宇宙學(xué)通俗詳解全

宇宙學(xué)通俗詳解

1

在每一個時代，所有社會的人都相信他們終于發(fā)現(xiàn)了宇宙的真面目，

但他們每次都不過是給未知的宇宙設(shè)計了一張面具。

那些人為自己的知識而自豪，為知識的真實而自信，

他們惋惜古人的無知，也同情古人沒能預(yù)見后代會為他們的無知而惋惜。

2

宇宙囊括萬物，也包括我們?nèi)祟悺?/p>

但是，什么是宇宙呢？我們真的知道嗎？

它有多副面孔，在不同的人看來，它意味著不同的事情。

對宗教者來說，它是神造的世界，受著超自然力的支配；

對藝術(shù)家來說，它是喚起靈感的奇妙天地；

對哲學(xué)家來說，它是一個分析和綜合的結(jié)構(gòu)的邏輯體系；

對科學(xué)家來說，它是自然力表現(xiàn)的舞臺。

3

在每個不同的時代，在每個不同的社會,

人們所想象的宇宙是不同的。

如愛斯基摩人、毛利人、祖魯人眼中的宇宙是大不相同的。

因為知識的進步，亞里士多德時代、牛頓時代、愛因斯坦時代，

每個時代人們頭腦中的宇宙也是不相同的。

4

我們所認為的宇宙只不過是宇宙的一個模型，不是真實的宇宙。

于是，我們說亞里士多德的宇宙，牛頓的宇宙、愛因斯坦的宇宙等等,

每個宇宙都只是一個模型，一幅人類所想象出來的天地圖景。

一個個模型被創(chuàng)造出來，又隨知識的進步被改造，直至最后被拋棄。

5

宇宙究竟是什么樣子？

它為什么開始？

它將如何結(jié)束？

生命的意義是什么？

我是誰？我從哪里來？又到哪里去？

我們每個人都會追尋這些問題的答案。

那么現(xiàn)在就從這里開始吧。

6

人類中心論形成了希臘人以地球為中心的宇宙。

公元前4世紀，亞里士多德的宇宙是以地球為中心的，

地球處在宇宙的中心，月亮、太陽、行星和恒星繞著地球旋轉(zhuǎn)。

7

在古代神話里的諸神神不論變得多么強大，住的離人類多么遙遠，都是在服務(wù)和保護人類,

而人類世界處在宇宙的中心位置，各處的男女安然無恙，受到神的保護。

8

到了19世紀，最可怕的革命來了：達爾文革命。

曾經(jīng)是宇宙大戲主角的人類，從此成了野獸的同類。

一直眷顧和保護人類的諸神也被驅(qū)逐出了物理的宇宙。

科學(xué)是最后的勝利者，過去的神話和迷信都灰飛煙滅了。

9

古代的宇宙觀是人創(chuàng)造的，盡管古代的人們會強烈地否定這一點。

現(xiàn)代的宇宙觀也是人造的，是人類用生物電化學(xué)的大腦創(chuàng)造的。

跟古代的宇宙一樣,現(xiàn)代的宇宙也難免隨時間而消失，被其他宇宙所代替。

未來的宇宙幾乎肯定不同于我們今天這個形式的宇宙，

不過它們也是那個時代的人所創(chuàng)造的，因為“人是他所感興趣的萬物的尺度"。

當然，宇宙本身不是人造的，但我們并沒有一個真正的宇宙概念。

我們只知道宇宙包含著我們?nèi)祟?，那些自以為知道宇宙真正模樣的人類?/p>

10

宗教學(xué)者虔誠的相信宇宙的合理性來自神或者上帝，

然而所謂的神或者上帝是那里來的？

科學(xué)家相信宇宙的合理性來自于自然規(guī)律。

11

現(xiàn)代宇宙學(xué)通過科學(xué)觀察探求這個世界什么是真實的，其推理結(jié)果是用客觀經(jīng)驗數(shù)據(jù)來證實

的。

12

16世紀，哥白尼證明太陽才是宇宙的中心，

推翻了流行千年的教條：地球是宇宙的中心。

當時羅馬天主教廷認為他的日心說違反《圣經(jīng)》，哥白尼仍堅信日心說。

13

布魯諾是哥白尼革命的激進的擁護者，

由于批判經(jīng)院哲學(xué)和神學(xué),反對地心說，

他最后7年被囚禁在教會監(jiān)獄里，備受折磨和拷問，

他拒不妥協(xié)，1600年被燒死在羅馬的火刑柱上。

14

開普勒接受了哥白尼的太陽在中心、恒星球在外面的有限宇宙，

發(fā)現(xiàn)了行星的橢圓運動三定律，為牛頓世界體系奠定了基礎(chǔ)。

15

伽利略是意大利天文學(xué)家，歐洲近代自然科學(xué)的創(chuàng)始人。

當時大多數(shù)人都贊成地心說，由于伽利略卻熱忱地宣揚哥白尼的日心說,

他被宗教裁判所審判，在軟禁中度過了余生。

16

牛頓是英國著名的物理學(xué)家，

發(fā)現(xiàn)了萬有引力和三大運動定律，

為太陽中心說提供了強有力的理論支持。

17

德國哲學(xué)家康德認為銀河系是盤狀的恒星分布，而且被遙遠的類似星系所包圍。

銀河系的恒星在引力作用下形成一個旋轉(zhuǎn)的圓盤，模糊的星云類似于旋轉(zhuǎn)的銀河系。

18

法國天文學(xué)家拉普拉斯認為太陽系形成于旋轉(zhuǎn)收縮的氣體云的假說。

根據(jù)這個假說，太陽和星系都是從旋轉(zhuǎn)的巨大的星際云中凝聚出來。

19

笛卡兒確信光以無限大的速度傳播。

然而，丹麥天文學(xué)家雷奧莫1676年預(yù)言11月9日的木衛(wèi)一食將晚發(fā)生10分鐘。

雷奧莫解釋說,地球在離開木星運動，光為了到達地球需要經(jīng)歷額外的距離，從而導(dǎo)致時間

的延遲。

這個正確的預(yù)言，使他成為光速有限的發(fā)現(xiàn)者。

20

英國天文學(xué)家哈金斯，發(fā)現(xiàn)天體光譜的發(fā)射線和地球上的物質(zhì)是一樣的，

所以他認為：天空的組成元素跟太陽和地球是一樣的！

他區(qū)分出星云和星系之間的差異，康德和拉普拉斯的星云假說得以證實。

21

奧地利物理學(xué)家多普勒證明，退行（或靠近）的聲源，其音調(diào)比靜止時更低（或更高）。

所以正在靠近我們的恒星的光會變藍，離開我們的恒星的光變紅。

22

物質(zhì)的現(xiàn)代原子論始于道爾頓，他也是第一個把原子論定量的科學(xué)家。

根據(jù)元素以確定的重量比例形成化合物的事實，道爾頓證明物質(zhì)是不同重量的原子構(gòu)成的。

例如，氫原子重量為1,在這個標度上，碳原子重量為12，氧為16,等等。

23

1887年，湯姆森發(fā)現(xiàn)了帶負電荷的電子；

1911年，77盧瑟福發(fā)現(xiàn)了帶正電的原子核；

1913年，玻爾構(gòu)建了原子的力學(xué)模型：電子在圍繞原子核的軌道上運動；

幾年后，薛定謗、海森伯等物理學(xué)家用量子力學(xué)建立了現(xiàn)代的原子的波動力學(xué)模型。

24

直到18世紀，猶太、基督和穆斯林的信徒們還相信宇宙只有幾千年。

大量地質(zhì)學(xué)和古生物學(xué)的證據(jù)則指示了更為長遠的歷史，

宗教經(jīng)典的記錄便與科學(xué)發(fā)生了矛盾。

25

20世紀初，物理學(xué)家憑著放射性年代方法證明地球年齡是幾十億年，而不是幾千萬年。

提高了地球生命的存在年限，響應(yīng)了地質(zhì)學(xué)家和生物學(xué)家為生命進化確立的時間。

26

據(jù)說法國皇帝拿破侖對拉普拉斯說：

"你寫那么一大本關(guān)于世界體系的書，卻沒有一次提到宇宙的創(chuàng)造者上帝。"

拉普拉斯回答："陛下，我不需要上帝這個假說。"

不論真假，這個故事說明了有神論與科學(xué)的不同。

27

在宇宙中恒星聚成星系，星系聚成成星系團，星系團聚成超大星系團，這就構(gòu)成天文學(xué)家所

謂的等級。

今天我們用有限層次的觀點（有限數(shù)量的層次，包括恒星、星團、星系、星系團和超星系團）,

很好地解釋了宇宙物質(zhì)的成團聚集的特征。

28

宇宙學(xué)常用單位：

1光年=63240天文單位

1光年就是光走一年的距離

1天文單位=149597870千米

1天文單位就是地球到太陽的距離

1淞少=30000km

1光秒就是光走一秒鐘的距離，就是30萬千米

1km（千米）=1000m（米）

太陽半徑：約為696300千米

地球半徑：6370km

光速為300000km/s,就是光一秒鐘走30萬千米

1m（米）=100cm（厘米）

桌子高度一般都在1米左右

1cm（厘米）=10mm（毫米）

手指寬度約1cm

1mm（毫米）=103|jm（微米）

跳蚤的大小約1mm

lpm（微米）=103nm（納米）

一根頭發(fā)的直徑是80pm（微米）

Inm（納米）=103pm（皮米）

lnm（納米）相當于4倍原子大小

黃色光波長597-577納米

1A（埃）=0.1nm（納米）

氫原子半徑0.79埃

29

幾乎所有來自外太空的信息，

都是以光或其他輻射的形式傳過來的，

傳播速度都是300000km/so

30

光線要經(jīng)過500秒鐘才能從太陽表面?zhèn)鞯降厍蛏?

