史蒂芬霍金的时间简史

A Brief History of Time Astronomy Nature Science Space Science Stephen Hawking

从大爆炸到黑洞

A Brief History of Time by Stephen Hawking

买书 - 史蒂芬霍金的《时间简史》

《时间简史》这本书的主题是什么?

《时间简史》(1988 年)介绍了科学理论的历史和塑造我们当前世界知识的概念,是任何对科学史感兴趣的人的必读之作。在这本书中,霍金对宇宙的历史和支撑它的复杂物理学进行了简要总结,所有这些都以即使是第一次接触这些概念的读者也能理解的方式呈现。< /p>

阅读《时间简史》一书的是谁?

  • 任何对宇宙起源感到好奇的人、任何对量子物理学是什么感到好奇的人以及任何对黑洞如何运作感兴趣的人

斯蒂芬霍金的背景是什么?

理论物理学和宇宙学博士学位,斯蒂芬霍金(1942-2018 年)是一位理论物理学家、宇宙学家和作家,以其在霍金辐射和彭罗斯-霍金定理方面的工作而闻名。 1979 年至 2009 年间,霍金在剑桥大学担任卢卡斯数学教授,并被授予总统自由勋章。他还是皇家艺术学会的名誉院士和宗座科学院的终身会员。

对我来说到底是什么?探索宇宙的奥秘。

在夜晚看到满天繁星是这个星球上最令人惊叹和发人深省的景象之一。有一些关于宇宙闪烁的东西,恳求我们花点时间思考一下宇宙中最深奥的奥秘。 《时间简史》将通过揭示支配宇宙的原理来阐明这些奥秘。因为它是用可以理解的术语写成的,它甚至可以帮助那些不科学的人理解宇宙为什么存在,它是如何形成的,以及未来会是什么样子。您还将了解像黑洞这样的奇怪现象,这是一种真空,将一切(或几乎所有)都吸向它们。更重要的是,您将了解时间本身的奥秘,因为这些笔记提供了诸如“时间过得有多快?”之类的问题的答案。以及“我们如何知道它正在向前发展?”

可以肯定的是,在听完这些文学作品后,您再也不会以同样的方式看夜空了。

根据您过去所见所闻发展理论可能有助于您预测未来。

概率是您听说过引力理论或相对论。但是,当我们谈论想法和概念时,您有没有花点时间考虑一下我们的实际意思?简单地说,理论是一个模型,它在最基本的意义上正确解释了大量数据。科学观察,例如实验中的观察,由科学家收集和分析,然后科学家利用这些信息为事件发生的方式和原因提出假设。例子包括万有引力的想法,这是艾萨克牛顿在研究了从苹果从树上掉下来到行星运动的各种事件后建立的。利用研究人员收集的证据开发了一种引力理论。理论具有两个显着优势:首先,它们让科学家能够对未来事件的进程做出精确的预测。

例如,牛顿的引力理论使科学家能够预测行星等物体的未来运动。例如,如果你想知道火星在六个月后会在哪里,你可以使用重力理论来精确地预测位置第二,理论总是可证伪的,这意味着如果发现新的证据,它们可能会被修改这与所讨论的理论相矛盾。例如,人们过去认为地球是宇宙的中心,其他一切都围绕着它旋转。由于他发现木星的卫星围绕行星运行,伽利略能够证明并非一切都真正围绕地球旋转。因此,无论一个理论在其形成时看起来多么可靠,未来的一次观察可能总是使其不正确。因此,想法永远无法被证明是正确的,而科学是一个不断变化的过程。

多亏了艾萨克·牛顿,我们在 1600 年代思考事物运动方式的方式发生了变化。

在艾萨克牛顿之前,人们认为物体的自然状态是完全静止的。这意味着如果没有外力作用在物品上,它会保持完全静止。牛顿在 1600 年代最终证明了这个长期持有的观念是不正确的。取而代之的是一个新的假设,根据这个假设,宇宙中的一切都不是静止的,而是真的一直在运动。牛顿得出这个结论的原因是他发现宇宙中的行星和恒星在彼此之间的关系中不断运动。例子包括地球不断围绕太阳旋转,整个太阳系围绕银河系旋转。结果,没有什么是真正静止的。牛顿设计了三个运动定律来解释宇宙中万物的运动:

