这本书中霍金究竟说了什么？——从《时间简史》中理解时间

作者：账号君（IT培训内参）
记录于：2013.7.6的读书笔记汇总

前言：

霍金，一个不好定义的物理学家，他的身上终有太多的标签。但是在这本书中，他却只作为一名讲述者出现，讲述过去现在和未来，讲述时间空间，讲述你可能对时空产生的所有兴奋点，也许看完这本书我们能够从中找寻到穿越时空的方法。

《时间简史》

作者: [英] 史蒂芬•霍金
出版社: 湖南科学技术出版社
原作名: A Brief History of Time
译者: 许明贤 / 吴忠超
出版年: 2010年4月

书籍概要：

《时间简史》以霍金个人的专业学识为基础，辅助以物理界深厚的积淀，讨论了从古希腊以来人类宇宙观时空观的变迁——从古希腊时期人们第一次开始记录下自己对星空的看法（亚里士多德的《论天》）到现在多种学科交叉研究下的宇宙，并从物理学的前沿研究入手讲述了最引人注目的时间问题。这本书是我们了解时空了解物理学最好的科普作品之一。

19世纪法国科普作家C.Flammarion书中的木刻插图：旅行家以天球中探出头来，探索宇宙运行的机制。图片来自维基百科

一．宇宙观

（一）宇宙和宇宙观：

宇宙（Universe）是所有时间、空间与其包含的内容物所构成的统一体。
在人类认识宇宙的过程中，人类的宇宙观也在不断的变迁，从静态宇宙（地心说和牛顿力学主导的日心说）到膨胀宇宙（现在由量子力学相对论等多种学科“感知”的宇宙）。人类不断的更新着自己的认知。

（二）变迁的几种宇宙观：

1. 地心说
   公元前340年希腊哲学家亚里士多德的《论天》记录下地心说理论，地球不动是宇宙的中心，其他的天体围绕地球做圆周运动。
   公元2世纪，托勒密根据这个思想制作了著名的托勒密模型，因为其与《圣经》的相一致，所以得到了基督教的支持并得到了广泛的接受。
   直到1609年，地心说理论才宣告死亡。
2. 日心说
   1514年尼古拉哥白尼提出（哥白尼原则）。经过一个多世纪的传播，在科学界得到了一定的认可。开普勒和伽利略公开支持。
   1609年，伽利略用望远镜证明了日心说的正确。同时开普勒对其做出修正，即：天体运行轨道为椭圆轨道（没有理论支持）。
3. 牛顿力学宇宙。
   1687年艾萨克牛顿爵士出版《数学的自然哲学原理》，万有引力为椭圆轨道的提供了理论依据。
4. 膨胀宇宙。
   1929年，哈勃观察到红移现象，结论是宇宙是膨胀的，并且这也暗示了一个大爆炸时刻的存在。而今天科学家按照两个理论——量子力学广义相对论来描述宇宙。

5. 物理学的终极追求，即物理学的统一，找到一个可以解释一切的理论。

   
   
   

   一个个星系。图片来自维基百科

二．宇宙的开始到结束

宇宙的开端的研究在某种程度上来说就是在研究时间有没有源头。

（一）如何开始？时间有没有开端。

两种模型：

第一种是根据大爆炸模型，宣称时间是从大爆炸开始的。但是由于这个观点略带有神学干涉的味道，因此被很多人所不喜，事实上，天主教也确实抓住了大爆炸模型，并在1951年正式宣布，它和《圣经》是相一致的。所以，许多人企图避免大爆炸曾经存在过的这一结论。
第二种就是所谓的稳态模型。当星系互相离开时，它们之间的间隙会连续不断产生新的物质并形成新的星系。因此，在空间的所有地方以及在所有的时间里，宇宙看起来大致是相同的，即处于稳态，时间没有明确的开端。
但是当前能解释宇宙发展的模型为大爆炸理论，尽管它只是假说，但越来越多人的证明它也渐渐的越来越具有科学性。

（二）怎样的过程？膨胀的宇宙

根据大爆炸理论，宇宙是由一个极紧密、极炽热的奇点膨胀到现在的状态

大爆炸时，宇宙的体积为零且无限热。随着宇宙的膨胀辐射的温度开始降低，随着膨胀各种粒子开始出现，在膨胀的过程中，一些地区的膨胀最终会停止并开始坍缩，力的不均匀导致星云和星球的产生。会有一部分星云坍缩成恒星，而恒星在其演变过程中会出现中子星黑洞等形式。

（三）怎样结束？

宇宙的终极命运是物理宇宙学中一个主要的议题。许多科学理论都对宇宙的命运做出预测并成为竞争的对手，包括未来与时间是有限还是无限。
但自从宇宙起源于大爆炸并经历暴胀的概念为大多数科学家接受之后，宇宙的终极命运就成为宇宙论中可以探讨的问题。但是猜想有千万种，最终的答案却不知是哪一个。因此，关于宇宙这还是一个没有结尾的故事。

三．时间的迷思

关于时间我们最关心的一个问题应该就是如何回答过去，逆转未来已经无数次的出现在人类的想象中了，那么现在来看看霍金先生是如何来泼冷水的。

（一） 时间箭头

时间箭头即由物理定律所决定的时间的方向，包括以下3种：

1. 热力学时间箭头（可以用热力学第二定律来阐述）在这个箭头的时间方向上无序度或熵增加
2. 心理学时间箭头，就是我们感觉时间流逝的方向，在这个方向上我们可以记忆过去而不是未来
3. 宇宙学时间箭头，在这个方向上宇宙在膨胀，而不是收缩。

（二） 时空旅行

时间箭头定义了时间的方向，那么现在看看是否可以沿着这条单行的轨道倒回过去。

1. 时间旅行的想法最早出现在科幻作品中。1949年哥德尔发现广义相对论允许出现新的时空，也就是说物理学允许出现时间旅行的可能。
2. 关于时空旅行有这么几种方法。

1.快速时空旅行，需要突破光速走在时间的前面回到过去。然而不幸的是我们无论如何也突破不了光速。
2.折叠时空依靠虫洞（虫洞即著名的爱因斯坦——罗森桥），这种方式在能否实现上还留有余地，但是过去并没有发生逆时旅行所需的时空卷曲，因此这种时间旅行只限于现在去往未知的未来。

3. 各种不可能
   最不幸的是有很多时间旅行佯谬不断的否定这时间旅行微弱的可能性。霍金在书中提出了两种解决佯谬的方法。

1. 协调历史，即时间旅行者在任何意义上都没有自由意志。回到过去不能改变历史，否则会不符合物理定律；出发前就已返回，所有的未来行为已被记载。或选择历史（如同《回到未来》），但不符合目前的科学设想。
2. 时序防卫，物理规律阻止宏观物体传递有意义的信息到过去。

虫洞在二维环境的模拟。图片来自维基百科

四．一个有趣的问题

为什么我们的宇宙是这样的？
回答这个问题需要用到一个很有意思的原理，称之为人择原理。人则原理是这样解释这个问题的：我们看到的宇宙之所以是这个样子，是因为我们的存在。（简单说法，不严谨，有兴趣自己查阅相关文献，这个确实不好解释）

结语

这本书并不能满足你关于物理学所有的好奇心，但总的来说这是一本好的物理学科普作品。在这本并好理解的书中不仅有让人仰望的高端理论，还有最基础的物理学基础和物理学的历史。最重要的是这里面包含了人类研究世界的方法，一套用物理解构世界的思维。物理没有任何的高冷，它记述了最基本的看世界的方式。

作者：账号君（IT培训内参）