所以我們看到的是500秒前的太陽，

于是我們就說太陽距離我們500光秒。

31

光線從某一遙遠天體傳播至地球所需要的時間被稱為“光傳播時間"。

"光傳播時間"計量法用于遠距離測量非常合適,

而且還有個好處：提及當前看到的一遙遠天體時，

我立刻就能知道那是它多長時間以前的狀態(tài)。

32

我們看到的一顆10光年（約100萬億千米）遠的恒星，是它10年前的狀態(tài)。

通常我們注目深空時，也是在沿時間回望。

33

光線需要大約10個小時才能穿過整個太陽系，

最近的恒毀巨離我們也有幾光年。

在我們周圍數(shù)萬光年的范圍內(nèi)，

分布著數(shù)百億顆形形色色的恒星，

它們就是銀河系的恒星。

銀河系之外數(shù)百萬光年遠處還分布著其他星系，

它們大部分自身就是一個包含有數(shù)十億顆恒星的龐大系統(tǒng)。

34

宇宙學(xué)常用速度：

光速（用C表示）

300000km/s

太陽在銀河系里的運動速度

300km/s

地球在太陽系里的運動速度

30km/s

離開太陽表面的所需的速度

618km/s

第三宇宙速度,飛出太陽系所需的速度

16.7km/s

第二宇宙速度，離開地球所需的速度

llkm/s

第一宇宙速度，航天器沿地球表面作圓周運動時所需的速度

7.9km/s

35

1光秒=30000km,光一秒鐘的時間所走的距離就是30萬千米,

看起來那么小的一秒鐘的光傳播時間，與看起來那么大的300000千米是等價的，

地球的周長是40000千米，所以地面上最遠的距離也只有光秒。

我們的一生有70年，在這段時間里，太陽和它的一批行星隨從在銀河系里卻只穿行了20

光日。

從宇宙的視角來看，我們被局限在Y很小的空間區(qū)域里，但存在的時間卻很長。

這就解釋了為什么相對于時間的巨大跨度來說，我們對于空間的廣闊印象卻更為深刻。

36

宇宙學(xué)常用時間單位

1小時=3600秒

1天=86400秒

1年=3.2x107秒

1年代=10年

1世名己=100年

1千年=1000年

地球的年齡是46億年

宇宙的年齡是138億年

37

什么是恒星？

恒星就是由自身引力禁錮在一起并不斷向宇宙中輻射出能量的一團炙熱氣體,

我們的太陽也是一顆恒星。

38

宇宙學(xué)常用溫度

0K（開）=-273WC（攝氏度）

373K（開）=100℃（攝氏度）

1℃（攝氏度）=274.15K（開）

39

太陽中心的溫度是2x10人7K

白矮星表面的溫度是10000k

太陽表面的溫度是5800K

紅巨星表面溫度是3000k

燈泡燈絲溫度是2000K

水的沸點373k(100℃)

