《时间简史》读书笔记3

第3天：第5章基本粒子和自然的力

              第6章黑洞

   在第五章的起始部分，作者首先讲述了基本的理论及发现。从道尔顿指出化合物是按比例组成，到爱因斯坦的布朗运动，后有卢瑟福证实原子内部的结构为核及围绕它的电子，还有查德威克发现原子核的组成除质子外还有中心（与质子一样大，但不带有电荷），盖尔曼发现了质子与中子是由更小的夸克组成，研究的方向是越来越细小越微观。对于夸克的分类与组成质子与中子的夸克的数量在此均有提及。所有的粒子都是波动，即波粒二像性，粒子能量（以电子伏特为单位进行测量）越高，波动的波长就越短。根据粒子的自旋（可以从不同方向看粒子是什么样子的）可以将宇宙中的已知的粒子分成两类：一类是组成宇宙中的物质的自旋为½的粒子；一类是在物质粒子（服从泡利不相容原理）间引起力的自旋为0、1、2的粒子。奥地利物理学家泡利在1945年发现在不相容原理，是指两个类似的粒子不能存在于同一态中，因为根据不确定性原理给出的限制内，它们不能同时具有相同的位置与速度。泡利不相容原理解释了自旋为0、1、2的粒子产生的力不会使物质坍缩成密度非常之高的状态。狄拉克据任何电子均有与之相反的配偶电子解释了为何有自旋½的粒子。物质粒子之间的力或作用均由自旋为0、1、2的粒子承担。作者在此对何为虚粒子与实粒子进行了说明。一个物质粒子发射出携带力的粒子作用于另一物质粒子，携带力的粒子被别一物质粒子吸收，携带力的反作用原来的物质粒子，从而引起其运动，这样看起来是两个物质粒子之间的作用。这个携带力的粒子不能被 探测到，因而被称为虚粒子。虚粒子不服从泡利不相容原理，可被交换的数目不受限。与之相对的是实粒子，是自旋为0、1、2的粒子呈现为波动的一种状态。

   根据虚粒子携带力的强度以及与其相互作用的粒子，将携带力分为四种：引力，电磁力，弱核力和强作用力。引力，最弱，万有，每一粒子都因它的质量或能量而感受到引力，引力特别的性质是可以作用到特别大的距离，两个物质粒子之间的引力是由自旋为2的粒子携带，也称之引力子。电磁力是带电荷的粒子之间的相互作用，称为光子（无质量的自旋为1的粒子的交换所引起），是虚粒子。弱核力，制约放射性的现象，并且只作用于自旋为½的物质粒子。自旋为1的粒子除光子外，温伯格-萨拉姆理论还指了有另外三种：W+、W-、W0，这三种统称为重矢量玻色子。在此，提到了自发对称破损理论（低能量时，同一粒子有不同的状态，因而看起来是不同的粒子。高能量时，所有的粒子都 有相同的行为）。强作用力将持质子中子中的夸克束缚在一起，将原子中的质子与中子束缚在一起。胶子为自旋为1的粒子，有色禁闭（把粒子束缚成不带颜色的结合体）的性质，色禁闭不能产生单独的胶子，可成胶球，是不稳定的粒子。高能使强用用力减弱，夸克和胶子的表现就象是自由粒子，这个称为渐进自由。在本章最后，介绍了大统一理论（GUT，不包括引力），在高能量时，三种力可以看成是一种单独力的不同方面，自旋为½的物质粒子趋于一样。对于为何夸克多于反夸克的解释则是因为对于粒子和反粒子的物理定律不是完全相同的，即对于CPT服从的不同。GUT不包括引力 ，是因为基本原子 与粒子之间的引力很弱，可忽略。足够大量的物质粒子之间的引力非常之大，可以导致恒星的坍缩与围绕它们的强大的引力场，从而形成黑洞。

   黑洞名字的由来是惠勒于1969杜撰的。在1783年，米歇尔认为，恒星巨大的引力使光未曾到达我们便被吸引回去，从而不被我们所观测到，这便形成黑洞。由氢坍缩致粒子碰撞产能形成氦的过程说明了恒星的形成 过程 。强德拉塞卡认为一颗恒星可因为引力作用与泡利不相容原理达到平衡，一个大约为太阳质量一倍半的冷的恒星是不能支持自身以抵抗自己的引力，这样的质量就称为强德拉塞卡极限。小于这个极限的称为白矮星（物质中电子依不相容原理的排斥力支持）中子星（恒星由质子 与中子组成，而非电子依不相容原理支持），脉冲星（发射无线电波规则脉冲的中子星）。强德拉塞卡指出：不相容原理不能阻止大于极限的恒星发生坍缩，恒星的引力场改变了光线的路径，光锥表示光线从其顶端发出后在空间-时间里传播的轨道，引力使光线在靠近恒星时发生偏折，坍缩使引力增强，偏折也更大，当大到一定程度时，光便不再逃逸出来，在这样的一个事件的集合或空间-时间区域，光或其他任何东西都不可能从该区域逃逸而到达远处的观察者，这就是黑洞形成的原理，这个区域也被称为事件视界。作者还介绍了根据在黑洞上必须存在无限大的密度和空间-时间曲线的奇点提出的强弱宇宙监督猜测。1967年伊斯雷尔根据广义相对论指出：非旋转的黑洞必须是非常简单完美的球形，大小只依赖于质量，并且任何两个同质量的黑洞必须是相同的。彭罗斯与惠勒则指出，任何非旋转恒星，在引力坍缩之后者将终结成一个完美的球形黑洞，大小与质量有关，与形成它的原来的物质无关。克尔认为以恒常速度旋转的黑洞，其大小只依赖于它们的质量与旋转的速度，旋转为零时成完美的球形，有旋转时，则黑洞的轨道彭出去，一如后来罗伯逊说的任何稳态旋转的黑洞必有一个对称轴。施密特对宇宙红移的研究得出了红移必须是一个星系的整个中心区域坍缩的结论，脉冲星的发现，对天鹅X-1的黑洞解释模型，射流的说明 ，太初黑洞成因，这些都有助于我们对早期宇宙的了解。最后，作者提到，黑洞是个发光体，越小越紧致能量越高光越多越容易被观测到，而质量大于10亿吨的黑洞则可以由它对其他可见物质或宇宙膨胀的影响被探测到。

  这两章的内容纯理论的有些枯燥，对于我们这样的接触类似知识尚少的人来说，想象力可以发挥很大的作用，无知也增加了对浩瀚宇宙神秘感的向往。我想：在我读完这本书时，我仰望星空，我可以说：我也曾尝试着去了解过你，虽然我对你仍知之甚少！

2018.3.20