根据牛顿第一运动定律,如果没有其他力的作用,所有物体都将继续沿直线运动。伽利略在一个实验中证明了这一点,他将球滚下山坡来说明他的观点。因为除了重力之外没有其他力作用在他们身上,所以他们在直线上滚动。具体来说,牛顿第二定律说一个物体会以与施加在它身上的力成正比的速度加速。考虑以下示例:发动机功率较大的车辆比发动机功率较小的车辆加速得更快。这条规则还说,物体的质量越大,力对其运动的影响就越小,反之亦然。如果两辆车的发动机相同,则较大的车辆比较轻的车辆需要更长的加速时间。

重力由牛顿第三定律描述。它断言,宇宙中的所有物体都被一种与被吸引物体的质量成正比的力相互吸引。这意味着如果你将一个物品的质量加倍,作用在它上面的力就会加倍。如果您将一个物体的质量加倍,而将另一个物体的质量加倍,则力将是原来的六倍。

光速恒定这一事实表明,测量某物的速度与另一个速度的关系并不总是可能的。

在看到牛顿的理论如何废除绝对静止并将其取而代之的是物体的运动是相对于其他物体的运动的概念后,我们可以看到它今天仍然在使用。但是,该理论还表明,物品的相对速度很重要。考虑以下场景:您坐在以每小时 100 英里的速度行驶的火车上并阅读一本书。我很好奇你旅行的速度有多快。据目击者说,你正以每小时 100 英里的速度行驶。但是,相对于您正在阅读的书,您的速度为每小时 0 英里。因此,您的速度是相对于另一个项目来衡量的。然而,牛顿理论的一个重大缺陷被发现:光速

光速是恒定的,不是相对的,并且无法测量。它以每秒 186,000 英里的恒定速度移动。无论其他什么运动的速度比光速快,光速都将保持不变。例如,如果一列以每小时 100 英里的速度行驶的火车接近一束光,根据公式,光速将为每秒 186,000 英里。然而,即使那列火车在红色信号时完全停下来,光束仍将以每秒 186,000 英里的速度行进。谁在看光或他们移动的速度有多快都没有区别;光速将始终保持不变。由于这一发现,牛顿的假设受到损害。当物体移动时,物体的速度如何保持恒定而与观察者的状态无关?幸运的是,解决方案是在 20 世纪初找到的,当时阿尔伯特·爱因斯坦提出了他的广义相对论。

根据相对论,时间本身并不是一个固定量。

光速保持恒定这一事实是牛顿理论的一个问题,因为它表明速度不一定是相对的。因此,科学家们需要一个考虑到光速的更新模型。阿尔伯特·爱因斯坦创造的相对论就是这种理论的一个例子。根据相对论,科学规则同样适用于所有可以自由移动的观察者。这意味着无论某人以何种速度旅行,他们将始终体验到相同的光速。虽然这乍一看似乎相当简单,但它的一个基本命题对于很多人来说确实是极其难以理解的:时间是相对的这个想法是最难理解的。

由于当观察者以不同速度行进时,光的速度不会改变这一事实,因此以相对于彼此不同速度行进的目击者实际上会估计同一事件的不同时间。考虑以下场景:一道闪光被发送给两个目击者,其中一个正在向光移动,另一个在光的相反方向以更快的速度移动。尽管事实上他们以非常不同的速度和相反的方向移动,但两个观众都会体验到相同的光速。这意味着他们都认为闪电事件发生在与另一个不同的时刻,这令人难以置信。这是因为时间是由某物经过的距离除以它移动的速度来定义的。虽然光速对于两个观察者来说是相同的,但由于距离的不同,在这种情况下,时间是相对于每个观察者的。

如果两个目击者都配备时钟来记录产生光脉冲的时刻,他们将能够证明同一事件的两个不同时间。那么,谁是正确的?没有观察员的意见;时间对于他们的每个观点都是相对且独特的!

由于不可能获得粒子的精确测量值,因此科学家们依靠称为量子态的概念来进行预测。

宇宙中的一切都是由电子和光子等粒子组成的。科学家们试图测量它们并分​​析它们的速度,以便更多地了解宇宙及其居民。但是,当您尝试检查粒子时,您会发现它们的行为方式不寻常。奇怪的是,你尝试测量粒子的位置越精确,它的速度就越不确定。相反,您尝试测量它的速度越精确,它的位置就越不确定。不确定性原理是这种现象的名称,最初是在 1920 年代发现的。不确定性原理的结果是科学家们被迫寻找其他观察粒子的方法,导致他们开始观察粒子的量子态。粒子的量子态是粒子的几个可能的潜在位置和速度的组合。