水結(jié)冰的溫度是273.15K（0℃）

絕對零度0K（或-273℃）

40

宇宙學(xué)常用質(zhì)量

太陽的質(zhì)量是2x10人30kg

地球的質(zhì)量是6x10人24kg

體積為頂針大小的水的質(zhì)量是1g

跳蚤lmg

氫原子1.7x10人-24g

10kg（千克）=It（噸）

1kg（千克）=1000g（克）

1g（克）=1000mg（毫克）

lmg（毫克）=1000的（微克）

Ipg（微克）=1000ng（納克）

41

H-R圖也叫赫羅圖，這是以星球表面的溫度為橫軸，以星球的真正光度為縱軸，

將各個星球按照它的光度和溫度，依次填入圖表中。

星星在圖表中的位置并不是散亂排列，

大致可分為主序星、巨星、超巨星、及白矮星等四個集團。

42

大部分的恒星，包括太陽，都分布在一個叫做主星序的斜對角區(qū)域內(nèi)。

在主星序里，紅色恒星（溫度較低）的光度較低，而藍色恒星（溫度較高）的光度較高。

主星序里所有恒星的能量都來自把氫轉(zhuǎn)變成氨的核反應(yīng)，其光度也因此而得。

43

恒星質(zhì)量沿主星序穩(wěn)步上升。

主星序低端質(zhì)量較小的恒星把氫轉(zhuǎn)變（或者說"燃燒"）成氨的速度較慢。

而主星序頂端質(zhì)量較大的恒星把氫轉(zhuǎn)變成氮的速度較快。

大多數(shù)恒星的質(zhì)量都在陽質(zhì)量的到10倍之間。

44

位居H-R圖中主星序之上的是紅巨星。

它們是膨脹后的球狀冷氣團，直徑有可能大于地球的繞日直徑。

即使表面溫度很低，但由于表面積極大，它們的光度仍然很高。

它們每秒鐘輻射出來的能量是太陽的幾百倍，常常還會高達上千倍。

它們已經(jīng)耗盡了中心的氫燃料，退出了主星序，

而中心區(qū)域正在收縮成溫度、密度都更高的狀態(tài)來尋找未來的能量源。

45

H-R圖中位于主星序之下的是白矮星。

它們的大小跟地球差不多；雖然密度很大、溫度很高，

但由于表面積極小，它們的光度不是很高。

這些恒星們已經(jīng)到了演化進程的末期，正在慢慢冷卻。

并不是所有的恒星最終都會演變成致密的白矮星，

許多恒星會繼續(xù)演化成中子星，還有一部分會演變成黑洞。

46

大多數(shù)恒星的亮度都幾乎是恒定不變的，

但也有一小部分恒星——變星——的亮度是周期性變化的。

所有變星中，有些隸屬于雙星系統(tǒng)，

它們亮度的變化是因為繞彼此旋轉(zhuǎn)時每隔一定時間就要從對方面前經(jīng)過的緣故。

但大部分變星都是脈動變星，它們有規(guī)律地膨脹、收縮著，大小和亮度都在不斷地波動。

47

恒星是一個個不斷向太空輻射能量的炙熱氣體球。

從表面輻射出去的能量源于恒星內(nèi)核，再慢慢擴散至表面。

熱量都從較熱區(qū)域流向較冷區(qū)域，所以恒星內(nèi)核遠遠熱于表面。

事實上，恒星中心的溫度極高，例如：太陽中心的溫度約為1500萬開。

48

恒星的自持依賴于引力：它們是靠自身引力的束縛才聚攏在一起的。

向內(nèi)拉的引力被一個向外推的力抵制著。

外推力就是內(nèi)部炙熱氣體產(chǎn)生的壓力。

向外推的力主要是恒星內(nèi)部的核反應(yīng)產(chǎn)生的。

如果太陽內(nèi)部沒有壓力，它將會在一個小時內(nèi)坍縮成一個黑洞。

49

例如：

質(zhì)量越大的物體萬有引力越大，

地球的質(zhì)量比太陽小的多，所以只能把我們?nèi)祟愇诘厍虮砻妗?/p>

太陽的引力很大，如果人類到了太陽上,

就算不被燒死，也會被太陽的引力吸的粉身碎骨。

太陽的引力大到連自己都會吸自己，

如果比太陽質(zhì)量大7倍以上的恒星，

它會最后會把自己吸成一個黑洞。

50

太陽為什么沒有把自己吸成黑洞，是因為太陽內(nèi)部一直有核彈在爆炸。

太陽內(nèi)部有核彈在爆炸是個比喻，其實所有恒星內(nèi)核都會產(chǎn)生核能。

51

這是因為恒星主要是由氫元素構(gòu)成的，氫元素是核彈的主要原料。

核彈的巨大爆炸威力是來自核聚變，就是把多個氫原子核互相聚合，

生成新的質(zhì)量更重的原子核一一氨，并且會釋放巨大能量。

52

恒星內(nèi)部的氫原子核正好就是核聚變的最佳原料，又由于恒星的巨大引力,

正好讓原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發(fā)生原子核互相聚合作用。

恒的引力夠大，氫也夠多，所以恒星就是一座巨大的核反應(yīng)堆。

53

就好像恒星內(nèi)部無數(shù)的氫彈在不停的爆炸，

這些爆炸所產(chǎn)生向外的力，正好抵消了恒星自身向內(nèi)的引力，

質(zhì)量和太陽差不多的恒星的引力正好和內(nèi)部的核能產(chǎn)生的力抵消了，

所以太陽就不會變?yōu)楹诙?，但是比太陽質(zhì)量大7倍的恒星就不一樣了，

質(zhì)量越大引力就越大，引力大到比自己內(nèi)部核能產(chǎn)生的力大的多的情況下,

這顆恒星就會由于自身引力把自己吸到一個黑洞。

54

恒星都是生產(chǎn)核能的一座座巨大的核反應(yīng)堆。

灑在地球表面的能量，比如說陽光，就來自太陽內(nèi)核產(chǎn)生的核能。

55

20世紀初，物理學(xué)家金斯認為，剛開始時宇宙中充滿了舌鰭糟的氣體，

而天文系統(tǒng)則是通過一個分解過程依次形成的：

"星云來自混亂氣體，恒星來自星云，行星來自恒星，衛(wèi)星來自行星?！?/p>

現(xiàn)在我們?nèi)匀徽J為宇宙分解生成星系，星系分解生成恒星，

但不再認為恒星分解生成行星了，并懷疑行星是否通常分解生成月球這樣的衛(wèi)星。

56

太陽系由太陽、地球及其他行星組成,大約形成于50億年前，

當時宇宙的年齡只有現(xiàn)在的我們可以想象，太陽起源于星云中的一小塊塵埃。

即比其他地方致密的一小塊氣體，而星云中其他的小塊塵埃也都正在生成其它恒星。

57

質(zhì)量小于太陽的恒星演化得更慢，停留在主星序上的時間長于100億年。

很多小質(zhì)量恒星自我們銀河系誕生到現(xiàn)在卻一點兒都沒有演化。

58

但質(zhì)量更大的恒星演化得也更快，

而且會以白矮星、中子星和黑洞的形式結(jié)束自己的生命，

具體哪種形式要視其質(zhì)量而定。

59

一顆恒星在耗盡中心處的氫之后，就會離開H-R圖的主星序,向紅巨星方向移動。

此時恒星核里幾乎全是氨元素，已經(jīng)不再產(chǎn)生核能了，

但輻射能仍然從炙熱的表面流向太空，而這些能量又來自中心核區(qū)。

恒星核繼續(xù)收縮成密度更高的實體，從而釋放出引力能。由于這種收縮，核的溫度還會升高。

60

接下來會有兩件事情發(fā)生。

首先，緊鄰氮質(zhì)核的氫開始燃燒。

會出現(xiàn)一個環(huán)繞核的氫燃燒層，在這一殼層中，

氮繼續(xù)產(chǎn)生，并穩(wěn)步地給氮質(zhì)核添磚加瓦。

其次，收縮釋放出的能量和氫燃燒層里氫的燃燒會導(dǎo)致外層的膨脹。

恒星隨著核的不斷收縮而不斷地膨脹，且膨脹的包層還具有幾分對流性質(zhì)。

這顆明亮、巨大，冷卻下來的恒星——現(xiàn)在成了一顆紅巨星。

61

一旦離開主星序，恒星就步入晚年，來日無多了。

它這才意識到自己逗留于主星序的那段生命太平淡無奇。

盡管很晚了，但它還是下定決心'要在死亡之前最后一次大放異彩。

但剩下的核能已經(jīng)不多。

62

氫轉(zhuǎn)化為氫的燃燒過程已經(jīng)把全部可用核能的80%都消耗掉了，

但挖掘剩余的儲能需要高超的技巧將氨一步步地轉(zhuǎn)化為鎮(zhèn)或鐵。

其中每一步都需要更高的溫度和更大的密度,

因此恒星的光度在不斷增長，逐漸減少的核儲消耗的速率也在不斷上升。

63

我們現(xiàn)在考慮一顆質(zhì)量小于太陽質(zhì)量二倍且已經(jīng)完全演化的恒星。

在紅巨星階段，它的內(nèi)核繼續(xù)收縮。

數(shù)千萬年后，它的密度和溫度足以把氫燃燒成碳。

氨燃燒是在溫度到達約1億度時突然開始的，這種現(xiàn)象被稱作氮閃。

根據(jù)核的質(zhì)量不同，在這個階段或稍后一段時間里出現(xiàn)一股強勁的恒星風(fēng),

把恒星膨脹了的包層都吹散開去，只留下明亮的裸核。

收縮終止了，核燃燒也結(jié)束了，恒屋內(nèi)核就穩(wěn)定下來，成為一顆白矮星。

于是這顆恒星的組分可以劃分為兩部分，

一部分是被稱為行星狀星云的噴射氣態(tài)殘余，

另一部分是大小跟地球相當且正在慢慢冷卻的白矮星。

約50億年后，太陽也會變成一顆白矮星，

并將在緩慢冷卻的過程中，像一只昏暗的燈泡一樣在天空中懸掛幾十彳乙年。

64

下面我們考慮一顆更重的恒星將會發(fā)生些什么。

它揮霍自身中心處氫的速度更快，停留于主星序上的時間只有幾億年,

之后會變成一顆巨大的短命紅巨星。

由氫燃燒層包圍著的氮質(zhì)核，將收縮至密度和溫度都更高的狀態(tài)。

很快氫就會燃燒成碳和氧。

于是現(xiàn)在這顆恒星就具備了一個由碳和氧構(gòu)成的核，

周圍包裹著的是氫燃燒層和一個氫燃燒外層。

這顆恒星經(jīng)歷過紅巨星階段之后，就會變得更加明亮，

并會歷經(jīng)一陣陣顫動，還將以更高的速度向太空噴射大量氣體。

65

為了滿足不斷增長的能量需求，內(nèi)核繼續(xù)收縮。

