極簡宇宙史讀書筆記

1/1極簡宇宙史讀書筆記

宇宙是一個極為神奇的地方，對于宇宙的了解大家知道的多少呢？下面是xx整理的，歡迎查看。

一

作為一名理科生，高中時期，我們學(xué)習(xí)了牛頓萬有引力，也學(xué)習(xí)了愛因斯坦的相對論。在我的印象中，萬有引力定律是適用于宇宙中一切物體運行的規(guī)律，而相對論，我只記住了質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程E=mc2以及老師口中說的時空變化（對于速度增大到一定程度，時間就會變慢這一現(xiàn)象，我一直不明其里），這兩者之間，似乎并沒有什么聯(lián)系。

讀了《極簡宇宙史》后，我才發(fā)現(xiàn)，自己以前學(xué)的知識，全是一知半解，知其然而不知其所以然。

科學(xué)家們利用萬有引力定律在太陽系八大行星上進行驗證，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，離太陽最近的水星，其運行軌道與計算有一點偏差，并不完美。

牛頓的公式給物體如何互相吸引定了量，但它沒有解釋引力到底是什么東西。（科學(xué)家的思維，和我們差別確實很大。上學(xué)時，我竟從來沒有思考過引力的來源這一問題）。

有一個科學(xué)家提出了一個瘋狂的想法：宇宙的構(gòu)造是一張3D甚至4D不可見的膜，當(dāng)一個人跌落時，并不是有一個往下拉的力讓他跌落，而是他沿著宇宙構(gòu)造中一個不可見的斜坡滑行而已。瘋狂想象，仔細求證，在牛頓死后一百五十多年里，水星的軌道偏差問題，被他解決了，這個人就是愛因斯坦。那個將物質(zhì)與宇宙的局部幾何聯(lián)系起來并用以解釋本質(zhì)的理論，被稱為廣義相對論。宇宙中所有的物體，行星、恒星、星系、星系群都會引起周圍的時空彎曲，使附近的物質(zhì)順著時空斜坡滑下，這就是引力的來源。

現(xiàn)在，我們知道了，牛頓的萬有引力定律有其局限性。同理，廣義相對論也會有它的局限。時空在它所包含的物體周圍彎曲和拉伸，那么，不停地將能量加入到某個空間，當(dāng)彎曲變得越來越厲害時，最初形成彎曲的不管什么東西都會被進一步擠壓，讓那里的密度越來越高，形成一個惡性循環(huán)，直到無情地讓時空崩塌，這種崩塌，超出了廣義相對論所能應(yīng)對的范圍。黑洞即是如此。因此，我們需要一個更大的理論，哪怕是僅僅為了解釋這些崩塌。而這，正是科學(xué)家們現(xiàn)在做的工作。

雖然牛頓沒有發(fā)現(xiàn)自然的終極理論，雖然愛因斯坦的相對論也有其局限性，但這并不妨礙他們的理論成為偉大且正確的理論。正如作者后記中所說：為了找到正確，我們需要錯誤，這樣我們才能向前進步。這句話，不僅僅適用于科學(xué)研究，也適用于我們社會生活的方方面面。

二

本書的作者是克里斯托弗·加爾法德，劍橋大學(xué)理論物理學(xué)博士，史蒂芬·霍金的親傳弟子，于2000—2006年師從霍金，從事有關(guān)黑洞信息悖論的研究。與史蒂芬·霍金及其女兒合著有兒童文學(xué)作品《喬治開啟宇宙的秘密鑰匙》，在全球45個國家出版發(fā)行。目前，加爾法德主要致力于向公眾傳播現(xiàn)代科學(xué)知識，并長期做客法國電視臺和廣播節(jié)目。

本書的主要內(nèi)容是我們的存在的確讓太陽系與眾不同。夏夜，你躺在沙灘上，仰望夜空。一顆小小的流星安靜滑過，還來不及許愿，不可思議的事情發(fā)生了：你一下子穿越五十億年，走進時光的旅行……

作者帶領(lǐng)我們踏上一場關(guān)于宇宙的過去、現(xiàn)在和未來的驚奇之旅。不需要圖表和方程式，只需憑著奇詭的想象，我們就可走向衰亡的太陽表面，飛越遙遠的星系，感受來自黑洞的死亡魅力……你可以輕松讀懂時至今日的宇宙神奇，繼續(xù)探究關(guān)于上帝的存在、時間的起源以及人類的未來。