由于科学家无法确定粒子的精确位置或速度,他们必须考虑粒子可能占据的众多可能位置和速度。研究人员监视粒子可能存在的每个可能位置,然后在粒子四处移动时从中选择最可能的位置。科学家们将粒子视为波,以帮助他们确定这一点。因为一个粒子可能同时处于多个不同的位置,所以它们的外观看起来是一系列连续的振荡波。考虑一根振动线的图像。当琴弦振动时,它将通过一系列波峰和波谷呈弧形倾斜。一个粒子的行为方式类似,但其潜在路径由一系列同时发生的重叠波组成。

以这种方式观察粒子有助于科学家确定最有可能发现粒子的位置。最可能的粒子位置是众多波上的弧和峰彼此重合的位置,而最不可能的粒子位置是它们不重合的位置。这称为干扰,它揭示了粒子波最有可能沿其路径传播的位置和速度。

重力是大物体按照自己的意愿扭曲时空结构的结果。

当您环顾四周时,您正在从三个维度观察世界,这意味着您可以通过高度、宽度和深度测量来表征每个项目。事实仍然是存在第四个维度,尽管我们看不到:时间,当与其他三个维度结合时,就形成了一种称为时空的现象。科学家利用这个四维时空模型来解释整个宇宙中发生的事件。在时间和空间的背景下,事件是在某个时间点发生的任何事情。因此,当结合三维坐标确定事件的位置时,科学家会包含第四个坐标来表示发生的时间。为了确定事件的位置,科学家必须考虑时间,因为相对论说时间是相对的。因此,它是定义特定事件性质的基本要素。

空间和时间的结合对我们对引力的理解产生了显着影响,因此引力发生了巨大的变化。如上所述,重力是大物体弯曲时空连续体的结果。当一个大质量,比如我们的太阳,弯曲时,就会产生改变时空的效果。考虑以下场景: 将时空的概念视为铺展开并悬在空中的毯子。如果您将物品放在毯子的中央,毯子会弯曲并且物体会在毯子的中间下沉一点。这就是巨大的事物对时空结构的影响。

其他物体在穿越空间时将遵循这些时空曲线。这是因为一个项目总是选择两个位置之间的最短路径,这是围绕宇宙中更大物体的圆形轨道。如果你再看一眼毯子,你会看到一些东西。将一个像橘子这样的大物品放在毯子上,然后尝试将一个较小的物体滚过它会导致大理石跟随橙色重力留下的凹陷以相同的方式运作!

如果一颗质量很大的恒星死亡,恒星会坍缩成一个奇点,称为黑洞。

为了产生热量和光,恒星在其一生中需要大量的能量。然而,这种能量不会无限期地持续下去。最终,它耗尽自己,导致恒星死亡。恒星死亡后会发生什么取决于恒星的大小。当一颗大质量恒星耗​​尽其能量储备时,就会发生一些不寻常的事情:黑洞的形成。由于大多数大恒星的引力场非常强大,因此可能会形成黑洞。只要恒星还活着,它就有可能利用它的能量来防止自身坍塌。能量耗尽后,这颗恒星不再能够抵抗重力,它的解体体最终会自行坍塌。一切都被向内拉入一个奇点,这是一个无限密集的球形点,在宇宙中的其他任何地方都不存在。这个奇点被称为黑洞。

由于黑洞的引力,时空扭曲得如此剧烈,以至于连光都沿其路径弯曲。黑洞不仅会吸引附近的一切事物,而且还会阻止任何跨越其周围特定边界的事物再次逃逸:这个不归路被称为事件视界,并且没有任何东西,甚至光都不会传播比宇宙中的任何东西都快,可以逃回来。黑洞的事件视界被定义为任何东西都无法再次逃脱的点。这提出了一个有趣的问题:既然黑洞吸收了光和穿过其事件视界的其他一切,我们如何判断它们是否真的存在于宇宙中?天文学家通过观察黑洞对宇宙的引力影响以及它们与轨道恒星相互作用所发出的 X 射线来寻找黑洞。

例如,天文学家搜索环绕黑暗和巨大物体的恒星,这些物体可能是也可能不是黑洞,以便了解更多关于它们的信息。他们还在寻找 X 射线和其他波,这些波是物质在被黑洞拖入并被黑洞撕裂时经常产生的。在我们银河系的核心发现了一个更加神秘的无线电和红外辐射源;这个来源被认为是一个超大质量黑洞。