當中心溫度超過30億度，密度趨近100萬克/厘米3時，碳和氧將會燒掉更多,

一步步地轉(zhuǎn)化為完、鎂、硅、磷、硫等等，直至鎮(zhèn)和鐵。

不過這眾多反應(yīng)所釋放出來的核能很快就被輻射掉了。

66

在這些高級演化后期的階段，會出現(xiàn)一種額外的能量損失且損失的速度還會穩(wěn)步增長。

內(nèi)核中核反應(yīng)和高溫氣體產(chǎn)生的大量中微子會一堆堆地穿越恒星，飛向太空。

內(nèi)核的中微子光度將升高，并超過表面輻射的光度，剩下的就只有引力能量。

而且，為了滿足不斷增長的能量損失，內(nèi)核將收縮得更快。

中心密度和溫度將大幅增長，而能量會溢出，并在把物質(zhì)熔成重于鐵的元素的過程中漸漸枯

竭。

這顆恒星已經(jīng)瀕臨死亡了。

67

中微子再也不能輕易逃離這顆恒星，而是從內(nèi)核向外擴散，

傳送過去的能量加熱并啟動恒星富氫外層的核反應(yīng)。

向內(nèi)塌落的內(nèi)核把重元素粉碎成氨元素，

而先前把輕元素轉(zhuǎn)化為較重元素時所需的能量現(xiàn)在必須通過釋放更多的引力能來補償。

68

內(nèi)核中微子的產(chǎn)量升高，并成一陣強風(fēng)，把爆發(fā)的包層吹起來，擲向太空。

在內(nèi)核塌縮的最后一刻，氨核被擠壓成自由質(zhì)子和中子，

停留在主星序上數(shù)百萬年時間里輻射出去的能量都必須當即補償回來。

內(nèi)核是通過最后災(zāi)難性塌縮來獲得這些能量的。

電子被擠入質(zhì)子，二者一起轉(zhuǎn)化成中子。

坍縮后的內(nèi)核，去除了包層后就成了一顆中子星。

內(nèi)核坍縮和包層爆發(fā)釋放出了大量能量，其結(jié)果就是一顆在天空中閃耀時間很短的超新星,

它比一個龐大星系里所有恒星加在一起還要明亮。

如果在半人馬座a星的位置上出現(xiàn)一顆超新星，那么它在我們看來將和太陽一樣明亮。

69

中子星的半徑約為10km,密度將近10人15g/cm3。

手指頭大小的中子星物質(zhì)在地球上將重達10億噸。

中子星的磁場強度為10Al2高斯，比地球磁場強萬億倍，

而且剛開始時會以每秒數(shù)百轉(zhuǎn)的速度高速旋轉(zhuǎn)。

70

中子星的質(zhì)量約小于三倍太陽的質(zhì)量，之所以存在這個極限，

是因為中子物質(zhì)抵抗不了更大質(zhì)量的引力壓力。

因此，更重恒星的坍縮核不會終結(jié)為中子星，它們將繼續(xù)坍縮變成黑洞。

這里，只說它們被封閉在自身的彎曲空間里就足夠了。

71

從地面上用肉眼能看到的恒星約有2000顆。

用好點的雙筒望遠鏡可以看到12000顆。

銀河系里大約有10A13顆恒星，而可觀測宇宙里的恒星約有10人20顆之多。

72

現(xiàn)今統(tǒng)治宇宙的四種作用力從小到大排列分別為：

引力相互作用：1

弱相互作用：10^23

電磁相互作用:10A39

強相互作用：10人40

引力和電磁力都是長程力（強度以與距離的平方成反比的方式慢慢減弱），

它們導(dǎo)致了宇宙中從原子到星系各種各樣物質(zhì)形態(tài)的形成。

弱作用力和作用力都是短程力（只在很短的距離上起作用），

它們是亞原子世界豐富多彩的原因。

73

銀河系

我們的星系又稱銀河，是一個由發(fā)光氣云和1000億顆恒星組成的龐大系統(tǒng)。

光線需要100000年的時間才能穿越銀河，從一邊到達另一邊。

74

銀河系的中心位于人馬座，由于星際間飄蕩著塵埃氣云，所以看起來朦朦朧朧的。

離銀河系中心很遠的某個地方有著我們自己的恒星-太陽。

75

星系由兩種基本組分構(gòu)成：星系盤和暈。

銀河實際上是我們看到的星系盤的全景，

這個圓盤的直徑為100000光年，厚度約為直徑的或更小。

76

星系盤由恒星和星際氣體構(gòu)成，

它所包含的質(zhì)量占銀河系可探測質(zhì)量的一半以上。

氣體占星系盤總物質(zhì)的塵埃的質(zhì)量約為氣體的1%或更多。

由恒星、氣體和塵埃構(gòu)成的星系盤圍繞著銀河系的中心旋轉(zhuǎn)就像一只巨大的旋轉(zhuǎn)木馬一樣。

77

我們看到的天空中的恒星，大部分都位于這個圓盤中，且與最近的恒星相隔幾光年遠。

太陽距離銀河系中心30000光年，它繞銀河中心旋轉(zhuǎn)的速度為300公里/秒軌道為圓形,

2億年才旋轉(zhuǎn)一周。

自誕生以來，太陽已經(jīng)圍繞銀河系中心旋轉(zhuǎn)了25圈。

78

各個星系之間，彼此相距數(shù)百萬光年。

它們向宇宙深處延伸開去，多得不計其數(shù)，看似無窮無盡，

每一個都是一座安然運行于太空深處的瑰麗的恒星天城。

79

星系的分布并不均勻，它們往往聚集成大小不同的星系團。

巨大的規(guī)則星系團的外形呈球狀，星系集中在中心區(qū)域。

星系團成員眾多，所含星系多達數(shù)千個。

80

典型的規(guī)則星系團直徑為1000萬光年，且沒有明顯的外部邊界。

它們含有星系際氣體，星系常常以超過1000km/6的速度穿行于這些氣體之間。

81

在本系星群之外的空間里散布著眾多別的星系群。

距離我們最近的是室女座星系團，它離我們有7000萬光年遠。

82

一億光年開外星系的分布看起來稍微稀疏了一些,

而且我們現(xiàn)在還知道星系團也聚在一起構(gòu)成超星系團。

我們所在的本超星系團的中心位于室女座星團附近，

本超星系團也被稱作室女座超星系團。

83

星系是怎么誕生的？

現(xiàn)在星系際空間里物質(zhì)的密度太低，不足以產(chǎn)生新的星系。

像我們銀河系這樣的星系，物質(zhì)的平均密度為每立方厘米一個氫原子。

84

宇宙在不斷膨脹，因此過去的密度更高，星系也更為擁擠。

當50億年前太陽剛剛誕生時，宇宙的平均密度大約是當前值的2倍；

再往前50億年，星系間的距離只有現(xiàn)在的一半，而宇宙的密度則是現(xiàn)在的8倍。

時間再往前推,當宇宙的平均密度為現(xiàn)在的100萬倍時，星系還不存在,

至少還沒有以當前形式存在的星系，因為它們在一個密度比星系還大的宇宙里被擠壓在一起,

面目全非。

星系是不斷膨脹的宇宙平均密度遠小于每立方厘米一個氫原子時誕生的，當時還處于初級階

段。

根據(jù)后面要討論的宇宙學(xué)理論，星系起源于年齡超過1億年的膨脹宇宙。

85

在一個富含氣體的星系核里，第一步動作很可能就是眾多恒星的誕生，

這些恒星中有很多演化速度很快并演變成黑洞。

86

現(xiàn)來設(shè)想這樣一個場景：

有一個氣體密度很高的星系核，眾多恒星在里面擠作一團，同時還有一顆黑洞在里面，

而且剛開始時這顆黑洞的質(zhì)量為太陽的幾倍,直徑約為10千米。

87

氣體會在旋轉(zhuǎn)著流向黑洞的過程中形成一個吸積盤，就在此吸積盤內(nèi)旋轉(zhuǎn)著落向黑洞。

不小心的恒星彼此靠得太近時，要么發(fā)生碰撞，要么就被潮汐力撕成碎片，

而殘骸則會加入到失控的激流中旋轉(zhuǎn)著沖向黑洞。

下次當你拔掉浴盆的塞子，看著盆里的水漸漸流進黑潤洞的漩渦時，不妨想象一下狼吞虎咽

的黑洞。

88

黑洞的質(zhì)量迅速增大，偶爾還會吞沒其他較小的黑洞。

假如星系核所含氣體和恒星十分豐富，

黑洞的質(zhì)量將會在幾億年的時間里增大為太陽的1億倍，

而尺度則會達到一光時。

在黑洞成長的過程中，向內(nèi)旋轉(zhuǎn)的氣體將釋放出能量急流。

89

在旋轉(zhuǎn)著奔向黑洞的過程中，氣體I鍬壓縮、加熱，溫度升至很高，而且輻射出能量。

被捕獲的氣體中的一小部分——占總質(zhì)量的1/10或更多將直接轉(zhuǎn)化為逃離的輻射能。

一顆通過不斷吞噬周邊物質(zhì)而成長為質(zhì)量高達太陽10億倍的巨大黑洞，

輻射出的總能量至少相當于太陽質(zhì)量的1億倍。

90

根據(jù)這幅粗略的圖像，黑洞以一種高活性狀態(tài)存在于星系核中，

而且只有當星系核里大部分物質(zhì)都被自己吞噬或噴射出去之后才會死亡。

之后，除了偶爾吞噬新的氣體而爆發(fā)之外，黑洞一直都在靜靜地休眠。

旋渦星系核內(nèi)的氣體較少，里面的黑洞也很可能比巨型橢圓星系里的小。

從射電研究中我們得知，銀河系中心處于一種受擾狀態(tài)，

黑洞有可能潛伏在里面，質(zhì)量是太陽質(zhì)量的數(shù)百數(shù)千倍，甚至數(shù)十萬倍。

91

當審視展開于眼前的宇宙學(xué)史時，

我們看到了人類越來越相信自己并沒有占據(jù)宇宙中心。

人們心中的宇宙中心剛開始時為部落，之后為國家，

再之后又變成了地球、太陽，最終落在了銀河系身上。

最后發(fā)現(xiàn)宇宙甚至連中心都沒有。

92

現(xiàn)代宇宙學(xué)的大部分處理都是從宇宙學(xué)原理開始的，

這個原理是現(xiàn)代宇宙學(xué)的根基。

愛因斯坦曾于1931年表述過這個原理：

宇宙中所有的地方都是相同均勻的，整個宇宙處處相同，

也就是說宇宙沒有一個特殊的中心。

93

宇宙保持永恒均勻的狀態(tài)，因為各處的事物以相同方式改變。

為了維持一種各處事物都同步演化的均勻態(tài),自然界的任何規(guī)律都應(yīng)該處處相同。

宇宙的均勻性還意味著除去局部不規(guī)則效應(yīng)之外，宇宙中所有的時鐘都是同步的。

94

也就是如果知道宇宙某一個地方的規(guī)律，

