时间简史讲的是什么?听说世上仅9个人读得懂?

广东人民出版社

《时间简史》是当代物理学家关于宇宙构成以及演化理论的权威性总结。——《华尔街日报》

从1988年首次发表以来,《时间简史》在全球销售超过了2500万本。据说,买了这本书的人,十个有九个是看不太懂的。

《时间简史》是英国物理学家斯蒂芬·霍金在46岁时创作的,全书共十二章,是关于探索时间本质和宇宙科学思想的通俗科普读物,也是他的首部著作,主要说了三大部分的内容,包括:时间的起始,关于宇宙的猜想;宇宙界限内,关于时间的猜想;时间的终结,关于黑洞的猜想。

时间的起始,关于宇宙的猜想

科学的终极目的在于提供一个简单的理论去描述整个宇宙。——《时间简史》

宇宙为什么会存在?读初中时曾经想过这个问题,之后......就没有之后了,这是人类关心但一直无解的问题。

《时间简史》不是说时间的吗?关宇宙什么事呀?真有关的,大家想想,假设时间在宇宙大爆炸之前已经存在,但那之前时间对宇宙是没有意义的。当时间回溯到大约146亿年前的大爆炸,大爆炸从奇点产生,而在奇点处,所有物理理论都失效了。这个“时间起点”是狭义的,是在许多假设的基础上定义的。大爆炸的奇点被量子效应所抹平,整个宇宙由此起始,同时,便有了空间与时间,物质开始形成。宇宙中的能量与物质不断发生复杂的反应,逐渐形成星系,包括太阳和地球先后形成。

由于在大爆炸之前交于奇点了,时间和空间之间的夹角只能是零,它们不可能平行,时间运行在空间中,你中有我,我中有你的状态下,时间与空间是一个注定不能单独存在的整体。空间和时间是连续的,而基于空间膨胀有速度,这个膨胀的速度就等于时间的速度。作者认为,现在我们看到的光其实是几百万年前的,它们从很远的星系发出的,也就是说,如今我们看到的宇宙,其实是在看它的过去。

书中也给出了“人存原理”,认为:人类眼中的宇宙是因为我们的观察和理解所得,人类对宇宙的认识和描述,都带有我们特有的认识能力。

在宇宙诞生后,太阳与地球相继诞生,“弱人存原理”则归纳解释了大爆炸发生在大约一百五十亿年以前的原因,由于足够古老的宇宙中,某些恒星完成演化而产生像氧和碳等元素,人类就是由他们构成的;也由于宇宙还是年轻的,因此,太阳等恒星才能提供能量,使人类从中获得适合生存的保障,而地球成为智慧生命的生存与发展的空间,这只是多种无序状态中的有序状态之一。

另外,书中阐释了“弯曲空间”这个新的概念。在广义相对论中,时间和空间成了动态变量,影响宇宙中发生的所有事物,在空间中,光显得不再沿着直线行进,其预言引力场应当弯折光线;对于在一个引力场中,不同高度的观察者,时间推移得不一样。因此,得出了时空并不平坦这一事实的结果,那么,对于宇宙的膨胀和宇宙是动态等相关猜想,我们就相对容易理解了。

《时间简史》试图以简单易懂的方式告诉人们,看不见摸不着但切实存在的宇宙是个有限却无界的时空之境,这是作者从物理、天文、哲学的视角对宇宙、时空、生命的思考。当我们身处一个新生场域时,我们是能看到了它的过去,无论过去的轰轰烈烈还是归于寂静,与现在的新生,都暗喻着时代的发展和空间变换的哲学理念。

宇宙界限内,关于时间的猜想

正如一个人不用空间和时间的概念不能谈宇宙的事件一样,同样,在广义相对中,在宇宙界限之外讲空间和时间是没有意义的。——《时间简史》

◎关于时间,我们懂得多少呢?没有人知道什么是时间,没有人知道时间在哪里,可是,手表和时钟貌似知道,时间测量工具的发展,从最早的历法制定到现在的秒以下的测量,无不体现了人类科学技术的极大发展。然而,我们从没有问过自己,关于时间,这就是全部了吗?