黑洞会产生辐射,这可能会导致它们蒸发,最终导致它们死亡。

黑洞的引力是如此强大,以至于连光都无法逃脱。按理说,没有其他任何东西也能逃脱。然而,你错了。事实上,为了避免违反热力学第二定律,黑洞必须发射一些东西。热力学的普遍第二定律指出,熵,或趋向于更大无序的趋势,一直在上升。当熵增加时,温度也必须增加。一个很好的例子是火扑克在放入火中后会燃烧得炽热,并以热的形式发出辐射。根据热力学第二定律,由于黑洞从宇宙中吸收了无序的能量,因此黑洞的熵应该会因此而上升。而且,由于熵的增加,黑洞应该被迫让热量逸出。

虽然没有什么东西可以从黑洞的事件视界逃逸,但在事件视界附近的虚拟粒子和反粒子对能够逃逸,因为热力学第二定律在事件视界附近是守恒的。无法观察但其影响可以量化的粒子称为虚粒子。这对粒子中的一个成员具有正能量,而另一个具有负能量。由于黑洞中的引力强度,一个负粒子可能会被吸入黑洞,并在这样做时为其粒子伙伴提供足够的能量,以可能逃逸到宇宙中并以热量的形式释放。黑洞有可能以这种方式发射辐射,使其遵守热力学第二定律。

释放的正辐射量被黑洞拉入黑洞的负辐射量所抵消。负粒子的这种向内流入有可能减少黑洞的质量,直到它最终蒸发并死亡。而且,如果黑洞的质量减少到足够小的值,它很可能会以相当于数百万颗氢弹的巨大最终爆炸而告终。

尽管我们无法确定,但有明显迹象表明时间只会继续向前推进。

考虑一下宇宙开始缩小和时间开始倒流的可能性。在那里会是什么感觉?时钟倒退,历史轨迹倒转的可能性是存在的。然而,虽然科学家们并没有完全排除这种可能性,但三个重要的迹象表明时间正在向前推进。时间的热力学箭头是时间从过去的一点流向未来的另一点的最初迹象。根据热力学第二定律,熵——封闭系统的无序——在每个封闭系统中随着时间的推移趋于增长。这意味着无序增长的倾向可以用来衡量时间的流逝。

一个杯子不小心从桌子上掉下来摔碎了,顺序被打乱了,熵就上升了。因为破碎的杯子永远不会自发地重聚并增强其秩序,我们可以得出结论,时间只是向前推进。破碎的杯子和热力学时间箭头都是前进时间的第二个指标的元素,它由记忆控制,也由心理时间箭头表示。当您回忆起杯子被打破后放在桌子上时,您将无法“回忆”它未来在地板上的位置,而它在被打碎之前仍在桌子上。第三个迹象,宇宙时间箭头,是指宇宙的膨胀,它对应于我们对时间热力学箭头的经验以及我们对它的认识的增长。这是因为熵随着宇宙膨胀而上升。

到达某个时间点后,宇宙中的混沌可能会导致宇宙收缩,从而在宇宙时间箭头中逆转时间方向。但是,我们不会意识到这一点,因为智能生物只能生活在混乱加剧的环境中。这样做的原因是因为人类依靠熵的过程将我们的食物转化为可用的能量形式。因此,只要我们还活着,我们就会继续感知宇宙时间之箭在向前移动。

宇宙中除了万有引力之外,还有三种基本力。它们是:吸引力、吸引力和吸引力。

宇宙中是否存在任何特定的力量?大多数人只会熟悉这些力中的一种:重力,这是一种将事物相互吸引的力,并且以地球重力将我们拉到其表面的方式感受到。另一方面,大多数人不知道实际上还有另外三种力作用于最微小的颗粒当磁铁贴在冰箱上或为手机充电时,您正在体验电磁力,这就是这些力量中的第一个。它对所有带电粒子都有影响,包括电子和夸克,以及它们的电荷。

磁铁有北极和南极,可以吸引或排斥其他磁铁。带正电的粒子吸引负粒子并推开其他正粒子,反之亦然。电磁力由磁铁的北极和南极表示。这种力比重力强得多,并且在原子水平上的影响比重力大得多。例如,电磁力使电子以圆周运动环绕原子核。第二种核力是弱核力,它作用于构成物质的所有粒子,并负责产生放射性。这种力被称为“弱”,因为传输它的粒子只能在短距离内施加力,因此得名。由于弱核力在较高能量下强度增加,最终超过电磁力。

它是将质子和中子以及包含在质子和中子内部的较小夸克结合在一起的第三种核力。与电磁力和弱核力相反,强核力随着粒子能量的增加而变弱。在非常高能量的时期,称为大统一能量,电磁力变强,弱核力变弱,而强核力变弱。在那一刻,所有三种力达到相等的强度并融合在一起形成单一力的各个方面:根据某些理论,这种力可能参与了宇宙的形成。