作者首先以地球為中心，一層一層的向外輻射，直至人類目前能到達的宇宙最遠處。地球之外，離我們最近的就是那顆不辭辛苦的繞著我們轉(zhuǎn)的月球，月球有兩面，見不到太陽的那面為黑暗面，沒有藍天、沒有風(fēng)，是因為月亮上沒有大氣層。月球是如何產(chǎn)生的呢？追溯到幾億年前，一次小行星碰撞到地球之后，扯下來了一塊巨型物質(zhì)，經(jīng)過時間的雕磨，成了現(xiàn)在的月球。在往外看去，我們看到的是一顆紅且大的太陽，太陽內(nèi)部一直在發(fā)生著劇烈的熱核聚變，遵循著愛因斯坦著名的方程式E=mc2，巨大的質(zhì)量在慢慢轉(zhuǎn)化為能量。也正因為這個反應(yīng)的存在，太陽的表面充斥著強大能量的等離子氣體。

緊接著視角轉(zhuǎn)到了太陽內(nèi)部——日核，有基本原子構(gòu)成。在太陽的周圍，有八大行星，加上小行星帶圍繞著太陽不停歇的轉(zhuǎn)著，依次順序是水星、金星、地球、火星、小行星帶、木星、土星、天王星、海王星。在海王星最外層還有一個被稱為柯伊伯帶的環(huán)帶，這是我們在地球上所見的慧星產(chǎn)地。其中被降級的冥王星也在其中，冥王星降級為矮行星，還有妊神星、鳥神星。以上所有的在宇宙中看去是一個圓盤，被稱為奧爾特云，與太陽一起所有星球一起構(gòu)成了太陽系。太陽系有個鄰居—比鄰星，也是另外一顆恒星，紅矮星，因其表面紅色，但是其體積遠小于太陽而得名。另外還有一顆移動最快的天體S2，稱為人馬座A*，科學(xué)家猜想其旁邊有個黑洞，才會造成其移動速度之快。所有這些，一起構(gòu)成了整個銀河系。眾多的恒星系構(gòu)成了銀河系。銀河系的鄰居是仙女座系，還有許許多多的星系群、星系團、超星系團，一起構(gòu)成了我們現(xiàn)在所見的宇宙。

沿著虛空一直向外延伸，直到達最深處，突然遇到一面墻，這面墻你無法穿透，阻礙你，用x光、伽馬射線也無法探測的，這個墻被稱為臨界最后散射面，其與宇宙大爆炸有關(guān)。第二章以牛頓的萬有引力開場，太陽系中的七大行星都遵循牛頓的萬有引力定律，除了水星，這顆特殊的行星無論怎么計算，始終都有微小的誤差存在，那么造成這個原因是什么呢？愛因斯坦提出的廣義相對論，就回答了這個問題，把宇宙比作一個橡皮膜，行星都在沿著這一個不可見的斜坡滑行。這個理論就解決了水星運行誤差的原因，水星每次的公轉(zhuǎn)軌道都是不一樣的，與上一次無法完全重合。

接下來討論了宇宙的三大原則，宇宙第一原則是：在相似條件下，大自然在任何時間與空間都遵循著同樣的定律。如果沒有這一規(guī)則，拿宇宙中很多我們將不可知，不可計算。光具有波粒二象性，既具有波的特征，波長、頻率、周期，也具有粒子的特征。光從太陽到地球的時間大約是8分20秒，也就意味著現(xiàn)在你感受到的太陽光是8分20秒之前的太陽所發(fā)射出來的光，而非現(xiàn)在。

原子是由原子核和繞其運行的電子構(gòu)成，然而這種運行機制并不同于宇宙，其區(qū)別在于電子的躍遷，能量需要改變，從近處躍遷到遠處，電子需要吸收能量；從遠處躍遷到近處，電子需要釋放能量。只有能量的改變，電子才可以躍遷。運用這種理論，我們可以通過光的粒子性來判斷宇宙中天體的距離，通過其呈現(xiàn)的光譜，暗淡的部分被稱為吸收線。不過，在觀察宇宙中的天體的時候，出現(xiàn)了一個問題，在光譜上所呈現(xiàn)的整體向紅色偏移，距離與我們越遠，他們的顏色偏移也就越明顯。于是提出了一種設(shè)想，相互之間的距離在被拉遠，星系間的空間在拉伸，宇宙在膨脹，哈勃在提出了，所以也稱為哈勃宇宙膨脹定律。好了，現(xiàn)在談?wù)動钪娴诙瓌t：假定宇宙中沒有一個特別的位置。宇宙第三原則：以在一點的觀察者而言，任何方向看上去都是一樣的遠處的星系總是在遠離他所在的觀察點，同那些星系遠離地球一樣。這個理論只適用于一種非常大的尺度、極大的尺度。萬物都處于宇宙的中心，整個宇宙在過去比現(xiàn)在小得多，宇宙一直處在膨脹之中。