第一个,是热力学时间箭头,即是在这个时间方向上无序度或熵增加;然后是心理学时间箭头,这就是我们感觉时间流逝的方向,在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来;最后,是宇宙学时间箭头,在这个方向上宇宙在膨胀,而不是收缩。——《时间简史》

《时间简史》让我重新认识了时间。人们对于宇宙的认知从三维转向了四维,这第四维就是时间。直到20世纪初期,人们一直认为事物可以用唯一的时间来标记,但是书中告诉我们,时间可以是点,也可以是线,时间可以平行行进也可以相互交叉;时间和量子坍缩一起出现,任何事物没有发生坍缩,这件事物就没有时间存在。

相对论认为不同运动速度的观察者,测到的光速是一样的,因此,没有绝对的时间概念,每个人都有自己的时间测度,不能把自己的时间测度强加给另一个人的,每一个人都可以是不同的,时间其实不是时间,是空间,时间运行在空间中。宇宙的无边界条件与弱人存原理一起能解释三个箭头都指向同一方向。

◎时间的虚与实。霍金的理论设想,需要引入虚数描述时间,实时间是可以感受到的,在实时间中,过去与未来区别巨大,前进与后退明显不同。而虚时间是我们感受不到的,与历史流向垂直的时间。在虚时间中,时间和空间完全没有区别,向前或向后都没有太大区别,并不区分过去和未来。

◎时间是否有朝一日会倒流?网上一直有“能否通过虫洞穿越到过去”的争论,可是至今谁都未能打破“时间不可逆”这个说法。假设我们有逆转时间的能量,就需要低于时间的速度,让时间向后运动,这样才能回到过去,然而,一个悲观地事实就是,尽管人类在寻寻觅觅返老还童的途径,但时间的方向就是一条单行道,一去不复返。

时间的终结,关于黑洞的猜想

黑洞是时空的一个区域,因为那里的引力是如此之强,以至于任何东西,甚至光都不能从该处逃逸出来。——《时间简史》

霍金认为,相当于400万个太阳这样的超大质量黑洞是时空旅行的天然“交通工具”,其理由是黑洞对时间具有显著的影响,令其减缓的速度远远超过银河系中的任何物体。

◎关于黑洞

1783年,英国地理学家约翰·米歇尔有提到:一个致密天体的密度可以大到连光都无法逃逸。英国物理学家罗杰·彭罗斯运用广义相对论中光锥的行为方式以及引力总是吸引的事实证明了“在自身引力作用下而塌缩的恒星,会被限制在某一区域内,该区域的边界最终会收缩至大小为零”。1968年,美国科学家惠勒提出了“黑洞”一词。

黑洞是什么?通俗来说,就是中心是一个密度无限大、时空曲率无限高、体积无限小的天体,其引力强大到以至于只要落入它的视界面内的物体,即使是光,也是逃不出它的引力束缚。

◎霍金与黑洞的相关理论

1974年霍金提出的“黑洞热辐射”理论:黑洞一旦形成,就会“蒸发”辐射出能量,同时损失质量,这种辐射亦称为“霍金辐射”。在两年后,他的论文对该理论又做出了阐述:黑洞辐射并不含有任何黑洞内部的信息,在黑洞损失殆尽之后,所有信息都会丢失。这一说法与量子力学的定律产生矛盾,“黑洞信息悖论”由此产生。

此后很长的一段时间,霍金试图以各种推测来解释这一自相矛盾的观点,终于在30年后,霍金给出了更具有说服力的答案:黑洞从来都不会完全关闭自身,他们在一段漫长的时间里逐步向外界辐射出越来越多的热量,随后黑洞将最终开放自己并释放出其中包含的物质信息。

◎黑洞的五点推测

在完全看不到黑洞的情况下,关于宇宙学中黑洞的研究,有以下五点的推测:

