时间简史

摘要

在这本书中，霍金谈到了许多物理学的理论。他谈到的一些事情包括物理学的历史、引力、光如何在宇宙中移动、时空、基本粒子（构成宇宙中事物的非常小的物体）、黑洞、大爆炸（宇宙从一个点开始的理论）和时间旅行（可以到过去和未来旅行的想法）。

在这本书的第一部分，霍金谈到了物理学的历史。他谈到了亚里士多德和托勒密等哲学家的想法。亚里士多德，与他那个时代的许多人不同，认为地球是圆的。他还认为太阳和星星围绕着地球转。托勒密也思考了太阳和星星在宇宙中的位置。他做了一个行星模型，描述了亚里士多德的思想。今天，人们知道事实恰恰相反，地球是围绕着太阳转的。亚里士多德/托勒密关于星星和太阳位置的想法在1609年被推翻了。第一个想到地球绕着太阳转的人是尼古拉斯-哥白尼。伽利略-伽利莱和约翰内斯-开普勒，另外两位科学家，帮助证明了哥白尼的想法是正确的。他们观察了一些行星的卫星是如何在天空中移动的，并以此来证明哥白尼是正确的。艾萨克-牛顿也写了一本关于重力的书，这有助于证明哥白尼的想法是正确的。

空间与时间

霍金描述了行星围绕太阳的运动，以及行星和太阳之间的引力如何发挥作用。他还谈到了绝对静止和绝对位置的想法。这些想法是关于事件在一段时间内保持原位的想法。牛顿的万有引力定律发现这不是真的。当物体移动得非常快时（以光速，或光速），绝对静止的想法不起作用。

光速是由丹麦天文学家Ole Christensen Roemer在1676年首次测量的。光速被发现是非常快的，但速度是有限的。然而，当科学家们试图说光总是以同样的速度旅行时，他们发现了一个问题。科学家们创造了一个新的想法，叫做乙醚，试图解释光的速度。

爱因斯坦说，如果放弃另一个想法，即绝对时间（或永远不变的时间）的想法，就不需要乙醚的想法。爱因斯坦的想法也与亨利-庞加莱的想法相同。爱因斯坦的想法被称为相对论。

霍金还谈到了光。他说，事件可以用光锥来描述。光锥的顶部告诉人们来自事件的光将前往何处。底部讲述了光在过去的位置。光锥的中心就是事件。除了光锥，霍金还谈到了光是如何弯曲的。当光经过一个大质量的物体时，比如一颗恒星，光会稍微改变方向，朝向该质量。

谈到光之后，霍金谈到了爱因斯坦相对论中的时间。爱因斯坦理论的一个预测是，当某物靠近巨大的质量时，时间会走得慢一些。然而，当某物离质量较远时，时间会过得更快。霍金用两个生活在不同地方的双胞胎的想法来描述他的想法。如果其中一个双胞胎住在山上，另一个双胞胎住在海边，那么住在山上的双胞胎会比住在海边的双胞胎大一点。

膨胀的宇宙

霍金谈到了膨胀的宇宙。宇宙随着时间的推移越来越大。他用来解释他的想法的东西之一是多普勒频移。多普勒频移发生在某物向另一物体移动或远离另一物体时。在多普勒频移中发生的事情有两种类型--红移和蓝移。红移发生在某物远离我们时。这是由于到达我们这里的可见光的波长增加，而频率减少，这使得可见光向电磁波谱的红色/近红端移动。红移与宇宙正在膨胀的信念有关，因为光的波长正在增加，几乎就像行星和星系远离我们时被拉长一样，这与涉及声波的多普勒效应有相似之处。蓝移发生在某物向我们移动的时候，与红移的过程相反，波长减少，频率增加，使光向光谱的蓝端移动。一位名叫埃德温-哈勃的科学家发现，许多恒星发生了红移，正在远离我们。霍金用多普勒位移来解释宇宙正在变大。宇宙的开始被认为是通过称为大爆炸的东西发生的。大爆炸是一个非常大的爆炸，创造了宇宙。

不确定性原理

不确定性原理说，一个粒子的速度和位置不能同时被发现。为了找到一个粒子的位置，科学家们用光照耀该粒子。如果使用高频率的光，光可以更准确地找到位置，但粒子的速度将是未知的（因为光会改变粒子的速度）。如果使用低频率的光，光可以更准确地找到速度，但粒子的位置将是未知的。不确定性原理否定了一个决定性的理论的想法，或者说一个可以预测未来一切的理论。

本章还将更多地谈到光的行为方式。有些理论说，尽管光是由波组成的，但它的行为却像粒子一样；说这话的一个理论是普朗克的量子假说。另一种理论也说，光波也像粒子一样行动；说这话的理论是海森堡的不确定性原理。

光波有波峰和波谷。一个波的最高点是波峰，而波的最低部分是波谷。有时不止一个这样的波可以相互干扰--波峰和波谷排成一线。这就是所谓的光干扰。当光波相互干扰时，可以产生许多颜色。这方面的一个例子是肥皂泡中的颜色。

基本粒子和自然力

夸克是非常小的东西，构成了我们看到的一切（物质）。夸克有六种不同的 "口味"：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲然夸克、底夸克和顶夸克。夸克也有三种 "颜色"：红色、绿色和蓝色。还有反夸克，它与普通夸克相反。总共有18种不同类型的常规夸克，以及18种不同类型的反夸克。夸克被称为 "物质的组成部分"，因为它们是构成宇宙中所有物质的最小的东西。