宇宙中存在四種基本作用力，第一種也是大家廣為熟知的是外有引力，密度大的物體永遠在密度小的下面，如果你需要擺脫引力的作用的話，需要得到一個最低速度，E=。這個也是愛因斯坦的質(zhì)能轉(zhuǎn)換方程。此方程式是假想宇宙內(nèi)，兩個星體之間有個曲線和斜坡，也正是這個假想，推斷出宇宙中時間和空間的彎曲，愛因斯坦的方程很好的解釋了宇宙的這種現(xiàn)象。誤差永遠都是存在的，而且時間和空間都是不區(qū)分大小的。“熱大爆炸”理論不發(fā)生于宇宙時空中某一個特定的點，而是在宇宙中任何地方，一切地方，在距地球一百三十八億光年處的最后臨近散射面。在這個最后臨近散射面，的另一邊，在那里是一切的混合，所有的理論將不再適用。一切都將不再常理之中，一切都已經(jīng)無法描述。在最后臨近散射面仍有殘余熱量，這種輻射被稱為宇宙微波背景輻射。這個驗證了宇宙誕生于“熱大爆炸”。

現(xiàn)在，我們將要面對兩種不同的穿越，一種是非常快速的世界，一種是非常微小的世界。鐘表的時間并不以相同的速度運行，實際上，時間的流逝取決于物體間的相對速度，而這就是愛因斯坦提出的狹義相對論，當(dāng)速度達到光速或者速度無限接近于光速的時候，時間會膨脹，物體長度會收縮。高速運動中會發(fā)生三種違法常理之事，（高速運動是指接近于光速的速度）：第一、時間的流逝與你在地球上的任何地方都不同；第二、你將變越來越重；第三、距離在你前進的方向上變小了，長度收縮。所以我們永遠無法達到光速，因為沒有東西是沒有質(zhì)量的，質(zhì)量的存在會約束速度的增加。

當(dāng)速度達到近光速的時候，時間將不再遵循地球上的時間規(guī)則，時間會膨脹，同時長度也會收縮，質(zhì)量也會變大。速度越快，質(zhì)量也會變大、時間的彎曲也會更顯著。這就是時間膨脹效應(yīng)。

所有的物質(zhì)都是有原子構(gòu)成，在這里我們將遇到宇宙中第二種基本作用力，電磁力。宇宙中任何兩個物體之間，不管他們是不是有磁性，都存在著某些東西，這東西被稱為電磁場。里面到處存在著相互作用虛光子可以出現(xiàn)在任何一個時刻。電磁場是一種激流，在這激流中會有光珠出現(xiàn)，但是你不能看到，轉(zhuǎn)瞬即逝，稱他為虛光珠。自然中只存在兩種電磁荷，正電荷和負電荷，會讓他們互相吸引或者排斥，虛擬光珠排斥同種電荷，吸引異種電荷。電磁場都彌漫在整個宇宙之中，又在帶有電荷的物體周圍及其之間變得活躍的不可見的迷霧，并非真實。

原子由原子核和電子構(gòu)成，電子按其一定的軌道繞著原子核永不停息地運動著。然而電子跨越軌道運行，這叫做量子躍遷/隧穿，需要能量的轉(zhuǎn)化。能量與時間、位置與速度，在量子世界的場中并不是互相獨立概念，電子不由更小的例子組成，無法再切開、打破和分裂。是電磁場的產(chǎn)物，一種表現(xiàn)形式，是一種基本粒子。實光子和電子都是電磁場的基本表現(xiàn)，不由任何其他物質(zhì)構(gòu)成。虛擬粒子的作用只是為了攜帶電磁力，作用于帶電荷或電磁的粒子之間。電子和光子相互作用，相互轉(zhuǎn)化，我們所存在的一切都是物質(zhì)與光的游戲。

