出版時間:2008-4 出版社:南海出版社 作者:【英】斯蒂芬·霍金 頁數(shù):195 譯者:王宇琨
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內容概要
曾有一位哲人說,當一個人意識到自己的局限,就會把注意力投向浩瀚的宇宙和太空。這句話用在斯蒂芬?霍金身上,真是再恰當不過了。這位因疾病而被禁錮在輪椅上長達40多年,全身只有三根手指能夠活動的科學家,卻用驚世駭俗、天馬行空般的想象力,大膽提出了目前最偉大的宇宙學說,解開了許多宇宙之謎,成為了國際物理界的超新星?!稌r間簡史》就是他最富盛名的著作之一。
在《時間簡史》中,霍金對時間本質、宇宙由來作出了權威性的總結,他的理論和構想已經(jīng)成為科學領域的里程碑。本書以《時間簡史》為底本,對霍金的思想和理論進行了系統(tǒng)、全面的解讀,并采用了文字、圖示和表格等多種新穎的手法,以通俗易懂和富有親和力的形式還闡述霍金最令人敬畏的發(fā)現(xiàn)。人類從古至今對時間的探索歷程將在本書中清晰展現(xiàn),這將是一本每個人都可以讀得懂的科普書。
作者簡介
斯蒂芬·威廉·霍金,英國劍橋大學應用數(shù)學及理論物理學系教授,當代最重要的廣義相對論和宇宙論家,是當今享有國際盛譽的偉人之一,被稱為在世的最偉大的科學家,還被稱為“宇宙之王”。70年代他與彭羅斯一起證明了著名的奇性定理,為此他們共同獲得了1988年的沃爾夫物
書籍目錄
編者序:調侃時間
本書閱讀導航
第1章 霍金與《時間簡史》
1.霍金:有史以來最杰出的科學家之一
2.霍金的作品:從《時間簡史》到《大設計》
3.量子宇宙論:霍金講述宇宙的由來
第2章 狹義相對論
1.愛因斯坦:20世紀最偉大的物理學家
2.光速:亙古不變的速度
3.永恒不變:絕對時間與絕對空間
4.絕對空間:一直在找卻沒有找到的空間
5.愛因斯坦之前的解釋:運動中的物體長度會縮小
6.光速不變原理:愛因斯坦的破空之解
7.相對性原理:伽俐略提出的相對論
8.四維:時間與空間的集合
9.何謂同時:同時也是相對的
10.鐘表變慢:光速恒定帶來的奇特現(xiàn)象之一
11.測定值會縮?。汗馑俸愣◣淼钠嫣噩F(xiàn)象之二
12.驗證時間變慢:穿過大氣層的中微子流
13.再度相逢時誰更年輕:雙子吊詭之謎
14.男孩更年輕:雙子吊詭的解答
15.水桶實驗:牛頓尋找的絕對空間
第3章 廣義相對論
1.改寫重力法則:愛因斯坦提出廣義相對論
2.加速度與重力:愛因斯坦將兩個問題合二為一
3.望遠鏡:伽俐略的偉大發(fā)明
4.等價原理:重量不同的物體為什么同時落地
5.光線折射:重力的作用
6.時空的彎曲:時空并非是平坦的
7.時空的漣漪:一種不尋常的漣漪
8.重力透鏡:光線因重力而彎曲的現(xiàn)象
9.疲憊的光芒:光線因重力而變慢
10.黑洞是什么:證明黑洞存在
11.時間凍結:黑洞周圍的時間停止了
12.黑洞里面是什么:奇異點與宇宙檢閱官
13.黑洞的形成:星球重力崩壞的結果
第4章 霍金的宇宙學說
1.愛因斯坦的挑戰(zhàn):對宇宙原理的革命
2.封閉的宇宙:宇宙是有限的
3.銀河漸遠:銀河系在不斷擴大
4.宇宙膨脹:關于宇宙的新思維
5.兩種觀點:恒常宇宙論與膨脹宇宙論
6.宇宙背景輻射:新的發(fā)現(xiàn)
7.高溫:宇宙創(chuàng)始時的狀態(tài)
8.大爆炸:宇宙的起源
9.膨脹的限度:膨脹會永遠持續(xù)嗎
10.兩種空間:封閉空間與開放空間
11.大爆炸的困惑:不能解決的困難
12.通貨式膨脹:宇宙起源的比喻一
第5章 時間之矢
1.時間之矢:時間的單一方向性
2.普遍的物理法則:時間不會從過去流向未來
3.硬幣實驗:過去和未來的區(qū)別