也就等于知道了全宇宙的所有規(guī)律。

一粒沙中看出一個世界，

一朵野花里看出一座天堂，

置無限于你手掌中，

將永恒剎那間收藏。

95

物理宇宙的包容原理說的是：

物理宇宙包含所有物質(zhì)的事物，而不包含所有其他的東西。

這句話是自然科學(xué)（化學(xué)和物理學(xué)）的戰(zhàn)斗口號。

96

對一些人來說這個原理過于初淺且顯而易見,

我們必須先來更全面地看看它到底是什么意思。

97

現(xiàn)代科學(xué)宇宙學(xué)研究的是將所有物質(zhì)的事物都包括進來，

而把非物質(zhì)的事物都排除在外的物理宇宙。

98

原子和星系，細胞和恒星，有機體和行星都是物質(zhì)的事物，都隸屬于物質(zhì)世界。

粒子及其波粒二象性，原子及其電子波動的舞蹈，DNA及其基因密碼，

場和穿越空間傳播的波，真空中豐富多彩的虛世界，時空的狹義相對論特性，

動力學(xué)彎曲時空的廣義相對論特性，以及廣闊的天文學(xué)宇宙，都是具有物質(zhì)性的事物。

我們這些擁有身體和大腦的物質(zhì)的生物體，也被束縛在物理宇宙中。

99

宇宙包含著時間和空間但并不存在于時間和空間中。

如果你相信一個非物質(zhì)的區(qū)域，比如說天堂，你必須賦予它自己的時間和空間。

你不能延展我們的時間和空間從而把天堂包括進來，因為這樣一來，

你將把天堂帶進物理宇宙，并把它的存在暴露給科學(xué)調(diào)查的鑒定方法。

我們就可以用科學(xué)的應(yīng)運來調(diào)查研究天堂了。

100

空間（更確切一點說是時空）的物理性質(zhì)是由其動力學(xué)特性展示出來的。

空間中的空區(qū)域彼此之間存在著作用和影響！這就是廣義相對論的本質(zhì)。

空間的漣漪引力波以光速傳播。

101

曾一度被認為是一種瞬時就能穿越真空起作用的神秘的力——引力，

已經(jīng)變成了以光速傳播的空間自身的動力學(xué)彎曲。

102

黑洞并不一定非有物質(zhì)不可，它可以只包含空間的波，

波是一種能量，能量和物質(zhì)是等價的，

物質(zhì)有引力，能量同樣也有引力，

是波的質(zhì)量產(chǎn)生了黑洞的強大引力。

103

過去大部分的宇宙模型的時間和空間都是宇宙戲劇的舞臺。

而在現(xiàn)代物理宇宙中，時間和空間成了主角。

104

空間（或者說時空）誘發(fā)著潮汐，引導(dǎo)著月球繞地球、地球繞太陽旋轉(zhuǎn)，

面且還會把不小心逛到中子星和黑洞附近的宇航員和飛船撕得粉碎，

誰還敢去懷疑它的物理真實性呢？

105

空間可能是有限無界的。

很容易聯(lián)到的一個類似實體就是彎曲的二維空間可能是有限無界的。

很容易聯(lián)想到的一個類似實體就是彎曲的二維球面。

這個面就是有限而無界的。

在西瓜上沿直線爬行的螞蟻能在不碰到邊界的情況下回到出發(fā)點。

在有限、均勻、各向同性的宇宙中沿直線前進的宇宙探測者也會回到出發(fā)點。

106

有人會說包容原理漏掉了最具價值的東西。

我們的靈魂、思想、意識和內(nèi)心世界所有多姿多彩的東西在宇宙中位居何處呢？

必須做出的回答十分簡單：

沒有它們的容身之地。

107

生活中的喜悅之情不過是大腦神經(jīng)元的生化活動而已，

天堂、地獄、神魔鬼怪也不過是人類大腦神經(jīng)元的生化活動而已。

108

對于那些主張并希望把它們?nèi)慷记擅畹厝谶M一個“精神、靈魂、物質(zhì)”宇宙中去的人,

我們必須如此回答：

"你把宇宙與宇宙模型混為一談了。

未知的宇宙是指一切事物，包括我們的思想,

而已知的物理宇宙含有物質(zhì)的東西，包括我們的大腦。

數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、生物物理學(xué)家和化學(xué)家已經(jīng)創(chuàng)造出了物理宇宙，

如果你置期E凡的成功于不顧，只是不喜歡它的話，那你就應(yīng)該創(chuàng)造一個自己的宇宙。"

109

初對宇宙學(xué)感興趣時，宇宙被想象成彌漫在空間的一團球狀星系云，存在中心和邊界。

很不幸,這個簡單的圖像大錯特錯，而且與包容原理相抵觸。

空間并不是一個宇宙鋪展于其中的非物質(zhì)容器，空間是物質(zhì)的，并隨宇宙膨脹。

110

我們必須把空間想象為宇宙的一個基本部件，并認識到它不能延拓至宇宙之外。

舉例來說，大爆炸并非像在我們想象的那樣，發(fā)生在空間某處，而是占據(jù)了整個空間。

111

如果空間是無限的，那么大爆炸也是無限的。

一個無限的宇宙往往總是無限的，不會轉(zhuǎn)變成有限的。

112

無論身在何處，我們只要靜止不動而沿時間回溯，就能在大爆炸里找到自己。

沒有中心和邊界的三維無限空間不難想象。

但想象沒有中心和邊界的三維有限空間卻十分困難。

換個角度，我們來想象一個沒有中心和邊界球面在廣度上就是有限的，

但它自身卻不存在中心和邊界。

113

空間中的宇宙邊界并不存在。

在一個膨脹著的宇宙里，星系并不在空間中穿行，遠離我們而去，

而是端坐在空間中，其空間自身則像慢慢膨脹的氣球的表面一樣不斷膨脹。

星系間的空間不斷膨脹，星系被空間裹挾著，彼此相距越來越遠。

114

輕元素多指篇口氮，是大爆炸時由質(zhì)子生成的，

當時宇宙很年輕,密度很大，溫度也很高。

大部分化學(xué)元素都是很久以后在恒星體內(nèi)生成，

并在超新星爆發(fā)時被噴射到宇宙空間中去的。

而構(gòu)成地球的元素是在死于太陽系誕生之前的恒星體內(nèi)生成的。

115

大部分重元素生成時都具有放射性，又衰變成后繼元素。

例如，鈾-235的半衰期為45億年,衰變生成的元素是鉛。

通過測定放射性元素衰變的速度，并測量它們當前的相對豐度，

就有可能確定地球、太陽系和銀河系的年齡。

通過這些研究我們發(fā)現(xiàn)，太陽系的年齡為46億年,

而銀河系的年齡大約為150億年。

116

宇宙為什么是個這樣子的？

有三種可能的回答。

117

第一種回答，把問題轉(zhuǎn)換成"怎么樣”的功能性問題，

就是用科學(xué)來回答這個問題。

比如"原子是怎樣起作用的？"，

而且這是科學(xué)上常用的回答方式：

用功能性問題替代存在性問題。

118

第二種回答即神擇原理：

宇宙的設(shè)計是上帝決定的，

它保證了這種設(shè)計適于生命的存在。

119

第三種回答即人存原理：

事物之所以這樣,是因為我們存在。

宇宙設(shè)計是由我們的存在決定的；

如果宇宙的設(shè)計不同于此，

我們也不會在這兒討論這個問題了。

120

按照人存原理，

地球上所有其他的生物也都可以證明了宇宙是精心調(diào)節(jié)的。

野花不會開放在別的宇宙中。

給定一朵野花，也就給定了我們的宇宙。

這樣就變成了花存原理。

121

為什么物理常量如此諧調(diào)？

是故意的還是偶然的？

或者還存在尚未發(fā)現(xiàn)的理論，能解釋為什么物理常數(shù)一定是我們觀測到的值？

122

基本物理常數(shù)可能是被故意設(shè)成與生命存在相諧調(diào)的數(shù)值的（神擇原理），

也可能是偶然與生命存在相諧調(diào)的（人存原理）。

123

自然規(guī)律是那些我們據(jù)以感知宇宙和諧與秩序的規(guī)則。

這些規(guī)律常常表述成數(shù)學(xué)公式，模擬人類思想所認識的世界結(jié)構(gòu)。

我們一直相信它們，直到它們與觀測資料相抵觸，之后我們會修正或拋棄這些公式。

現(xiàn)在已知的規(guī)律與過去的不同，未來的規(guī)律也一定與現(xiàn)在的不同。

124

最大尺度上的事物的性質(zhì)決定了最小尺度上的事物的性質(zhì)，

反之亦然，微觀世界映出了宏觀世界。

也是說：

宇宙=所有粒子的總和

宇宙=粒子

每個粒子從某種意義說都展現(xiàn)了宇宙的一個側(cè)面，而不只是宇宙的一小部分。

所以所有電子展現(xiàn)的都是宇宙的同一個側(cè)面。

125

物理宇宙在解釋各種事物的原理時十分成功，

我們用它來控制周圍的環(huán)境時也成就斐然。

但它無法解釋像意識和自我意識之類的精神的東西。

一個不斷追問生命和思想位于何處的人，

會像患有怪病的人被不斷從一位專家轉(zhuǎn)送給另一位專家診療一樣,

被不斷地從一門科學(xué)轉(zhuǎn)介給另一門科學(xué)。

126

生物學(xué)家們會說生命和思想是數(shù)十億個細胞組成的精密物質(zhì)系統(tǒng)的表現(xiàn)形式，

而每一個細胞又是由數(shù)十億個原子構(gòu)成的。

如果這個答案還不能滿足追問者，生物學(xué)家很可能會推薦去拜訪一位心理學(xué)家。

任何兩位心理學(xué)家都不會給出相同的答案，

有的心理學(xué)家會跟他談?wù)撍枷氲木襁^程，

有的會談?wù)摯竽X的神經(jīng)過程，

還有的會承認自己對物理世界知之甚少，

建議他去拜訪T立鉆研很深入的物理學(xué)家。

127

但物理學(xué)家會認為這不是一個問題（非物質(zhì)的東西不存在），

或者會建議他拜訪宇宙學(xué)家。

最終，絕望的追問者可能會考慮咨詢宇宙學(xué)家。

宇宙學(xué)家（至少一部分）會承認他們連答案的模糊概念都沒有。

但他們知道萌生于人類思想沃土的宇宙不斷地變來變?nèi)?

