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《时间简史》读书笔记

作者:刘艳红 来源:本站 时间:2019-06-04
 

《时间简史》是这样一本书,也许你的书架上还真有这么一本,也许你曾经怀着对知识的渴望、对宇宙终极奥义的好奇三番五次翻开第一页或第一章,却从未读下去。

说真的,我想说,不怪你!因为这本书真的很难读——对于一个汉语阅读习惯的人而言。
虽然两位译者也是有名的学者,他们大概也是对物理学前沿科学有着充分理解和认知的,但是从英文逻辑直译过来的汉语真的别扭着呢,太多附加n多条件的长句子要绕晕你,让你有一种时刻做英语阅读理解的即视感,对着汉语翻译汉语。

但是翻译不是你需要克服的唯一问题,更让你怀疑自我、怀疑人生的,是文字背后所要阐明的观点——绝对是思维的迷宫,作为一个缺乏物理思维的文科生,我采取最笨的办法,一边读,一边划出看不懂的地方,结果经常发现,一页纸上全是划线。不过,也是因为难读,所以在反复阅读,反复翻看前后文中,忽然了解所表达之意时,还是很兴奋的。这几乎是毕业以后所读的最难读的书,好在我还是一个具有自虐精神的人的。

言归正传,把受虐后收入脑中的一些有序的知识和观点梳理一下,管他外部无序性要增加多少!

以上这句话源自于热力学的熵。熵即无序度,是只能随着时间增加不能减少的东西。吸收知识在头脑中增加了有序信息量,但是同时由身体释放出来的热对增加宇宙其他部分的无序度的效应却大得多。在书中,熵和黑洞的边界——事件视界有着极为相似的性质。黑洞的边界也是不会缩小,只能维持或增加的。因为,黑洞的定义是,不能逃逸到远处的事件集合。事件视界则是由刚好不能从黑洞逃逸,而只在边缘上永远盘旋的光线在时空里的路径形成的。这种边缘的光线必须是平行或散开的,一旦向内相撞,那就必然跌进黑洞了,因此,这些光线便表明,事件视界是保持不变或增大的,它永远不会减小。

狭义相对论。(1)光速是一定的。即30万千米/秒。(2)质量和能量等价。即 。(3没有能比光还快的东西。根据质能转换公式,当一个物体越接近光速,它运动所具的能量就越大,那么其质量就会几何级数的增加,也就需要更大的能量来加速它,加速会变得越来越困难。(4)除了绝对空间是不存在的,绝对时间也是不存在的,并且在相对论中时间和空间没有差别。(5)光锥。刘慈欣《三体》中有句名言,“光锥之内即命运”,人们只能处在某事件光锥之内时,才能知道该事件的信息,如果处在光锥之外,就得不到任何关于这个事件的信息,也就是这个事件与我们没有任何关系。

由于光速一定,所以所有光锥都是全等的,并朝着统一方向。

3、广义相对论。(1)引力不像其他种类的力,它只不过是时空不平坦所引发的结果。在时空中质量和能量的分布使它弯曲或翘曲。像地球,并非因引力而沿弯曲的轨道运动,而是沿着弯曲时空中最接近于直线的路径在运动。在广义相对论中,物体总是沿着四维时空的直线走,但从三维空间看,是沿着弯曲的路径。(类似于航空中的测地线,在两维展开中的最短,在三维中看起来是弯曲的)(2)光线也被引力场弯折。即光线在三维空间看起来也不是直线旅行的。这一点已经于1919年日全食观测中得到证实。(3)天上一天,人间千年。在像地球这样的大质量物体附近,时间流逝更慢。这是因为,光能量和它的频率存在着正相关,能量越大、频率越高。光从地球的引力场往上行进,它失去能量,因而频率下降,这表明相邻两个波峰之间时间间隔变长,从上面的某人看,下面发生的每件事都显得需要更长时间(慢动作播放)。

4、宇宙正在膨胀。(1)多普勒效应和红移的发现:例如一颗恒星向我们以固定波长发出光波,假定这颗恒星向我们运动,当光源在发出第二个波峰时,他离我们更近,这样两个波峰间的距离比恒星静止时要小,我们接受到的波长就更短,对应于光谱,就是被向蓝端移动。相反,光谱向红端移动。而在实际观测中,我们发现几乎所有星系都是红移,所以得证宇宙不是静止的,而是膨胀的,并且,离我们越远的星系,越快地离开我们。(2)弗里德曼宇宙模型。两个假设:不论往哪个方向看,也不论在何地进行观察,宇宙看起来大致一样。所有的弗里德曼解都有一个特点:在过去某一时刻,即宇宙大爆炸的时刻,宇宙密度与时空曲率无限大。共有三类模型:a 宇宙膨胀的足够慢,不同星系间的引力使膨胀减缓至停止,进而相互靠近,直至收缩至零。(闭合宇宙)b 宇宙膨胀的足够快,引力虽能减缓之却不能使之停下。(开放宇宙)c 宇宙膨胀的快到刚好足以避免坍缩,星系距离从零到最大到减小,但膨胀速度永远不会为零。(平坦宇宙)