接下來介紹了一個非常著名的原理：泡利不相容原理，波狀的電子不會相互重疊。兩個氫原子和一個氧原子構(gòu)成了一個分子，在地球上就是水，在外太空就是星云。原子損失電子或者得到電子就會成為離子，離子是帶電荷的，總是想和東西在一起，構(gòu)成分子。咱看看原子核內(nèi)的構(gòu)造吧，原子核內(nèi)有帶電荷的質(zhì)子，質(zhì)子由三個夸克組成，猶如一座監(jiān)獄。夸克在強相互作用量子場下的表現(xiàn)，將夸克粘在一起的是膠子。對于夸克來說，自由是越近越好。夸克既屬于電磁場，又屬于強相互作用場。他們能與兩種不同的作用力攜帶者——光子和膠子相互作用，在短距離中膠子的力量比光子強許多。強相互作用場里有六種不同的夸克，但在原子核中只有六種中的兩種，“上夸克”和“下夸克”，質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成，向上的力就大于向下的力。而中子卻相反，中子也是構(gòu)成原子核的物質(zhì)之一，但是其不帶電，由一個下夸克和兩個上夸克組成，電呈中性。兩個膠子可以合在一起，變成兩個夸克。

宇宙中最后一種基本作用力就是弱核力，可以把這個場看作毀滅的場，將另外兩個場建造起來的東西拆除的場。只作用于組成原子核的構(gòu)件上，比強核力弱很多，弱核力量子場有著屬于其自己的基本粒子和作用力攜帶者，自發(fā)的核裂變過程被稱為放射性。W或Z玻色子擊中夸克后可以將上夸克變?yōu)橄驴淇?，將下夸克變?yōu)樯峡淇耍瑢⒅凶幼優(yōu)橘|(zhì)子，中微子是人類想象的最小真實，只受到弱核力和引力影響，對槍相互作用和電磁場完全沒有反應(yīng)。可以射穿我們所知道的所有物質(zhì)，幾乎不被阻擋。放射性很危險，當(dāng)原子核發(fā)生衰變的時候，會分裂出中微子、夸克、電子與光子。兩個質(zhì)子和中子結(jié)合在一起成為阿爾法粒子。這就是第一種損害；第二種是高能電子，可以將正常的光子打飛；第三種是高能光子，即伽馬射線，放射性具有殺傷力。

電磁力和弱核力是早就存在的另一種作用力，另一種場的兩種不同表現(xiàn)。，曾經(jīng)是統(tǒng)一的“電弱場”。至此我們把視角轉(zhuǎn)到真空，宇宙中所有的粒子都能變成另外的東西。量子微粒是難以捉摸的，當(dāng)沒有關(guān)注大自然的時候，一切可能發(fā)生的事搜發(fā)生了。可能性而非確定性的.存在是對于極其微小的世界你不得不接受的客觀性質(zhì)。粒子出現(xiàn)需要從量子場中獲得一些能量，因為這些場填滿了所有時間與空間，粒子可以在任何空間和時間出現(xiàn)，宇宙在任何地方都不是真正真空?？ㄎ髅谞栃?yīng)證實了真正的空無一物并不存在，我們的世界還存在不同種類的真空，還會產(chǎn)生真空之力。在整個宇宙中，所有的基本粒子，都誕生于同一個背景場中，也會在任何時候被同一個場景所吞噬湮滅：某個量子場的真空。

那么為什么宇宙中存在的是四種基本場呢？”希格斯粒子“的發(fā)現(xiàn)，”膠子濃湯理論“可以有效解釋我們現(xiàn)在所不能理解的宇宙現(xiàn)象。一個電子從來不會被單獨創(chuàng)造。它必須與另一個與它除了電荷之外一模一樣的粒子一同被產(chǎn)生。那個所帶電荷是正的，被稱為“反電子“。當(dāng)一個電子與反電子相遇時，他們發(fā)生湮滅消失不見，他們的質(zhì)量變回能量，在一瞬間變成光。電子門與他們的相反自己產(chǎn)生于電磁場，當(dāng)它們相遇湮滅后又變回到電磁場，反粒子就在我們身邊，很少，因為每次一個反粒子出現(xiàn)，都只能存在非常短非常短的時間。任何反粒子與它對應(yīng)的正常粒子遇到時就會立刻湮滅，依照愛因斯坦的E=變成一縷能量與光一起消失。這已經(jīng)被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)當(dāng)中，PET就是這種技術(shù)。