并懷疑思想的產(chǎn)物能否充分解釋思想。

128

就是說意識和精神是思想，

用來解釋意識和精神的這個解釋也是思想，

最后就是只能用思想來解釋思想，

用來解釋意識和精神的這個解釋的思想也需要用別的思想來解釋，

這個別的思想還要用另外一個別的思想來解釋，

解釋到最后，總是有一個思想需要別的思想來解釋。

129

我們知道，空氣的波動——聲波，是在大氣介質(zhì)中傳播的。

但是，虛空的波動——光波，是如何在真空中傳播的呢？

為了回答這個問題，物理學(xué)家們讓宇宙充滿了稀疏的光以太，

光和其他電磁波都可以在以太里面?zhèn)鞑ァ?/p>

如今，我們認為光波是在電磁場中傳播的，以太也就沒有存在的必要了。

130

我們自認為懂得空間是什么：它是我們周圍的東西，向四面八方延展，

各種物體明明白白地分布于其中，它的跨度表現(xiàn)為距離,

測量的標準是米尺之類的可以直接觀察的東西，以米和其他類似的單位為單位。

131

時間就沒有這么簡單了，因為我們無法客觀地觀察分布于其中的物體，

而且我們的五官也不能直接觀察像秒這樣的時間間隔。

看起來我們是主觀地體驗時間間隔的，而不能直接客觀地觀測它。

132

我們腦海中留下的印象就是我們有兩種不同的體驗：

一種是由分布于空間的各種各樣的客觀物體（樹木、云朵和山巒等）組成的；

另一種是由延續(xù)于時間的五彩紛呈的主觀事物（感覺、情感和思想等）構(gòu)成的。

這兩種截然相反的體驗會以某種方式聚合在一起,

構(gòu)成我們生活于其中的客觀世界和我們?yōu)槠浣⒗碚摰奈锢硎澜纭?/p>

133

時間的本質(zhì)是一個復(fù)雜的題目，它引起了無止無休的哲學(xué)爭辯，

奧古斯丁的話拷問著我們：

"什么是時間？如果沒人問我，我知道它是什么。

但如果我想向問我的人解釋它是什么，我又不知道了。"