第一,黑洞奇点。彭罗斯与霍金于1965至1970年间的研究认为,通过抽象的推理证明,即使不需要对称性的假设,大质量恒星晚期坍缩形成的黑洞和宇宙原初的奇异性在一定条件下都是不可避免的,黑洞可以模拟出宇宙大爆炸的超浓缩氮气的质量体,黑洞内一定存在密度和时空曲率无限大的奇点,而在此处,科学定律和预言都崩溃了,外面的人是无法看到的奇点的,也不知道这个奇点的物理崩溃是怎么回事。

第二,黑洞无毛定理。黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质,它是一种极其简单的物体,如果知道了它的质量、角动量和电荷,也就知道了有关它的一切,消繁归简或许是其最基本的特征,在60年代,发明家约克·惠勒把这种特征猜想为“黑洞无毛”,经过15年的努力,布兰登·卡特和加里·班亭等理论物理学家研究,证实了描述一个平衡态黑洞周围的时空几何只需要3个参量,从而也证实了惠勒的猜想。

第三,黑洞面积不减定理。霍金在1971年发表的黑洞边界面积不减定理,也被称为霍金定理。黑洞的强引力会不断从外界吸收物质,随着时间的演化,它的质量会越来越大,相应的,视界面的面积也会越来越大而不会有所减少。只要黑洞不再活动并处于某种稳恒的状态,那么黑洞的边界及其面积都应是一样的。

第四,黑洞不黑。在大爆炸的理论被提出后,霍金再一次提出了“黑洞不黑”的猜想,由“黑洞蒸发论”,提出“黑洞并非真的黑,它存在温度”,这个被物理科学界视为举足轻重的理论观点。

在通过宇宙空间中的探测器,测定出了一个大质量黑洞之中额外的能量物质,是由于黑洞的边缘上“穹界事件”在电磁场的环境下发生了扭转,使得这个黑洞自身的旋转速度减慢并以此产生了更多旋转运动的能量,来俘获宇宙中所有的光线与星体的物质,就像是一个恒星体一样的星体结构,在这个星体结构上,黑洞产生、释放与辐射出了大量的X光、γ射线的能量物质。

这些都仿佛真的如霍金所说的那样,黑洞并不是真正意义上的黑,从而改变了黑洞的经典图象。

第五,时间终结。经过科学家们的不断探索,证实宇宙大爆炸是时间的开端,由于人的寿命就短短的几十年,不是每个人都能看到时间的终局,那么,时间会终结吗?

《时间简史》最初的名字是“从大爆炸到黑洞”,意思是假设时间是始于宇宙大爆炸而产生,当它不断演化,将会到黑洞出现而结束。当宇宙持续膨胀,也许在膨胀到一定程度后,在强大的吸引力的作用下,宇宙开始收缩,可能会收缩成一个不占有空间点,此时黑洞出现,或许到那时,时间将会被终结。

这仅是科学家们的猜想,这种终结状态就如宇宙的开端一样。但是,至于时间到底会不会终结于黑洞,现在还没有更精确的证明。

结语

当我读爱因斯坦写的一本物理书时,我啥也没弄明白,不过没关系:它让我明白了别的东西。——毕加索

我是在霍金去世的2018年买了这本书,当时是花了5个整天的时间,什么事都放下,专注地,一点一点撸这本书,太难了!

宇宙学对普通人来说,本就既艰涩难懂又很玄幻的,因为它是一门猜测的学问,而这猜测并不是无厘头的,而是基于天体物理学、天文学、相对论、量子力学等学科知识,从整体的角度来研究宇宙的结构和演化的猜想。看了几页,放弃的念头就不期然闪出来,哎哟,整个阅读过程,真是太煎熬了!

这是一本隐含哲学的科普书,它把我领进宇宙世界,进行了一场关于时间与空间的探索,这也是一次自我的探索:人类存在的意义是什么,我从哪里来,又将归去哪里。再读《时间简史》,让我有了新的认知和感悟:有时所谓的“常规”只是共识,不一定是“真理”,我们要常常思考一些从未想过的事物,对习惯的事物要从多个角度去论证,要善于独立思辨,敢于挑战权威言论,不要盲从。读了《时间简史》后,虽然它还不至于让我的世界观有多么大的改变,但绝对让我开阔了眼界。

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