《时间简史》总结

这本书是讲啥的

简单的说是霍金从研究黑洞出发，探索了宇宙的起源、归宿、时间旅行等等，其中还包含了各个时代的物理学猜想、概念解释以及定律的论证，对于小白来说是不可多得的一本科普巨著

画重点

宇宙大爆炸

1. 宇宙最初只是比原子小的灼热小球。温度比任何行星都高，爆炸后极速膨胀，速度远超光速
2. 随着膨胀，温度开始下降，能量和物质的小颗粒（比原子小）开始形成浓稠状像汤一样的物质
3. 大约在3分钟的时候，小颗粒在引力的作用下开始聚集。原子相互结合形成各种气体，所有的物质开始慢慢形成
4. 随着时间推移，宇宙不断地膨胀变大，气体开始形成星云。数百万年后，恒星和星体开始在星云中诞生。

宇宙到人类的诞生

大爆炸
形成银河系
形成太阳系
形成地球
出现生命
寒武纪
哺乳期
空气中出现氧气
产生浮游生物
产生爬虫类
产生灵长类
产生人类
释迦牟尼诞生
出现文字
农业开始
出现壁画

中国古文明的宇宙学说

三千多年前《周易·系辞》上写到“天象垂，见吉凶，圣人象之”
体现出了古代人类利用天象预测吉凶的情况。

“紫微星下凡”的紫微意味着紫禁城，也就是人间皇帝居住的地方，紫微星也就是“真命天子”
“每逢乱世，紫微星就会下凡拯救苍生，而他身边总是跟着二十八个人”
紫微星和二十八个人，来自古代的天文图——二十八星宿，是古人为观测日、月、星运行划分出的二十八个星区。
我们现在熟知的五行八卦中的四大神兽“青龙、白虎、朱雀、玄武”就来自二十八星宿

西方文明的宇宙学说

• 苏美尔文明
  公元2000多年的美索不达米亚文明中的苏美尔人建造了七级神庙，每一级代表一个天体，即月亮、太阳、水星、金星、火星、木星和土星。

美索不达米亚文明主要苏美尔、阿卡德、巴比伦、亚述等众多文明组成

• 古希腊文明
  泰勒斯，公元前624年到546年，第一个宇宙学家来自古希腊的泰勒斯，有“科学和哲学之祖”之称。
  第一个提出“什么是万物本源”，他认为，水是世界初始的基本元素，大地一开始从海底升起，地面漂浮在海面上，大地是一个圆柱体，人类生活在我圆柱体的一端。

地球是圆的

公元前340年，古希腊哲学家亚里士多德《论天》，把人们带入了认识宇宙的新阶段，用绝对的事实论证了地球是球形的。

1. 他发现月食的产生是地球运行到太阳和月球之间引起的，此时地球把它的影子投射到月球上，导致了月食的发生，由于地球的影子总是圆的，因此肯定地球是一个圆球
2. 地平线驶来的航船，人们总是先看到船帆，再看到船身。高耸在船身的桅杆首先露出地平线，这也说明了地球是球形。
   亚里士多德论证地球是球形的同时，表达了“地球是宇宙的中心”，构成物质的五种元素，地球由水、气、火、土四种元素组成，而天体由第五种元素“以太”组成。

地心说

欧多克斯最早提出“地心说”，经亚里士多德完善，最终由托勒密发展成为“地球是宇宙的中心”的宇宙模型。

日心说

最早由古希腊最伟大的天文学家、数学家阿里斯塔克斯提出，大约在公元前310年。
理论太过超前，并未得到公众的承认，甚至险些被以亵渎神明罪起诉。
直到1800多年后哥白尼出现
1506年，哥白尼动手写作天文学说《天体运行论》
1514年，由于害怕遭受教会的迫害，哥白尼匿名发表了自己的宇宙模型“日心说”
指出了地球只是围绕太阳运行的一颗普通行星，月球则在圆形轨道上围绕地球转动。

哥白尼《天体运行论》出版后的半个多世纪，日心说很少受关注。
直到1609年，伽利略使用刚发明的望远镜观测木星时发现，木星周围有几颗小卫星绕着木星做运动，说明了天体并非都是像亚里士多德和托勒密认为的那样直接绕着地球运动。同时，另一位天文学家开普勒改进了哥白尼的理论，使理论和观测一下子完全符合起来，彻底推翻了“地心说”。

