《极简宇宙史》读书笔记

《极简宇宙史》读书笔记

本书的作者是克里斯托弗·加尔法德，剑桥大学理论物理学博士，史蒂芬·霍金的亲传弟子，于2000—2006年师从霍金，从事有关黑洞信息悖论的研究。与史蒂芬·霍金及其女儿合著有儿童文学作品《乔治开启宇宙的秘密钥匙》，在全球45个国家出版发行。目前，加尔法德主要致力于向公众传播现代科学知识，并长期做客法国电视台和广播节目。

本书的主要内容是我们的存在的确让太阳系与众不同。夏夜，你躺在沙滩上，仰望夜空。一颗小小的流星安静滑过，还来不及许愿，不可思议的事情发生了：你一下子穿越五十亿年，走进时光的旅行……

作者带领我们踏上一场关于宇宙的过去、现在和未来的惊奇之旅。不需要图表和方程式，只需凭着奇诡的想象，我们就可走向衰亡的太阳表面，飞越遥远的星系，感受来自黑洞的死亡魅力……你可以轻松读懂时至今日的宇宙神奇，继续探究关于上帝的存在、时间的起源以及人类的未来。

作者首先以地球为中心，一层一层的向外辐射，直至人类目前能到达的宇宙最远处。地球之外，离我们最近的就是那颗不辞辛苦的绕着我们转的月球，月球有两面，见不到太阳的那面为黑暗面，没有蓝天、没有风，是因为月亮上没有大气层。月球是如何产生的呢？追溯到几亿年前，一次小行星碰撞到地球之后，扯下来了一块巨型物质，经过时间的雕磨，成了现在的月球。在往外看去，我们看到的是一颗红且大的太阳，太阳内部一直在发生着剧烈的热核聚变，遵循着爱因斯坦著名的方程式E=mc2，巨大的质量在慢慢转化为能量。也正因为这个反应的存在，太阳的表面充斥着强大能量的等离子气体。

紧接着视角转到了太阳内部——日核，有基本原子构成。在太阳的周围，有八大行星，加上小行星带围绕着太阳不停歇的转着，依次顺序是水星、金星、地球、火星、小行星带、木星、土星、天王星、海王星。在海王星最外层还有一个被称为柯伊伯带的环带，这是我们在地球上所见的慧星产地。其中被降级的冥王星也在其中，冥王星降级为矮行星，还有妊神星、鸟神星。以上所有的在宇宙中看去是一个圆盘，被称为奥尔特云，与太阳一起所有星球一起构成了太阳系。太阳系有个邻居—比邻星，也是另外一颗恒星，红矮星，因其表面红色，但是其体积远小于太阳而得名。另外还有一颗移动最快的天体S2，称为人马座A*，科学家猜想其旁边有个黑洞，才会造成其移动速度之快。所有这些，一起构成了整个银河系。众多的恒星系构成了银河系。银河系的邻居是仙女座系，还有许许多多的星系群、星系团、超星系团，一起构成了我们现在所见的宇宙。

沿着虚空一直向外延伸，直到达最深处，突然遇到一面墙，这面墙你无法穿透，阻碍你，用x光、伽马射线也无法探测的，这个墙被称为临界最后散射面，其与宇宙大爆炸有关。第二章以牛顿的万有引力开场，太阳系中的七大行星都遵循牛顿的万有引力定律，除了水星，这颗特殊的行星无论怎么计算，始终都有微小的误差存在，那么造成这个原因是什么呢？爱因斯坦提出的广义相对论，就回答了这个问题，把宇宙比作一个橡皮膜，行星都在沿着这一个不可见的斜坡滑行。这个理论就解决了水星运行误差的原因，水星每次的公转轨道都是不一样的，与上一次无法完全重合。

接下来讨论了宇宙的三大原则，宇宙第一原则是：在相似条件下，大自然在任何时间与空间都遵循着同样的定律。如果没有这一规则，拿宇宙中很多我们将不可知，不可计算。光具有波粒二象性，既具有波的特征，波长、频率、周期，也具有粒子的特征。光从太阳到地球的时间大约是8分20秒，也就意味着现在你感受到的太阳光是8分20秒之前的太阳所发射出来的光，而非现在。