尽管科学家认为宇宙始于大爆炸,但他们并不清楚这是如何发生的确切情况。

绝大多数科学家认为时间始于大爆炸——宇宙从无限稠密状态转变为今天仍在膨胀的快速膨胀实体的那一刻......尽管有各种假设有人建议解释宇宙如此大规模膨胀是如何发生的,但科学家们仍然不确定大爆炸是如何发生的。宇宙起源的热大爆炸模型是最普遍接受的宇宙起源假说。根据这个假设,宇宙开始时的大小为零,开始时是无尽的炎热和密集。在大爆炸期间,它膨胀,随着它的增长,随着热量分散在整个宇宙中,宇宙的温度下降。今天宇宙中存在的大部分成分是在宇宙膨胀的最初几个小时内形成的。

由于引力的作用,随着宇宙继续膨胀,膨胀物质的致密区域开始旋转,从而形成星系。氢气和氦气云在这些新形成的星系内被压缩,导致宇宙膨胀。它们碰撞的原子引发了核聚变事件,从而导致了恒星的形成。在随后的几年里,随着这些恒星的消亡和内爆,它们引发了大规模的恒星爆炸,将更多的元素喷射到宇宙中。结果,大爆炸提供的原材料形成了新的恒星和行星。尽管这是广为人知的大爆炸模型和时间的开端,但它并不是唯一的模型。

暴胀模型是另一种可以考虑的选择 在这种情况下提出,早期宇宙的能量非常大,以至于强核力、弱核力和电磁力的强度强度都一样。然而,随着宇宙规模的增长,这三种力的相对强度开始显着变化。由于力的分离,释放了大量的能量。会产生反引力效应,迫使宇宙以越来越快的速度快速扩张。

物理学家无法调和广义相对论和量子物理学。

科学家们寻求更好地理解和解释宇宙的努力导致了两个主要思想的发展。物理学中的一个基本概念是广义相对论,它涉及宇宙中一个非常大的现象:引力。最迷人的科学分支之一是量子物理学,它研究人类已知的宇宙中一些最微小的东西:比原子还小的亚原子粒子。尽管这两种理论都提供了有价值的见解,但量子物理学方程的预测与广义相对论的预测和观察之间存在显着差异,尽管这两种理论都是正确的。这意味着,目前还没有办法将它们全部结合成一个单一的、全面的、统一的万物理论。

结合这两种理论存在问题,因为量子物理学中使用的许多方程导致显然不可能的无限值,这使得结合这两种理论变得困难。考虑这样一个事实,即时空方程预测时空曲线是无穷无尽的,这已被观测证明是不正确的。科学家们正在尝试将其他无穷大添加到等式中,以抵消这些无穷大。不幸的是,这限制了科学家预测未来的准确性。因此,与其使用量子物理方程来预测事件,不如将事件本身包括在内并修改方程以使其适合!在第二个相关的问题中,量子理论提出宇宙中所有的空白空间都是由虚拟的粒子和反粒子对组成,这与现实不一致。

另一方面,这些虚拟配对的存在给广义相对论带来了问题。这是因为宇宙有无限量的空白空间,因此这些配对的能量必须具有无限量的能量。这很麻烦,因为爱因斯坦著名的方程 E=mc2 暗示一个物品的质量等于它的能量,这是一个错误的假设。因此,这些虚粒子的无限能量意味着它们同样拥有无穷无尽的质量。如果有无限的质量,整个宇宙就会在太阳强大的引力作用下坍塌,形成一个黑洞。

总结在最后

许多人对物理学感到厌烦,因为他们认为物理学是一个由长方程和复杂想法组成的难以接近的领域。这是这些笔记传达的主要信息:这在一定程度上是正确的,但不完全正确。然而,物理学的复杂性不应阻止我们这些不是专家的人了解宇宙如何运作以及为何运作。存在许多规则和条例来帮助我们理解世界的奥秘以及我们在其中的位置。我们大多数人都可以理解的规则和规则。而且,一旦我们掌握了它们的重要性,我们可能会开始以不同的方式看待世界。

买书 - 史蒂芬霍金的《时间简史》

由 BrookPad 团队根据斯蒂芬霍金的《时间简史》撰写



较早的帖子 较新的帖子


发表评论

请注意,评论必须在发表前获得批准

Judge.me Review Medals