134

我們?nèi)祟愺w驗的時間與科學(xué)上所用的時間大不相同。

科學(xué)把我們體驗的時間簡化成與豪斯道夫公理相符合的連續(xù)一維空間。

如果物理時間不具備我們所體驗的時間的一些特征，我們也不必太驚訝。

被忽略的都是那些通常被認為是心理學(xué)或形而上學(xué)上的特征。

135

物理學(xué)把握了時間才各日常生活賦予它的很多特征剝離掉，并把它塑造成類似于空間的東西。

我們的物理世界已經(jīng)變成了四維連續(xù)空間，

它可以分解為三維空間和從過去延展至未來的一維時間。

136

不平靜的世界在不斷變化著。

事物在空間中每一時刻都有一種分布，稍后又變成另一種分布。

辛頓發(fā)起一場革命，改變了我們對周圍世界的理解。

時間具有一維空間的性質(zhì)，過去、現(xiàn)在、將來發(fā)生的事件構(gòu)成一個連續(xù)序列，

很像空間中一根直線上的點。

137

時空就是時間與空間的簡略集合名詞（時間+空間）。

時空圖上的一點就代表一事件，比如螢火蟲的閃光或眼簾的眨動，

且意思是指在某一時刻發(fā)生于空間中某一點的事件。

一條線-稱作世界線-代表在時間上延續(xù)，且在每一時刻都占據(jù)空間中某一位置的事物，

比如一塊石頭或一個原子。

138

下圖重現(xiàn)了1887年辛頓繪制的在空間中沿圓周運動的一粒子的世界線。

139

極為重要的事實是，如果在"時空”中表示，

任何事物都不會改變。沒有什么已發(fā)生、正在發(fā)生或?qū)l(fā)生！

我們已經(jīng)馴服了這個不平靜的世界，將它以一種凍結(jié)狀態(tài)陳列于時空。

任何事物，它的過去、現(xiàn)在、將來，都展現(xiàn)在這個無時態(tài)的世界。

任何事物在時空圖中都不會改變或運動，是因為用過一次的時間不能再用第二次。

140

時間和空間的四維世界是一個靜止不變的世界。

提起它時，我們必須記住它所有的區(qū)域都處于同一時態(tài)。

在一個沒有時態(tài)的世界里，不能說某件事已經(jīng)發(fā)生，

某件事正在發(fā)生,某件事》等要發(fā)生，因為所有的一切都齊集在當前。

也不能說物體沿世界線從過去向?qū)磉\動，因為物體在它的世界線上處處存在。

我們必須/找心自己的嘴，牢記時間是四維世界的一部分，不能再用了。

如果我們犯了錯誤，說一粒子沿其世界線運動，

我們會面臨粒子以什么速度在時間中運動的問題。

這就逼迫我們調(diào)用另一個時間，并且在已經(jīng)承認了在時間中運動的可能性之后，

必須確定粒子在第二個時間中運動的速度。

在時間中的運動引出了時間維的一個無窮系列。

認識到時空不存在任何物理改變，我們也就避開了這種荒謬。

141

時間箭頭

世界線自身并不具備指向未來的箭頭。

在時空圖上，很難看出有什么決定過去和未來的東西。

把一幅時空圖上下顛倒后，圖上鮮有能阻止我們把新的頂部看成未來,

把新的底部看成過去的東西，或者說根本沒有（如下圖）。

圖a和圖b是同一幅時空圖，只不過上下顛倒了，

過去和未來交換了，在時空圖上，

是不能區(qū)別過去和未來的。

142

過去和未來只是一種標簽，通常沒有內(nèi)在的時空含義。

然而，時間翻轉(zhuǎn)的宇宙完全是另外一番景象：

生命從墳?zāi)归_始，終結(jié)于搖籃，冷物體會變熱，

蠟燭和恒星吸收輻射，任何事物都處于前后顛倒的狀態(tài)。

這種時間翻轉(zhuǎn)的世界里應(yīng)該不存在生命，因此被人存原理排除了。

143

大部分物理基本定律都無法區(qū)分過去和未來，而且不隨時間翻轉(zhuǎn)而變化。

物體的運動方程，以及很多微觀物理的定律，在時間上都是可逆的。

時空圖上下顛倒，過去和未來的標簽被交換之后，它們?nèi)匀槐３植蛔儭?/p>

因此，兩粒子碰到一起，相互作用之后又分開；

在時間翻轉(zhuǎn)后的圖景中，發(fā)生的事仍然相同：

兩粒子碰到一起，相互作用之后又分開。

如果用圖像顯示，它們的運動和相互作用在時間上是可逆的。

我們的物理方程，跟我們的時空圖像一樣，

使用的是一種自身不具備方向的時間。

甚至光傳播的方程在時間上也是可逆的。

根據(jù)經(jīng)驗，被吸收的光線都來自過去，

而發(fā)射出去的光線都奔向未來。

144

當時空圖上下反轉(zhuǎn)，過去和未來的被重新標定后，

光線就會來自未來而奔向過去，與我們的日常經(jīng)驗相反。

電磁理論并沒有禁止這種奇怪情形的出現(xiàn)，

而時空圖上也沒有什么東西會說光線一定要向未來傳播。

145

熱力學(xué)第一定律講的是動態(tài)系統(tǒng)中熱量以及其他形式能量的守恒。

熱力學(xué)第二定律講的是熱力學(xué)系統(tǒng)在時間上的不可逆。

熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū)這一過程實際上是不可逆的，

因為相反的過程會導(dǎo)致熔的減少。

146

沒有哪個科學(xué)家會夢想違反備受推崇的熱力學(xué)第二定律,

說熱量可以從低溫區(qū)流向高溫區(qū)的。

我桌子上的一杯咖啡，時間上越往后就會越?jīng)觯?/p>

而越往前就會越熱，在這個過程中燧是增加的。

雖然總能量不變，但可利用的能量變少了，這是燧增加的另一種說法。

如果情況不是這樣,則你我都不會存在。

147

支配咖啡和周圍環(huán)境的熱力學(xué)定律在時間上是不可逆的中，

然而，支配構(gòu)成咖啡和周圍環(huán)境的單個粒子的行為的定律在時間上卻是可逆的。

如果單個粒子微觀運動和行為的方程中的時間方向反轉(zhuǎn)，熱量仍然從高溫區(qū)流向低溫區(qū)。

眾多粒子的集體行為看起來就像時間的箭頭，而單個粒子的行為卻不具備時間方向性。

148

孤立的單個粒子的運動不受時間反轉(zhuǎn)的影響，

但它們的集體行為活動，從高溫世界線到低溫世界線的分布，

卻受熱力學(xué)第二定律的支配，在時間上是不可逆的。

單粒子在時間上可逆，但粒子系統(tǒng)卻不可逆。

149

這就像把一幅畫掛在墻上。

如果盯住墻上單個的色塊，你永遠都不會知道應(yīng)該把畫掛在哪兒；

你必須退后，觀察大面積的色塊來決定應(yīng)該怎樣掛圖畫。

150

宇宙是由無數(shù)多粒子系統(tǒng)構(gòu)成的（比如生物體、行星、恒星、星系），

而大部分的科學(xué)家相信時間的方向部分或完全由這些多粒子系統(tǒng)的集體統(tǒng)計X亍為所決定。

隨著時間的推移，這些系統(tǒng)有組織的能量會變得紊亂并消散掉，而它們有序的狀態(tài)也會變得

無序。

151

等到數(shù)萬億年之后，所有的恒星都已經(jīng)死亡，

所有的系統(tǒng)都達到了最低能態(tài)時，就很難確定時間的方向了。

在我們的宇宙中，物質(zhì)都以恒星和星系等形態(tài)不規(guī)則地分布著，

能量不斷地轉(zhuǎn)向可用性更低的分散狀態(tài)，提供了時間的宇宙箭頭。

152

公理法是從一組自洽命題（稱作公設(shè)或公理）出發(fā)，來考察它們之間的邏輯關(guān)系。

其中，那些自洽命題常常是最簡單、最明顯的事實。

153

假設(shè)我們想說服某人命題S是正確的。

我們應(yīng)該證明，這個命題可以從此人已接受的另一個命題R出發(fā)經(jīng)邏輯推理得到。

但如果那人并不認為命題R是正確的，那我們就要證明R是從另一個命題Q得到的。

一直這樣下去，直到最終達到一個大家接受的不需要進一步邏輯證明、顯然成立的命題A。

這個最基本的命題A就叫做公理。

154

有時候這樣的命題還存有疑問，那它有個更合適的名字叫公設(shè)，基礎(chǔ)建立在自己的邏輯結(jié)論

之上。

歐幾里得在他的教科書《幾何原本》中系統(tǒng)地記錄了幾何學(xué)自泰勒斯時代以來的發(fā)展。

歐幾里得從五個基本公理出發(fā)，輔以部分定義，推導(dǎo)出了被稱為幾何學(xué)的465個定理。

155

我們最感興趣的公理是歐幾里得的平行公設(shè)，直到19世紀它還在引起種種爭議。

此公設(shè)聲稱通過一點，只存在一條與已知直線平行的直線。

而平行是這樣定義的：同一平面內(nèi)的兩條不相交的直線相互平行。

156

如果把平面幾何問題，試著都放在球面上或者曲率不為零的面上考慮就不一樣了。

三種一致空間由以下公設(shè)區(qū)分(如下圖)：

(1)在雙曲空間里，過一點有很多條直線平行于已知直線。

(2)在歐氏空間里，過一點只有一條直線平行于已知直線。

(3)在球面空間里，過一點不存在平行于已知直線的直線。

157

狹義相對論由愛因斯坦這位天才于1905年提出的。

它經(jīng)受了無數(shù)次的檢驗，現(xiàn)在物理學(xué)家經(jīng)常用到它。

我們發(fā)現(xiàn)這一理論同它首次出場時一樣令人驚奇不已。

相對論要求我們拋棄時間與空間間隔對于每個人都是相同的這一信念。

我們把這兩個舊不變量換成了兩個新不變量。

158

牛頓學(xué)說的空間與時間是所有觀察者的公共財富。

它把各個事件隔離開來的空間間隔和時間間隔都是絕對的，對每個人都是相同的。

一個人在果園里看到一只蘋果從樹上掉下來，一秒鐘內(nèi)下落了5米。

相對于這棵樹運動的另一個人也會看到蘋果在一秒鐘內(nèi)下落了5米，

不管這個人運動的速度有多快。現(xiàn)在不再是這樣的了。

具有空間與時間間隔固定不變的觀念的舊牛頓宇宙，不再是我們居于其中的宇宙了。

159

光以速度c傳播，c又是高能粒子速度的極限，這個事實本身并不十分令人驚訝。

令人驚訝的是，速度c對所有觀察者，甚至對高速反向運動的觀察者來說都是恒定的。

比方說，一物體以等于光速一半的速度從我們身邊經(jīng)過，

光線相對于這個物體的傳播速度與相對于我們的傳播速度是相同的。

即使物體以0.9c,0.99c,或0.999c的速度運動,

光線相對于它的傳播速度都是一樣的，均為c=300000km/s。

160

構(gòu)成宇宙的是時空，而不只是時間和空間。

時空由三個基本要素組成：點（事件）、線（世界線）以及類光測地線（光線）。

如圖所示

161

瞬間發(fā)生的是事件，由時空圖中的一點來表示。

像觀察者這樣持續(xù)存在的事物，是從過去延伸至未來的世界線。

觀察者接收到的光信號來自過去，發(fā)射出去的光信號駛向未來。

如圖

162

光信號沿觀察者的光錐表面到來、離開，每秒鐘的傳播距離為一光秒。

時空的每一點有自己的過去光錐和未來光錐，且這些光錐都是相同的。

過去光錐在空間向外延伸，在時間向后延伸；未來光推在空間向外延伸，在時間向前延伸。

無論世界線如何傾斜，每個觀察者在世界線每一點上都有光錐，目所有光錐都相同。

163

所有信息都是以小于或等于光速的速度達到觀察者的。

例如，聲波攜帶的信息的傳播速度就遠小于光速。

所以，觀察者所觀測到的事件一定位于他的過去光錐內(nèi)部或表面。

受觀察者影響的事件也一定位于未來光推內(nèi)部或表面。

164

時空的幾何特性與一張紙并不相同，通常兩事件之間的最短距離并不是直線。

我們已經(jīng)習(xí)慣于兩點之間的最短距離為直線的觀點了。

這在普通空間是正確的，但在時空卻并非這樣。

為明白這一點，我們考慮光線沿其表面?zhèn)鞑サ墓忮F。

1秒鐘時間里光在空間中傳播的距離為1光秒。

對一束光線來說這意味著：

時間間隔=空間間隔

165

假如1000光年遠處的一顆恒星。

恒星發(fā)出的光線向我們飛來,

1000年后穿過廣闊的空間到達我們的眼睛。

沒人可以否認光線已經(jīng)穿過了廣闊的時間和空間間隔。

然而眼睛和恒星之間的時空間隔卻是零！

沿過去光錐表面向我們發(fā)射信號的所有事件，

和接收我們沿未來光錐表面發(fā)出的信號的所有事件，

到我們的時空距離總為零。

這一點可能顯得很奇怪，

但它解釋了光速為什么是恒定的，

而且成了所有物質(zhì)運動速度的上限。

166

我們無法分辨引力和慣性力所產(chǎn)生的效果-這就是等效原理。

舉個例子：

假如在外太空的一間實驗室。

這個沒有窗戶的實驗室受一外力，比如火箭推力的作用。

現(xiàn)在實驗室里所有的東西都受到了加速產(chǎn)生的慣性力作用。

實驗員可以利用普通鐘擺這樣的裝置來測量加速度。

調(diào)整火箭的推力，使加速度等于地面的值g,因此速度每秒鐘會增大9.8m/s。

現(xiàn)在作用在實驗員及其儀器上的力的大小，和地面靜止實驗室里實驗員及其儀器所受的力相

等。

按照等效原理，實驗員無論利用何種儀器都無法確定實驗室是在空間中加速運動，還是在地

面處于靜止狀態(tài)。

一種情況下力為慣性力，另一種情況下力為引力，而實驗員無法區(qū)分這二者。

167

但我們已經(jīng)看到，實驗員無法確認自己的實驗室是處于慣性運動狀態(tài)，還是處于自由落體狀

態(tài)。

因此，實驗員完全可以在自由落體系統(tǒng)里運用狹義相對論來解釋他們的實驗結(jié)果。

慣性系統(tǒng)和自由落體系統(tǒng)里的自然規(guī)律相同，且狹義相對論在兩種環(huán)境下都適用。

168

愛因斯坦形式的等效原理說的是慣性系統(tǒng)和自由落體系統(tǒng)完全等效。

在慣性實驗室和自由落體實驗室里，任何實驗都不能區(qū)分慣性運動和自由落體運動。

愛因斯坦等效原理聲稱自由落體實驗室的加速度完全抵消了引力作用，

不止像弱等效原理那樣是動力學(xué)的抵消，

而且在任何科學(xué)分支的任何可能的物質(zhì)實驗中都抵消了引力作用。

因此，不只是牛頓力學(xué)，狹義相對論也可以用于自由落體系統(tǒng)和慣性系統(tǒng),

而這正是現(xiàn)代的或強形式的等效原理的本質(zhì)。

169

彎曲面類似于引力。

如果說等效原理是通向廣義相對論的第一塊墊腳石，

那么第二塊墊腳石就是對幾何和引力具有諸多共性的認識。

為形象說明幾何彎曲和引的相似，我們考慮一塊巨大的橡膠膜，

且開始時膜是平坦的。膜的曲率處處為零，就像遠離恒星的平直時空，

那兒的引力實際上為零，而且有一個以恒定速度慣性運動的實驗室。

如果我們在膜上滾動一顆小球，如一顆滾珠，它將以恒定的速度作慣性運動（不考慮摩擦）.

滾珠以恒定速沿直線運動，就像遠離恒星的自由運動的實驗室一樣。

170

現(xiàn)在我們在膜的中心放一只重球，它將壓出一個大坑。

遠離中心處的膜面幾乎還是平的，此處滾珠的運動軌跡幾乎是筆直的。

這情形類似于遠離恒星的幾乎平坦的時空。

靠近中心的地方，曲面曲率很大，滾珠會被加速，運動形式類似于叵星附近的物體。

通過改變滾珠的初始速度，我們可以讓它圍繞著中心物體沿橢圓、拋物和雙曲軌道運動。

滾珠的運動類似于自由落體實驗室，而曲面的曲率起著引力的作用。

在曲面曲率為零的地方和遠離恒星、引力實際上為零的地方，滾珠和實驗室都作慣性運動；

而在曲率不為零的地方和存在引力的地方，滾珠和實驗室具有類似的彎曲運動軌道。

慣性運動物體具有恒定速度，在狹義相對論的閔可夫斯基時空中的世界線是直線。

而在同樣的時空中作自由落體運動的物體的世界線是彎曲的。

171

所有自由下落的物體的世界線實際上都是直線，跟不受引力作用的慣性運動物體一樣。

這就意味著放棄平直時空，而尋找一種引力會改變時空幾何結(jié)構(gòu)的理論，

而這種改變使作自由下落的物體具有直的世界線。

這個理論會把我們從平直時空中的彎曲世界線的老式牛頓圖景，

帶向彎曲空間中的直世界線（稱為測地線）的新圖景。

172

愛因斯坦的廣義相對論方程告訴我們時空曲率受物質(zhì)的影響。

換種說法就是，時空的應(yīng)變（形變）與物質(zhì)帶來的應(yīng)力有關(guān)。

把方程以最簡單的形式表示出來就是：

時空曲率=常數(shù)X物質(zhì)

