洞犹如在煤库里找黑猫

事件视界与奇点

黑洞的形状

终的稳态

黑洞的检测

不会“变小”的黑洞

从黑洞旁的“虚空”中，发射出了粒子

热力学第二定律

“搞例外”的黑洞

黑洞是否具有熵

宇宙诞生之初的黑洞“鼻祖”

白热的太初黑洞

太初黑洞的观测

被撕裂的航天员可以“循环再生”

第七章 宇宙的起源和命运

膨胀宇宙中，星系如何形成

热大爆炸模型

作用特殊的中微子

炙热状态后，氦核形成了

膨胀之后的坍缩

生命存在的根源和方式

生命的形成

混沌边界条件

人存原理

解决诸多难题的理论：暴胀宇宙

无法想象的急剧膨胀

暴胀的原因和运用

宇宙处于一个巨大的泡泡之中吗

探寻暴胀的证据

宇宙没有边界，不被创生不被消灭

虚时间和欧几里得时空

弯曲时空的行为——宇宙的量子态

宇宙没有边界，它不被创生也不被消灭

实时间和虚时间中不同的宇宙历史

宇宙背景探险者卫星COBE的重要发现

第八章 时间箭头

探索时间的真相

我们记住的总是过去而不是将来

三种不同的时间箭头

如何区分过去和未来

时间的方向=越来越无序的状态

熵增大法则

我们对时间的感知由热力学时间箭头决定

从宇宙演化看热力学时间箭头的存在

倒退着生活，在出生之前就已死去了吗

早期宇宙的状态“孕育”了时间箭头

膨胀的证据

早期宇宙处于极低的熵状态

薛定谔的猫：生物赖负熵为生

从熵的角度来看进化

可以区分过去和未来的奇点理论

第九章 虫洞和时间旅行

理论上，我们可以做时间旅行

我们真的能前往过去和未来吗

旋转 卷曲的宇宙：时间旅行的前提

在旋转中变化而又充满力量的黑洞内外时空

旋转黑洞即是时光隧道吗

虫洞是宇宙中“瞬间转移”的时空隧道

逆时旅行的瓶颈：打不破的光速壁垒

虫洞——宇宙中“瞬间转移”的工具

如何让时空卷曲

时光机器的制造原理

怎样用宇宙绳制造时光机器

大爆炸产生了无数充斥宇宙的“绳子”

宇宙创生时，旧真空和新真空相互转化了

宇宙绳周围的时空，具有不可思议的性质

用宇宙绳制造时光机器

你能回到过去，但无法改变历史

为何没有来自未来的时间旅行者

解决时间旅行的佯谬

微观尺度下的时间旅行

宏观尺度下的时间旅行

第十章 物理学的统一

我们在寻找宇宙终极定律

自然终极定律

广义相对论和量子力学的结合

将引力和其他力结合起来的办法

有可能成为大一统理论的弦理论

弦理论的出炉

十维或者二十六维时空是科学幻想吗

为何我们只能感受到四维

自然只挑选了适合生命诞生的弦理论

科学的终极胜利是“认识上帝”

三种关于统一理论的可能

无法确定的终极理论

无厘头的龟理论和数学化的超弦理论

当“灵魂”遭遇科学决定论

统一理论背后，是谁在操控

哲学 科学=每个人都能知道上帝的精神

附录一：不可不知的物理名词

从古至今，人们一直致力于探究宇宙的本源和归宿：宇宙究竟是无限的还是有限的？它有一个开端吗？如果有的话，在此之前发生了什么？时间的本质是什么？它会到达一个终点吗？这些问题常让普通大众陷入没有出口的思考，同样也困扰着古往今来众多的科学家和哲学家。

目前，人们普遍接受的时间观念来自爱因斯坦的相对论。在相对论中，时间与空间一起组成四维时空，成为构成宇宙的基本结构。而史蒂芬·霍金在爱因斯坦之后通过对黑洞、红移及微波背景辐射等的研究，融合了量子理论，提出了他惊人的论断——宇宙是有限的，但无法找到边际；宇宙在150亿?200亿年前的大爆炸开端有一个奇点，这也是时间的起点，在此之前，时间毫无意义；空间－时间可看成一个有限无界的四维面，宇宙中的所有结构都可归结于量子力学的测不准原理所允许的小起伏。

为了便于读者对宇宙学理论进行系统、全面的解读，我们组织编写了这本《图解时间简史：全新升级版》。本书对于非科学专业的读者来说，是享受人类文明成果的好机会，而对于各领域的专家来说，无疑是他们宝贵灵感的源泉之一。书中整合了大量背景信息和理论资料，尽量将原著中一笔带过或不甚明了的知识点分解开、详细化地讲清楚。删除了纯粹技术性的概念，诸如混沌的边界条件的数学等。相反，包括相对论、弯曲空间以及量子论的课题，则予以详细论述。

它带我们遨游到微观和宏观的奇异领域，带我们去认识遥远的星系、神秘的黑洞、基本粒子和自然的力、夸克、反物质，理解膨胀的宇宙、不确定性原理、时间箭头、时间旅行及大统一理论，揭示当日益膨胀的宇宙崩溃时，时间倒溯引起人们不安的可能性。在这个奇境里，粒子、膜和弦做十一维运动，黑洞后蒸发并且和它携带的秘密同归于尽，而我们宇宙创生的种子只不过是一粒微小的“坚果”??