开普勒三大定律

为牛顿的万有引力的发现打下了基础

• 第一定律，椭圆定律、轨道定律。每个行星都沿着各自的椭圆轨道绕太阳运行，太阳处于椭圆的一个焦点
• 第二定律，等面积定律。在相同的时间内，太阳和运动着的行星的连线扫过的面积都是相等的。也就是说，行星离太阳近的地方运行快，远的地方运行慢
• 第三定律，周期定律。行星距离太阳越远，运转的周期越长，运转周期的平方与它到太阳的距离的立方成正比。
  开普勒就是牛顿说的巨人的肩膀之一。

万有引力定律

开普勒虽然发现了行星的运动三大定律，但是却不知道是什么原因导致的行星围绕太阳运行。
牛顿提出万有引力定律：自然界中任何两个物体之间都是相互吸引的，引力的大小与两物体的质量的乘积成正比。

牛顿三大定律

1. 惯性定律。任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。
2. 物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。
3. 相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

狭义相对论

光速不变原理，任何情况下观察。光在真空中传播的速度都是一个恒定的常数
质量和能量等效
质能方程E＝mc^2

广义相对论

时间不能完全脱离和独立于空间，必须和空间结合在一起形成时空的客体

• 太阳会导致时空连续体内的变形，使经过太阳附近区域的无线电信号发生延迟。
• 光会被引力场折弯
• 地球这样的物体并非是受到称为引力的作用而沿着轨道运动，而是沿着弯曲轨道中最接近直线路径的东西运动，这个东西叫测平线
• 运动中的钟表会变慢
  地球这样的大质量物体附近，时间流逝得更慢，因为光的能量和频率存在一定关系，能量越大频率越高。当光从引力场往上行进时，会失去能量，频率下降，上面的人看来，下面发生的每件事显得需要更长的时间

星系

星系是一个包含恒星、气体的星际物质、宇宙尘和暗物质，并受重力束缚的大质量系统

星系群

100个星系以内的天体系统

星系团

超过100个星系的天体系统

超星系团

巨大的集合体，包含星系群、星系团和一些孤单的星系
银河系所在的本星系群，直径约1~2亿光年，公转周期约是1000亿年

超新星

某些大质量的恒星在接近末期时候经历的一种剧烈爆炸

变星

亮度经常变化并且伴随着其他物理变化的恒星

黑体辐射

任何物体，加热时会发出光或其他辐射，这种炽热物体中的原子的热运动引起的发光，称为黑体辐射。
黑体辐射具有一个特殊的形状。会随着物体温度而变化。
从不同恒星发射的光其实就像是一个温度读数，可以根据光谱确定恒星的温度及大气构成。

多普勒效应

观察者与波源之间有相对运动时，观测到的波的频率与波源发出的频率不同的现象。

1. 当波源向观察者而来时，观察者接收到的频率变高
2. 当波源背离观察者而去时，观察者接收到的频率变低

哈勃定律

来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比。
它是测量遥远星系距离的唯一有效方法。
只要测出星系普线的红移，再换算出退行速度，就能由哈勃定律推算出该星系的距离

d=Vr/H
d：星系与地球的距离，以Mpc为单位
Vr：退行速度
H：哈勃常数

热辐射

真空中唯一的传热方式
波长随物体本身的特性及温度变化的电磁辐射，叫热辐射
任何物体在任何温度下，都在不断吸收和发射电磁波。

暗物质

无法通过电磁波观测研究的物质，但是能干扰星体发出的光波或引力

奇点定理

大质量恒星在生命的尽头，恒星内核会因为引力而坍缩，发生超新星爆发，所残留的部分便是黑洞，这些物质或光会被强大的引力压缩到位于黑洞中心的、密度无穷大的一个点，这个点被称为“奇点”

根据广义相对论，任何坍缩的恒星都会终止与某个奇点，宇宙诞生时也必然存在一个奇点，这就是奇点定理。

不确定性原理

在量子力学中，描述粒子位置和动能不可能被同时确定的原理，叫不确定性原理，也叫测不准原理
简单的说，就是你不可能同时知道一个粒子的位置和速度。

量子力学的应用

几乎是所有现代科学技术的基础，制约着晶体管和集成电路的行为。
具体来讲，从激光、电子显微镜、原子钟到核磁共振的医学图像装置，都依靠了量子力学的原理和效应。
爱因斯坦没有把量子力学的规律结合到相对论中，因此理论是不完整的。
霍金成功促成了量子力学和相对论的结合。