173

這個數(shù)學(xué)方程分解成十個獨立的方程，已經(jīng)找到的精確解并不很多。

我們對愛因斯坦方程的理解就是它意味著彎曲是與引力等價的。

方程右邊的“物質(zhì)"包含具有質(zhì)量的所有形式的能量（包括壓力）。

當曲率很?。ㄒ虼艘苋酰热缣栂抵校r，

愛因斯坦方程就簡化為狹義相對論，而當速度也很小時，

愛因斯坦方程就會進一步簡化，變成牛頓的引力和運動定律。

174

引力以光速傳播

牛頓宇宙里的引力是以無限大的速度傳播的，

一顆恒星或別的物體產(chǎn)生的引力場立刻就充滿了整個空間。

但在愛因斯坦的宇宙里，引力——更確切說是時空彎曲一是以光速傳播的。

愛因斯坦方程實際上是一個波動方程，描述的是時空彎曲的產(chǎn)生和傳播。

175

太陽在銀河系里自由運動，地球圍繞著太陽自由運動，

然而地面上的我們并不是在地球的引力場中自由下落。

這并不意味著地面上的我們不能使用愛因斯坦方程。

有的數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家就一直在使用它。他們所做的很簡單。

當要解釋從地面觀察的情況時，他們就想象自已位于一個自由落體系統(tǒng)中，

并能用愛因斯坦方程計算出像地面這種非自由落體狀態(tài)所必需的修正。

176

時空具備了自己的物理實體。

盡管它的幾何特征受物質(zhì)的影響，且運動由幾何特征控制，

時空的性質(zhì)和存在卻并不取決于物質(zhì)的存在。

時空可以脫離物質(zhì)而存在，慣性力可以存在于只含有一個物體的宇宙中。

時空是真實存在的，它具有自己的物理特征。

177

恒星為發(fā)光的氣體球，向內(nèi)的引力和向外的壓力處于平衡狀態(tài)。

高溫內(nèi)核釋放的核能從低溫表面輻射出去，而這種低溫輻射給行星上的生命提供了化學(xué)成分。

但是對每顆恒星來說，清算總賬的那一天總會到來。

內(nèi)核的氫燃燒殆盡后，恒星就轉(zhuǎn)入死亡進程。

不知疲憊的引力會把內(nèi)核擠壓成高密度、高溫度的狀態(tài)，

結(jié)果外層區(qū)域膨脹，恒星變成一顆紅巨星。

像太陽這樣的恒星會演化成一顆白矮星，它大部分的物質(zhì)會被壓進像地球大小的球體中。

很多恒星都以白矮星的形式終結(jié)生命，

內(nèi)部由（普通金屬那樣的）電子波的壓力抵抗引力，支撐星體，慢慢冷卻。

178

質(zhì)量更大的恒星不會這么輕易就結(jié)束游戲的。

這些恒星內(nèi)的引力更強，它們內(nèi)核會持續(xù)擠壓成更高密度、更高溫度的狀態(tài)，

因此它們能消耗掉最后的核能儲存。

它們會變成明亮的巨星，以很高的速度浪費能量。

很快它們就會版核能儲存。

剩下的只有引力能，它們要付出繼續(xù)坍縮的致命代價。

179

在最終的陣痛中，內(nèi)核向內(nèi)涌去，外層向外爆發(fā)，

這些恒星會在短暫的迷人時刻里變成耀眼的超新星。

在這場爆發(fā)中誕生的是中子星，表現(xiàn)為高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星。

如果我們在一顆大質(zhì)量恒星的爆聚核的最后時刻跟著它觀察，

將看到恒星內(nèi)核的密度會在十萬分之幾秒內(nèi)變得無窮大。

它變成一個奇點，某些方面類似我們還知之甚少的極早期宇宙。

根據(jù)某些理論，這種奇態(tài)的密度為10A94g/cm3,

即水密度的10000000000000000000000000000000000000

000000000000000000000000000000000000000000000000000000000

倍。

180

在這種極端狀態(tài)下留存的粒子可能只有時空的基本量子。

時空自身可能只是一種密實的泡沫，時間和空間糾纏于其中，不可分割，

而整齊有序的類時事件序列則消失不見了。

但對外面世界的遙遠的觀察者來說，坍縮的恒星永遠也到達不了奇態(tài)。

引力紅移會不斷增加，恒星的坍縮看起來也越來越慢。

當恒星半徑達到史瓦西半徑時，紅移趨于無窮大。

恒星會迅速變紅，變暗成黑色，并永遠停留在臨界大小，永遠凍結(jié)在自由坍縮的狀態(tài)。

（根據(jù)經(jīng)典理論）任何事物，包括光，現(xiàn)在都不能逃至外部世界。

在坍縮恒星內(nèi)部看來，厄運轉(zhuǎn)瞬即至。然而在遠處的觀察者看來，

恒星成了一顆黑洞，時間靜止在那里，引力坍縮的命運永遠消失在視線之外。

181

根據(jù)廣義相對論，時空因物質(zhì)而彎曲，而曲率是引力強度的度量。

當質(zhì)量恒定的物體收縮時，它表面的引力會增強，時空的曲率會增大。

達到被稱為史瓦西半徑的臨界值時，時空已經(jīng)彎曲到完全包住了物體。

物體變成一顆陷在時空中的黑洞,任何事物，包括光，者杯能離開它逃到外部世界去。

一張展開的橡膠膜會幫助我們理解所發(fā)生的情況。

我們設(shè)想一質(zhì)量恒定的球位于膜上，并假設(shè)球在慢慢收縮。

182

留心看球在橡膠膜上收縮，

我們就會注意到橡膠膜會在中心區(qū)域下陷、彎曲。

最終，當假想的球很小很致密時，橡膠膜就會把球包裹起來，只留有一條窄細的連通管。

這只球并沒有被完全孤立是因為連通管把它和橡膠膜的其他部分連起來了；

黑洞也不是完全孤立的，因為它與外部世界也是連接著的。

183

如圖，在重球壓力的作用下，橡膠膜中心下陷。

這只質(zhì)量恒定的球在慢慢收縮。

如圖所示，當球收縮至很小時，橡膠膜就會包住它，并形成一只連通管。

這類似于廣義相對論空間的彎曲變形。

離球一定距離的橡膠膜的下陷量由球的質(zhì)量決定，

因為球的質(zhì)量是恒定的，球收縮時橡膠膜的曲率保持不變。

這種效應(yīng)類似于廣義相對論。

質(zhì)量恒定的球體收縮時，一定距離外的引力場（或者說空間曲率）保持不變。

遠處空間的曲率保持不變，因此沒有引力擾動從收縮的球向遠處傳播。

184

黑洞誕生之后，會靠吸積長成像一個"大人國"，

它的生長過程只有當周圍的物質(zhì)來源全部耗盡之后才會停止。

在富集恒星和氣云的巨型星系核，這種可能出現(xiàn)的情況還是很駭人的。

黑洞會吞食被潮汐力撕裂的恒星的氣體殘骸，甚至還會彼此吞食。

它們會生長成質(zhì)量相當于太陽質(zhì)量的數(shù)千倍、數(shù)百萬倍甚至數(shù)十億倍的超大黑洞。

在被拖進黑洞的過程中，氣體會被擠壓和加熱，從而會輻射出能量。

輻射能量占被吸積氣體質(zhì)量的比例可能高達40%。

這種質(zhì)量轉(zhuǎn)換成能量的效率比核反應(yīng)中1%的效率高多了。

185

質(zhì)量為太陽質(zhì)量數(shù)億倍的超大黑洞，

可能在數(shù)億年的時間里于巨型星系核中生成,

在生長的過長中會不斷以很高的速度釋放能量。

關(guān)于類星體最"暢銷”的理論就是，類星體是生長中的超大黑洞，

而且強大的射電源也有可能是由超大黑洞釋放的能量驅(qū)動的。

當黑洞的潮汐力比把天體物質(zhì)束縛在一起的引力還強時，

就會把行星、恒星之類的天體撕裂開來。

186

有一種觀點認為黑洞是子宇宙的誕生地。

黑洞奇點很可能具有與極早期宇宙泡沫相同的本質(zhì)特性。

這種觀點認為每顆黑洞都坍縮成一個奇點,

奇點之后又膨脹成一個新宇宙，或者說子宇宙。

子宇宙里的黑洞又生出新的子宇宙，這些宇宙又生出更多的宇宙，如此等等。

187

黑洞為什么會輻射？

真空并沒有我們想象的那么"空"。

真空實際上是充滿著各種虛粒子的海洋，

每種虛粒子存在的時間都很短。

根據(jù)不確定性原理，能量總可以借來，但必須在限定時間內(nèi)歸還。

借來的能量越多，歸還的期限就越短，

比如，產(chǎn)生一正一負兩個電子所借的能量必須在10A-21秒內(nèi)歸還，

而產(chǎn)生兩個核子,期限為10-24秒。

188

整個空間充滿了虛粒子，它們在不斷借得能量后閃現(xiàn)，又不斷在能量歸還后消失。

所有這些虛粒子一起導(dǎo)致了原子結(jié)構(gòu)的許多可觀測的效應(yīng)，

然而它們每一個存在的時間都太短，不足以產(chǎn)生