书中增配了大量照片、示意图和解析图，以更直观形象的方式阐述霍金那些惊人的观点，尤其是一些难懂的数学解析和理论模型，为读者更好地理解提供了捷径。

总之，本书力图将霍金的《时间简史》中涉及的知识逐一讲解清楚，并对其他涉及宇宙天文等科学领域的成就结合已知理论进行梳理，呈现出一个完整的研究情况汇报。这无疑将复杂高深的理论物理知识以全新的通俗的语言展现给普通人看，人类从古至今对时间的探索历程将在书中清晰展现，并在哲学层面理解科学成果，以科学成果烘托哲学理论。无论是广袤星际间的复杂关联，还是一个个的物理学概念的阐释，都变得更加引人入胜，使人遐想万千。

 

望远镜中的宇宙

我们现在从望远镜中看到的宇宙，就是这一时刻的宇宙景象吗？

答案是否定的。此时此刻，你从望远镜中观测到的宇宙，其实只是它过去的样子，至于它此刻到底发生了什么，我们无从知道。望远镜，其实就像是一台时间机器，将我们带入了宇宙的过去，我们观测得距离越遥远，看到的宇宙景象就越古老。

试着想一下吧！宇宙中的长度单位是光年，在真空中光一年传播的距离可以达到9.5万亿千米。按照这个速度来看，从太阳到地球，光只需要走不到8分钟的时间。也就是说，如果此刻我们看到了太阳光，那么这束光其实是太阳8分钟之前就发出的。同样的道理，地球距离半人马座α星的距离是大约4.22光年，因此我们此刻看到的比邻星也是它4年多前的影像。如此一来，我们看到的，不就是过去的宇宙吗？

当然了，几年的时间，跟那么多恒星几百亿年的生命历程相比是微不足道的，宇宙中多得是距离我们几百万光年、几千万光年甚至是几亿光年的天体。当我们从望远镜中看到它们的时候，事实上从它们发出的光线已经在宇宙中传播了几百万年、几千万年甚至几亿年。也就是说，我们现在从望远镜中看到的天体的景象，其实已经过去了很长很长的时间，甚至我们看到的一些恒星，很可能早就在茫茫宇宙中消亡了，但从它传出的光线还在浩瀚的宇宙中不断传播，远远没有到达地球。因此完全可以说，天体离我们的距离越远，我们看到的它们的影像就越古老。

对天文学家来说，找出协调所有科学理论的大统一理论，由此来推断宇宙的过去和未来，弄清楚生命起源和宇宙起源的奥秘，是一切科学理论的终极目标。而人的寿命不过区区数十年，人类文明史也不过区区几千年，跟已经存在了几百万年、几千万年的恒星相比，甚至跟已经存在了130多亿年的宇宙相比，简直不值一提。对地球上的人类来说，我们无法像观看春华秋实一样目睹、观察一颗恒星的完整生灭过程，更无法由此来得出更多有用的关于宇宙的信息。所以，观察这些离我们超级远的星星，甚至是已经消亡的星星，等同于在研究宇宙的过去，它可以帮助人类更好地探寻天体是如何进化的，并由此得出宇宙诞生之初的某些信息。

所以说，要了解宇宙的过去，只要观测更远的天体就可以了。当然，这一目标的实现要依赖于人类不断发展的科技水平，依赖于更加先进的望远镜。

金字塔之谜

作为世界七大奇迹之一，埃及人建造的金字塔显示出了当时的人类令人惊异的天文知识，成为至今仍难以解开的谜团。

古埃及是世界历悠久的文明古国之一，而埃及人建造的金字塔，更以其精湛的建筑技术、精确的定位技术，成为让建筑技术发达的现代人都惊叹不已的大工程。作为古埃及法老的陵寝，金字塔建造于沙漠之中，大体分布在尼罗河两岸，结构精巧，外形宏伟，是埃及的象征。

在诸多埃及金字塔中，首都开罗郊外的胡夫金字塔，是著名的。这不光是因为它是所有金字塔中的，还因为它包含了诸多丰富的天文知识和数学知识。例如，用胡夫金字塔的底部周长除以其高度的两倍，得到的商值是3.14159，也就是圆周率π，这个精确度超过了希腊人算出的圆周率3.1428；塔内部的直角三角形厅室，各边之比为3∶4∶5，体现了勾股定理的数值；塔总重约为6000万吨，若乘以10的15次方，刚好是地球的重量；塔高度的10亿倍，恰好是地球到太阳的距离；塔底边长230.36米，是361.31库比特（埃及度量单位），这大约是1年的天数；塔底面正方形的纵平分线延伸至无穷远处，刚好是地球的子午线，而且这条纵平分线不但把地球上的陆地和海洋恰好分成了两半，也把尼罗河口三角洲平分成了两半；塔的中心刚好位于各大陆引力的中心。