4.時間本質:時間是一種可能性的流逝
5.硬幣試驗的發(fā)現(xiàn):熵增大法則
6.兩種狀態(tài):宏觀狀態(tài)與微觀狀態(tài)
7.玻爾茲曼:深受哲學困擾的物理學家
8.不同的時間之矢:宇宙論的時間之矢
9.意識中的時間:我們如何覺察時間
10.時間指向的標志:熵增大與宇宙創(chuàng)始
11.宇宙創(chuàng)始狀態(tài):宇宙膨脹與收縮
12.生物賴負熵為生:薛定諤與負熵
13.進化的起源:宇宙的起點
14.彭羅斯的假說:用奇異點區(qū)分過去和未來
第6章 時間機器
1.真的可能嗎:神奇的時間機器
2.封閉的時間軸:時間的特質
3.旋轉黑洞:另一種黑洞
4.時光隧道:連接平行宇宙的通道
5.蟲洞:連接時間的隧道
6.使用蟲洞:時光機器的制造原理
7.宇宙繩:宇宙中的繩狀能源群
8.能源的最低狀態(tài):真空的互相轉換
9.缺口:宇宙繩周圍的時空
10.使用宇宙繩:制造時光機器
11.保存歷史:霍金關于歷史保存的假說
12.反粒子:朝過去行走的粒子
13.使用反物質:相對生成與相對消滅
14.終極答案:回答“時光機器可能嗎”
附錄一:我們如何感受時間與空間
附錄二:不可不知的科學家
附錄三:不可不知的物理名詞
章節(jié)摘錄
第1章 霍金與《時間簡史》 1 霍金:有史以來最杰出的科學家之一 霍金的生平是極富有傳奇性和戲劇色彩的。在科學成就上,他是有史以來最杰出的科學家之一。他擔任的職務是劍橋大學有史以來最為崇高的教授職務——盧卡斯數(shù)學教授,那是牛頓和狄拉克擔任過的職務。他同時擁有幾個榮譽學位,還是皇家學會的會員。他因患盧伽雷氏癥(肌萎縮性側索硬化癥),被禁錮在一張輪椅上長達 40多年,但他卻身殘志堅,克服了殘疾之患而成為國際物理界的超新星。他不能書寫,而且口齒不清,但他卻超越了相對論、量子力學、大爆炸等理論而邁入創(chuàng)造宇宙的“幾何之舞”——他的思想出色地遨游到廣袤的時空,解開了許多宇宙之謎。 20世紀70年代,霍金與彭羅斯一道證明了著名的奇異點定理。為此,他們共同獲得了1988年的沃爾夫物理獎。他也因此被譽為繼愛因斯坦之后世界上最著名的科學思想家和最杰出的理論物理學家。此外,他還證明了黑洞的面積定理,即隨著時間的增加而黑洞的表面積不減的定理。1973年,他考慮黑洞附近的量子效應,發(fā)現(xiàn)黑洞會像黑體那樣發(fā)出輻射。并且其輻射的溫度與黑洞質量成反比,這樣黑洞就會因為輻射而逐漸變小直到以爆炸告終。黑洞輻射的發(fā)現(xiàn)具有重大意義—— 將引力、量子力學和熱力學統(tǒng)一在了一起。1974年以后,他將研究方向轉向了量子引力領域。他利用費恩曼的“對歷史求和方法”,自然地處理了時空的非平凡的拓撲效應,開創(chuàng)了引力熱力學。1980年,他的興趣又轉向了量子宇宙學,專門研究宇宙的“無中生有”的初創(chuàng)理論,希望從根本上解決宇宙的第一推動問題。 2 霍金的作品:從《時間簡史》到《果殼中的宇宙》 優(yōu)秀的天文科作品:《時間簡史》 霍金的代表作當推l988年撰寫的《時間簡史》,這是一本優(yōu)秀的天文科普作品。作者想象豐富,構思宏偉瑰麗,語言優(yōu)美,一出版便引起了世人的極大關注。它使人們認識到:在世界之外,未來之變,是如此的神奇和美妙。這本書至今累計發(fā)行量已達2500萬冊,被譯成近40種語言。這本書是一本關于探索時間本質和宇宙最前沿的通俗讀物,是一本當代有關宇宙科學思想最重要的經(jīng)典著作,它改變了人類對宇宙的觀念?! 稌r間簡史》對于我們這些喜歡用言語表達甚于方程表達的讀者而言是一本具有里程碑式意義的好書,這是一本對知識無限追求之作,是對時空本質之謎的不懈探討之作。