接下來，我們的視角轉(zhuǎn)換到宏觀宇宙中，從宇宙最初的”暴脹場”宇宙暴脹開始。想了解宇宙需要兩方面的信息：規(guī)則和出事條件。一開始這一切都是壓縮在直徑10米的球內(nèi)，溫度一直在持續(xù)上升最終暴脹。能量聚合，變成夸克，夸克又結(jié)合在一起，變成中子。接著圍繞在你身邊的物質(zhì)與反物質(zhì)對變成了光子。中子質(zhì)子結(jié)合在一起形成了原子核，宇宙暴脹，能量密度下降，被密集的粒子濃湯所包圍，那鍋濃湯是量子場的各種激發(fā)態(tài)以及他們對應(yīng)的基本粒子、作用力攜帶者混合而成。最后形成了我們現(xiàn)在所看到的臨界最后散射面。

物理學(xué)中有三種謎團第一種是來自理論本身，他們是理論性的；第二種是根植于觀察和實驗；第三種是謎團出現(xiàn)在沒有人能夠在理解任何東西的時候。黑洞與時空誕生前的物理學(xué)就同屬于這三種謎團。有許多黑洞，且星系中心就有一個超級黑洞，黑洞的尺度可以是任何大小，可以是兩個極端。正因為有這種可能性存在，所以很多瘋狂，沒有理智的理論被提出，如多宇宙、平行宇宙、多維空間，和弦理論。

在微小世界的量子規(guī)則的后果之一，某事只要可能發(fā)生，他就一定會發(fā)生。在了解了這么多的宇宙奧秘之后，大家一定關(guān)注過“薛定諤的貓“的實驗，將一只黑白貓裝進一個可以完美封閉的盒子，一旦關(guān)上，沒有人能夠從外面知道里面的情況。另外，還需要找一種放射性材料，這種特殊材料，在你的實驗過程中會有50%的機會產(chǎn)生射線?，F(xiàn)在實驗已經(jīng)做好，小貓有50%的機會被毒死了，一切取決于放射性衰變。盒子中的貓是生是死，一切都成了迷，只有打開才可以知道情況。那么量子世界的規(guī)則是：衰變還是未衰變這一事件直接聯(lián)系到毒藥和貓，只要盒子未被打開，這只貓既沒有死去，也沒有活著，而是同時存在。我們的宇宙中的一切都是由量子物質(zhì)構(gòu)成，因此所有一切都由量子物質(zhì)構(gòu)成，因此所有一切都應(yīng)該被看作是一種可能性同時存在的巨大量子波。

宇宙中存在一種不與光相互作用的物質(zhì)，無法通過收集光線的望遠鏡觀察到它，他不是普通物質(zhì)，但與普通物質(zhì)一樣可以讓時空彎曲，這種物質(zhì)就是暗物質(zhì)。在銀河系上方，有兩個閃著的天體，他們彼此圍繞著轉(zhuǎn)動，非常快，而且不怎么對稱。兩者中的一個大家伙是紅巨星，另一個是白矮星，但是白矮星正在吞噬這顆紅巨星，這個過程牽涉到巨大的能量。暗能量能夠產(chǎn)生類似反引力的作用力，讓物質(zhì)與能量之間相互排斥而非吸引。時空在它所包含的物體周圍彎曲和拉伸，不管那種物體時質(zhì)量還是其他形式的能量。當(dāng)彎曲變得越來越厲害時，最初形成這種彎曲的不管什么東西都會被進一步擠壓，讓那里的密度更高，形成一個惡性循環(huán)，直到無情地讓時空崩塌，這種崩塌蒙上了無限大多帶來的灰塵，這種無限大被稱為“奇點”。

黑洞是空洞的極端反面：他們誕生于過小的空間里，卻聚集了過多的物質(zhì)和能量，需要巨大的能量才能創(chuàng)造出黑洞。黑洞所含的物質(zhì)和能量之多，所產(chǎn)生的時空坡度如此之陡，能讓所有不小心離他們太近的東西注定掉入，無法逃脫。無底的黑暗，所有的向上的運動被禁止，量子躍遷，黑洞發(fā)生了粒子泄露。有四個原因：一、量子粒子能夠從產(chǎn)生它們的場中借到能量；二、所有掉入黑洞地平線的粒子們也沒有掉入；三、地平線將空間分成不同的兩部分，黑洞內(nèi)的真空與黑洞外的不一樣，因此某種形式的真空作用力——開西米爾效應(yīng)，應(yīng)該將地平線向里推，讓黑洞變小并蒸