对于胡夫金字塔内如此多面而又精确的数据，人们不禁奇怪：难道埃及人在远古时代就已经能够进行如此精确的天文与地理测量，拥有如此发达的天文学知识了吗？这样看来，金字塔是否可能是外星人遗留在地球上的建筑物，或者干脆就是上一个世代地球高度文明遗留的遗产？

当然，这些大胆浪漫的猜测并无确凿的根据，却给埃及金字塔蒙上了更多神秘的面纱，也更加剧了人们研究金字塔的热情。1862年，美国天文学家艾尔文卡拉克用当时的望远镜发现了天狼星是甲、乙双星组成的，甲星是全天亮星，乙星一般被称为天狼星的伴星，是体积较小、无法被肉眼看到的白矮星。但人们在金字塔的经文中，竟然发现了对天狼星双星系统的记录。此外，1974年还有学者提出，美洲阿兹特克冥街上的金字塔和神庙等物刚好构成了一副迷你版的太阳系模型，在这副模型中，人们甚至可以看到直到1930年才发现的冥王星的轨道数据。

当然，关于埃及神秘的金字塔，一直众说纷纭。实际上，关于为什么建造金字塔、什么时候建造的、具体是如何建造的，以及其中为何包含那么多今天人们才观测到的宇宙数据，这些问题时至今日仍然是未解之谜。金字塔到底是外星人留在地球上的建筑物，还是上个世代地球文明的遗产，目前我们还不得而知。不过，相信终有一天，当我们的科技水平足够发达，天文知识越来越丰富，对宇宙的认知越来越清晰时，那些隐藏在金字塔数据中的“天文巧合”或许就能得到清晰的解答，金字塔也能终揭开神秘的面纱。

虚空中的巨大空洞和宇宙长城

跟地球上的金字塔相比，宇宙中的未解之谜更加令人难以想象。随着人类不断探索宇宙的奥妙，人类的视野从地球扩展到太阳系、银河系、星团、超星系团，但我们依然无法了解宇宙的万分之一，未来的宇宙，将有更多的谜题等待我们解答。

1981年，一个天文小组在牧夫座和大熊座之间，距离银河系大约3亿光年的地方，发现了一处直径大约1.5亿光年的空间，其中没有任何天体、星系，甚至也没有发现暗物质。这样的宇宙空间就被称为“空洞”。牧夫座空洞是迄今为止发现的的空洞之一，有时候它也被称为超级空洞。之后，科学家又在其他地方观测到了空洞的存在。这些几乎没有任何星系存在的区域使得宇宙看起来就像一个巨大的蜂巢。2007年，美国天文学家在猎户座西南方向的波江星座中发现了一个巨大的空洞，其直径竟达10亿光年，这样的体积远远超过了以前发现的任何一个空洞，也大大超出了天文学家们的想象。对此，美国夏威夷大学天文学家布伦特图里曾惊讶地说：“那里就像是被人取走了东西，我们想也没想到会发现这么大的‘空洞’。”

如今，在天文学上，空洞指的是纤维状结构之间的空间，它与纤维状结构一起是宇宙组成中尺度的结构。通常，空洞中只包含很少或者完全不包含任何星系，一些特别的、空间等同超星系团的大型空洞，也时常被称为超级空洞或超空洞。不过，宇宙间这些“空洞”到底是如何形成的、形成于何时，至今我们仍不得而知。

除了巨大的“空洞”，宇宙中还存在着许多不可思议的结构，令人类叹为观止又无法解释。1989年，天文学家格勒和赫伽瑞领导的一个小组，在星系地图上标注恒星系的分布时，赫然发现星系、星系团的分布即使在大尺度下也不是均匀的，反而连接成了条带状结构。这个结构长约7.6亿光年，宽度达2亿光年，厚度约1500万光年，就像一条宇宙版的万里长城。后来，人们就把这个条状结构称为“格勒-赫伽瑞长城”。此后，在2003年10月，以普林斯顿大学的天体物理学家J.理查德格特为首的一组天文学家启动了一个名为斯隆数字天空观测计划的项目，对1/4片天空中的100万个星系相对地球的方位和距离进行了测绘，并把它们描绘在了一张宇宙地图上面。结果，运用的天文观测数据，人们从中绘出了一条长达13.7亿光年的、由星系组成的宇宙长城，这个后来被命名为“斯隆”的巨大无比的“长城”再一次让地球人目瞪口呆。

现在人们知道，宇宙版的长城，实际上是由众多恒星构成的条带状结构。通过观测发现，宇宙中的大量星系都集中在这样一些特定的区域上，在这种极大的尺度结构上看去就像是长长的链条，因此叫宇宙长城。不过，宇宙长城究竟是如何形成的，是否有规律可循，是人类探索宇宙过程中的又一个谜题。

当然，除了宇宙空洞和宇宙长城，宇宙中还有很多谜题等待人类去解答。无论怎样，随着人类科技的迅猛发展，相信我们对宇宙的认知会越来越多，越来越清晰。

 

 

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