在《時間簡史》一書的開頭,霍金曾說:“有人告訴我,我在書中每寫一個方程式,都將使銷量減半。于是我決定不寫什么方程。不過在書的末尾,我還是寫進一個方程,愛因斯坦的著名方程E=mc2。我希望此舉不致嚇跑一半我的潛在讀者。”就目前來看,霍金完全是多慮了?! £P于生命宇宙和時間的獨到見解:《黑洞、嬰兒宇宙及其他》 1993年,《黑洞、嬰兒宇宙及其他》一書出版。此書是由霍金在1976~1992年間所寫文章和演講稿共13篇結集而成?! 杏懻摿颂摃r間由黑洞引起的嬰兒宇宙的誕生以及科學家尋求完全統(tǒng)一理論的努力,并對自由意志、生活價值和死亡作出了獨到的見解?! £U釋著宇宙內核的萬物理論:《果殼中的宇宙》 《果殼中的宇宙》是出版于2001年的霍金的又一著作,它也可以被稱做是《時間簡史》的姐妹篇?! ≡谶@部新作中,霍金繼續(xù)向我們閩釋著宇宙內核的萬物理論,從超對稱到超引力,從量子理論到M理論,從全息論到對偶論。書中告訴人們:我們生活的宇宙具有多重歷史,每一個歷史都是由微小的硬果確定;同時還預期了“我們的未來”。正如霍金自己所說的:“距離《時間簡史》一書已經(jīng)有13年了,這門學科發(fā)展了,我希望自己說明問題的能力也提高了?!边@部新作與《時間簡史》相比,確有很多不同之處。這本書所闡述的理論內容有了更新的發(fā)展?! ∪藗兘?jīng)常會去思索:宇宙是永恒存在的,還僅僅是年代久遠的?有限的思維何以能理解無限的宇宙?時間旅行可能嗎?13年過去了,作者從事的這些科學研究領域有了非常多的新成果,正如作者在這本書中所述的“我們能夠而且應該試圖去理解宇宙。我們在這方面已有了顯著的進步,尤其是在前幾年?! ‘斎唬覀冞€未得到完整的圖像,但已為期不遠。” 3 量子宇宙論:霍金講述宇宙的由來 由于不同的初始狀態(tài)會導致不同的演化。大爆炸奇性的狀態(tài)從何而來,宇宙又從何而來——即“第一推動”的問題讓眾多物理學家開始了苦索答案的行程。 尋找第一推動問題的答案 20世紀80年代初,科學家們提出了所謂的暴漲宇宙模型。在大統(tǒng)一破缺之后,宇宙出現(xiàn)了一個以指數(shù)形式膨脹的階段。這種暴漲導致的結果和今天觀察到的宇宙大致相似:宇宙是十分平坦、均勻、各向同性的,而且宇宙中包括星系團、星系、恒星和生命形成等物質分布的模式也是這樣的。但是,人們仍然沒有徹底解決第一推動的問題?! 』艚鸾鉀Q了第一推動的問題 真正解決第一推動問題的是霍金。在霍金提出的無邊界條件的量子宇宙論中,宇宙的誕生源自一個歐氏空間向洛氏時空的量子轉變。歐氏空間是一個四維球,在四維球轉變成洛氏時空的最初階段,時空是處于暴漲階段。接著,膨脹減緩,我們可以用大爆炸模型來描述。在這個宇宙模型中,空間是有限卻無邊界的,可以說是封閉的宇宙模型。在1982年霍金提出這個理論后,幾乎所有的量子宇宙學都圍繞著這個模型展開研究。這是因為這個模型的理論框架對封閉宇宙的研究非常起作用?! ∧壳暗挠^測和推斷 很多人曾經(jīng)嘗試將霍金的封閉宇宙的量子論推廣到開放的情形,但未能成功。之后,霍金和圖魯克在他們的新論文《沒有假真空的開放暴漲》中提及了這個問題。霍金仍然運用了四維球的歐氏空間來說明問題。由于四維球具有非常高的對稱性,在進行解析開拓時,就可以得到雙曲面為空間截面的宇宙。按照三維雙曲面空間繼續(xù)演化下去,宇宙就不會重新收縮,這樣的演化是無窮無盡的?! ∪绻钪娴闹匦绿s,造成的結果將是到重新回到高溫的大擠壓狀態(tài)。而開放宇宙的無限膨脹的前景也很難說,或許宇宙將不斷地冷卻下來。不過就目前來說,人們無法知曉世界末日何時來臨,因為那是極其遙遠的事情?! 