时间简史

今天为您解读的书是史蒂芬·霍金的《时间简史》。

《时间简史》这本书呢，很多人都只是知道名字，但是不知道具体讲的是什么。而且呢，作为一本物理学著作，在大众印象中就和深奥难懂联系在一起。我们潜意识觉得这些知识离自己很远，但事实上，在1998年首版以来的岁月里，《时间简史》已成为全球科学著作的里程碑。它被翻译成840种文字，销售了1000万册，成为国际出版史上的奇观。

《时间简史》的作者史蒂芬·霍金更是大名鼎鼎。在解读这本书的内容之前呢，我们先来说说霍金。

霍金出生于英国牛津，从小就立志从事物理学和天文学的研究。在牛津大学完成了物理学学位课程后，他转而到剑桥大学攻读博士，研究宇宙学。

1963年，21岁的霍金被诊断患有肌肉萎缩侧索硬化症，即运动神经细胞病。当时医生曾诊断，身患绝症的他只能活两年，可是他意志坚强地活了下来。在牛津大学完成物理学学位课程后，他转而到剑桥大学攻读博士，研究宇宙学。

在此期间，即使他因严重的肌肉萎缩性疾病被长期禁锢在轮椅上，只有手部三个指头能活动，也没有能阻止他的思想飞出地球，走向广阔的宇宙。轮椅上的他仍然继续最新研究，先后提出了黑洞蒸发理论和量子宇宙论，震惊了整个自然科学界，被同辈科学家们推崇为继爱因斯坦之后最杰出的理论物理学家。

1974年，霍金当选为英国皇家学会最年轻的会员。2018年3月14日，霍金逝世，享年76岁。霍金的逝世也引发了全球各界人士的悼念。不得不说，失去这样一位杰出的物理学家，实在是我们全人类的遗憾。

说回《时间简史》这本书，霍金留给全世界的作品，讲的就是关于宇宙本性的最前沿知识，包括我们的宇宙图像、空间和时间、膨胀的宇宙、不确定性原理、黑洞、宇宙的起源和命运等内容，深入浅出地介绍了遥远星系、黑洞、粒子、反物质等知识，并对宇宙的起源、不确定性原理、黑洞、空间和时间，以及相对论等古老命题进行了阐述。

那今天呢，就让我们从三个方面，带你走进这部《时间简史》。

第一个方面，让我们跟随霍金的脚步，一起来看看我们应该如何理解我们的宇宙。

我们对宇宙的整体理解，每个时期都是不一样的。就像古代人对地球的认识，不同时期、不同文明都有不同的认知。比如古印度人认为，大地其实被驼在四头大象的背上，而四头大象又站在一只大海龟的背上。而中国历史上长期存在着盖天说和浑天说的争论。盖天说认为“天圆如张盖，地方如棋局”，也就是说，天像一把无形的大伞，拢在一个正方形棋盘的平坦大地上。而汉朝天文学家张衡在他的著作《浑天仪图注》里说：“浑天如鸡子，地如鸡中黄。”换句话说，天像一个巨大的鸡蛋壳，里面包裹着像蛋黄般的大地。

我们人类对于地球的认知，不断地在改进和改变、进步。最早能够用证据说明地球是一个球体的人，应该是古希腊人，比如说亚里士多德。在他的著作《论天》中，就提出了好几个方法证明地球是个球体，其中一个方法是在不同的地方看到的北极星的位置是不同的。

对于“宇宙”这两个字的探索，其实也经历了漫长的认知以及不断被推翻原有认知的过程。希腊天文学家托勒密根据前人的研究，搭建出大家熟知的托勒密系统，率先提出了地心说，即地球在宇宙中心，月亮、太阳和其他行星绕着地球转，恒星是在最外层的天球体绕着地球转，且恒星之间的相对位置不变。

文艺复兴时期的波兰天文学家哥白尼系统论证了地球和其他行星绕着太阳转，在临终的著作中触及到日心说的相关观点。很长一段时间里，古代西方的大多科学家都赞同地心说，而伽利略、开普勒以及牛顿的发现彻底摧毁地心说。