基本粒子

原子由原子核和电子组成
原子核由质子和中子组成
质子或中子由三个夸克组成
夸克是目前公认组成物质的最小微粒

粒子加速器

人工方法产生高速带电粒子的装置

粒子的自旋

自旋是微观粒子的一种性质。自旋为0的粒子从各个方向看都一样，就像一个点。自旋为1的粒子在旋转360度後看起来一样。自旋为2的粒子旋转180度，自旋为1/2的粒子必须旋转2圈才会一样。 自旋为1/2的粒子组成宇宙的一切，而自旋为0，1，2的粒子产生物质体之间的力

反粒子

所有的粒子，都有与其质量、寿命、自旋、同位旋相同，但是电荷、重子数、轻子数等量子数异号的粒子存在

环境中的一般粒子称为“正粒子”，反粒子一般只能从实验环境中获得,这些正反粒子都是确实存在的，都是“实粒子”。当相应的正反粒子接触时，将湮灭成两个光子。而相反的过程也会发生。

虚粒子

在“真空”的宇宙中，根据海森堡不确定性原理，空间中并不是完全空的，而是有一定的量子起伏，这样就会有一对对的正反粒子自动产生，但绝大多数情况下这对粒子刚一产生，就又相碰湮灭了，它们无法被仪器探测到，好像从未存在过一样。这种粒子便称为“虚粒子”。
但在特殊环境下，如黑洞周围，在视界外面，由于引力如此之大，有些正反虚粒子对产生后，其中一个粒子被吸入黑洞，另一个粒子逃了出来，由于没有了和它湮灭的对象，这个虚粒子就变成了实粒子。如果正粒子吸入黑洞，出来的就是实反粒子；如果反粒子吸入黑洞，出来的就是实（正）粒子。

CPT定律

物理定律似乎对粒子和反粒子一视同仁．更准确地讲，如果粒子用反粒子替换，右手征用左手征替换，以及所有粒子的速度都反向，则物理定律不变。
量子场论和迄今所有的实验都表明，无论是强相互作用和电磁相互作用，还是弱相互作用，在CPT联合变换下物理规律总是不变的

黑洞

黑洞是一种体积极小而质量极大的天体，引力非常强，以至于周围一定区域内连光也无法逃逸，这一区域被称为“事件视界”

白洞

进入黑洞的物质，最终从白洞出来并出现在另外一个宇宙

奇点

宇宙在过去有限的时间之前曾经处于一个密度和温度都无限高的状态，这一状态被称为奇点

白矮星

一种低光度、高密度、高温度的恒星，外观呈灰白色

中子星

除黑洞外密度最大的星体，恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一，质量没有达到可以形成黑洞的恒星在寿命终结时塌缩形成的一种介于白矮星和黑洞之间的星体，其密度比地球上任何物质密度大相当多倍。

黑洞的形状

任何无自转的黑洞都必须呈现完美的球形，其大小依赖于它们的质量

黑洞无毛

黑洞几乎不保持形成它的物质所具有的任何复杂性质。它对前身物质的形状或成分都没有记忆，它保持的只是质量、角动量、电荷。消繁归简或许是黑洞最基本的特征

黑洞面积不变

只要黑洞不再活动并处于某种稳恒的状态，那么黑洞的边界及其面积都应是一样的

太初黑洞

是一个假想的类型的黑洞。其形成原因不是由大天体的引力坍塌而诞生的；而是由在宇宙早期坏境下，极端物质密度还有宇宙大爆炸的强大能量挤压，最终形成了“原生黑洞”。

黑洞不黑

黑洞提出了“黑洞蒸发论”，认为黑洞并非真的黑，存在温度。有温度的物质会释放辐射，黑洞会因为发射辐射而能量耗尽而消失，这个辐射被称为“霍金辐射”

黑洞辐射

如果一个黑洞具有熵，那它应该有温度，而一个非零温度的物体必须以一定的速率发出辐射。
量子效应允许黑洞发射精确的黑体辐射。
这电磁辐射仿佛被一个温度和黑洞的质量成反比的黑体发出。
从外界看来，黑洞好像在慢慢蒸发，黑洞越小，蒸发速度越快，直到黑洞完全的蒸发