原子是由原子核和绕其运行的电子构成，然而这种运行机制并不同于宇宙，其区别在于电子的跃迁，能量需要改变，从近处跃迁到远处，电子需要吸收能量；从远处跃迁到近处，电子需要释放能量。只有能量的改变，电子才可以跃迁。运用这种理论，我们可以通过光的粒子性来判断宇宙中天体的距离，通过其呈现的光谱，暗淡的部分被称为吸收线。不过，在观察宇宙中的天体的时候，出现了一个问题，在光谱上所呈现的整体向红色偏移，距离与我们越远，他们的颜色偏移也就越明显。于是提出了一种设想，相互之间的距离在被拉远，星系间的空间在拉伸，宇宙在膨胀，哈勃在提出了，所以也称为哈勃宇宙膨胀定律。好了，现在谈谈宇宙第二原则：假定宇宙中没有一个特别的位置。宇宙第三原则：以在一点的观察者而言，任何方向看上去都是一样的远处的星系总是在远离他所在的观察点，同那些星系远离地球一样。这个理论只适用于一种非常大的尺度、极大的尺度。万物都处于宇宙的中心，整个宇宙在过去比现在小得多，宇宙一直处在膨胀之中。

宇宙中存在四种基本作用力，第一种也是大家广为熟知的是外有引力，密度大的物体永远在密度小的下面，如果你需要摆脱引力的作用的话，需要得到一个最低速度，E=。这个也是爱因斯坦的质能转换方程。此方程式是假想宇宙内，两个星体之间有个曲线和斜坡，也正是这个假想，推断出宇宙中时间和空间的弯曲，爱因斯坦的方程很好的解释了宇宙的这种现象。误差永远都是存在的，而且时间和空间都是不区分大小的。“热大爆炸”理论不发生于宇宙时空中某一个特定的点，而是在宇宙中任何地方，一切地方，在距地球一百三十八亿光年处的最后临近散射面。在这个最后临近散射面，的另一边，在那里是一切的混合，所有的理论将不再适用。一切都将不再常理之中，一切都已经无法描述。在最后临近散射面仍有残余热量，这种辐射被称为宇宙微波背景辐射。这个验证了宇宙诞生于“热大爆炸”。

现在，我们将要面对两种不同的穿越，一种是非常快速的世界，一种是非常微小的世界。钟表的时间并不以相同的速度运行，实际上，时间的流逝取决于物体间的相对速度，而这就是爱因斯坦提出的狭义相对论，当速度达到光速或者速度无限接近于光速的时候，时间会膨胀，物体长度会收缩。高速运动中会发生三种违法常理之事，（高速运动是指接近于光速的速度）:第一、时间的流逝与你在地球上的任何地方都不同；第二、你将变越来越重；第三、距离在你前进的方向上变小了，长度收缩。所以我们永远无法达到光速，因为没有东西是没有质量的，质量的存在会约束速度的增加。

当速度达到近光速的时候，时间将不再遵循地球上的时间规则，时间会膨胀，同时长度也会收缩，质量也会变大。速度越快，质量也会变大、时间的弯曲也会更显著。这就是时间膨胀效应。

所有的物质都是有原子构成，在这里我们将遇到宇宙中第二种基本作用力，电磁力。宇宙中任何两个物体之间，不管他们是不是有磁性，都存在着某些东西，这东西被称为电磁场。里面到处存在着相互作用虚光子可以出现在任何一个时刻。电磁场是一种激流，在这激流中会有光珠出现，但是你不能看到，转瞬即逝，称他为虚光珠。自然中只存在两种电磁荷，正电荷和负电荷，会让他们互相吸引或者排斥，虚拟光珠排斥同种电荷，吸引异种电荷。电磁场都弥漫在整个宇宙之中，又在带有电荷的物体周围及其之间变得活跃的不可见的迷雾，并非真实。

原子由原子核和电子构成，电子按其一定的轨道绕着原子核永不停息地运动着。然而电子跨越轨道运行，这叫做量子跃迁/隧穿，需要能量的转化。能量与时间、位置与速度，在量子世界的场中并不是互相独立概念，电子不由更小的例子组成，无法再切开、打破和分裂。是电磁场的产物，一种表现形式，是一种基本粒子。实光子和电子都是电磁场的基本表现，不由任何其他物质构成。虚拟粒子的作用只是为了携带电磁力，作用于带电荷或电磁的粒子之间。电子和光子相互作用，相互转化，我们所存在的一切都是物质与光的游戏。