伽利略用自己制造的望远镜发现了木星有卫星，也就是说，木星的卫星并没有绕地球转，从而证实了地心说是错误的。比伽利略小几岁的开普勒还发现，地球和其他行星绕太阳转的轨道不是简单的圆，而是椭圆。接着，牛顿根据开普勒的发现推出万有引力，这是现代天文学最重要的发现。

从亚里士多德 - 托勒密的地心说到哥白尼 - 伽利略的日心说的演化就花了2000年的时间。令人吃惊的是，尽管人们知道世间的一切都在运动，但要到20世纪20年代，哈勃发现了红移定律后，宇宙演化的观念才逐渐被普罗大众接受。

在牛顿的宇宙模型中，宇宙是无限大的，并且是静止的。一个星球和另一个相隔那么遥远，彼此还有一种吸引力，那么谁来充当引力传播的介质呢？反正真空是不可能传递力的，引力作用也不可能是超距作用，那么这个介质又由谁来充当呢？这时候牛顿就借助了亚里士多德的以太概念。牛顿让以太这种物质胜任引力介质的艰巨任务。牛顿认为，正是宇宙中充满了看不见、摸不着的以太，才使得引力的传递有了介质，牛顿认为以太就是引力作用的传播者。但从今天的角度来看呢，牛顿的说法明显不能解决真正的宇宙问题。

真正解决宇宙问题的是20世纪的天文学家以及物理学家。首先，爱因斯坦建立了新的万有引力理论。1915年，爱因斯坦提出了新的引力理论，也就是时空弯曲理论，才解决了引力的介质问题。在时空弯曲理论中，压根儿就不需要什么以太充当引力的介质，因为连引力都是表象，本质是时间和空间的弯曲。例如太阳的巨大质量导致周围的时空弯曲得异常明显，而地球又在太阳周围的弯曲时空中运动，就不得不沿着弯曲的时空前行。地球就相当于车辆，时空就相当于道路，道路都是弯曲的，在其中行驶的车辆路径怎么可能不弯曲呢？所以地球就显得绕太阳旋转，就好像有一种力拽着地球一样，这就体现出了所谓的引力。

在牛顿之后，哈勃从星系光谱的红移推断出，越远的星系以越快的速度离我们而去，这表明整个宇宙处于膨胀的状态。估计在100亿到200亿年前，曾经发生过一桩开天辟地的大事件，即宇宙从一个极其密质、极其高热的状态大爆炸而产生。而霍金的贡献就是在经典物理的框架里，他证明了黑洞和大爆炸起点的不可避免性。黑洞越变越大，但在量子物理的框架里，他指出黑洞因辐射而越变越小，大爆炸的起点不但被量子效应所抹平，而且整个宇宙正是起始于此。

第二个方面，让我们一起通过这本书，来了解空间和时间的关系，看看宇宙大爆炸理论是如何得到的，以及我们经常谈论的黑洞到底是什么。

我们都知道啊，伽利略，一个天文学家，他对科学的最大的贡献，不是他发明了望远镜，也不是他用观测支持了哥白尼的日心说，那是什么呢？当然是他第一个系统地发展了我们对空间和时间的认识，同时呢，他也是第一个建立现代力学的人。

空间是我们的直观经验，时间也是。我们可以在空间的三个方向上走，前后、左右、上下，时间则是用时钟来记录的。伽利略说，其实很难探测到一个绝对的空间。比方说，将你关在一个屋子里时，然后以一个均匀的速度移动这个屋子，你无法判断这个屋子是否在移动，以及这个屋子以什么速度在移动。换句话说，以不同速度移动的屋子都是一样的。伽利略将这个现象称为相对性原理，存在所谓惯性系，这些无数个惯性系都相对做匀速运动，它们都是等价的。也就是说，物理学规律在每个惯性系里看来都是一样的。但是伽利略同时也说，时间在每个惯性系中都是一样的。

当然，伽利略的惯性系建立在一个重要的定律方面，任何物体如果没有力的作用，都在惯性系做着匀速运动。后来呢，这个定律叫做牛顿第一定律。牛顿的重要发现，物体做加速运动时，其加速度与力成正比。另外呢，它的第三定律，作用力和反作用力相等，但方向相反。