〉诙隆—M義相對論 1 愛因斯坦 20世紀最偉大的物理學家 阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein,1879~1955),聞名于世的德裔美國科學家,現(xiàn)代物理學的偉大開創(chuàng)者和奠基人?! 妥x加逃學 1896年,一位向往自由的年輕人走進了瑞士蘇黎世的聯(lián)邦工科大學。而在去年的考試里,他還是個落榜生。愛因斯坦舍棄德國國籍來到瑞士,主要是為了逃避兵役。而這條自由之路卻通向發(fā)現(xiàn)之路,愛因斯坦就這樣開始了他的研究生涯。本性所驅,愛因斯坦厭倦大學里那些循規(guī)蹈矩的課程,卻把興趣投向了那些自己感興趣的書籍,尤其是基爾霍夫和麥克斯韋等物理學家的論文和哲學家馬哈的著作。至于考試,愛因斯坦則要仰仗他的好友葛羅斯曼的筆記了。終于,愛因斯坦的所作所為終究引起了一位教授的憤怒。愛因斯坦為他的逃課付出了慘痛代價一因缺席某次實驗研究課受到嚴厲的警告,并在他的大學的檔案里留下了不良記錄?! ‰p重打擊 1900年8月,愛因斯坦畢業(yè)了,他目睹了同屆友人們留校任教,開始對自己就業(yè)無著落的生活進行反思。謀職的壓力沒有擊垮他,他開始醞釀一篇不可思議的論文。論文的內容是關于分子運動研究的。雖然愛因斯坦的相對論廣為人知,其實他的研究領域十分廣泛,尤其是關于統(tǒng)計力學的研究一他早期論文的主要目標。 1888年5月,愛因斯坦終于找了一份在高中擔任代課老師的工作。對他而言,這份工作并不值得驕傲,因為他的目標是更多更廣更深的研究。 在他教書工作空當時,愛因斯坦依然寫著關于分子運動的論文,然而送到蘇黎世大學的審讀結果卻是被否定。同時,他寫給大學同學關于希望在大學謀職的信也遭到了回絕。先是渴望得到助教工作卻沒被錄用,接著又是研究論文不被認可,雙重打擊讓他感受到了刻骨銘心的挫敗感。 驚人的轉身 愛因斯坦得以踏出新方向的第一步,完全得歸功于他的友人葛羅斯曼的大力協(xié)助。在葛羅斯曼父親的大力推薦下,愛因斯坦才終于在瑞士首都伯爾尼專利局找到一份工作。對于在伯爾尼的那段日子,真可說是愛因斯坦一生中最幸福的時光了。因為他只要完成專利局的工作,就可以利用充裕的時間思考他的論文了。在以后的日子里,他和友人哈比希特、索羅文共同創(chuàng)立了名叫“奧林比亞學院”的研討會,開始終日沉湎于物理、數(shù)學、哲學的研討中。于是,他的那些的論文頻頻發(fā)表,不乏名垂青史的佳作。更令他感到欣喜的是,他還在那里覓得了最初的妻子?! ? 光速 亙古不變的速度 真空中的光速,是一個物理常數(shù),用符號C來表示,等于299792458 m/s,根據(jù)愛因斯坦的相對論,沒有任何物體或信息運動的速度可以超過光速。 目測光的傳播速度 在愛因斯坦剛進入大學時,物理學研究提出了光速的問題。那是一項有關光速的某項實驗結果?! τ诠膺@樣一個不可捉摸的物質,可以用一個通俗的例子來說明。 假設一個人現(xiàn)在正以時速100公里駕駛汽車,當他看到一輛以時速200公里行駛的列車時,他會發(fā)現(xiàn)什么? 假如汽車是與列車同方向行駛,人對列車的目測速度是時速100公里;如果汽車與列車開往相反方向,那么人對列車的速度就是時速300公里?! δ繙y光速的質疑 然而,美國物理學家邁克爾生及莫雷1897年關于光的實驗結果卻和以上的目測法的結果不一致?! ∫陨鲜隼又械钠嚭土熊嚍槔?,由運動光源發(fā)出的光速應當比起由靜止光源發(fā)出的光速更快。如果運動中的光有相交,那么目測速度應當是兩者速度之和。然而,實驗結果卻表明,無論是運動中或靜止中,光的行進速度都是恒定的?! ∷裕斎藗儨y量光速時,無論自身是運動的還是靜止的,測量出的光速都是不變的?! ? 永恒不變 絕對時間與絕對空間 時間是對物體之間相對運動快慢的一種描述。