5、不确定性原理和量子力学。粒子位置和速度不能同时得到精确测量,其中一个量越精确,另一个就越不精确:位置测量得越准,所需波长就越短,但单个量子能量就越大,对粒子速度的扰动就越大;相反,对速度测量越准,所需波长就越长,那粒子位置不确定性就越大。粒子质量的不确定性*粒子速度的不确定性*粒子质量≥普朗克常数。这样,粒子具有位置和速度的一个结合物,即量子态。量子力学并不对一次观测确定地预言一个结果,而是预言一组可能发生的不同的结果,并得出每个结果的概率。量子力学中,粒子和波是二象性的,著名的双缝实验可以说明,一个电子在同一时刻通过两条缝,像波一样产生明暗交替的条纹。

6、时空旅行。(1)超光速。如果能够超光速行驶,那么在地球发生的事件A通过光传播(事件光锥)被比邻星知道的时刻,可能晚于从比邻星出发一飞船到地球见证A发生然后再返回比邻星的时刻。那样的话,在比邻星上的人就会认为飞船上的人是先知。但是超光速已被证明不可能。(2)卷曲时空并创生虫洞。即抄近道。(3)为什么在过去,从来没有一个来自未来的人出现?如果真的能时空倒流,来自未来的人有没有能力重写历史。

7、大统一理论(GUT)。(1)目前认为自然界中有四种力。引力,电磁力、弱核力和强核力。现在在人类能够实现的高能量下,后三种力会变得像一种力的不同方面。但是仍未实现引力与后三者的统一,也许是需要的能量人类达不到,也许是别的……(2)真正的完美科学定律应该是CPT联合对称(C是用反粒子代替粒子;P是取镜像,左右互换;T是颠倒粒子运动的放向,也即改变时间箭头,让运动倒回去)。但CP联合对称一般情况下可以认为成立,而T对称,即时间箭头(至少存在三种时间箭头:无序度增加的方向——热力学时间箭头、我们感觉时间流逝的方向——心理学时间箭头、宇宙尺度增大的方向——宇宙学时间箭头)的方向却从未变过,我们能见到一个茶杯摔碎,但我们不能看到一地碎渣粘合成一个杯子。

8、弦理论和多维空间。从超引力理论到弦理论。一个粒子在每一时刻占据空间的一点,它的历史可以在时空中用一根线代表(世界线)。一根弦在每一时刻占据空间的一根线,这样它在时空里的历史是一个焦作世界片的二维面。在这个世界片上任一点都可用两个数来描述:一个指名时间,另一个指名这一点在弦上的位置。在弦理论中,原来被以为是粒子的东西,现在被描绘成在弦里旅行的波动。弦理论似乎当时空是10维或26维,而不是通常的4维时,它们才是协调的。如果高于四维的维度的确存在,那么它们可能是被弯卷到非常小的尺度,人们根本无法察觉。根据人存原理,二维空间是不能允许复杂生命存在的。例如一个二维动物,消化道就会把它分割成两部分,那么动物就解体了。同样,多余三维的空间也是极具变化性的,难以存在复杂生命,因为两个物体的引力将随距离衰减的比三维空间中更快,这样在多维空间中,地球围绕太阳的轨道可能非常不稳定,要么脱离太阳要么坠入太阳,我们就会被冻死或烧死。原子里的原子核和电子也是同理。因此,我们可以推断,即使宇宙中的确存在高维区域,因为不存在可以对其进行观察的智慧生命,我们也永不会看到这一现象。

9、弱人存和强人存理论。弱人存原理:我们之所以看到宇宙是这个样子,是因为如果它不是这样的话,就不存在我们,也就不会在这里去观察它。强:存在许多不同宇宙,只有一些适合生命存在,而那些庞大的其他的宇宙虽然跟我们毫无关系,但也是因我们而存在。

霍金在书的结尾写到,在牛顿时代,一个受教育的人差不多可以掌握整个人类的知识,但是到了爱因斯坦刚拿出广义相对论之时,据说一开始只有两个人能理解什么是广义相对论。再到今天,成千上万的大学生、研究生至少能够对这个思想有所理解。

人类的智慧是在不断发展的,越来越多的人类可以理解更加高深的知识,也许有一天我们能够发现所谓的大统一理论,到那时,人类通过学习和普及,就可以理解更多,甚至是完全理解发生在我们周围的事件及我们自身的存在。

我想霍金写就此书的初衷,也就在于,对人类普遍的智慧的启发,好让更多人了解目前人类已知的一切的一个梗概,好让人类站在更高的起点去探索未知。

但霍金非常谦虚,在书中他并没有这样写过。

 

(作者系民建山东省委组织部三级主任科员)