事实上，在爱因斯坦之前，人们接受的时间空间就是伽利略和牛顿的时间空间。爱因斯坦则提出，时间和空间不再是伽利略和牛顿的时间和空间，存在时间膨胀效应，动的时钟变慢，动的时钟变慢了；也存在尺子缩短效应，运动的尺子短了。但是所有的惯性系还是等价的，假如你相对我运动，我看你带的表变慢了，你看我戴的表也变慢了。爱因斯坦就这样建立了狭义相对论时空观，那是1905年。

接下来的10年中，他胆子更大了，干脆说，所谓万有引力只不过是时间和空间弯曲的结果。空间怎么弯？如果我们环绕地球画出一个球面，这些球面的面积不再和球面的半径平方成正比，只有远离地球，我们熟知的球面面积公式才是对的，离地球越近，球面的面积比预期的要小。那么时间是怎么弯的呢？很简单，不同的地方，时钟快慢不一样，离地球越近，时钟跑得越慢。爱因斯坦成功地用弯曲时空推导出万有引力，这就是广义相对论。

有了广义相对论，物理学家就可以研究在万有引力作用下恒星的命运。为什么这么说呢？恒星是靠热核反应维持生命的，一旦热核反应终止了，恒星就会一直塌缩下去，牛顿的万有引力理论不再适用了。

有一个留学英国的印度人叫钱德拉·塞卡，他发现恒星的质量小于某个数值的时候，它会塌缩成一种叫白矮星的东西。为什么叫白矮星呢？因为它会发出白光，但半径很小，也就是密度非常大，又白又矮。如果恒星质量比这个数值大，它还会继续塌缩，塌缩成什么呢？前苏联物理学家朗道说，只要它的质量不超过两个太阳，会塌缩成一种半径更小的东西，这种东西叫中子星。如果恒星的质量超过两个太阳会怎么样呢？这时万有引力强大到连中子星都自身难保，要一直塌缩下去，最终形成一种叫黑洞的东西。

那么，黑洞到底是什么呢？物理学家在上世纪60年代发现，黑洞就是一种完全不发光的天体，这是因为黑洞外面有一个“视界”，在这里，引力强大到连光都跑不出来。那你会问了，为什么光都跑不出来呢？前面我们谈到时空弯曲，时间弯曲是什么？就是离质量中心越近的地方，时钟越慢。你想象一下，有一个时钟放在黑洞附近，它每走一秒钟，我们在远处的人得等上一年的时间，这就是时钟变慢的效应。光速在爱因斯坦的理论里面是不变的，也就是说，在那个钟附近，尽管光在一秒钟之内跑了30万公里，在我们看来却是一年才跑了30万公里。好了，现在将时钟再向黑洞靠近一些，这时时钟每跑1/100000000秒，我们得等上一年，也就是说，在我们看来，光在一年内只走了3米，比蜗牛慢多了。就这样越靠近黑洞，在我们看来，光走得越慢，到最后根本走不出来。

嗯，霍金最大的发现是黑洞不是黑的。什么意思呢？我们前面说过啊，在黑洞的边界上，光都跑不出来，如果光都跑不出来，其他东西，包括基本粒子，当然也就跑不出来了，因为光速是这个宇宙中最大的速度，这是我们用经典物理学得到的结论。如果让量子力学加入进来，事情会变得怎么样呢？

1973年9月，霍金访问莫斯科，和当时苏联两位最杰出的物理学家讨论，他们告诉霍金，按照量子力学的不确定性原理，一个转动的黑洞应该辐射粒子。霍金觉得这个说法靠谱，但是他不喜欢他们的计算方法。很快两个月过后，霍金在牛津大学的一次非正式讨论会上公布了他的结论，他发现不转动的黑洞也能辐射出粒子。这是怎么回事呢？

我们前面谈过不确定性原理，那是指一个粒子的位置和速度不能同时确定，又或者说任何一个粒子可以同时处在不同的位置。后来，物理学家将狭义相对论和不确定性原理结合，发现真空中会不停产生粒子和它们的反粒子，然后这些正反粒子成对的出现，又成对的消失，平时不可能被我们看到。现在呢，霍金将黑洞放了进来，他发现在黑洞的边缘，正反粒子对当然也成对出现和消失，但是由于黑洞的强大引力，会将有一定几率的一对粒子中的一个吸入黑洞，而另一个粒子逃离了黑洞，这样表面上看上去黑洞就辐射出一个粒子。

