霍金代表作《時間簡史》,喜歡思考宇宙的朋友都應該了解的一本書

關於作者

斯蒂芬·霍金,當代最知名、最活躍的物理學家,曾任劍橋大學盧卡斯數學教授。

《時間簡史》是霍金的代表作,也是全世界最知名的科普經典,暢銷1000多萬冊,被翻譯成了40多種文字。霍金的一位博士後學生半開玩笑地評論說,“霍金的書,比麥當娜談性的書還好賣”。

霍金代表作《時間簡史》,喜歡思考宇宙的朋友都應該瞭解的一本書

斯蒂芬·霍金

核心內容

霍金在《時間簡史》中介紹了20世紀物理學的基礎知識,涵蓋範圍很廣,從相對論到量子力學,從宇宙膨脹到基本粒子,從黑洞到蟲洞,霍金都有所涉及。更重要的是,霍金還介紹了“奇點定理”和“霍金輻射”這兩個自己最重要的學術貢獻,以及試圖解決宇宙起源問題的“無邊界宇宙模型”。

霍金代表作《時間簡史》,喜歡思考宇宙的朋友都應該瞭解的一本書

《時間簡史》

一、奇點定理

霍金和彭羅斯利用嚴謹的數學方法證明了,如果廣義相對論是正確的,而且宇宙中的確有我們觀測到的那麼多物質,那宇宙一定誕生於一個奇點之中。

1. 宇宙不是靜態的,而是在不斷地膨脹

埃德溫·哈勃等科學家發現,宇宙中的絕大部分星系都在遠離地球而去,而且離地球越遠的恆星,離開地球的速度也越快。這意味著,宇宙就像是氣球一樣,在不斷地膨脹。

【案例】愛因斯坦曾經認為,宇宙應該是靜態的。為了維持靜態宇宙的假設,他還在自己的方程里加上了一項“宇宙常數”,這被稱為“愛因斯坦一生中最大的錯誤”。

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霍金

2. “奇點定理”意味著在廣義相對論框架內,宇宙必然有一開端

“奇點”是體積無限小、彎曲程度無限大、密度無限大、引力無限大的點。宇宙就誕生於“奇點”之中。

【案例】宇宙膨脹的發現意味著,在很久以前,宇宙必然比現在小,所有的物質都會緊緊地集中在一起。霍金和彭羅斯證明了,如果我們把時間往前推150億年,那所有星系之間的距離都是0,宇宙必然誕生於“奇點”之中。

二、無邊界宇宙模型

在描述宇宙歷史的模型中,“宇宙大爆炸”模型是當前的主流理論,但這一理論目前無法解決宇宙起源問題。霍金因此把量子力學和相對論結合起來,提出了“無邊界宇宙模型”,試圖解決這一問題。

1. 宇宙大爆炸模型無法解決宇宙起源問題

在宇宙大爆炸模型中,宇宙誕生於“奇點”。但包括廣義相對論在內的所有物理定律,都會在奇點處失效,因此人類無法直接研究奇點,這就為上帝的存在留下了空間。

【案例】在大爆炸模型中,物質、空間和時間,都是大爆炸之後才出現的。大爆炸之前的任何事件,對於我們來說都沒有任何意義,或者說根本就不存在。也就是說,宇宙時空並不是無限的,而是有一個邊界和開端。

霍金代表作《時間簡史》,喜歡思考宇宙的朋友都應該瞭解的一本書

宇宙

2. 在“無邊界宇宙模型”中,宇宙沒有起源和開端

在“無邊界宇宙模型”中,宇宙是“有限無界”的,沒有邊界和奇點。霍金認為,這個宇宙是完全自給自足的,不受任何外來事物影響,沒有創生和消滅的時刻,它就是存在本身,不需要上帝來創造它。

【案例】“無邊界宇宙模型”裡的宇宙,是一個空間和時間交織在一起所組成的四維宇宙。在這個宇宙中,時空就像是地球的表面,在範圍上是有限的,但卻沒有形成邊界,也沒有形成奇點。科學規律在任何一個時空點上都適用,不會發生崩潰。

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雙黑洞

三、霍金輻射

“霍金輻射”也就是“黑洞輻射”。霍金利用量子力學中的“不確定性原理”提出,黑洞也會發出輻射,並不是完全黑的。

1. 黑洞引力極大,連光都不可能逃出黑洞

當恆星的內部燃料耗盡之後,在自身的引力作用下,就可能坍塌成黑洞。黑洞質量大,體積小,引力極高,任何物質,包括光在內,只要進入某個臨界區域,就永遠不可能逃出黑洞。

【案例】黑洞吸引一切的性質,跟熱力學第二定律產生了衝突。所有有溫度的物體,都應該發出輻射和粒子,但如果連光都逃不出黑洞的引力,黑洞怎麼能發出輻射呢?

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黑洞輻射

2. 霍金利用“不確定性”原理提出了“黑洞輻射”

霍金提出,黑洞的邊緣在一刻不停地產生成對的粒子,其中帶有負能量的粒子會被吸到黑洞裡去,但還有一些帶正能量的粒子,可以從黑洞的邊緣逃脫。在外界看來,就好像是黑洞在不斷地向外發射粒子,這就是黑洞輻射,也叫“霍金輻射”。

【案例】在“不確定性原理”的限制下,即使是看似毫無一物的虛空,在微觀上也是波瀾起伏的。會不斷地產生成對的粒子和反粒子,再碰撞到一起發生湮滅。

以上就是《時間簡史》這本書的主要內容,喜歡的還是買一本看吧。

題外話:讀書可以擴充我們知識邊界,獲得更多看問題的視角,但盲從是要不得的...

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