时间简史：宇宙的奥秘（上）

我们日复一日的在地球上活着，却对这个世界的一切毫无所知。这是一本解读宇宙的科学巨著，作者霍金运用了大量的科学理论，告诉我们，地球乃至宇宙的形成。

首先，宇宙学是为了什么？科学家们是怎样描述宇宙学问题的？

研究宇宙的目的，是为了满足人类求知的意愿，希望能够发现一个，可以完整描述宇宙的统一理论。

现在，科学家们描述宇宙时，主要按照两个基本原理进行理论：

1.广义相对论：描述引力和宇宙的大尺度，也就是现在人们可观测到的宇宙的尺度，例如一亿亿亿英里。

2.量子力学：处理宇宙极小的尺度，例如万亿分之一英寸。

本书的主题是想要寻找到一个，能将这两个合并在一起的新理论——量子引力论。

这本书是一本科普读物，所以读起来相当晦涩难懂。作为一个宇宙学和物理学小白，花费了很长时间，在网上搜索了各种资料，才明白了书中的一部分知识。

书中围绕着宇宙的膨胀、相对论、黑洞和时空，来推断“宇宙的形成”。现在被科学家们认可的一种说法是：在一百多亿年前，宇宙中的物质和能量聚集到一起，温度高、密度大，瞬间产生了巨大压力，之后发生了大爆炸，大爆炸让物质散落出去，宇宙空间在之后不断膨胀，温度下降，后来逐渐形成了所有星系和生命。

一、我们的宇宙图像

1.宇宙学模型：以地球为中心，外部依次是月球、水星球、金星球、太阳球、火星球、木星球、土星球、固定恒星球，引力使月亮沿着椭圆轨道围绕着地球运行，而地球和其他行星沿着椭圆轨道围绕着太阳公转。

2.宇宙不是静止不动的：宇宙在膨胀或收缩，如果某一区域里的恒星稍微靠近些，它们之间的引力就会增强，超过斥力，就会持续靠近；如果某一区域的恒星稍微远离些，恒星之间的斥力就会驱使它们离的更远。

3.什么是好的科学理论：首先，这个理论必须能准确的描述大量的观测；其次，这个理论能对未来观测的结果做出明确的预言。

二、空间和时间

（一）引力论：

1.牛顿第一定律：力的真正效应是改变物体的速度，而不是仅仅使之运动。

2.牛顿第二定律：物体在受力时，如果力加倍，速度也会加倍。物体的重量越重，则加速越小。

3.牛顿引力定律：任何两个物体都相互吸引，其引力大小与每个物体的重量成正比，重量加倍，之间的引力就加倍；物体之间的距离越远，引力越小。

以上几个定律，只适用于物体低速运动的条件下，当物体以接近光速运动时，就不适用了。

（二）相对论：

1.相对论限制了物体运动的速度：物体需要借助外力和重量才可以实现加速，物体的重量越大，需要借助的外力就越多，而要实现光速，重量就需要变得无限大，这是不可能的。所以，除了光和波，任何物体永远都做不到光速运动。

2. 广义相对论：引力不是力，是四维时空中的质量和能量的弯曲。

a.光线会被引力场折弯；物体实际在沿着四维时空的直线走，在三维空间的我们看来，就是弯曲的路径。

b. 在恒星一样大的物体附近，时间会流逝的更慢。光在行驶的过程中，是需要时间的，光从地球引力往上方行进时，和地球的时间间隔变大，因此在上方看，下方的时间就会变慢。

（三）光速不变原理：无论在何种惯性参照系（做匀速直线运动的物体）中观察，光在真空中的传播速度都是一个常数，都为299792.458公里/秒。

（四）时间和光速：光从太阳到达地球需要8分钟；我们能看到的星光是从几百万年前发出的，最远的是在80亿年前。

（五）测地线：两点之间最近的路径。

三、膨胀的宇宙

1.最近的恒星：叫做比邻星，离我们大约4光年，它发出的光大约4年才能到达地球。

2.我们的星系：一个宽约10万光年的星系，恒星围绕我们的星系转一圈，约花费几亿年。

3.怎样区分恒星种类：观测星光的颜色，不同的恒星有不同的光谱，我们可以从恒星光谱得知它的温度。

4.宇宙膨胀：宇宙是在不断膨胀，每十亿年里膨胀5%～10%。星系越远，它离开地球运动的越快，不同星系之间的距离一直在增加。

5.奇点的推断：在宇宙开始时，没有时间，没有空间，只有绝对真空。真空里面有一个点，构成了奇点，奇点大爆炸生成了宇宙。

6.暗物质：暗物质是理论上提出的，可能存在于宇宙中的一种不可见的物质，它可能是宇宙物质的主要组成部分。

四、不确定性原理

1.量子假设：光波、X射线和其他波不能以任意的频率辐射，而只能以量子的波辐射。每个量子具有确定的能量，波的频率越高，其能量越大。

2.量子力学：是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支，主要研究原子、分子、凝聚态物质，以及原子核和基本粒子的结构、性质的基础理论，它与相对论一起构成现代物理学的理论基础。在现如今，它制约着晶体管和集成电路的行为，也就是电子设备，如电视、计算机的基本元件。

3.分子：由一些原子因轨道上的电子围绕不止一个原子核运动而束缚在一起形成的。

4.氢原子：是氢元素的原子，拥有一个质子和一个电子，是一个简单的二体系统。

五、基本粒子和自然的力

1. 宇宙中的物质组成：由四种基本元素即土、气、火和水，有两种力作用在这些元素上，引力是指土和水往下沉的趋势；浮力是指气和火往上升的倾向。

2.原子核：简称“核”，位于原子的核心部分，由质子和中子两种微粒构成。而质子又是由两个上夸克和一个下夸克组成，中子又是由两个下夸克和一个上夸克组成。

3.粒子：所有粒子都是波，粒子的能量越高，则其对应的波的波长越短。宇宙间所有已知的粒子可以分成两组，自旋为1/2的粒子，它们组成宇宙中的物质；自旋为0、1和2的粒子，它们在物质粒子之间产生力。

4.四种引力：

a.万有引力：每一个粒子都因它的质量或能量而感受到引力，它的引力比其他三种力都弱得多，但是，它能作用到大距离去，而且它总是吸引的。

b.电磁力：它作用于带电荷的粒子（例如电子和夸克）之间，但不和不带电荷的粒子（例如引力子）相互作用，它比引力强得多。

c.弱核力：它负责放射性现象，并只作用于自旋为1/2的所有物质粒子，对光子、引力子等自旋为0、1或2的粒子不起作用。

d.强核力：它将质子和中子的夸克束缚在一起，并将原子核中的质子和中子束缚在一起。