所有基本粒子（例如夸克）都有一种叫做自旋的东西。粒子的自旋向我们展示了一个粒子从不同方向看是什么样子。例如，一个自旋为0的粒子从任何方向看都是一样的。一个自旋为1的粒子在每个方向上看起来都不一样，除非该粒子被完全旋转（360度）。霍金关于自旋1的粒子的例子是一个箭头。自旋2的粒子需要旋转一半（或180度）才能看起来相同。书中给出的例子是一个双头箭。宇宙中有两组粒子：自旋为1/2的粒子，以及自旋为0、1或2的粒子。所有这些粒子都遵循泡利的排斥原理。泡利排除原理说，粒子不能在同一个地方或具有相同的速度。如果保利排除原理不存在，那么宇宙中的一切都会看起来一样，就像一个大致均匀和密集的 "汤"。

自旋为0、1或2的粒子从一个粒子移动到另一个粒子的力。这些粒子的一些例子是虚拟引力子和虚拟光子。虚引力子的自旋为2，它们代表了引力。这意味着，当重力影响两个事物时，引力子在这两个事物之间移动。虚拟光子的自旋为1，代表电磁力（或将原子固定在一起的力）。

除了引力和电磁力，还有弱核力和强核力。弱核力是导致放射性的力量，或者说当物质释放出能量时。弱核力对自旋为1/2的粒子起作用。强核力是使中子和质子中的夸克保持在一起的力量，并使原子中的质子和中子保持在一起。携带强核力的粒子被认为是一个胶子。胶子是一种自旋为1的粒子。胶子将夸克聚在一起，形成质子和中子。然而，胶子只把三种不同颜色的夸克聚在一起。这使得最终产品没有颜色。这就是所谓的禁锢。

一些科学家试图提出一种理论，将电磁力、弱核力和强核力结合起来。这种理论被称为大统一理论（或GUT）。这个理论试图用一个大的统一方式或理论来解释这些力。

黑洞

黑洞是塌陷成一个非常小的点的恒星。这个小点被称为奇点。这个奇点是一个以高速旋转的时空点，这就是黑洞没有时间的原因。黑洞把东西吸到它的中心，因为它的引力非常强。它可以吸入的一些东西是光和恒星。只有非常大的恒星，称为超巨星，才大到足以成为黑洞。恒星的质量必须是太阳的1.5倍或更大，才能变成黑洞。这个数字被称为钱德拉塞卡极限。如果一颗恒星的质量小于钱德拉塞卡极限，它就不会变成黑洞；相反，它将变成另一种更小的恒星类型。黑洞的边界被称为事件视界。如果有东西在事件视界中，它将永远无法走出黑洞。

黑洞的形状可以是不同的。有些黑洞是完美的球形--像一个球。其他黑洞则在中间隆起。如果黑洞不旋转，它将是球形的。如果黑洞旋转，中间就会鼓起来。

黑洞是很难找到的，因为它们不会放出任何光线。当黑洞吸进其他恒星时，它们就可以被发现。当黑洞吸住其他恒星时，黑洞会放出X射线，这可以被望远镜看到。霍金谈到了他与另一位科学家基普-索恩的打赌。霍金打赌说黑洞不存在，因为他不想让自己在黑洞方面的工作被浪费掉。他输掉了这场赌局。

霍金意识到，黑洞的事件视界只能变大，不能变小。只要有东西落入黑洞，黑洞的事件视界的面积就会变大。他还意识到，当两个黑洞结合时，新的事件视界的大小要大于或等于另外两个黑洞的事件视界之和。这意味着，黑洞的事件视界永远不可能变小。

无序，也被称为熵，与黑洞有关。有一个科学定律是与熵有关的。这个定律被称为热力学第二定律，它说，在一个孤立的系统（例如宇宙）中，熵（或无序）总是会增加。黑洞中的熵值与黑洞事件视界的大小之间的关系最早是由一个研究学生（雅各布-贝肯斯坦）想到的，并由霍金证明，他的计算结果表明黑洞会发出辐射。这很奇怪，因为人们已经说过，没有什么能从黑洞的事件视界中逃脱。

当人们想到一对 "虚拟粒子 "的想法时，这个问题就得到了解决。这对粒子中的一个将落入黑洞，而另一个将逃逸。这看起来就像黑洞在发射粒子。这个想法起初看起来很奇怪，但许多人在一段时间后接受了它。

宇宙的起源和命运

大多数科学家认为，宇宙是在一次叫做大爆炸的爆炸中开始的。这方面的模型被称为 "热大爆炸模型"。当宇宙开始变大时，它里面的东西也开始变冷。当宇宙刚开始时，它是无限热的。宇宙的温度降低了，宇宙内部的事物开始聚集在一起。

霍金还谈到了宇宙可能是如何形成的。例如，如果宇宙形成后迅速坍塌，就没有足够的时间来形成生命。另一个例子是一个扩张太快的宇宙。如果一个宇宙膨胀得太快，它将变得几乎是空的。许多宇宙的想法被称为多世界解释。

本章还讨论了通货膨胀模型，以及统一量子力学和引力的理论的想法。

每个粒子都有许多历史。这个想法被称为费曼的历史之和理论。一个将量子力学和引力统一起来的理论应该有费曼的理论在里面。为了找到一个粒子通过一个点的机会，需要将每个粒子的波加起来。这些波发生在虚数时间内。虚数在与自己相乘时，会构成一个负数。例如，2i X 2i = -4。

托勒密对行星、恒星和太阳位置的看法的图片。


这是一个光锥


爱因斯坦说，时间不是绝对的，也不是永远不变的。


这里显示了宇宙的大爆炸和演变。图中显示了宇宙随着时间的推移而膨胀。


下面是一张光波的图片。


光线干扰导致许多颜色出现。


一个自旋为1的粒子需要全部转过来，才能再次看起来是一样的，就像这个箭头。


这是一个质子。它是由三个夸克组成的。所有的夸克都是不同的颜色，因为有禁锢。


一张黑洞的图片以及它如何改变周围的光线。