它表示物質運動過程的持續(xù)性和順序性,是物理學中的一個基本物理量。 時間的從不逗留 對任何人而言,時間的步伐都是一致的。 首先,時間與人類或其他物體都沒有關聯(lián),無論我們采取什么樣的方式來計算,時間都以同樣的速度流逝。因此,不可挽留和不可停住的時間,又叫做絕對時間?! 〖偃纾F(xiàn)在世界上所有的鐘表都消失了,那么,時間仍然繼續(xù)行走嗎?事實是,如果真的所有的鐘表都消失了,時間仍然繼續(xù)存在??墒牵绻康脑踊蛄W雍顽姳硪黄鹣Я?,又會是什么樣的呢?如果連地球、太陽、銀河系都全都不見了,宇宙便也消失了的話,那又會怎樣呢……也許,有人認為,既然一切都消失了,那時間還有存在的必要嗎? 時間就是這樣,無關所有的人和事,獨自前行,永遠存在?! ∥枧_的比喻 即使沒有演員登臺,舞臺依舊存在,如同絕對時間和絕對空間,即使這二者與物質分離,或是其他物質都消失殆盡,它們仍然存在?! £P于絕對存在的定義來自于偉大的科學家牛頓?;跁r間和空間的絕對性,牛頓建構出運動的法則。不過,牛頓的法則并沒有對絕對空間進行解釋,而是設立了一個前提一存在一種相對靜止的狀態(tài)。 例如,一輛運行的列車中的旅客相對列車是靜止的,在車站內候車的旅客相對車站是靜止的,但他們的狀態(tài)永遠都是絕對運動的?! 】偠灾?,就牛頓的理論而言,運動是絕對的,靜止是相對的,因而速度本身沒有絕對的含義,也只是相對的?! 」馑俚慕^對意義 有關光速的實驗卻完全和牛頓的運動法則對立。從光速無論處于何種運動狀態(tài)都是一致的現(xiàn)象來看,光速是絕對的。運動和變化只有在一定的時間段里才會發(fā)生。在一個固定的時間點上,世界和萬物是不會發(fā)生任何運動和變化的?! ‘斘覀円^察世界和萬物的運動和變化時,首先要存在一個特定的時間段,然后以此作為觀察的條件。如果沒有這樣一個特定的時間段作為觀察的前提條件,那么我們就不能發(fā)現(xiàn)任何運動和變化的特征,或者說沒有比較或參照?! ? 絕對空間 一直在找卻沒有找到的空間絕對空間和絕對時間一樣,是和所有東西都沒有任何關系的自行存在的空間。然而,是否真的存在絕對空間和絕對時間呢? 尋找絕對空間 邁克爾生與莫雷曾經(jīng)做了許多關于光速的實驗,他們的目標是為了尋找牛頓所說的絕對空間,不過他們的實驗結果顯示,沒有絕對空間,更沒有絕對時間。他倆的實驗究竟是什么樣的呢? 就當時的情況而言,光被普遍認為是一種波。由于波本身也是一種傳導的媒介物,所以,大家相信肯定另有某種可以傳導光波的媒介存在。 媒介是什么 媒介是波在傳導時必需一種物質?! ∨e例來說,如果我們扔一顆石子到水里,水面立刻泛起一圈一圈的漣漪一不能稱其為波,但可以表明波的存在。此時,對于波而言,水就是媒介。再舉一個例子,聲音也是一種波,而我們可以互相對話就是因為空氣充當了聲波傳導的媒介。所以,當人們處于空氣稀薄的高原時,相互對話會比較困難,而在真空狀態(tài)下,聲音是無法傳播的?! ‘敃r的科學家普遍認為以太(能媒)是光的媒介物,如果缺少了以太(能媒)光就無法傳播。而且,依據(jù)這樣的想法,可以作以下推理:以風速為例,風是源于空氣的運動,所以風在吹動時,沿著同一方向前行的音速會隨著風速的增加而增加,而朝反方向運動的音速則會隨風速減慢而減速,同理,此類情況在光的傳播過程中也會發(fā)生?! ∫蕴拖耧L 換句話說,以太(能媒)是光波傳導的媒介,所以光速會隨以太(能媒)的速度增加或減少而變化。同時,人們也認為,就算是在絕對空間里,也存在著這樣一種靜止狀態(tài)的以太(能媒)。 ……
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