接下来介绍了一个非常著名的原理：泡利不相容原理，波状的电子不会相互重叠。两个氢原子和一个氧原子构成了一个分子，在地球上就是水，在外太空就是星云。原子损失电子或者得到电子就会成为离子，离子是带电荷的，总是想和东西在一起，构成分子。咱看看原子核内的构造吧，原子核内有带电荷的质子，质子由三个夸克组成，犹如一座监狱。夸克在强相互作用量子场下的表现，将夸克粘在一起的是胶子。对于夸克来说，自由是越近越好。夸克既属于电磁场，又属于强相互作用场。他们能与两种不同的作用力携带者——光子和胶子相互作用，在短距离中胶子的力量比光子强许多。强相互作用场里有六种不同的夸克，但在原子核中只有六种中的两种，“上夸克”和“下夸克”，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，向上的力就大于向下的力。而中子却相反，中子也是构成原子核的物质之一，但是其不带电，由一个下夸克和两个上夸克组成，电呈中性。两个胶子可以合在一起，变成两个夸克。

宇宙中最后一种基本作用力就是弱核力，可以把这个场看作毁灭的场，将另外两个场建造起来的东西拆除的场。只作用于组成原子核的构件上，比强核力弱很多，弱核力量子场有着属于其自己的基本粒子和作用力携带者，自发的核裂变过程被称为放射性，。W或Z玻色子击中夸克后可以将上夸克变为下夸克，将下夸克变为上夸克，将中子变为质子，中微子是人类想象的最小真实，只受到弱核力和引力影响，对枪相互作用和电磁场完全没有反应。可以射穿我们所知道的所有物质，几乎不被阻挡。放射性很危险，当原子核发生衰变的时候，会分裂出中微子、夸克、电子与光子。两个质子和中子结合在一起成为阿尔法粒子。这就是第一种损害；第二种是高能电子，可以将正常的光子打飞；第三种是高能光子，即伽马射线，放射性具有杀伤力。

电磁力和弱核力是早就存在的另一种作用力，另一种场的两种不同表现。，曾经是统一的“电弱场”。至此我们把视角转到真空，宇宙中所有的粒子都能变成另外的东西。量子微粒是难以捉摸的，当没有关注大自然的时候，一切可能发生的事搜发生了。可能性而非确定性的存在是对于极其微小的世界你不得不接受的客观性质。粒子出现需要从量子场中获得一些能量，因为这些场填满了所有时间与空间，粒子可以在任何空间和时间出现，宇宙在任何地方都不是真正真空。卡西米尔效应证实了真正的空无一物并不存在，我们的世界还存在不同种类的真空，还会产生真空之力。在整个宇宙中，所有的基本粒子，都诞生于同一个背景场中，也会在任何时候被同一个场景所吞噬湮灭：某个量子场的真空。

那么为什么宇宙中存在的是四种基本场呢?”希格斯粒子“的发现，”胶子浓汤理论“可以有效解释我们现在所不能理解的宇宙现象。一个电子从来不会被单独创造。它必须与另一个与它除了电荷之外一模一样的粒子一同被产生。那个所带电荷是正的，被称为“反电子“。当一个电子与反电子相遇时，他们发生湮灭消失不见，他们的质量变回能量，在一瞬间变成光。电子门与他们的相反自己产生于电磁场，当它们相遇湮灭后又变回到电磁场，反粒子就在我们身边，很少，因为每次一个反粒子出现，都只能存在非常短非常短的时间。任何反粒子与它对应的正常粒子遇到时就会立刻湮灭，依照爱因斯坦的E=变成一缕能量与光一起消失。这已经被应用到医学当中，PET就是这种技术。

接下来，我们的视角转换到宏观宇宙中，从宇宙最初的”暴胀场”宇宙暴胀开始。想了解宇宙需要两方面的信息：规则和出事条件。一开始这一切都是压缩在直径10米的球内，温度一直在持续上升最终暴胀。能量聚合，变成夸克，夸克又结合在一起，变成中子。接着围绕在你身边的物质与反物质对变成了光子。中子质子结合在一起形成了原子核，宇宙暴胀，能量密度下降，被密集的粒子浓汤所包围，那锅浓汤是量子场的各种激发态以及他们对应的基本粒子、作用力携带者混合而成。最后形成了我们现在所看到的临界最后散射面。

物理学中有三种谜团第一种是来自理论本身，他们是理论性的；第二种是根植于观察和实验；第三种是谜团出现在没有人能够在理解任何东西的时候。黑洞与时空诞生前的物理学就同属于这三种谜团。有许多黑洞，且星系中心就有一个超级黑洞，黑洞的尺度可以是任何大小，可以是两个极端。正因为有这种可能性存在，所以很多疯狂，没有理智的理论被提出，如多宇宙、平行宇宙、多维空间，和弦理论。