中微子

字面意思微小的电中性粒子
个头非常小，质量几乎为0，以接近光速运动？
可以轻松穿过人体、建筑甚至地球，但几乎不与物质作用

大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产生，如核反应堆发电、太阳发光、天然放射性、超新星爆发、宇宙射线等。

四种基本力

1. 引力。与物体的质量有关
2. 电磁力。电荷、电流在电磁场中受到的力
3. 弱核力。导致放射线——原子衰变
4. 强核力。将质子和中子束缚在一起。

泡利不相容原理

不能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数，或者说在轨道量子数m,l,n确定的一个原子轨道上最多可容纳两个电子，而这两个电子的自旋方向必须相反。这成为电子在核外排布形成周期性从而解释元素周期表的准则之一。

大一统理论

微观粒子之间仅存在四种相互作用力，万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。理论上宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释。
通过进一步研究四种作用力之间联系与统一，寻找能统一说明四种相互作用力的理论或模型称为大统一理论。

人存原理

我们看到的宇宙是这种样子，至少在部分上是因为我们的存在。
我们对宇宙的认识和描述，都带有我们人类特有的认识能力。我们之所以看到宇宙是这个样子。是因为它如果不是这样的话，我们就不会在这里去观察它，也就不会提出这个问题

重力波

爱因斯坦的广义相对论中，认为重力是来自空间的扭曲，质量愈大的物体，周围的空间就扭曲的愈厉害。
而当物体加速度前进时，则会使空间的扭曲发生变化、产生涟」，这就是重力波

水波是依赖着水而存在，重力波则是依赖着空间而存在

实时间和虚时间

时间是四维空间的一个维度，它具有独独立性和不可逆转性。
实时间是我们现在感受的时间
虚时间是我们感受不到的时间的第二维，也就是与时间垂直的一维，就是说现在这个时刻每个人的时间会因个人速度的不同而不同，快的速度下时间会减缓。

时间箭头

• 热力学箭头
  时间在这个方向上无序度或者熵增加

熵是一种表示其系统中纷杂或者无序的量，我们称为过去的时间的一端，宇宙处于高度有序的状态

• 心理学箭头
  我们日常感觉的时间流逝的方向，此方向上我们总是从过去走向未来
• 宇宙学时间箭头
  此方向上宇宙在膨胀而非收缩

不管是宇宙开始再度收缩，还是在黑洞内部，热力学时间箭头和心理学时间箭头都不会反转

宇宙弦

这一物理概念是1981年维伦金等人提出来的，他们认为，宇宙大爆炸所产生出的威力应该形成无数细而长且能量高度集聚的管子,这种管子便被叫做宇宙弦。

宇宙绳

宇宙大爆炸会形成无数细而长且能量高度聚集的管子，这样的管子叫“绳”
比原子小，据猜测一厘米的宇宙绳相当于一亿吨重。

薛定谔的猫

将一只猫关在装有少量镭和氰化物的密闭容器里。
镭的衰变存在几率，如果镭发生衰变，会触发机关打碎装有氰化物的瓶子，猫就会死；如果镭不发生衰变，猫就存活。根据量子力学理论，由于放射性的镭处于衰变和没有衰变两种状态的叠加，猫就理应处于死猫和活猫的叠加状态
简单地说猫既死了又活着。

虫洞

爱因斯坦-罗森桥，是宇宙中可能存在连接两个不同时空的狭窄隧道
通过虫洞可以做瞬间移动或时间旅行.
广义相对论指出，只要准备充分适当的物质，就能把时空扭曲成任意形状

时光机器的制造原理：虫洞+弯曲的时空

弦理论

弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论；

1. 超弦理论认为弦是物质组成的最基本单元，所有的基本粒子如电子、光子、中微子和夸克都是弦的不同振动激发态，简单的说就是弦上的
2. 超弦理论第一次将20世纪的两大基础理论——广义相对论和量子力学结合到一个数学上自洽的框架里；
3. 弦理论有可能解决长期困扰物理学家的难题如黑洞的本质和宇宙的起源；如果超弦理论为实验所证实，将从根本上改变人们对物质结构、空间和时间的认识。