那你会问了，黑洞的边缘不是连光都跑不出来吗，那个粒子是怎么跑出来的？这就是量子力学奇妙的地方。早在20年代，伽莫夫就用量子力学成功地解释了原子核裂变。根据经典理论，一个原子核中的粒子是不可能跑出来的，但是不确定性原理容许一个粒子有一定几率跑出来。同样在黑洞的边缘，各粒子也有一定的几率跑出来，真空中成对的粒子出现，其中一个粒子会跑出来，都是不确定性原理的结果。霍金还给出黑洞辐射和黑洞质量之间的关系，他的计算告诉我们，黑洞表面看上去有个温度，不过如果黑洞质量很大，这个温度就很低。例如，如果一个黑洞的质量有几个太阳质量那么大，温度只有千万分之一度，这还是绝对温度。因此，天文学家们不可能利用仪器看到黑洞辐射。

第三个方面也回到了这本书的终极问题，宇宙的起源和命运。我们看看霍金是如何用自己的理论解释的。

宇宙到底全源自哪里？宇宙之外有没有另一个宇宙？大爆炸之前，宇宙到底是什么样的？对于这个问题，霍金也表示了自己的看法。他认为目前宇宙没有边界，大爆炸之前任何东西都是不存在的。那你可能会问了，难道时间也不存在吗？霍金表示，我们所经历的真实事件在大爆炸后才出现，但这不代表大爆炸之前就没有时间，只是时间的状态不同。

宇宙起源于一场大爆炸，我们用天文观测和爱因斯坦的广义相对论推出了这个结论。我们将时间倒退到宇宙大爆炸的时候，整个宇宙中的物质集中在一个非常小的空间，那样的宇宙会是什么样子？不用说，那个时候的宇宙温度会很高，越向前温度越高。我们将时间倒退到宇宙大爆炸发生之后的38万年，那个时候，光开始和其他物质不再发生什么作用，那时宇宙的温度是3000度左右，天文学家看到的宇宙中的微波背景辐射，就是那个时候留下来的。

如果我们将时间放在大爆炸之后的100秒左右，宇宙的温度高达10亿度，这是最热恒星内部的温度，那个时候质子和中子开始结合成元素，氦以及其他比较轻的元素。如果将时间倒推到大爆炸后的一秒钟，这时宇宙中的粒子和反粒子开始互相湮灭成光子，只留下一部分粒子了，这是为什么现在宇宙中只有物质，没有反物质的原因。当然在大爆炸之后的一秒钟的时候，粒子要比反粒子多出一点点，否则就会全部变成光子。只是到今天，我们仍然不理解，为什么粒子会比反粒子多了那么一点点。

如果我们继续向前推，更早期的宇宙中只存在基本粒子，可是这些基本粒子是哪里来的呢？如果将时间箭头放到整个宇宙中，我们会发现，过去的宇宙比现在的宇宙更简单，越早的宇宙越简单。那么为什么最早期的宇宙是最简单的宇宙呢？物理学家对这个问题还没有答案。要回答这个终极问题，我们也许需要一个更加高级的理论，比如万物理论。

在万物理论中，物理现象是高度一致的。要解释这种统一性，我们举个例子，在法拉第和麦克斯韦之前，电荷、磁石是两种现象，后来人们发现，电和磁是一个统一现象的两种表现，于是就有了电磁理论。到了麦克斯韦，他就看到其实光也是电磁现象，这样电和磁以及光就统一起来了。那么世界上所有物理现象其实也是统一的吗？在万物理论中，物理学家认为确实如此，所有基本粒子其实都是一根非常非常微小的弦，只是弦的振动方式不同，就表现为不同的基本粒子。

在这本书中，霍金带领着我们遨游外层空间奇异领域，对遥远星系、黑洞、夸克、“代位粒子”和自旋粒子、反物质、时间箭头等进行了深入浅出的介绍。霍金也对宇宙是什么样的、空间和时间的关系，以及相对论等古老问题作了阐述，让我们初步了解狭义相对论以及时间、宇宙的起源、宇宙学的奥妙。

好了，今天的分享就到这里，感谢聆听。下期读书会，我们继续一起解读精品好书，记得收听哦。

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