在微小世界的量子规则的后果之一，某事只要可能发生，他就一定会发生。在了解了这么多的宇宙奥秘之后，大家一定关注过“薛定谔的猫“的实验，将一只黑白猫装进一个可以完美封闭的盒子，一旦关上，没有人能够从外面知道里面的情况。另外，还需要找一种放射性材料，这种特殊材料，在你的实验过程中会有50%的机会产生射线。现在实验已经做好，小猫有50%的机会被毒死了，一切取决于放射性衰变。盒子中的猫是生是死，一切都成了迷，只有打开才可以知道情况。那么量子世界的规则是：衰变还是未衰变这一事件直接联系到毒药和猫，只要盒子未被打开，这只猫既没有死去，也没有活着，而是同时存在。我们的宇宙中的一切都是由量子物质构成，因此所有一切都由量子物质构成，因此所有一切都应该被看作是一种可能性同时存在的巨大量子波。

宇宙中存在一种不与光相互作用的物质，无法通过收集光线的望远镜观察到它，他不是普通物质，但与普通物质一样可以让时空弯曲，这种物质就是暗物质。在银河系上方，有两个闪着的天体，他们彼此围绕着转动，非常快，而且不怎么对称。两者中的一个大家伙是红巨星，另一个是白矮星，但是白矮星正在吞噬这颗红巨星，这个过程牵涉到巨大的能量。暗能量能够产生类似反引力的作用力，让物质与能量之间相互排斥而非吸引。时空在它所包含的物体周围弯曲和拉伸，不管那种物体时质量还是其他形式的能量。当弯曲变得越来越厉害时，最初形成这种弯曲的不管什么东西都会被进一步挤压，让那里的密度更高，形成一个恶性循环，直到无情地让时空崩塌，这种崩塌蒙上了无限大多带来的灰尘，这种无限大被称为“奇点”。

黑洞是空洞的极端反面：他们诞生于过小的空间里，却聚集了过多的物质和能量，需要巨大的能量才能创造出黑洞。黑洞所含的物质和能量之多，所产生的时空坡度如此之陡，能让所有不小心离他们太近的东西注定掉入，无法逃脱。无底的黑暗，所有的向上的运动被禁止，量子跃迁，黑洞发生了粒子泄露。有四个原因：一、量子粒子能够从产生它们的场中借到能量；二、所有掉入黑洞地平线的粒子们也没有掉入；三、地平线将空间分成不同的两部分，黑洞内的真空与黑洞外的不一样，因此某种形式的真空作用力——开西米尔效应，应该将地平线向里推，让黑洞变小并蒸发；四、所有黑洞地平线附近都会生成粒子-反粒子对，反粒子掉入黑洞的可能性比粒子大。一个黑洞射出的粒子越多，变得越热，随着变得越热，射出的粒子又会越多，是一个恶性循环，最终导致黑洞不可避免地死亡。

在很久以前，甚至物质、光和其他我们所知道的东西尚未形成之时，在可见宇宙之外，大爆炸之前，存在着一种场，充满了整个宇宙，带着相互排斥和引力相反的作用力。暴胀子是我们给它起的名字。暴胀场非常擅长于将我们可见宇宙的不同部分以非常快的速度相互分开，之后发生了大爆炸，所带来的新的场、粒子和作用力携带者都在正在消退的暴胀场中国产生，而暴胀场正在慢慢沉寂下来，宇宙以正常速度慢慢暴胀，暴胀所产生的物质在八十亿年后足够稀释，带来了极大的效应，它对抗引力的作用引发了宇宙膨胀的加速。气泡宇宙、多重宇宙都是再次基础上提出的理论，以及弦理论亦是如此。

最后我们说一说弦理论吧。量子理论被用于弦上，量子弦在振动，粒子化的，无法确认他的边缘，都以非常非常快的速度运动着。包含着许多种振动，互相叠加堆积。这根闭合的弦含着引力，能释放光子的开放的弦，统一了引力与电磁力。从另一个维度上看到了弦，他们的振动产生了光，以许多不同的方式振动着，振动的方式取决于被隐藏的维度所伸展的不同方向。因为这种情况，存在着第四种宇宙，这种宇宙成为“膜”不同宇宙之间相互作用相互转换，就像弦本身一样变化。好吧，我承认”弦理论”不是很容易理解，我也不过多解释，因为不理解。

最后，本来对宇宙不敢兴趣的我，本书给我带来了一个全新的世界，语言风格也是很容易让人吸收，刚开始会有点看不进，但是随着看书的深入，看的越来越迷，而且同时回顾了很多物理学的知识，可以说是丰富了我的兴趣面。我希望更多人可以看一看，因为把枯燥的物理学写的这么好看，真的很厉害。